宁波三门口桥计算书(270m钢管拱桥)

宁波三门口跨海大桥北门桥施工图设计第一章 工程简介1.1 工程概况1.1.1 地理位置三门口跨海大桥位于象山县石浦镇西南约15公里处的三门口地区，连接象山县石浦镇和高塘岛，是石浦镇的西门口。本工程包括大桥工程和北岸引线道路工程两大部分，北端与在建的宁波海南线象山段连接，南端与拟建的石三公路相接。大桥工程包括北门，中门，南门三座跨海大桥和庵山，万金山、高塘岛引线道路，桥梁工程中总长度1210.37米，桥面宽12.5米，引桥道路总长度570.06米，路基宽12.5米。1.1.2 自然环境桥位区地形、地貌可分为海积平原区、水域及基岩裸露丘陵区。海积平原区主要为桔林。农田及海产养殖场，也是两岸村庄的主要分布区；基岩裸露丘陵区覆盖啦茂盛的松树。灌木和草本植物；三门口水域道被庵山和万金山分割成三个不同宽度的水域分别为北门、中门、南门，其水面宽度分别为：260米、260米、380米。1.1.3 桥渡水文 石浦港由东门岛、对面山、南田岛、高塘岛等诸岛与北侧象山半岛所环绕的水域和岸线组成。改港有筒瓦门、东门、下湾门、蜊门港和三门口水道等5个门口，进出十分的方便。港内水域全长约18公里，宽一般为2公里，水深大部为510米，部分水深超过10米。海底为泥质，适于锚泊，是一个天然的避风良港，港内可行万吨海伦，可泊万艘渔船。1.1.4 气地质条件桥位区主要为海积相同的淤泥质亚粘土、亚粘土、粘土。冲洪积粘土和坡残积土，基岩为晚侏罗纪的含角烁晶玻璃屑凝灰岩，局部有安山玢岩岩脉。1.1.5 设计技术标准 设计车速：80公里/小时： 设计荷载：汽20级设计，挂100检算，人群3.0KN/； 桥面宽度：0.25米（栏杆）+1.5米（人行道）+9米（车行道）+1.5米（人行道）+0.25米（栏杆）=12.5米 设计最高通航水位：按照二十年一遇最高潮位4.63米（黄海高程）； 地震设计烈度：桥址区位于地震基本烈度VI度区内，本桥提高一级设防，按VII 度设防考虑第二章 结构概况主桥采用中承式钢管砼提篮拱桥，主跨为270m，矢高为54m, 矢跨比为1/5, 拱肋轴线为悬链线，拱轴系数为1.543。拱肋结构采用节间为4m的N形桁架形式，上下弦共采用4根直径0.80m的钢管，高5.3m，肋宽2.4m，钢管拱安装采用缆索吊机斜拉扣挂悬臂拼装法，吊塔和扣塔分离。2.1 主要结构尺寸2.1.1主跨径主拱计算跨径为270m，计算矢高为54m，计算式垮比为1/5，主拱肋拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.543。 图 2.1 总体布置图（ 单位：m） 2.1.2 主拱截面 主拱圈采主肋拱是采用的四管式桁架拱，高为5.3m，宽2.4m，钢管外直径为0.80m，采用Q345型钢，混凝土填料直径为0.786m，为C50微膨胀混凝土。 图 2.2 拱肋截面图（单位：cm）2.1.3 横向联系为保证拱的横向稳定，在桥范围内共设8道永久横撑，除肋间横梁腹板沿垂直设置外，其余横撑主钢管均垂直拱轴线。横撑采用圆钢管断面，主钢管采用50012的Q345的钢管，腹杆采用30010空钢管。 图 2.3 拱肋横撑垂直正截面图（单位：cm）2.1.4 吊杆本桥共设25排吊杆，吊杆的纵向间距8米，吊杆位于拱面内，短吊杆采用带铰的形式，每个吊杆均由GJ15-19钢铰线组成，采用平行钢铰线成品拉索，外包热挤PE护套。吊杆上、下端锚具均采用挤压墩头锚具，由于拱圈内空间狭小，设计中考虑调整吊杆长度时，在下端横梁内张拉。2.1.5 吊杆横梁 图 2.4 吊杆横梁立面图（单位：cm）吊杆横梁全部采用C50混凝土箱形断面，顶板厚度15mm，底板厚度15mm，腹板厚度16mm。2.1.6 桥面板 图 2.5 桥面横截面图（单位：cm）主桥行车道桥面板全部采用先简支后连续的钢筋混凝土空心板梁，跨度8m，两跨之间设顺桥向60cm宽度的湿接缝，与横梁固结，桥面板横向之间联系采用铰缝连接。桥面空心板高度40cm,中板宽度1.24m,边板顶宽1.65m,桥面总宽12.5m,行车道横向共设10块板。2.1.7 拱轴系数 由于悬链线的受力情况较好,又有完整的计算表格可供利用,所以用悬链线作为拱轴线,采用“五点重合法”确定其m值。 图 2.6 空腹式悬链线拱轴线计算图式如图，由，得: （2-1）由得: （2-2）将（1）式中的Hg代入上式，得: （2-3）等截面悬链线拱主拱圈结构自重对1/4及拱脚截面的弯矩、可由拱桥表（III）-19查得。求得之后可由式求得m值。2.1.8 拱轴线型主拱圈为悬链无铰拱桥面，计算跨径L=270米，计算矢高f=54米，拱轴系数m=1.543，拱轴线方程为：式中经验算确定m=1.5432.2 拱肋截面特性的换算根据Eurocode 4规范，钢材-混凝土组合结构(SRC)在作受力分析时，假定钢材和混凝土紧密地连接在一起，并使用等效截面特性值(Equivalent Sectional Properties)进行计算和分析。计算等效换算截面特性值时，钢材的弹性系数(Es)和混凝土的弹性系数(Ec)是利用型钢混凝土标准(SSRC79(Structural Stability Research Council，1979，USA)计算的。等效换算截面面积 : （2-4）等效换算有效剪切截面面积 : （2-5）等效换算截面惯性矩 : （2-6）钢骨截面。混凝土截面。钢骨有效剪切面积。混凝土的有效剪切面积。钢骨截面惯性距。混凝土截面惯性距。钢骨与混凝土弹性系数之比(Es/Echun)。第三章 结构内力3.1 节点坐标 通过用MIDAS建模，全桥共有1423个节点，3218个梁单元， 50个桁架单元， 80个板单元。如下图所示：图 3.1MIDAS建模示意图各节点坐标见附表2-1。3.2 主拱内力计算3.1.1 一期恒载拱肋在自重作用的下的内力，下面列出其轴力图、剪力图及弯矩图：图 3.2 拱肋在一期恒载下轴力图图 3.3 拱肋在一起期恒载下剪力图图 3.4 拱肋在一期恒载下弯矩图 单元具体的内力值请看附表2-2。3.1.2 二期恒载 拱桥在自重作用的下的内力，其中包括吊杆，横梁及桥面板及桥面铺装等。现将其轴力图、剪力图及弯矩图在下面列出：二期恒载作用的拱肋内力图：图3.5 拱肋在二期恒载下轴力图图 3.6 拱肋在二期恒载下剪力图图 3.7 拱肋在二期恒载下弯矩图 各单元具体内力值见附表2-3。3.1.3 温度荷载根据热胀冷缩的道理，当大气温度比成拱时的温度（即主拱圈施工合龙时温度，称为合龙温度）高时，称为温度上升，引起拱体膨胀，反之当大气温度比合友温度低时，称为温度下降。引起拱体收缩。如图2-11，设温度变化引起拱轴在水平方向的变位为,与弹性压缩同样道理，必然在弹性中心产生一对水平力Ht。由典型方程得:a)温度变化引起赘余力计算图示b)温度变化引起拱中的内力式中：温度变化值，即最高（或最低）温度与合龙温度之差。温度上升时，和均为正；温度下降时，和均为负。 材料的线膨胀系数： 混凝土或钢筋混凝土结构=110 混凝土预制块砌体=0.910 石砌体=0.810由温度变化引起拱中任意截面的附加内力为弯矩 轴向力 剪力 计算主拱由于温度移引起的内力：a、 整体升温（从0度到20度）图 3.8 拱肋整体升温时轴力图图 3.9 拱肋整体升温时剪力图图 3.10 拱肋整体升温时弯矩图各单元的内力值在附表2-3中列出。b、整体降温（从-20度到0度）图 3.11拱肋整体降温时轴力图图 3.12 拱肋整体降温时剪力图图3.13 拱肋整体降温时弯矩图各单元内力值见附表2-4。3.1.4 活载 桥面宽12.5m，其中车道宽9米，为双向2车道，车载具体布置如下图: 图 3.14 车道荷载布置图 利用MIDAS的移动荷载计算系统，将移动荷载如上面所示布置，经分析可得下面内力图：图 3.15移动荷载（MIN）轴力图图 3.16 移动荷载（MIN）剪力图图 3.17 移动荷载（MIN）弯矩图图 3.18 移动荷载（MAX）轴力图图 3.19 移动荷载（MAX）剪力图图3.20移动荷载（MAX）弯矩图其各单元内力值在附表2-6中列出。3.1.5 荷载组合下的内力3.1.5.1 承载能力极限状态计算时的作用组合效应基本组合是承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用标准值效应的组合，其基本表达式为：式中： - 桥梁结构重要性系数，取1.1；- 作用效应（其中汽车计入冲击系数）基本组合设计值；- 第i 个永久作用效应的分项系数，取1.2；- 第i 个永久作用效应的标准值；- 汽车荷载效应（含冲击系数、离心力）的分项系数，取1.4；- 汽车荷载效应（含冲击系数、离心力）的标准值；- 在作用组合中，除汽车荷载效应（含冲击系数、离心力）、风荷载外的其他第j 个可变作用效应的分项系数，取1.4；- 在作用组合中，除汽车荷载效应（含冲击系数、离心力）外的其他可变作用效应的组合项系数，取0.5；3.1.5.2 正常使用极限状态计算时作用效应组合 作用短期效应组合作用短期效应组合是永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合,其基本表达式为:式中： - 作用短期效应组合设计值； - 第j个可变作用效应的频遇值，汽车荷载取0.7，其他作用取1.0 ； - 第j 个可变作用效应的频遇值； 作用长期效应组合作用长期效应组合是永久作用标准值效应与可变作用准永久遇值效应的组合,其基本表达式为:式中： - 作用长期效应组合设计值；- 第j个可变作用效应的频遇值，汽车荷载取0.4 ，其他作用取1.0 ；- 第j 个可变作用效应的频遇值；利用MIDAS的荷载组合工况，其组合形式具体为I承载能力极限状态：设计值=1.2恒载+1.4汽车荷载+0.8人群II正常使用极限状态：1）短期效应组合：设计值=恒载+0.7汽车荷载+人群 2）长期效应组合：设计值=恒载+0.4汽车荷载+0.4人群桥梁整体内力图如下面图所示：图 3.21 承载能力极限状态轴力包络图图 3.22 承载能力极限状态剪力包络图图 3.23 承载能力极限状态弯矩包络图 图 3.24短期效应组合轴力包络图图 3.25 短期效应组合剪力包络图图 3.26 短期效应组合弯矩包络图图 3.27 长期效应组合轴力包络图图 3.28 长期效应组合剪力包络图图 3.29 长期效应组合弯矩包络图主拱圈各单元内力值见附表2-7。第四章 主拱验算4.1 单肢钢管混凝土玄杆的强度验算4.1.1 确定单根钢管受力由三种荷载组合表格可知钢管混凝土的在三种组合下的最不利内力值：极限承载能力状态：N=12486.94kN M=398.49kN.m短期效应组合状态：N=10400.27kN M=332.49kN.m长期效应组合状态：N=4083.00kN M=84.82kN.m选用其中最不利的荷载进行验算4.1.2 按CECS 28:90验算套箍指数 由改规程式（4.1.2-3）得 短柱轴压极限承载力N0 由该规程式（4.1.2-2） 单肢承载力 由该规程式（4.1.2-1） 故满足强度要求。4.1.3 按JCJ 01-89验算 钢管混凝土轴心受压杆件稳定系数 单肢=1.0核心混凝土轴心抗压强度提高系数 含钢率 由该规程表4.1.1.2查得K=1.63.单肢承载力 由该规程式（4.1.1）故满足要求。4.1.4 按DLGJ99-91验算 稳定系数 单肢稳定系数=1.0 组合强度设计值 由含筋率=0.0738，查该暂汗规定表3.2.5得=53.3MPa。 单肢承载力 由该规程式（3.3.1-1）得： 故满足强度要求。第五章 主拱吊装施工与施工仿真分析5.1 拱桥施工方法简介本桥采用预制安装法中的节段扣挂法，节段扣挂法是将主拱圈划分为若干段，先放在现场的地面或场外工厂进行预制，再将其通过缆索吊装施工成拱。梁节段预制安装技术在施工时对交通的影响小，由于节段的长度不大，方便桁架拱肋的运输，而且对预制厂的场地大小要求也不高。5.2 施工阶段5.2.1 主拱圈分段本桥主拱圈根据重量特点共划分26节段，其中划分为7类，每一侧拱肋有6对是对称的，从拱脚到拱顶分段水平长度分别为23米、24米、320米、16米，中间合垄段水平长24米。由于本拱桥主拱圈采用临时铰接条件下的逐段吊装扣挂方式施工，在拱圈标高和坐标调整完毕之前，各拱段之间采用高强螺栓临时连接，以提供调整标高和坐标的余地，标高调整完毕后，放松扣挂索，再进行拱脚固结和各段连接，各拱段之间拱箱壁全部采用焊接。 图 5.1 临时铰座图 全拱肋施工分为7个施工段，如下图所示：图 5-2 施工分段示意图5.2.2 其各阶段施工示意图图 5.3 各施工阶段分步示意图5.2.3 各阶段拱肋弯矩图图 5.4 第一阶段拱肋弯矩包络图图 5.5 第二阶段拱肋弯矩包络图图 5.6 第三阶段拱肋弯矩包络图图 5.7 第四阶段拱肋弯矩包络图图 5.8 第五阶段拱肋弯矩包络图图 5.9 第六阶段拱肋弯矩包络图图 5.10 第七阶段拱肋弯矩包络图5.2.4 索力计算第一阶段索力计算第一施工段单根拱肋的重量G为2112.75kN,其计算简图如图3-2。图 5.11 扣索力计算简图 经MIDAS有限元程序计算，当第一阶段扣索1预拉力为882.6kN时，B端下沉1毫米，满足要求。后续阶段预拉索力和拱肋扣索位位移均采用MIDAS有限元程序计算，结果如下表：扣索张拉力和位移表单元类