石拱桥项目设计方案

1 石拱桥 项目设计方案 1、 引言 拱桥与梁桥区别 我国历史文化悠久，在桥梁建设史上留下了不少灿烂篇章。而且类型也丰富多彩富有民族特色的的石拱桥，无论结构的精心巧思以及艺术造型的丰富多彩，长期以来一直驰名中外。举世闻名的赵洲桥就是其中的杰出代表。拱桥是我国公路上使用较为广泛的一种桥型。拱桥与梁桥的区别不仅在于外形不同，更重要的是两者的受力性能有较大差别。梁式结构在竖向荷载作用下，支撑处仅产生竖向支撑反力，而拱式结构在竖向荷载作用下两端支撑除了有竖向反力外，还将产生水平推力。正是这个水平推力，使拱内产生轴向压力，从而大大减少了拱圈的截面弯距，使之成为偏心受压构件，截面上的应力分布与受弯梁相比，较为均匀。因此可以充分利用主拱截面材料，使跨越能力增大。 设计说明 建设理由及设计要求 该桥建在 上，随着蓬莱的不断发展，原有道路已不能满足交通要求，为此在再修建一座桥梁。所建设桥梁要符合城市发展规划，满足交通需要：其次，桥梁建造在蓬莱市内，因此，桥型要简洁、轻盈，不与已有桥梁外形雷同，以期成为一道新的风景线，体现民族特色。 总体说明 （ 1） 该桥设计荷载为 公路 桥面宽 17m，其中行车道宽 14m，两侧人行道宽 括栏杆宽度） （ 2） 主拱圈为等截面悬链线无铰拱，拱轴系数 m=拱圈按弹性无铰拱进行计算，拱圈计算时未考虑墩台变形对拱 圈受力的影响和单向推力的作用，同时也没有考虑拱上建筑的联合作用， 矢跨比为 1/4。主拱圈厚度为 （ 3） 该桥采用空腹式拱上结构，在主拱两侧各布置 2 孔净跨为 腹拱，立柱为矩形截面，立柱尺寸见后面图。矢跨比为 1/5，圆弧线拱轴， 拱圈厚为 （ 4） 桥墩采用重力式，桥台用 重力式 （ 5） 桥面构造：桥面不设纵坡，利用桥面横坡排除桥面雨水，桥面每隔 10水孔沿行车道两侧左右对称排列，另外增设渗水缝。桥面设三角垫层以便设横坡，路面铺筑 14青混凝土。采用 行道宽 中人行道 栏 栏到边缘距离为 栏高 1m,人行道 出 1m。 2 （ 6） 施工要点 ： 1） 台后填土须选用透水性良好的砂性土，并分层夯实，密实度控制在 90%以上。在砌筑拱圈时要求垂直于受压面的顺桥向砌缝错开，错开间距 不小于 10石的竖向砌缝也应错开，错开不小于 10缝的宽度不应大于 2筑时应选用较大的平整面与拱轴线垂直，并使石块的大头向上，小头向下，较大的缝隙应用小石块嵌紧并灌满砂浆，以保证墩台的受力性能 2） 人行道、栏杆、帽石和沥青混凝土 桥面，在腹拱较的上方或侧墙有变形缝处，均应设置贯穿全桥宽度的伸缩缝或变形缝，以适应住拱圈的变形。 3） 防水层全桥范围内不能断开，当通过伸缩缝或变形缝时应作伸 缩缝或变形缝上防水层构造物，使之既能防水有能适应变形 4） 拱架应设置施工预拱度及拱圈砌筑程序，随时注意观 察拱架的变形情况，必要时对砌筑程序进行调整以控制拱圈的变形。 5） 安装和砌筑主拱圈及拱上建筑时，必须在纵横向保持对称均衡 ,在施工过程中必须随时注意观测并控制拱圈的变形。 方案比选 初拟方案完成后，通过初步分析，将其中明显竞争性不大的体系删去，提出 2 3个具有特色的体系做进一步评比，这 2 3 个必选方案应力求受力合理，施工可行。然后按以下标准选出最佳推荐方案。 比选标准 （ 1） 安全 安全标准可以从行车安全、通航安全、基础地质条件的安全与施工安全等几方面考虑行车安全主要通 过桥面设施的布置来实现。通航安全虽然有通航净空保证，但应注意是否有拖船组成的船队通过，另外桥下水流方向是否与桥梁垂直。基础方面应该满足规范中规定的基础埋深与河流的冲刷深度。另一方面应检查基础附近是否有裂缝、断层、溶洞等不良地质现象存在，由此检查桥梁分孔 是否合理。 （ 2） 功能 桥梁的功能无非是两方面：一是跨越障碍，二是承受荷载。在方案比选中应选择传力路线直接、简洁的结构形式，以保证结构的受力合理性。梁式体系比拱式体系好，无铰拱比有铰拱好，整体式的比组合式的好，扩大基础比桩基础好。 小跨 能满足功能要求的就不做大跨；能用标准设计或通用设计的宜优先考虑。 （ 3） 经济 评价一座桥的经济性可以从以下几个方面进行：造价、工期及养护维修。 1） 造价包括材料费、人工费、机具设备费。在材料用量比较中，主要考虑钢材、混凝土、木材的用量。按照我国目前的情况，要多注意节约钢材与木材。人工费和机具设备费的标准各地区有很大差别，可根据概预算定额标准进行估算。 3 2） 一座桥梁建设工期的长短与造价有很大的关系。 桥梁作为线路的一部分，应该要求做到“线路修到哪里，桥也通到哪里”。 影响工期的因素有很多，在建桥资金有保障的 前提下，有基础工程量的大小、结构形式、施工方法等。尤其是基础工程，在地质条件复杂，河水较深的桥位可适当加大跨径，以减少基础施工难度。 非就地取材的桥型，不仅造价高，而且工期长；采用脚手施工的工期长，而且有水毁之虞，都需一一加以考虑。 3） 在桥梁规定使用期限内经常维修费用的多少需要考虑，混凝土桥的养护和维修费用比钢桥低的多，当遭受军事或自然因素破坏后的修复，梁式桥比拱桥方便。 （ 4） 美观 我国基本建设的方针是“经济、实用和在可能条件下注意美观“，大量的公路桥的铁路桥应注意这一原则，但在特大桥、城市桥 以及位于风景区的桥梁，应注意选择美观的桥型方案。 因为一座桥梁 往往是一个城市的标志，一个城市的骄傲。 设计时应考虑结构的造型与当地地形、景物的协调，桥梁轮廓尺寸 应比例匀称。 除了以上四方面主要的比选标准，施工设备和施工能力也是必须考虑的一个方面。每一个方案都应初步采用什么施工方法 ，根据所给的施工和现场条件制定施工方案。 从经济、工期等方面比较各个方案可能性。 以上各点既有联系，也有矛盾，而且各方案本身具有自己的特点，在进行比选时应抓住主要矛盾，兼顾次要矛盾， 进行分析评比，提出自己的评比结论， 征求指导老师意见 后定出方案 。 三种方案比选 （ 1） 第一种方案： 2孔上承式空腹石板拱桥。 1） 孔径布置：本方案由 2孔 20m，全长为 种桥型是一种美观经济的常用桥型，这种桥型在各方案的竞争中具有一定的优势。 2） 主跨结构构造：矢跨比为 1/4，为等截面悬链线无铰拱， 拱轴系数 m=拱圈为石板拱，高为 拱圈计算时未考虑墩台变形对拱， 圈受力的影响和单向推力的作用，同时也没有考虑拱上建筑的联合作用。 拱上建筑采用拱式腹孔，跨比为 1/5，拱 圈厚 圆弧拱，每边为 2 个腹孔。桥面净宽 14m， 两侧人行道宽 3） 墩台基础：由于地质条件较好，故桥墩采用重力式桥墩，桥台采用 础伸入弱风化玄武岩。 4） 施工方案：支架施工 拱架应 设置施工预拱度及拱圈砌筑程序，随时注意观察拱架的变形情况， 对砌筑程序进行调整以控制拱圈的变形， 估计全桥施工周期为六个月 （ 2） 第二种方案：上承式空腹悬链线双曲拱桥。 1） 孔径布置：本方案由 1孔 40m，全长 2） 主跨径结构构造：主跨径用 1 跨上承式空腹双曲拱桥。矢跨比 位 1/5，为等截面悬链线无铰拱。主拱圈为 7肋 6波外加两个半悬波组成，高 面宽位 18m，主拱圈内设 9根横隔板。拱上建筑采用拱式腹孔，净跨 跨比为 1/7，拱圈厚 4 为圆弧拱，每边为 3个腹孔。 3） 桥台基础：桥台采用重力式 桥台采用 石块石， 桥台基础采用 台基础深入到弱风化玄武岩 4） 施工方案：主跨采用无支架门柱式缆索吊装。拱肋分三段预制吊装，接头位置在 跨径处，每段拱肋采用 2 个吊点，在肋内预埋 钢筋作吊环，接头处采用环氧树脂粘结， 焊接预留钢筋的卡砌接头形式 ,估计全桥施工周期为六个月。 （ 3） 第三种方案：钢筋混凝土空心板桥 1） 孔径布置：本方案由 3跨 15m，全长 种桥型虽然施工简单，但单调、常见。 2） 主跨结构构造：空心板长为 15m，宽为 为 用 10 个中间板，外加两个边板 ,桥面总宽为 17m。 3） 墩台及基础：桥墩采用桩柱式墩，桥台采用重力式 寸见方案比选图。 4) 施工方案：采用装配式现场吊装施工 ,估计施工期为五个月 方案点评 （ 1） 根 据设计构思宗旨，桥型方案应满足结构新颖、受力合理、技术可靠、施工方便的原则。以上三个方案都满足这一原则。 （ 2） 从结构的外形看，方案分为拱桥和板桥。方案一主结构是等截面悬链线无铰拱， 属超静定结构，受力较好，需要大量脚手架或木材，桥型美观。 方案较好地体现了设计构思的思想，符合城市规划的要求，与周围山水环境相协调，满足城市长远交通功能，结构合理、工艺成熟。 第三种方案属静定结构，受力简单，经济指标较低，桥型美观较差。 蓬莱乃旅游胜地，考虑环境美观要求，修建拱桥不失为上等选择。根据勘查资料知道 本区属于 北温带湿润季风海洋性气候，四季分明，气候温和，无霜期约 200天，年降水量 700 800地震设防烈度为 计地震基本加速度为 本河段不通航，无流水、流木、和较大的漂浮物，桥位河段较为顺直，河床平坦，两岸较 为整齐，无坍塌现象。 河床土质为中砂，桥位河段历年汛期平均含沙量为 =10N/风速 10m/s。 经由以上的八字原则以及设计施工等多方面考虑 ,比较确定 2孔 20板拱桥为推荐方案，下部结构采用重力式桥墩和 性扩大基础 。 2、 设计资料 设计标准 设计荷载 5 公路 跨径及桥宽 净跨径 0m，净矢高 m， 净矢跨比 1/4，桥面净宽为 净 14+2 材料及其数据 拱上建筑 拱顶填料厚度 包括桥面系的计算厚度为 算平均容重 0kN/上护拱为浆砌片石 容重 3kN/拱结构材料容重 4kN/拱拱腹填料为砂、砾石夹石灰炉渣黄土，包括两侧侧墙的平均容重 9kN/m 主拱圈 石 容重 4kN/限抗压强度 103kN/限直接抗剪强度 103kN/性模量 E=800106kN/桥墩 石，材料容重 3kN/限抗压强度 103kN/基土为中等密实的 卵石夹砂、碎石，其容许承载力 =500kN/基础与地基间的动摩擦系数取 = 桥台 容重 3kN/限抗压强度 103kN/限直接抗剪强度 103kN/台基础为 4kN/后填砾石土，夯实。内摩擦角 =350 填土容重 3kN/、 主拱圈计算 确定拱轴系数 6 拱轴系数 m 值的确定，一般采用“五点重合法”，先假定一个 m 值，定出拱轴线，拟定上部结构各种几何尺寸，计算出半拱恒载对拱脚截面型心的弯矩 M 和自拱顶至 L/4 跨的恒载对 L/4跨截面型心的弯矩 。其比值 =，求得 ，可由 m=1/2（ ） 2反求 m 值，若求出的 m 值与假定的 m 值不符合，则应以求得的 复上述计算，直至两者接近为止。 拟定上部结构尺寸 （ 1）主拱圈上部结构尺寸 1) 截面特性 截 面高度 d=m k =20001/3= 取 d=拱圈横桥向取 1m 单位宽度计算，截面面积 A=性矩 I= 2=面抵抗矩 W= =面回转半径 rw=d/（ 121/2） =) 计算跨径和计算矢高 假定 m=相应的 。查 “ 拱桥 ” 表 （ ） 20（ 10） 得 j = j=算跨径 L=L0+d j =算矢高 f=f0+d/2 (1j)=) 拱脚截面的投影 水平投影 x=d j =y=d j =) 计算主拱圈坐标 将主拱圈沿跨径 24等分，每等分长 l=L/24=见下图（ 1）以拱顶截面型 心为原点坐标，拱轴线上个截面的纵坐标 表（） F，相应拱背坐标 y2=，相应的腹拱坐标 y3=y1+d/2 图 （ 1 ） 主 拱 圈 上 之 半 跨p 1 2p 1 1p 1 0 表 1 主拱圈截面坐标表 （ 2）拱上构造尺寸 1) 腹拱圈 腹拱圈为 面高 d=矢高 f0= 净跨径 L0=矢跨比 f0 /L0=1/5。查拱桥上册表 3 2 得 0= 0=平投影 y= d 0= y= d 0=) 腹拱墩 腹拱墩采用 浆 砌 横墙中间留出上半部为半径R=半圆和下部高为 R 宽为 2R 的矩形组成的检查孔。腹孔的拱顶拱背和主拱圈的拱顶拱背在同一水平线上。从主拱圈拱至腹拱起拱线之间的横墙中线的高度h=y1+d/2（ 1-1/） -（ d+f0）， 其计算过程及数量值见表 2 表 2 腹拱墩高度计算表 恒载计算 截面号 y1/f y1 j d/2 d/2j d/2j x 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0 1 2 0 0 项 目 x y1 d/2(1) h 横墙 座 实腹断分界线 8 恒载分主拱圈、拱上空腹段、拱上实腹段三部分进行计算。不考虑腹拱推力和弯矩 对拱圈的影响。其计算图示见图（ 2） 3017260250474 2 ） 恒 载 计 算2000/25007050（ 1）主拱圈恒载 2=表（） 9）值 24 1/4=表（） 9）值 =24 =J=表（） 9）值 =24 = 2）拱上空腹段的恒载 1) 腹孔上部（图 3） 9 图 ( 3 ) 腹 孔 上 部d P aP cP l外 =l+2d0= 拱内弧半径 R0=l/20 = 拱圈重 0（ R0+d /2） d2 () 24/180=拱侧墙护拱重 200 0- 0)（ R0+d） 2(2 /180)( 23=以上三个系数依次分别查拱桥上册表 3 1 1 填料及路面重 PC=l外 20=腹拱之间起拱线以上部分的重量 y（ f+d R2+ =(24+(172) 23+20=个腹拱重 P= ) 腹孔下部见图（ 5） 10 图 （ 5 ） 腹 孔 下 部 构 造过人洞 0 60 60 44 60 60 60 2260 22R 501#横墙 P= 2) 24=#拱座 P=() 24=) 集中力 14=(2+（ 3）拱上实腹段的恒载 1) 拱顶填料及桥面重 20=) 悬链线曲边三角形部分件图（ 6） 图 （ 6 ） 曲 边 三 角 形 ） k=式中 f1=（ 1/=(12= 11 m= k= 2 1 )= x = k x = f( x 1)/( x =f+1=x =2x /(l x =x (l/2以 ( 19/(=心位置 （ ） -（ ） = 4） 块恒载对拱脚及拱跨 L/4截面的力矩见表 3 表 3 半跨 恒载对拱脚及拱跨 L/4截面的力矩 编 号 恒重（ L/4 截 面 拱 脚 截 面 力 臂（ m） 力矩 (力 臂（ m） 力矩 (13 L/14 ， M/ M/ ，故可确定拱轴系数为 拱圈弹性中心及弹性压缩系数 弹性中心 ： 表（） f=性压缩系数 ： 1=表（） =表（） 1/（ +1） =主拱圈截面内力计算 大跨径拱桥应验算拱顶、 3L/8拱跨、 L/4拱跨和拱脚四个截面，必要时应验算 L/8 12 拱跨截面。本例只验算拱顶、 L/4拱跨和拱脚三个截面的内力 。 其余截面，除不计弹性压缩的内力直接在影响线上布置求得外，其步骤和 L/4拱相同。 恒载内力计算 按实际恒载计算时， /f=( 32)/( )=32)/()=上式得 m (1) 假载 载内力 1) 不计弹性压缩的恒载推力 ( 2 /8)/f=( ) 计入弹性压缩后的恒载内力见下表 表 4 恒载内力（不计 计算表 项目 拱顶 L/4截面 拱脚 y= 1 g = 1- 1/（ +1） g=Hg/ 1/（ +1） g= 1/（ +1） 2) 假载 生的内力 不考虑弹性压缩时假载 生的内力，可利用 以影响线的全面积求得 表 5 不考虑弹性压缩的假载内力表 项目 影响线面积系数 乘数 影响线面积 力或弯距 拱 顶 M 2 2 /f 2 2 /f 脚 M 2 2 /f ： 表中影响线面积系数拱桥表 66）计算得。 表中 L=f= 目 拱 顶 L/4截面 拱 脚 13 表 6 计入弹性压缩的 假 载内力 表 7 恒载内力计算表 计 算 项 目 水平力 H（ 轴向力 N(弯距 M(拱 顶 不计 生 计 （ 1）汽车 四车道汽车等代荷载 20=4 群等代荷载 车和人群荷载数值见下表 表 8 汽车和人群的计算 荷载 截 面 项目 汽车 人群荷载 合 计 应 0 y 1/（ +1） H =M+ 1/（ +1） Hy = 1/（ +1） H+V 14 顶 应 表（） 66）值 乘数 面积 拱 顶 2 应 2/f 2 应 2/f 0 15 与 1 =+ H= 1/（ +1） H N=N p =N y= M= p =M+ M 2）挂车 100的内力 表 11 不计入弹性压缩的挂车内力 截面 项目 挂车 影响线面积 力或力矩 顶 应 应 0 1 16 与 =+ H= 1/（ +1） H N=N p =N y= M= p =M+ M 主拱圈正截面强度验算 根据桥规 022规定，构件按极限状态的设计原则：荷载效应不利组合的设计值小于或者等于结构抗力效应的设计值，即： Rj/ 正截面受压强度验算 （ 1）荷载组合 根据桥规 021和桥规 022的规定，本例可得以两种组合： SI=R 恒 S 恒 +S 汽 + S 人 ） 恒 S 恒 + 挂 ) 表 13 主拱圈荷载效应不利组合的设计值 编号 荷载效应 系 数 拱 顶 L/4 截面 拱 脚 M N M N M N 1 恒 载 汽 汽 挂 挂 载组合 组合I 恒 +汽 1 恒 +汽 17 8 组合 +挂 恒 +挂 ： 荷载安全系数的取值，对于结构自重，当其弯距与车辆荷载的弯距同号时取 号时取 向力的荷载安全系数取值与相应弯距相同，对于其他荷载都取 （ 2）拱圈截面抗力 根据 桥规 022的规定，拱圈截面抗力的设计值为 : RN=rm=a 15 6500/应的容许偏心距 别为 ： 合 I）， 合 具体计算见表 14 表 14 主拱圈抗力效应的设计值 截 面 编 号 j/Nj a=1-（ e0/y） 8/ 1+（ e0/2 RN= 拱 顶 6 ，荷载效应的最不利组合设计值 小于拱圈截面抗力效应的设计值 轴向力的偏心距 都小于容许值。 正截面受剪强度计算 主拱圈的抗剪强度，一般只需考虑拱脚截面见图（ 7） 18 7 ） 拱 脚 截 面 受 力 图 A( 15 330/ 式中 荷载剪力的最不利组合设计值 与 映的设计值 由于拱桥手册中没有 N、 般可按下式计算 Q=H j N=H j+V j （ 1）活载推力 的计算 表 15 活载推力 的计算 项目 影响线面积 汽车 及人群