桥梁工程课程设计指导书

桥梁工程（下）课程设计指导书（拱桥）

题 目: 钢管混凝土拱桥设计 一、课程设计教学目的及基本要求

1、了解并掌握上部结构的一般设计方法，具备初步的独立设计能力。

2、初步掌握拟定拱桥截面高度、选择拱轴系数m（五点重合法）、计算恒载内力（不考虑弹性压缩及偏离影响时的内力）、计算活载内力、温度影响力并进行内力组合；验算拱脚、L/4和拱顶截面的强度和稳定性验算。

3、提高综合运用所学理论知识，具有独立分析问题和解决问题的能力。 4、进一步提高利用工具和计算机进行桥梁设计的能力。 二、基本设计资料

1）初始条件：

1、 设计荷载：2004桥梁规范：公路-I级荷载，公路-II级荷载，人群3.0kN/m 2、 桥面宽度：净-7+2×0.75米人行道；净-9+2×1.0米人行道；净-11.5+2×0.5米防

撞护栏

3、 主拱圈净跨l0=70m～150m，净矢跨比f0/l0=1/4～1/7，主拱圈的线形为悬链线或抛物

线

4、 拱桥计算温差为?25?C

22）总体布置：

（1）本次设计的桥形为单孔跨径70~150m的上承式等截面钢管混凝土拱桥，矢跨比为1/4~1/8，拱轴线采用悬链线线形，m=1.167~3.500；也可采用抛物线线形，m=1.000。拱肋为两片，每片设2~4根上下弦杆Φ600~1200×16mm钢管和钢板联系起来，每根钢管内和钢板间浇注C50微膨胀混凝土。两拱肋中心距离为6~10m，用上下各设一根Φ500×16mm的钢管横向联系，联系钢管的纵向间距为10m左右，联系钢管中不灌注混凝土。

（2）立柱采用Φ500~1000×14mm钢管，内填C50微膨胀混凝土，在纵桥方向上间距可为10m、13、16、20（与所选用的空心板对应），全桥拱上立柱一定要对称布置。其上加盖梁，盖梁横截面尺寸可为宽0.8~1.2m×高1.0~1.4m的钢筋混凝土结构。

（3）桥面板采用简支预应力空心板，跨径可为10、13、16、20m，每片底板横向宽均为1.25m，梁高分别为0.5、0.6、0.75和0.90 m，中板重量分别为106 kN、160 kN、270 kN和320kN 。

（4）桥面铺装的厚度为10cm的C40防水砼，设双向1.5~2%的横坡。

（5）人行道及栏杆；人行道宽0.75、1.0m的单侧人行道及栏杆每延米重分别为5 kN、7kN；防撞护栏单侧每延米重10kN。

（6）施工方法：无支架的缆索吊装施工法

1

施工程序：基础及边跨立柱 主拱圈合龙 浇注混凝土 施工拱上立柱和盖梁 架设空心板 桥面铺装及人行道栏杆等

总体布置可参考下图1~2所示：

图1 立面参考图

图2 横断面参考图

三、设计内容及步骤

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1、确定主拱圈材料标号，按规范查出相应的设计强度、弹性模量、容重等，计算弹性模量、截面特性等（参照公路桥涵设计规范）；

钢管、缀板、联系梁和立柱均采用16Mn桥钢，所有钢管中灌注的混凝土为C50微膨胀混凝土；盖梁为C30，桥面板的材料为C40混凝土，其他混凝土材料为C30。

材料特性见表1

表1材料特性表

材料名称 16Mn桥钢 C50微膨胀混凝土 C40混凝土 C30混凝土 弹性模量E（MPa） 2.1E5 3.5E4 3.25E4 3.0E4 设计强度fc（MPa） 容重（kN/m） 78.5 26.5 26 26 3线膨胀系数 1.0e-05 1.0e-05 1.0e-05 1.0e-05 200（拉压） 22.4（压） 18.4（压） 13.8（压） 钢管混凝土的容重按钢和混凝土分别所占的比重进行换算。 在钢管混凝土中钢所占的比重为：

?钢混??钢??钢??混?混

钢管混凝土的弹性模量E应根据下面的公式 抗拉或抗压强度换算： EA?ECAC?ESAS

刚度换算： EI?ECIC?ESIS 2、确定拱轴系数：

1）拟定主拱圈厚度d及单肋宽度b； ①厚度d。

可采用下述经验公式：d=（1/45～1/65）l0 ②单肋宽度b=(0.4～0.5)d； 2）计算主拱圈的截面特性：

单肋的截面面积A、抗弯惯性矩I、抵抗矩W、回转半径rw

3）假定拱轴系数m，一般取1.000～3.500；陡拱：m值选用较大；坦拱：m值选用较小. 根据m值及矢跨比f0/l0，查“拱桥设计手册”表（III）-20得拱脚处的sin?j cos?j ?j 求计算跨径:l= l0+d sin?j 求计算矢高:f= f0+ d(1- cos?j)/2 4）计算主拱圈几何要素

按半孔划分12等份列表进行计算主拱圈几何性质

将计算跨径等分节段，根据节点的x坐标和m值，查“拱桥设计手册”表（III）-1的y1/f , 计算y1 ，计算相应的拱背坐标y’1 = y1 - d / 2cos?， 拱腹坐标y”1 = y1 +d/2 cos? （列表计算，可用EXCEL计算）

5）在坐标纸上按比例画出主拱圈图形（半拱）；

6）布置拱上建筑，布置拱上建筑时，如果拱顶处无立柱，则空心板底至拱顶上缘的最小距离为0.5m；如果拱顶处有立柱，则立柱的最小高度为0.5m。

3

确定立柱的高度时，可在坐标纸上或CAD中按比例画出主拱圈线形（半拱）（可参考上图，要求图形清晰、准确、尺寸详细），全面布置拱上立柱和盖梁等结构，在图中量出立柱高度即可。若要精确计算立柱的高度，可参照王国鼎的桥梁计算示例集-拱桥P12的例子。

拱上建筑的恒载计算。

7）计算

?M1/4?MMM，?，按公式?14j?Y1/4f验算假定的m是否为真。一般要求

等号两边相差不超过半级即0.005/2，否则重复3）～7）各步骤，直至满足要求为止（重复计算时，可仍利用原图形，只是某些尺寸在数值上有些变化，按其真实数值计算即可）。 以上计算内容可参照王国鼎的桥梁计算示例集-拱桥P9例一进行。也可利用EXCEL进行计算。

3、内力计算(可用桥博、GQJS、MIDAS和ANSYS程序计算)

以单肋为计算对象，计算截面取拱顶、1/4处，拱脚。只计算弯矩及轴力。 1）恒载内力

只计算结构自重的影响力（不考虑弹性压缩及拱轴线偏离恒载压力线的影响，）（参照邵旭东桥梁工程教材P304例3-3-1, 也可参照王国鼎的桥梁计算示例集-拱桥P14例）

2）活载内力；

利用s汽?（1??）????(qK???PK?yi)

其中，车道横向折减系数?：当2车道时，?=1.0；3车道时，?=0.78。 纵向不折减。

利用杠杆原理法计算活载偏压增大系数?

所求截面内力的影响线坐标和面积可查表计算（可参考邵旭东桥梁工程教材P312例

3-3-3），也可利用程序计算

要求计算车道引起的最大弯矩及相应的轴力；最小弯矩及相应的轴力；最大轴力及相应的弯矩，最小轴力及相应的弯矩。注意上述计算的值中，正弯矩值应进行折减才是最后的值，按桥规，拱顶，1/4处的应乘以0.7；拱脚处的应乘以0.9；

3）温度内力；

合龙后温度升、降均为25℃。 （可参考邵旭东桥梁工程教材P316例3-3-4） 4 、内力汇总及组合：

组合Ⅰ：1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+0.8*1.4*人群荷载

组合Ⅱ：1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+0.7*（1.4*人群荷载+1.4*温度上升） 组合Ⅲ：1.2*恒荷载+1.4*汽车荷载+0.7*（1.4*人群荷载+1.4*温度下降）

半拱圈钢管混凝土内力汇总及组合表（单位：kN，kN-m）

项号1 2 3 4 5 6 恒载 汽车荷载Max 汽车荷载Min 人群荷载Max 温度上升 温度下降

内力汇总 系数 拱顶 M N M 1/4截面 N M 拱脚 N 1.2 1.4 1.4 0.8（0.7）*1.4 0.7*1.4 0.7*1.4 4

荷载组合 8 9 10 11 12 13 组合Ⅲ 组合Ⅱ 组合Ⅰ 1+2+4 1+3+4 1+2+4+5 1+3+4+5 1+2+4+6 1+3+4+6 M j N j M j N j M j N j 注：组合原则以主拱圈受到最大压力为主 5、拱圈强度验算；

钢管混凝土由于钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土的强度得到提高， 单肋钢管混凝土的强度验算 （1） 确定单根钢管受力

从组合后的表中选出钢管混凝土单肋所承受的最大轴力进行钢管混凝土拱肋的强度验算。 （2） 按规程《CECS 28：90》验算

① 套箍指数

由规程式

faAaθ= fcAc

fa=200 (16Mn钢抗压设计强度) fc=22.4（C50微膨胀混凝土抗压设计强度） Aa _ 单肋钢板的面积 Ac—微膨胀混凝土的面积 ② 短柱轴压极限承载力N0

由规程式

N0=fcAc(1+

? +θ)

单肋承载力规程式：

Nu=φ1φeN0 （φ1=1.0 φe=0.9） 应大于Nj，才满足强度要求。 6、拱圈稳定性验算； （1）纵向稳定性验算

按无支架施工应进行计算（参考邵旭东桥梁工程教材P320的内容进行） （2）横向稳定性验算

当拱圈宽度大于计算跨径的1/20时，可不进行横向稳定性验算，否则按邵旭东桥梁工程教材P321内容验算。

7、绘制两张图（A3图纸）手绘或机绘

图名：上部结构总体布置图（立面）、上部结构横向布置图（横截面）。 具体安排如下：

①根据标准跨径、桥面净宽、车辆荷载和人群荷载的不同进行组合，一人一题，不得重题；

②根据题目要求，查阅有关资料，确定纵断面、横断面形式，合理选择截面尺寸； ③独立进行内力计算；

④编写课程设计报告及绘图。 手写设计说明书（A4 ）（格式详见附件5：课程设计说明书统一书写格式）。

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