钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用毕业论文

*工业大学毕业设计（论文） 钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 钢管混凝土材料简介11.2 钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用21.3 课题背景31.4 本章小结3第2章 设计基本资料42.1 主要技术标准42.2 结构材料52.3 设计依据52.4 计算基本数据52.5 施工方法52.6 本章小结6第3章 截面几何性质计算和模型的建立73.1 截面几何性质计算73.2 有限元模型的建立83.3 本章小结9第4章 成桥阶段静力计算104.1 恒载计算104.2 活载计算214.3 温度变化引起的截面次内力计算224.3.1 整体升温30234.3.2 整体降温50264.3.3 局部日照温差10284.4 支座沉降引起的截面次内力计算294.4.1 左支座沉降0.012m294.4.2 右支座沉降0.012m324.5 支座摩阻引起的截面次内力计算344.6 汽车制动力计算364.7 本章小结36第5章 静力荷载作用应力验算375.1 荷载内力组合375.2 拱肋截面应力验算445.2.1 容许应力法验算拱肋截面445.2.2 拱肋强度验算445.2.3 拱肋稳定验算455.3 吊杆截面应力验算465.4 预应力损失估算475.4.1 预应力钢筋与管壁间摩擦引起的应力损失475.4.2 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失485.4.3 混凝土弹性压缩所引起的预应力损失495.4.4 钢筋松弛引起的应力损失505.4.5 混凝土收缩和徐变引起的应力损失515.5 横梁应力验算545.5.1 预加力阶段的正截面应力验算545.5.2 使用阶段正应力验算555.5.3 使用阶段主应力验算565.6 立柱截面应力验算585.6.1 拱上立柱验算595.6.2 墩上立柱验算60第6章 拱桥动力稳定分析626.1 拱桥振动概述626.2 钢管混凝土拱桥动力特性636.2.1 自振基频636.2.2 自振基频影响因素636.2.3 振型分析646.3 有限元模型的建立666.4686.5 本章小结68结论69致谢70参考文献71附录172附录273- III -*工业大学毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 钢管混凝土材料简介钢管混凝土是在圆形的钢管内填入混凝土形成的一种轻质、高强、介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的一种新型的结构材料。按截面形式的不同,分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。它不仅可以借助内填的混凝土增强钢管承受荷载时管壁的稳定性；还可以借助钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受力状态，从而使核心混凝土延缓了受压时的纵向开裂，工作性能发生了质的变化（由脆性破坏转为塑性破坏），不但提高了承载能力，而且增大了极限压缩应变。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中相互间的合作作用,充分发挥两种材料的优点,不仅使混凝土的塑性和韧性性能大为改善,而且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲,从而使钢管混凝土具有承载力高、塑性好、韧性好、经济效果明显和施工方便等优点。首先，钢管本身就是耐侧压的模板，因而浇筑混凝土时，可省去支模、拆模等工序，并可以适应先进的泵送混凝土工艺。同时，钢管本身还是钢筋混凝土内兼有纵向拉、压钢筋和横向箍筋的作用。其次，钢管比型钢具有更大的刚度，施工阶段很容易形成结构的劲性骨架。而且可以先安装空钢管结构，先合拢形成稳定结构，再填入混凝土。由于吊装空钢管重量较轻，可以简化施工工艺，节省脚手架，缩短工期，减少施工用地，降低工程造价，这是一种优越的劲性承重骨架，为建设大跨度桥梁创造了良好的条件。最后，在受压构件中采用钢管混凝土，可大量节省材料。理论分析和工程实践均表明，钢管混凝土和钢结构相比，在保持结构自重力相近和承载能力相同的条件下，可节省钢材约50%，焊接工作量显著减少；与普通钢筋混凝土相比，在保持钢材用量相等和承载能力相同的条件下，可减少构件横截面积约50%，混凝土和水泥用量以及构件自重也相应减少一半。钢管混凝土具有以上特点，有较好的经济效果，特别适合我国的国情，因而用途比较广泛，最宜用作轴心受压及小偏心受压构件，当偏心较大时，可采用二肢、三肢或四肢组成的组合构件和桁架。1.2 钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用钢管混凝土结构充分发挥了混凝土的抗压能力及钢材的抗压、抗拉能力，主要用于承受轴向压力的构件。早期钢管混凝土结构多用于桥梁工程的基础工程之中，随着对钢管混凝土构件工作性能的深入研究以及计算机技术的不断发展，从八十年代开始钢管混凝土开始应用于拱桥结构。由于钢管混凝土在拱桥上的使用，同时解决了拱桥高强度材料的使用和施工两大难题。钢管混凝土结构充分发挥了混凝土的抗压能力及钢材的抗压、抗拉能力。因此，它主要用于承受轴向压力的构件。拱桥的拱圈是以承受轴向压力为主的构件，这恰好充分利用了钢管混凝土结构的优点。由于钢管混凝土结构的重量相对较轻，加之拱桥的转体施工技术，使的拱桥的跨径大幅度增加。此外，钢管混凝土柱也大量应用于桥梁下部结构，以使得桥梁结构更加秀丽美观。钢管混凝土拱桥(Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridge)简称CFST拱桥，其主跨径一般在40400m，矢跨比的范围在1/61/3。常用跨径在80280m，常用矢跨比为1/51/4。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的下承式预应力钢管混凝土系杆拱桥，其矢跨比为1/6。此后,钢管混凝土拱桥在我国得到了飞速的发展，这类桥梁主要有单管和哑铃形肋拱、桁拱以及桁架拱,其含钢率较高,跨径从几十米到200m。近年来在钢管混凝土拱桥的基础上又发展了钢骨钢箱混凝土拱桥，又称为劲性骨架的钢管混凝土拱桥(Steel Reinforced Concrete Arch Bridge)简称SRC。这种桥的特点是在钢管混凝土的外面包裹混凝土，形成以钢管混凝土为劲性骨架的箱形拱圈断面，从而减轻了施工中的拱圈重量，增加了拱圈运营的刚度和稳定性，并且大幅增加了拱桥的跨越能力。在受力方面，钢管材料可以参与建成后的受力,但不是以使用荷载为控制，而是以施工荷载为控制。这种桥的跨径在100420m，矢跨比范围在1/91/4。国内的SRC拱桥最大跨径是420m，四川万县长江大桥，其矢跨比为1/5，于1997年建成。由于SRC拱桥在施工阶段仍未钢管混凝土结构，因此，常把CFST和SRC拱桥统称为钢管混凝土拱桥。1.3 课题背景依兰*大桥位于*县城西1m，原哈同公路旧桥上游265m处，是同三公路佳哈段跨河大桥之一，该桥初步设计根据桥位地形特点，从美观、经济、技术等条件出发，经过方案比选，决定以100m跨径无风撑中承式钢管混凝土拱桥做为最终设计施工方案。*发源于*省*岭，在*县西汇入松花江，流域面积37600km2，全长725km，桥位处Q1%=13280m3/s，H1%=101.96m，V1%=3.81m/s。桥位附近河道顺直，佳岸地势平坦，哈岸为高山。桥位处河床地质为第四纪松散沉积层，由上至下为粘土、粗砂、卵石，最下层为泥质砂岩，其地基允许承载力为550-800kPa，桥位处年平均气温为3.0，最高气温为37.0，最低气温为37.0，全年主导风向为西南风，最大风速为22m/s。依兰*钢管混凝土拱桥由于荷载、设计等原因，发生了严重的病害现象，在某些桥面部位破损严重，为保证车辆和行人的安全，保证桥梁的安全使用，需要对桥梁进行分析及维修改造。通过对原方案的计算分析，找到结构中存在的问题，同时可以了解钢管混凝土拱桥的构造形式及结构特点；掌握钢管混凝土拱桥的结构计算方法，包括恒载内力计算、活载内力计算、温度梯度计算以及其他截面次内力的计算等，并具备一定程度的桥梁设计计算和分析能力。 1.4 本章小结作为钢-混凝土组合材料的一种,钢筋混凝土一方面借助内填混凝土提高钢管壁受压时的稳定性,提高钢管的抗腐蚀性和耐久性；另一方面借助管壁对混凝土的套箍作用,提高了混凝土的抗压强度和延性,将钢材和混凝土有机地组合起来;在施工方面,钢管混凝土可利用空心钢管作为劲性骨架甚至模板,施工吊装重量轻,进度快,施工用钢量省。由于其材料及结构的众多优点，决定了这种新型材料及结构的在桥梁工程中的广泛应用。通过对钢管混凝土拱桥材料及其在桥梁工程中的应用的介绍，对钢管混凝土拱桥的构造形式、结构特点以及受力形式有了一定的了解，并结合课题背景熟悉设计资料，为下一步设计工作做好充分的准备。第2章 设计基本资料依兰*钢管混凝土拱桥桥梁是我国第一座无风撑中承式钢管混凝土拱桥，全长507m，主孔上部结构为2108m中承式钢管混凝土拱，佳岸边孔为458m上承式钢筋混凝土箱形拱，哈岸边孔为38m钢筋混凝土T梁。主孔行车道为T梁，佳岸边孔行车道为空心板梁。主孔钢管拱拱肋轴线为悬链线，拱轴系数m=1.756,净跨度L0=100m,净矢高，净矢跨比1/4.主跨拱肋断面采用三根钢管组成的三角形空间桁架结构。其拱肋截面由三根钢管混凝土弦杆和直径的水平横杆组成。前者为承载杆件，后者为横向联系杆件。吊杆上方的水平横杆为的钢管，管内灌注C50混凝土。拱肋钢管混凝土采用C50混凝土，采用16Mnq钢板。吊杆间距为6m，采用聚乙烯护套，钢丝束为Pe5-110型，抗拉设计强度1600MPa。桥面系采用悬吊式结构。纵铺桥面板为跨径6m的小T梁，宽1.04m，高0.5m，横向联结为铰接。吊杆横梁采用预应力混凝土空心箱梁，梁高1.35m，长12.5m，宽0.7m，每片梁张拉6束高强钢丝。桥面小T梁在横梁处断开，纵向互不连接。在两拱肋之间的拱脚位置，设置一道V字横撑、一道水平横撑及一道X横撑，横撑均为的钢管混凝土。主孔及佳岸边孔下部结构为重力式墩台，哈岸边孔下部为柱式墩及埋置式桥台，全桥下部基础均为刚性扩大基础。2.1 主要技术标准结构形式：中承式钢管混凝土拱桥，2108m,总长度为216m设计荷载：汽车超-20，挂车-120，人群荷载为3.5kN/。桥面宽度：车行道宽度为9m,每边各设1.25m人行道及0.25m防撞护栏、0.25m的灯柱,全桥总宽为12.5m。桥面纵坡：1%；桥面横坡：双向1.5%。通航标准：无通航标准2.2 结构材料混 凝 土：主孔钢管拱肋混凝土采用50号，主孔吊杆横梁，T梁为40号混凝土，墩身及基础采用25号混凝土，其余均为30号混凝土。钢管及型钢：主孔钢管拱肋采用16Mnq钢,其余均为A3钢。预应力钢筋：均采用高强碳素钢丝。普 通 钢筋：采用符合GB1499-84标准的钢筋,直径12mm者采用级钢筋,直径=70m， 对于挂车、人群荷载均不计冲击影响 车道折减系数k：双车道不折减，4.3 温度变化引起的截面次内力计算从六十年代以来，预应力混凝土箱形梁发展极快，是预应力混凝土桥梁主要应用的截面形式，但在国内外的众多桥例中，常发现有一些严重裂缝。产生裂缝的原因虽是多方面的，然而温度应力对桥梁的危害被破坏的桥例，受到国内外研究工作者的重视。在德国，在温度引起损伤的预应力混凝土桥梁中，有二座几乎坍塌；在新西兰，一座位于高速公路上，预应力混凝土箱形高架桥因温差导致严重开裂。我国铁路上也有二座梁桥因温差发生严重的开裂现象。因此，温度应力对结构的影响是不可忽视的。桥梁结构因自然条件变化而引起的温度差效应主要可归纳为日照、降温、年温度变化等三个原因。年温差是指常年缓慢变化的年气温，它对结构的影响主要导致桥梁的纵向位移，一般通过桥面伸缩缝，支座位移或柔性桥墩等构造措施相协调，只有在结构的位移受到限制时才会引起温度次内力，例如在拱桥、刚架结构及某些斜拉桥结构。日照辐射及寒冷骤然降温则属于局部温度影响，导致结构的温度次内力或温度次应力是产生结构裂缝的主要因素。本设计中，按整体桥梁升温、降温50以及局部日照温差10计算，采用struct程序计算，可得到三种情况的内力图，其中计算截面为全拱肋截面。4.3.1 整体升温30表44 温度升高引起截面内力值序号位置N（kN）Q（kN）M（kNm）1拱脚216.234-225.2164875.7842222.389-218.624209.8243228.719-211.9933585.6584234.973-205.0342997.8235235.746-193.2662423.4576241.666-185.7961916.2057247.432-178.0511440.8578252.748-170.394996.3319258.107-162.161580.74110263.33-153.48194.09511268.088-145.005-164.68312272.871-135.805-497.19813277.367-126.403-802.92914L/4拱肋277.367-126.403-929.33215281.162-117.493-1082.2916285.18-107.456-1338.2817288.717-97.799-1568.8618291.473-89.084-1775.4219294.398-78.742-1961.8920297.02-68.263-2125.1421298.867-59.234-2265.7422300.689-48.822-2386.7423302.338-37.045-2485.9624303.35-27.656-2560.8725304.135-16.162-2616.4526304.504-5.452-2649.4427拱顶304.5254.633-2660.6528304.11715.956-2651.4629303.426.845-2619.830302.40236.426-2565.631300.93447.412-2491.4432299.03158.263-2394.7433296.87568.241-2275.9734294.41278.402-2135.9535291.26289.26-1972.6936288.1598.858-1785.3537284.625108.637-1575.7838280.516118.593-1342.7539276.99126.648-1084.5640L/4拱肋276.99126.648-957.90641272.615135.967-804.33642267.771145.206-498.40743262.965153.773-165.55744257.83162.28193.52345252.418170.617580.79246247.031178.336996.82347241.242186.0921441.96548235.326193.5391917.99449234.549205.282447.48150228.27212.243000.97451221.912218.8783589.51352215.771225.4354217.63153拱脚215.771225.4354666.246图4-19 温度升高引起截面弯矩图（单位：kNm）图4-20 温度升高引起截面剪力图（单位：kN）图4-21 温度升高引起截面轴力图（单位：kN）4.3.2 整体降温50表45 温度降低引起截面内力值序号位置N(kN)Q (kN)M (kNm)1拱脚-360.39375.35-8126.322-370.64364.37-7016.393-381.23353.30-5976.094-391.63341.72-4996.385-392.93322.10-4039.136-402.78309.6-3193.697-412.38296.76-2401.348-421.18284.06-1660.679-430.18270.25-968.0310-438.85255.85-323.3911-446.74241.84274.4412-454.64226.59828.3013-462.17210.761338.1814L/4拱肋-462.17210.761548.9415-468.48195.911804.0216-475.43179.082230.7117-481.30162.832614.7418-485.93147.992959.3619-490.59131.373269.3820-494.99113.963542.1421-498.1098.803776.4122-501.2680.753978.0023-503.9662.124142.3824-505.6845.764267.5525-506.8927.344360.3126-507.518.754416.3127拱顶-507.52-7.744433.7728-506.85-26.744419.4429-505.70-44.544366.4930-503.92-61.594276.0231-501.36-79.734152.3632-498.39-96.673991.1233-494.62114.103793.3734-490.40-131.183559.8835-485.16-149.143288.5536-480.15-164.782975.9137-474.22-181.402626.6938-467.34-197.882237.6739-461.77-210.861807.2240L/4拱肋-461.77-210.861596.3641-454.30-226.491340.3242-446.24-242.16830.5443-438.39-256.09275.7144-429.74-270.55-322.5845-420.70-284.37-967.9846-411.73-297.18-1661.2647-402.11-310.14-2403.348-392.19-322.57-3196.6349-390.89-342.15-4079.1450-380.46-353.71-5001.6451-369.85-364.79-5982.5052-359.61-375.72-7029.3553拱脚-359.64-375.72-7777.05图4-22 温度降低引起截面弯矩图（单位：kNm）图4-23 温度降低引起截面剪力图（单位：kN）图4-24 温度降低引起截面轴力图（单位：kN）4.3.3 局部日照温差10由于日照温差引起的局部温度变化，是指计算拱肋截面由于温度变化而引起的内力，按线性温度场计算。利用strut程序计算，由于拱肋截面没有变化，故由于温度变化引起的截面内力值也没有变化，均为2700.6。4.4 支座沉降引起的截面次内力计算在超静定结构中，由于支座的沉降也会产生截面次内力。墩台基础的沉降与地基土壤的物理力学特性有关，一般也是随时间而递增的，经过相当长的时间，接近沉降终极值。本设计中，按两侧基础分别沉降0.012m计算，并采用struct程序，经计算可得到各个截面的内力值。4.4.1 左支座沉降0.012m表46左支座沉降引起截面内力值序号位置N(kN)Q(kN)M(kNm)1拱脚-8.42-5.28385.812-8.46-5.72370.283-8.25-5.92353.984-8.01-6.09337.565-7.52-6.27321.746-7.32-6.53305.217-7.06-6.73288.578-6.51-6.49271.739-6.25-6.65255.9710-5.98-6.78240.111-5.65-6.74224.212-5.4-6.93208.8113-5.15-7.13193.1614L/4拱肋-5.15-7.13186.0315-4.78-7.03177.3716-4.58-7.28162.0117-4.36-7.5146.5718-3.85-6.94130.7319-3.59-7.03116.0120-3.34-7.17101.4121-3.01-6.8386.6522-2.78-7.0772.6523-2.53-7.258