毕业设计（论文）-某城市大桥设计.docx

13 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）广西科技大学毕业设计（论文）说明书课题名称：某城市大桥设计学院土木建筑工程学院专业土木工程（交通土建）班级土木 093 班学号姓名指导教师2013 年 5 月 27 日13 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）前 言大学四年的学习生活转瞬即逝，在毕业前的毕业设计对我们而言尤为重要。它不仅仅是学校教学要求的一个重要环节，更是培养我们独立工作能力、理论联系实际的能力、严谨设计能力等能力的一个重要的手段。通过认真的完成毕业设计，可以系统的运用所学的知识，也可以通过毕业设计来查找理论知识存在的不足。全套图纸加扣 3012250582本设计是在指导老师的悉心指导下完成的，题目是柳州市某大桥的设计，主要从桥梁方案的设计与比较，桥梁的结构内力计算，预应力筋的配置设计，预应力损失的计算，截面强度、应力验算等几个方面进行。在桥梁方案比选时，首先根据地形地质条件，桥梁的总长，大体确定要选用的基本方案，通过比较分析，按照安全、实用、经济、美观、有利于环保的原则，确定最终的方案。本设计考虑到水位情况、基础埋深、桥面宽度、施工方法等等因素，最终确定出桥型总体布置图，引桥采用跨径为 35 米和 30 米的预应力混凝土箱型连续梁桥，主桥采用主跨为 140 米的中承式钢管混凝土拱桥。主跨拱肋采用圆端形截面，边跨拱肋采用钢筋混凝土矩形截面形式。主跨拱肋采用钢管混凝土截面可以增强截面刚度，减少截面结构尺寸，节约混凝土的用量，进而起到减轻桥梁自重，减少了恒载的重力，在一定程度上也可以减低桥梁造价。随着我国拱桥设计的不断发展，钢管混凝土拱肋也是目前较大跨径拱桥中最常采用的截面形式之一。如将 1989 年建成的四川省第一座跨径为 100 米的钢筋混凝土箱型拱肋与箱型板拱定型设计相比，重力与水平推力分别减少小了 48%和 40%，相当于减小了下部结构圬工数量，从而降低了总造价。另外，在外观上，考虑到该设计为城市桥梁，钢管混凝土中承式拱桥拱桥线形清晰明快，轻盈美观，增加的城市的美观性，并且施工也比较方便，本设计采用缆索吊装施工。由于，钢管混凝土拱桥的这些优点，目前在混凝土拱桥中已被普遍采用。其它结构的设计以及细部的处理都参照了相应的规范和手册进行。在计算时，通过手算和桥梁迈达斯软件计算相结合，进行了截面配筋、应力计算等工作。在模型的建立过程中，对于细部的处理，如何施加荷载、如何导入 CAD 截面等问题有了更清晰的认识，在整个设计的过程中，CAD 制图、桥梁电算、手算等能力有了明显的提高，独立分析计算的能力得到了长足的发展。本设计旨在通过合理的设计，达到安全、实用、经济、美观、有利于环保的目的，同时，要达到学以致用、举一反一的程度。通过计算分析，结构的设计是安全可靠、合理的。通过毕业设计，收获很多、感触颇深，但由于本人能力和知识水平有限，错误之处在所难免，恳请各位老师批评、指正。13 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）目录摘要 .1第 1 章绪论 .21.1 钢管混凝土拱桥现现状与发展 .21.2 钢管混凝土拱桥的应用现状 .21.3 钢管混凝土拱桥的理论研究现状 .31.4 钢管混凝土拱桥的发展优势 .31.5 钢管混凝土拱桥目前存在的问题 .41.6 钢管混凝土拱桥发展趋势 .5第 2 章 设计资料及概述 .62 .1技术标准 .62 .2自然概况 .62.3 不良地质现象及地质灾害 .62 .4 设计规范 .62 .5概述.7第 3 章方案设计与比选 .83 .1 初选设计方案说明 .83 .2 方案比选 .83.3 最终方案的确定 .14第 4 章 结构设计计算 .154 .1 主要材料及技术性能 .154 .1 .1混凝土 .154 .1 .2 预应力钢束的物理力学参数取值 .154 .1 .3沥青混凝土 .154 .2 结构尺寸拟定 .154 .2 .1 基本计算构造 .154 .2 .2 桥型尺寸拟定 .164 .2 .3 主桥上部构造 .164 .3 下部构造 .194.4 迈达斯建模全过程： .194.4 .1 材料的定义： .194.4 .2 截面定义： .214.4 .3 节点和单元的建立 .254.4 .4 边界条件 .264.4 .5 预应力钢束的布置 .264.5 荷载的施加 .27第 5 章 主桥内力计算 .315.1 计算模式 .315 .1. 1 结构模型 .315 .1. 2 边界条件 .315 .1. 3 汽车荷载横向折减系数 .315 .1. 4 汽车冲击系数的确定 .315 .2 设计荷载及荷载组合 .325 .2. 1 设计荷载 .3213 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）5 .2. 2 使用荷载组合 .335 .3各截面内力计算 .335.3 .1 承载能力极限状态荷载组合 .335.3 .2 活载作用下主拱内力及应力 .345.3 .3 横梁内力计算 .355 .3. 4 正常使用极限状态荷载组合 .405.4 横梁预应力筋的配置 .425 .4. 1 配束后内力计算及内力组合 .445.4 .2 构件承载能力极限状态要求估算非预应力钢筋的数量.455.4 .3 最小配筋率的要求 .455 .5 横梁持久状况承载力极限状态应力验算 .465.6 持久状况正常使用极限状态验算 .495.7 预应力损失及有效预应力的计算 .525.8 有效预应力的计算 .555.9 拱肋截面应力验算 .555.1 0 拱肋挠度计算 .55第 6 章 施工要点和方案概要 .596 .1 建筑材料 .596 .2 下部结构施工 .596 .3 上部结构施工 .606 .4 其它施工注意事项 .616 .5 施工安排 .62结束语.63致谢.64参考文献 .65附表 1 .66附表 2 .67附表 3 .69附表 4 .72附表 5 .86附表 6 .93附表 7 .9513 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）摘要本次设计的对象是某城市大桥。根据所给地形和其他设计参数，联系已建桥以及有关文献，结合相关规范，进行方案设计。采用中承式钢管混凝土拱桥，主桥跨径设为60m140m140m140m60m，横梁采用变截面形式，横梁跨中高为2.0m，横梁在拱肋支撑处梁高为1.75m 在端部采用牛腿形式设计，边纵梁高为1.75m高的巨型截面，其余纵梁采用0.6m0.3m巨型截面，本文主要阐述了该桥的设计和计算过程。首先进行桥型方案比选，对主桥进行总体布置设计，然后对上部结构进行内力、配筋计算，再进行强度、应力验算。同时，本设计严格遵从交通部颁布实施的关于此类桥梁设计、施工规范，最终达到了理论与实践相结合。关键词：钢管混凝土,中承式拱桥,预应力SummaryThis design is the object of a bridge in a city. According to the terrain and other design parameters, contact bridge and related literature, combined with the relevant specification, programme design. Used in the bearing type pipe concrete arch bridge, main span set for 60M+140m+140m+140m+60M, beam used variable section forms, beam across in the high for 2.0M, beam in arch rib support department beam high for 1.75m in end Department used cattle leg forms design, edge longitudinal beam for 1.75m high of giant section, remaining longitudinal beam used 0.5mx0.3M giant section, this article main explained has the bridge of design and calculation process. First for bridge type selection, design of general layout of main and superstructure, reinforcement calculation for internal force, strength and stress calculation.At the same time, adhered to the promulgation and implementation of the Ministry of the design on this type of bridge design and construction norms and ultimately achieve by combining theory and practice.Key words: steel pipe concrete bowstring arch bridge with prestressed113 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）第 1 章 绪 论1.1 钢管混凝土拱桥现现状与发展钢管混凝土拱桥以其强度高、跨越能力大、施工便捷、经济效果好、桥型美观等优点在我国桥梁中得到了广泛应用。本文介绍了钢管混凝土拱桥的应用及理论研究现状，对其发展优势及发展中存在的问题进行了分析，最后展望了钢管混凝土拱桥的发展趋势。钢管混凝土是将混凝土填充到钢管内形成的一种组合结构材料。这种材料具有承载力高、塑性韧性好、施工方便、耐火性能和经济效果好等优点，工程上常应用于房屋建筑结构和桥梁结构中，其中在桥梁上主要应用于拱桥。1.2 钢管混凝土拱桥的应用现状钢管混凝土应用于拱桥，始于20世纪30年代末，苏联建造了跨越列宁格勒涅瓦河101m的下承式钢管混凝土公路拱桥和位于西伯利亚跨度达140m 的上承式钢管混凝土铁路拱桥。此后相当长的时间内，世界范围内再没有修建这种类型的桥梁。1990年, 我国第一座钢管混凝土拱桥四川旺苍东河大桥建成，该桥为跨径115m 的下承式刚架系杆拱桥。它是我国在钢管混凝土结构理论研究与实际应用上的新的突破，对我国钢管混凝土拱桥的发展影响是巨大的。由于钢管混凝土结构在桥梁上的应用，同时解决了拱桥高强度材料应用与施工两大难题，因此，钢管混凝土拱桥在我国得到迅猛的发展。近二十年时间里，我国共修建了200多座钢管混凝土拱桥。如1995年建成的广东南海三山西大桥，主桥为45m+200m+45m带悬臂钢管混凝土中承式刚架系杆拱桥，主拱肋采用等截面横哑铃形桁式，用预应力钢绞线作为系杆，平衡主拱与边拱的不平衡推力。2000年建成的广东丫髻沙大桥，主桥为 76 + 360 + 76 m 三跨连续中承式钢管混凝土刚架系杆拱桥，跨径居当时同类型桥梁之最，施工采用竖向转体与水平转体相结合的方法，转体重量也是国内之最。重庆巫峡长江大桥主孔跨径达460 m，是目前世界上跨径最大的钢管混凝土拱桥。该桥为中承式桁拱，采用斜拉悬臂缆索吊装施工，于2005 建成，无论在结构设计还是施工方面，该桥均有许多创新之处。我国第一座铁路钢管混凝土拱桥水柏铁路北盘江大桥，2002 年建成，主桥结构为上承提篮式钢管混凝土拱，拱脚中心跨度236 m，拱肋横向内倾6.5，采用水平转体施工，该桥的建成对推动钢管混凝土拱桥在我国铁路桥梁中的应用具有重大的意义。此外，较为典型的还有：广西三岸邕江大桥(主跨270 m)，湖北武汉汉江五桥（主跨280m），广西南宁永和大桥（主跨349.5m），广东东莞水道大桥（主跨280m），湖南南县茅草街大桥（主跨368m），宜昌长江铁路大桥(主跨264m)，安徽黄山太平湖大桥（主跨336m）等。213 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）目前在建的跨度较大的钢管混凝土拱桥有湖北支井河大桥、湘潭湘江四桥等。湖北支井河大桥，主桥为上承式有推力钢管混凝土拱桥，主拱跨径为430 m，失跨比为1/5，拱肋为变高度钢管混凝土桁式拱肋，采用斜拉悬臂施工。湘江四桥主桥为120 + 400 + 120 m 钢管混凝土斜拉飞燕式拱桥。边跨与主跨跨度比为0.3 。结构以拱结构受力为主，辅以斜拉索受力的组合结构体系。边跨拱脚、主跨拱脚、索塔均固结于拱座。主拱为中承式双肋无铰平行拱，拱轴线为高次抛物线，采用6 管桁架截面。边拱拱肋为上承式，双肋横向内倾，拱轴线采用1.45次抛物线。主跨桥道系采用悬吊体系。1.3 钢管混凝土拱桥的理论研究现状随着钢管混凝土拱桥的应用发展，我国对钢管混凝土拱桥的理论研究也迅速开展起来。国家自然科学基金资助项目钢管混凝土拱桥抗震理论研究、大跨度钢管混凝土拱桥施工过程变形及应力模拟、核心混凝土收缩、徐变对钢管混凝土拱桥静力性能影响研究及西部交通建设科技项目钢管混凝土拱桥设计、施工、养护关键技术研究等课题正在研究之中或部分已结题。由重庆交通科研院主编的钢管混凝土拱桥设计规范、钢管混凝土拱桥施工技术规范于2004 形成了报批稿。有关标准规范在修订中也增加了钢管混凝土拱桥的内容。由于钢管混凝土拱肋由钢管和管内混凝土组成，目前工程界存在着两种设计计算方法2。一种是从架设钢管拱肋开始，采用应力叠加法分别计算钢管和管内混凝土的应力，分别对钢和混凝土的应力采用容许应力法进行验算。另一种方法，则是在施工阶段进行应力验算，而对成桥后的受力视钢管混凝土为整体，采用内力叠加法计算内力，然后进行整体和局部构件的承载力验算。陈宝春教授建议钢管混凝土拱桥对施工过程的验算，在管内混凝土形成强度以前应以钢结构进行验算，可遵循现行的公路桥规中对钢桥的规定，按采用容许应力法验算；钢管混凝土拱肋形成后的施工过程和成桥，均应以钢管混凝土结构按采用极限状态法进行验算，考虑初应力与徐变等因素的影响，而不应按应力迭加计算应力、按容许应力法进行强度验算。此外，大量论文及论著介绍了钢管混凝土拱桥的理论研究成果。在计算理论方面，对钢管混凝土拱桥的初应力、温度、管内混凝土收缩徐变、拱肋刚度计算取值、挠度限值、节点局部应力、节点疲劳、动力性能、极限承载力及稳定等问题进行了大量研究，取得了可喜的成果，这些研究为钢管混凝土拱桥的进一步发展提供了理论基础。但总的来说, 有关钢管混凝土拱桥的理论研究尚不够系统与深入，距形成成熟的计算理论还有相当的差距, 还有许多工作要做。1.4 钢管混凝土拱桥的发展优势将钢管混凝土应用于拱桥中，在力学性能、施工、经济以及美观等方面，表现出很大的优越性，极大促进了拱桥的发展。313 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）钢管混凝土同套箍混凝土相同，一方面借助钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力；另一方面借助内填混凝土的支撑作用，增强钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，从而提高其承载力。二者的结合,充分发挥了两种材料的优点，相互弥补了彼此的不足。钢管混凝土作为一种组合材料具有独特的工作特性：弹性工作而塑性破坏 , 承载力高而极限压缩变形大。非常适合以偏心受压为主的拱桥。大跨度钢管混凝土拱桥的发展优势还表现在施工上。修建大跨度拱桥的关键是施工方法。现代拱桥的施工方法已由以往在笨拙的满堂支架上施工发展到无支架施工：诸如缆索吊装法、劲性骨架施工法、悬臂拉索扣挂施工法及转体施工法等。钢管混凝土拱桥的施工过程是先制作和架设空钢管拱肋，然后将混凝土灌入钢管而成桥。这进一步大幅度地减轻拱结构劲性骨架的吊装质量，使上述无支架技术如虎添翼。同时，采用泵灌顶升技术灌注管内混凝土，无需振捣，借混凝土自重挤压密实，工效高质量好。此外钢管除与核心混凝土共同作为结构的主要受力部分外,在施工过程中可以作为支架和浇注管内混凝土的模板，使得施工方便、快捷。工程实践表明3，钢管混凝土与钢结构相比,在保持自重相近和承载力相同的条件下，可节省钢材50% ，并节省大量的焊接工作；与普通钢筋混凝土相比，在保持钢材用量相近和承载力相同的条件下，构件的横截面积可减少一半，从而使建筑空间得到加大，混凝土和水泥用量以及构件自重相应减少50% 。另外，钢管混凝土本身的施工特点符合现代施工技术工业化的要求，可大量节约人工费用，降低工程造价。钢管混凝土拱桥在造型艺术上也有着独特的优点。拱桥是个极富美感的桥型，它的美在于优美的拱曲线孕育着强大的力量，产生一跃而过的力动感和跨越感，令人赏心悦目。钢管混凝土拱桥以优美的弧形拱肋与直线形的梁、立柱（或吊杆）结合，呈现出刚柔并济、韵律优美的绰约风姿。同时，钢管混凝土拱桥在造型上以及拱肋的布置上呈多样化。拱肋截面可以做成哑铃形、三角形、四边形等，拱肋数量可以是单肋拱、双肋拱、三肋拱等，拱肋布置可以是平行桥面布置，与桥面斜交布置，两拱肋在拱顶连接布置等。另外，按车承形式不同拱桥可以布置成上承式、中承式或下承式。这样,可以根据功能和环境的不同采用不同的桥型和拱肋布置，使拱桥在满足功能的要求上，与拱桥所处环境相协调，从而使拱桥更具美感。1.5 钢管混凝土拱桥目前存在的问题回顾和总结国内外钢管混凝土拱桥发展的历史和经验，不难发现当前还存在一些急需解决的问题：（1）理论研究相对滞后，跟不上发展步伐，对钢管混凝土拱结构的受力性能研究才刚刚开始，没能突出钢管混凝土这样一种特殊的组合材料，特别对受力中钢管对混凝土的紧箍力考虑不够；（2）钢管混凝土拱桥的有限元计算理论缺乏统一性，空间分析中，对计算模型的研究不多；（3）钢管混凝土拱桥中，钢管混凝土拱肋是典413 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）型的压弯构件，理论分析中对钢管混凝土组合材料在复杂受力状态下的本构关系还不明确；（4）稳定问题突出，稳定性、极限承载力研究还不完善；（5）核心混凝土收缩徐变的研究尚处于初步阶段，对于管内混凝土徐变目前还没有一个普遍认可的计算模式，在对徐变影响的分析方面，主要集中于钢管与混凝土应力变化方面，对刚度、变形与稳定等方面的影响研究还不够深入；（6）温度变化对钢管混凝土拱桥受力性能影响研究不够充分，其“相当合拢温度”或称“计算合拢温度”还有待进一步研究，以供制订规范时参考；（7）已建成的钢管混凝土拱桥常出现拱背混凝土脱空的现象；(8) 钢管混凝土桁架节点与柔性吊杆的疲劳问题，研究不够深入；（9）大跨度钢管混凝土拱桥具有明显的柔性特征，其动力与抗震性能研究得还不够。(10) 设计人员往往套用钢拱桥或钢筋混凝土拱桥的规范，进行钢管混凝土拱桥的设计计算，随着钢管混凝土拱桥的不断发展,对其专门规范的制定要求更加迫切。上述问题存在，将在今后相当长时间内成为制约拱桥发展的关键，必须依靠桥梁工作者共同努力、协同解决。1.6 钢管混凝土拱桥发展趋势钢管混凝土拱桥结构性能优越，跨越能力大，结构体系灵活多样，既可以做成有推力拱，也可以做成无推力的系杆拱，并能很好地适应不同地质与地形，外形优美，因此倍受桥梁工程界青睐。近几年随着对钢管混凝土结构研究的深入，钢管混凝土拱桥跨径记录在不断突破，形式在不断创新，技术在不断提高。原哈尔滨建筑工程学院钟善桐教授曾撰文指出系杆拱桥的跨度可达600m左右。同济大学的周念先教授则在文献4中提出：在500m1000m的超大跨范围内，可供比选的方案有悬索桥、斜拉桥和系杆拱桥。对于系杆拱桥，虽一时不具备1000m的把握，但可以650m为第一步目标。同时周念先教授进行了初步探讨，认为是可行的。钢管混凝土拱在结构体系和施工方法上都具有更大的跨越能力，为拱桥跨径的继续向前推进提供了可能，相信经过广大桥梁工作者的努力，跨径650m的拱桥在不远的将来会在我国实现，待有了成功经验后，再向1000m前进。513 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）第 2 章 设计资料及概述2.1 技术标准1.边夸桥宽：0.25米护栏+2.0米人行道+0.25米防撞栏+4米非机动车道+7.5米行车道0.5米分隔带7.5米行车道+4米非机动车道+0.25米防撞栏+2.0米人行道+0.25米护栏，桥面总宽28.5米；2.中夸：0.25米护栏+1.75米人行道+1.5米拱肋区域+4米非机动车道+7.5米行车道0.5米分隔带7.5米行车道+4米非机动车道+1.5米拱肋区域+1.75米人行道+0.25米护栏，桥面总宽30.5米3.桥面高程：左岸为94.08米，桥梁纵坡为1%，通过计算得桥梁中部高程为96.18米， 右岸为94.084.桥面横坡：双向2.0%人行道1.5%向内单面坡；5.桥面纵坡：双向1.0%；6.作用等级：城市A级；7.设计洪水频率为：1/100；8.车道数：双向六车道；9.设计行车速度：60km/h；10.设计荷载：城市A级；人群荷载：3.0kN/；11.设计使用年限：设计基准期为100年。2.2 自然概况气候水文地质情况：月平均气温最高为32度，最低为5度；有河流经过，通航净高设计为10米；地质情况为，覆盖层为24米，弱风化基岩埋深2030米。桥址范围内地下水流量中等，地下水类型以第四系松散层孔隙潜水为主，少量风化裂隙水。主要含水层为圆砾层、圆砾层、圆砾层，含水量中等。地下水主要受河道水位影响，地表水主要受大气降水、人工排泄的影响。地表水、地下水的水质良好。根据水文资料和当地建筑经验，桥位处地下水对混凝土及钢筋均无腐蚀性。2.3 不良地质现象及地质灾害桥址范围内不良地质现象不发育，场地地形较为平坦、开阔，不存在滑坡等不良地质现象。但由于河水流量较大，设计时应充分考虑河流冲刷作用。2.4 设计规范1 中华人民共和国交通部部标准：公路桥涵施工技术规范（JTG T F50-2011 ），北京，人民交通出版社，2011 年613 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）2 中华人民共和国交通部部标准：公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004），北京，人民交通出版社，2004年3 中华人民共和国交通部部标准：公路桥涵设计手册（桥梁附属结构和支座），北京，人民交通出版社，1985年4 中华人民共和国交通部部标准：公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ041-2000），北京，人民交通出版社，2000年。5 城市桥梁设计通用规范（2007年征求意见稿）6 公路工程技术标准 JTG B01-20032.5 概述本毕业设计的课题任务是市城市大桥的设计。我通过设计资料了解了桥梁所处地理位置，气候条件以及设计要求等相关信息，根据所学的知识在综合使用状况、施工方法、工程造价及工期等多方面因素后进行桥型方案的初步设计，我的初步设计3个方案是：预应力混凝土连续梁桥、中承式混凝土拱桥和斜拉桥。通过对选定的方案比较（主要考虑了经济指标、美观和施工的难易程度以及运营效果），最后选定中承式混凝土拱桥方案作为推荐桥型方案。713 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）第 3 章 方案设计与比选3.1 初选设计方案说明1、跨径为50+75+31007550（m）预应力混凝土连续梁桥；2、跨径为603140+60（m）中承式钢管混凝土拱桥；3、主跨为340m的斜拉桥；3.2 方案比选方案比选主要依据适用、经济、安全、美观、有利于环保的原则进行，因地制宜选择合适的桥型，以期达到预期的经济和社会效益，同时考虑要符合桥梁发展的客观规律，体现现代新科技的成就。桥型的选择要求在技术是可靠的，在施工上是切实可行的。综上所述，本次设计的三个比选方案如下：方案 7 跨预应力混凝土连续梁桥（1）桥跨布置总体布置50m+75m+3100m75m50m（7跨连续梁桥）550m（2）方案构思连续梁桥的墩梁固结，支点截面负弯矩可以大大消弱跨中截面正弯矩。预应力混凝土连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。813 届土木工程（桥梁）毕业设计（论文）图 3.1 连续梁