南京工业大学桥梁工程课程设计2(空腹式拱桥设计)

精心整理精心整理空腹式等截面悬链线无铰拱设计交通1001朱天南一、设计资料1．设计标准设计荷载：汽车荷载公路－I级，人群荷载3.5kN/m2桥面净空：净－8+2×(0.75m+0.25m)人行道+安全带净跨径：净高：净跨比：2．材料数据与结构布置要求拱顶填料平均厚度(包括路面，以下称路面)，材料容重主拱圈材料容重(包括横隔板、施工超重)：拱上立柱（墙）材料容重：腹孔拱圈材料容重：腹孔拱上与主拱圈实腹段填料容重：人行道板及栏杆重：混凝土材料：强度等级为C30，主要强度指标为：强度标准值，强度设计值，弹性模量普通钢筋：1)纵向抗拉普通钢筋采用HRB400钢筋，其强度指标为抗拉强度标准值抗拉强度设计值精心整理精心整理弹性模量相对界限受压区高度，2)箍筋及构造钢筋采用HRB335钢筋，其强度指标为抗拉强度标准值抗拉强度设计值弹性模量本桥采用支架现浇施工方法。主拱圈为单箱六室截面，由现浇30号混凝土浇筑而成。拱上建筑采用圆弧腹拱形式，腹拱净跨为5m，拱脚至拱顶布置6跨(主拱圈的具体几何尺寸参照指导书实例修改自定)。3．设计计算依据交通部部颁标准《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60－2004)交通人民出版社交通部部颁标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62－2004)交通人民出版社交通部部颁标准《公路圬工桥涵设计规范》(JTGD61-2005)交通人民出版社《公路设计手册-拱桥(上)》人民交通出版社，2000.7二、确定主拱圈截面构造尺寸，计算拱圈截面的几何、物理力学特征值1.主拱圈截面尺寸拟定拱圈截面高度按以下公式估算：式中：——拱圈高度（mm）——拱圈净跨径（mm）——对多室箱取600mm故，。又为施工方便，取主拱圈横桥向取1m单位宽度计算，横截面积A=1.2m2拱圈由六个各为1.5m宽的拱箱组成，全宽B0=9.0m。箱型截面挖空率可取50%~70%。腹板厚度宜取100~200mm，顶底板厚度宜取100~250mm。综上布置拱截面如下图所示：精心整理精心整理图1主拱圈截面尺寸（尺寸单位：mm）2.主拱圈截面几何性质截面积：主拱圈重心高度，显然有绕箱底边缘的静面矩：主拱圈截面绕重心轴的惯性矩：回转半径：三、确定主拱圈拱轴系数m及拱上建筑的构造布置和几何构造尺寸1.确定共轴系数m假定m=2.240，对，查《拱桥》(上册)表(III)-20(6)得：=0.68284，=0.73057，=43?03’56’’主拱圈的计算跨径和计算矢高：拱脚截面的水平投影和竖向投影：，。将拱轴沿跨径5等分，每等分长。查表(III)-20(6)并计算将各截面计算参数汇于下表：截面计算参数表表12.确定拱上建筑的构造布置和几何构造尺寸对于拱式腹孔，每半跨内的布置范围一般不超过主拱跨径的1/4~1/3。本例中，腹拱跨径5m，净矢高1m，板拱厚度300mm，腹拱按等跨处理以利于施工及腹拱墩的受力。腹拱拱顶的拱背和主拱拱顶的拱截面位置拱背拱腹拱顶00010.750-0.7500.75017.710.2153.0490.938720.7992.253.848拱脚35.42114.1800.730571.02713.15315.207图2拱上建筑结构布置图（单位：mm）精心整理精心整理背在同一标高。1、2号腹孔墩采用立柱式，宽度600mm，间距2m，3号腹孔墩采空横墙式，厚度取600mm。构造布置图如图2。各墩中线自主拱拱背到腹拱起拱线的高度按计算，并汇于表2：腹拱墩高计算表表2项目1号立柱30.500.85871.241710.0290.80511.28388.5162号立柱24.900.70111.01386.4110.60731.17004.9833号横墙19.300.54340.78583.7230.44111.09302.354空、实腹段分界线14.000.39410.56991.9120.30521.04550.578注：其中因为1/5，故=0.68284，=0.73057。腹拱拱脚的水平投影和竖向投影：四、结构恒载计算恒载计算先将桥面系换算为填料厚度，再按主拱圈、拱上空腹段。拱上实腹段及腹拱推力四部分进行。1.桥面系换算由已知，栏杆及人行道板每延米重度为，沥青表处面层每延米重度：以上各部分恒载由拱圈平均分担，则换算容重为的计算平均填料厚度为：2.主拱圈由表(III)-19(6)查得数据并代入计算精心整理精心整理3.拱上空腹段(1)腹孔上部构造图及尺寸如图3所示1)腹拱圈外弧跨径：2)腹拱圈内弧半径：3)腹拱圈重力：4)腹拱上的护拱重力：5)填料及桥面系重力：腹拱墩起拱线以上部分结构图如图4所示综上，单个腹拱总重力：图3腹孔上部构造图4拱脚构造示意图精心整理精心整理(2)腹拱下部（包括横隔板）结构示意图如图5所示，在计算立柱与横墙重力时折入横隔板，等效为立柱高度。1)梁盖重力：2)底梁重力：3)1号立柱重力：4)2号立柱重力：5)3号横墙重力：(3)腹孔集中力4.拱上实腹段计算图示如图6所示。(1)拱顶填料及桥面系重(2)悬链线曲边三角形式中：图5腹孔下部构造（单位：mm）图6拱上实腹段计算图示精心整理精心整理其重心至拱顶的距离：5.腹拱推力靠近主拱拱顶一侧的腹拱多采用两铰拱，在较大的恒载作用下和考虑到周围的填料等构造的作用，可以折中地按无铰圆弧拱计算其推力，而不计弯矩的影响。计算图示如图7所示。腹拱水平推力：式中：由与，查《拱桥》(上册)表(I)-4并线性内插得：故：腹拱拱脚推力作用线距x轴的偏心距：腹拱推力对各截面重心产生的力矩按计算。6.验收拱轴系数图7腹拱拱脚受力图精心整理精心整理恒载对拱脚与截面的力矩见表3，得该值与0.22之差小于半级0.0025，故可确定拱轴系数2.240五、拱圈弹性中心与弹性压缩系数1.弹性中心式中可查表(III)-3得。2.弹性压缩系数六、主拱圈结构内力计算1.结构自重内力计算对拱脚与截面进行验算，如表3所示：半拱恒载对拱脚与截面的弯矩计算表表3项目集中力编号重力（kN）截面拱脚截面力臂（m）弯矩（kN·m）力臂（m）弯矩（kN·m）主拱圈6349.9525797.05112759.16拱上空腹段2000.055.0110020.251872.8610.6119871.041725.7216.2127973.92729.573.7552739.5421.5115693.05实腹段2045.7410.75522001.9328.5158324.051947.257.23514088.3524.9948661.78精心整理精心整理腹拱推力760.441.93761473.4313.75910462.89Σ66100.30303766.15当确定m系数时，其实算值很难与选定的拱轴系数在“五点”重合，因此必须用“假载法”计入偏离的影响。当计入该部分影响后，相应三铰拱的恒载压力线在“五点”以外与选定的拱轴线有偏离。以下分别计算这两种偏离的影响。(1)假载法确定m系数时在“五点”存在的偏差确定拱轴系数时，恒载压力线在截面与拱脚截面的纵坐标之比为0.2176，并不等于所取用的2.240的拱轴线上相应两点的比值0.22，两者之差为0.0024.该偏差的影响可比拟为一层虚设的均布荷载作用于选定的拱轴线上。按式：得虚设均布荷载：假载产生的内力可以将其直接布置在内力影响线上求得。不考虑弹性压缩的假载内力见下表4不计弹性压缩的假载内力计算表表4项目影响线面积力或力矩()表(III)-14(43)值乘数拱顶截面0.001985043.849.9868284.620.12742355.2045.25961289.90截面-0.001245043.84-6.2544-178.250.12742355.2045.25961289.90拱脚截面0.004405043.8422.1929632.500.12642355.2044.90441279.780.5000071.0235.51001012.04计入弹性压缩的假载内力见下表5计入弹性压缩的假载内力计算表表5精心整理精心整理项目拱顶截面截面拱脚截面10.938720.7305700.344680.682841289.901289.901279.781012.0419.3919.3919.241270.511353.451611.98284.62-178.25632.504.8171.768-9.383378.01-143.97452.02注：截面轴力按近似计算拱轴线恒载内力推力：考虑弹性压缩的拱轴线恒载内力汇于表6考虑弹性压缩的拱轴线恒载内力计算表表6项目拱顶截面l/4截面拱脚截面10.938720.7305723101.4922341.0522341.0522754.2722005.2622005.2623101.4923799.4830580.30347.22315.21245.3222754.2723484.2730334.994.8171.768-9.3831672.54593.67-3150.68注：拱顶截面取F=0，拱脚与截面取F=760.44kN考虑确定m系数偏差影响的恒载内力精心整理精心整理考虑m系数偏差影响的恒载内力等于拱轴线m的恒载内力减去假载的内力，计算结果见下表7考虑“五点”偏差的恒载内力表7截面项目拱顶截面截面拱脚截面拱轴线恒载假载合计拱轴线恒载假载合计拱轴线恒载假载合计水平力23101.491289.9021811.5923799.481289.9022509.5830580.301279.7829300.52轴力22754.271270.5121483.7623484.271353.4522130.8230334.991611.9828723.01弯矩1672.54378.011294.53593.67-143.97737.64-3150.68452.02-3602.70(2)恒载压力线偏离拱轴线的影响1)恒载压力线偏离拱轴线的偏离弯矩a.主拱圈自重对各截面产生的力矩计算恒载偏离弯矩，首先要计算出桥跨结构沿跨径各等分段的分块恒载对各截面的力矩，再算各截面压力线的纵坐标，然后才能求得。主拱圈自重对各截面产生的力矩：式中与分别从《拱桥(例集)》附表1-1与1-2查得。将计算结果汇于表8：主拱圈自重对各截面产生的力矩表8截面号(kN·m)120.000000.000000.000000.000000.00110.083330.083390.003760.00319651.41100.166670.167040.014220.013622782.3590.250000.251210.031480.031326398.4280.333330.336290.056590.0555111338.4370.416670.422550.088960.0871017793.2060.500000.510310.128900.1262625790.8150.583330.600300.177970.1722035176.8640.666670.692830.235840.2260546176.2830.750000.788460.303300.2880558840.55图8主拱圈自重计算图示精心整理精心整理20.833330.888450.382830.3575473037.0910.916670.993220.474590.4358689036.5501.000001.103670.580130.52354106946.42b.拱上实腹段恒载对各截面产生的弯矩计算拱上实腹段的恒载时，必须将拱顶填料及面层的矩形板块和其下面的悬链线曲边三角形块分开才能准确计算。(a)矩形板块从拱顶到每个截面的矩形板块的重力：对实腹段里每个截面的力矩：对空腹段里每个截面的力矩：式中k表示空、实腹段的分界点，并取：(b)悬链线曲边三角形块从拱顶到任意截面的重力：对每一的重心横坐标：在实腹段里，截面重心到任意截面的力臂为，在空腹段里，整块曲边三角形面积的重心到每个截面的力臂为。a、b