60m拱桥计算书

鲁东大学本科毕业设计1 设计说明本设计是根据设计任务书的要求和《公路桥规》的规定,对六苏木二桥进行方案比选和设计的。

对该桥的设计，本着“安全、经济、美观、实用”的八字原则，本文提出四种不同的桥型方案：方案一石拱桥，方案二为简支梁桥，方案三为斜拉桥，方案四为钢构桥。

1.1设计标准1.1.1 设计标准 公路—Ⅱ级汽车荷载，人群荷载3kN/m 21.1.2 跨径及桥宽 净跨径600=l 米，净矢高120=f 米，净矢跨比5/1/00=l f 桥面净宽为 净7+2×(0.5防护栏+1.5m 人行道) =0B 11m1.2材料及其数据1.2.1 拱上建筑：主（腹）拱顶填土高度 c h =0.5m拱圈材料重力密度 31/25m KN =γ拱上护拱为浆砌片石容重 32/23m KN =γ 腹孔结构材料容量 33/24m KN =γ拱腔填料单位容重 34/20m KN =γ1.2.2 主拱圈： M10砂浆砌60号块石 容重35/25m KN =γ极限抗压强度 23/10064.52.122.4m KN Mpa R j a ⨯=⨯=极限直接抗剪强度 23/1030.030.0m KN Mpa R j j ⨯==弹性模量 26/103.7500m KN R E j a ⨯==拱圈设计温差为 ±15℃1.2.3 桥台: M5砂浆砌30号片石、块石 容重36/23m KN =γ 极限抗压强度 23/105.2m KN R j a ⨯=极限直接抗剪强度 23/1024.0m KN R j j ⨯= 基础为15号片石混凝土 37/24m KN =γ台后填砾石土，夯实。

内摩擦角 ︒=35ϕ填土容重 38/18m KN =γ1.3设计依据(1)交通部部标准《公路桥涵设计通用规范》，（JTG D60-2004）2004年。

简称《通规》； (2)交通部部标准《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61-2005）2005年，人民交通出版社，《规范》；(3)《公路设计手册-拱桥》上下册，人民交通出版社，1978。

简称《拱桥》。

2 方案选择2.1 方案比选桥梁的形式可考虑拱桥、梁桥、斜拉桥和钢构桥。

从安全、功能、经济、美观、施工、占地与工期多方面比选，最终确定桥梁形式。

2.1.1桥梁设计原则桥梁是公路，铁路和城市道路的重要组成部分，特别是大、中桥梁的建设对当地政治、经济、国防等都具有重要意义。

因此，桥梁工程的设计应符合技术先进、安全可靠、使用耐久、经济合理的要求，同时应满足美观、环境保护和可持续发展的要求。

桥梁建设应遵循的各项原则分述如下。

（1）技术先进在因地制宜的前提下，尽可能采用成熟的新结构，新设备、新材料和新工艺，学习国内外的先进技术，充分利用最新科学技术成就，把学习和创新结合起来，淘汰和摈弃原来落后和不合理的东西。

（2）安全可靠整个桥跨结构及各部分构件，在制造、运输、安装和使用过程中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。

对于交通繁忙的桥梁，应设计好照明设施，并有明确的交通标志，两端引桥坡度不易太陡，以免引发生车辆碰撞等引起的车祸。

（3）适用耐久桥上应保证车辆和人群的安全畅通，并能满足当前以及今后规划年限内的交通流量。

桥下应满足泄洪、安全通航或通车等要求。

建成的桥梁应保证使用年限，并便于检查和维修等。

（4）经济合理①桥梁设计应遵循因地制宜，就地取材和方便施工的原则。

②经济的桥型应该是造价和使用年限内养护费用综合最低的桥型，设计中应充分考虑维修的方便和维修费用少，维修时尽可能不中断交通，或中断交通时间最短。

③所选择的桥位应是地质水文条件好，桥梁长度也较短。

④桥位应考虑建在能缩短河道两岸的运距，促进该地区的经济发展，产生最大的效益，对于过桥收费的桥梁应能吸引更多的车辆通过，达到尽可能快的收回投资的目的。

（5）美观一座桥梁应具有优美的外形，而且这种外形从任何角度看都应是优美的，结构布置必须精炼，并在空间上有和谐的比例。

桥型应与周围环境相协调，城市桥梁和游览区的桥梁，可较多的考虑建筑艺术的要求。

（6）环境保护和可持续发展设计必须考虑环境保护和可持续发展的要求，包括生态、水、空气、噪声等方面，应从桥位选择、桥跨布置、基础方案、墩身外形、上部结构施工方法、施工组织设计等多方面全面考虑环境要求，采取必要的工程控制措施，并建立环境监测保护体系，将不利影响减至最低。

2.1.2方案比选根据桥梁设计原则，从安全、功能、经济、美观、施工、占地与工期等多方面比选，初步确定拱桥、梁桥、斜拉桥、刚构桥四种桥梁形式。

四种方案的比较表暂列于后。

（1）拱桥拱桥的静力特点是，在竖直力作用下，拱的两端不仅有竖直反力，而且还有水平反力。

由于水平反力的作用，拱的弯矩大大减少。

如在均布荷载q的作用下，简直梁的ql，全梁的弯矩图呈抛物线形，而拱轴为抛物线形的三铰拱的任何截面跨中弯矩为2/8弯矩均为零，拱只受轴向压力。

设计合理的拱轴，主要承受压力，弯矩、剪力均较小，故拱的跨越能力比梁大得多。

由于拱是主要承受压力的结构，因而可以充分利用抗拉性能较差、抗压性能较好的石料，混凝土等来建造。

由墩、台承受水平推力的推力拱桥，要求支撑拱的墩台和地基必须承受拱端的强大推力，因而修建推力拱桥要求有良好的地基。

图2.1石拱桥（2）简支梁桥梁式桥是一种竖向荷载作用下无水平反力的结构，由于外力的作用方向与承重结构的轴线接近垂直，因而与同样跨径的其他结构体系相比，梁桥内产生的弯矩最大，通常需用抗弯抗拉能力强的材料。

此处考虑3跨20米简支梁桥，由于峡谷地面高程较小，使得下部墩台的高度较大，给施工带来了难度，并提高了桥梁结构的总造价。

图2.2简支梁桥（3）斜拉桥斜拉桥跨径较大，考虑本地条件，拟采用独塔式斜拉桥。

斜拉桥的受力特点是受拉的斜索将主梁多点吊起，并将主梁的恒载和车辆等其他荷载传至塔柱，再通过塔柱基础传至地基。

塔柱基本上以受压为主，主梁弯矩较小。

由于主梁收到斜拉索水平分力的作用，主梁截面的基本受力特征是偏心受压构件。

斜拉桥属高次超静定结构，主梁所受弯矩大小与斜拉索的初张力密切相关。

图2.3斜拉桥（4）钢构桥钢构桥主要承重结构是梁与立柱整体结合在一起的钢架结构，梁和柱的连结处具有很大的刚性，以承受负弯矩的作用。

此处拟采用斜腿式钢构桥，斜腿式钢构桥经济合理，造型美观，跨径较大，不过斜腿施工难度较大。

图2.4钢构桥以上所论述桥型进行列表比较：根据本桥的实际情况，结合桥梁设计原则，第一方案经济上比其他方案好，跨径上满足要求，景观与环境协调，因地制宜，就地取材，节省钢材水泥，避免深基高墩，修建大跨度石拱桥是适宜的。

石拱桥坚固耐用，无周期性大修作业，养护维修费用低。

工程所在地靠近旅游区，对桥的外观以及桥和周围环境的协调要求比较高，综合这些因素，最终决定选用拱桥方案。

3 主拱圈计算3.1 确定拱轴系数拱轴系数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 j 和自拱顶至l/4跨的恒载对l/4跨截面型心的弯矩∑41M 。

其比值：∑∑=f y M M j //4141，求得f y 41值后，可由1)2(21241--⋅=f y m 中反求m 值，若求出的m 值与假定的m 值不符合，则应以求得的m 值作为假定值，重复上述计算，直至两者接近为止。

3.1.1 拟定上部结构几何尺寸（1）主拱圈几何尺寸① 截面特性截面高度cm k m d 6661.10460002.18.4600033=⨯⨯=⨯⨯=取3.1=d m主拱圈横桥向取1m 单位宽度计算，横截面积A=1.3 m 2惯性矩 I=1/12d 3=0.1830833m 4 截面抵抗矩 W=1/6d 2=0.2816667 m 3截面回转半径 r 2w = d 2/12=0.140834m ② 计算跨径和计算矢高假定m =2.814，相应的21.0/4/1=f y 。

查“拱桥”表（Ⅲ）—20(9)得 sin ϕj =0.70097 cos ϕj =0.71319计算跨径m d l l i 911261.6070097.03.160sin 0=⨯+=+=ϕ计算矢高m d f f i 1864265.12)71319.01(2/3.112)cos 1(2/=-⨯+=-⨯+=ϕ③ 拱脚截面的投影水平投影911261.0sin =⨯=i d x ϕ 竖向投影927147.0cos =⨯=i d y ϕ④ 计算主拱圈坐标 图3.1将主拱圈沿跨径24等分，每等分长l =l /24=2.537969m 。

以拱顶截面型心为原点坐标，拱轴线上个截面的纵坐标=1y [表（Ⅲ）-1值]*×F ，相应拱背坐标j d y y ϕcos 21'1-=，相应的腹拱坐标j d y y ϕcos 21''1+=第4栏由《拱桥》附录（Ⅲ）表（Ⅲ-20（9））查得（2）拱上构造尺寸 ○1 腹拱圈腹拱圈为10号砂浆砌30号粗料石等截面圆弧拱，截面高度d '=0.35m ，净矢高m f 1'=，净跨径m l 4'=,净矢跨比4/1''=f 。

查《拱桥》上册表3-2得 sin ϕ0= 0.689655 cos ϕ0=0.724138 水平投影 m d x 24138.0sin 0''==ϕ 竖向投影 m d y 25345.0cos 0''==ϕ ② 腹拱墩腹拱墩采用M7.5砂浆砌30号块石的横墙，厚0.8米。

在横墙中间留出上半部为半径m R 5.0=的半圆和下部高为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)()cos 11(2''1f d d y h +--+=ϕ。

其计算过程及数量值见表3.2。

=1y 1)1(--m chk f ξ=ϕtan 12-m l fkshk ξ cos ϕ=1/1tan 2+ϕ71.69457330)1ln(2=-+=m m k3.1.2 恒载计算恒载分主拱圈、拱上空腹段、拱上实腹段三部分进行计算。

不考虑腹孔推力和弯矩对拱圈的影响。

其计算图示见图3.2。

130120050y图3.2（1）主拱圈恒载 5[III 19]A 0.55288 1.32560.91131094.4901p l γ=-=⨯⨯⨯=表（）值（8）KN 41M =[III 198]-表（）（）值4/9113.60253.112614.04/A 225⨯⨯⨯=l γ=3802.5189m ⋅KNj M =[III 198]-表（）（）值8578.157664/9113.60253.152303.04/A 225=⨯⨯⨯=l γm ⋅KN（2）拱上空腹段的恒载 ○1腹孔上部（图3.3）图3.3腹拱圈外弧跨径 m d l 4828.4sin 2l 0'''=+=ϕ外腹拱内弧半径 m l R 500004.2'725001.00=⨯=腹拱圈重 KN d d R P a 6726.41')2/'(522024.130=⨯⨯+⨯=γ（以上系数为查《拱桥》上册表3-2得）腹拱侧墙护拱重 KN d R P b 5494.19)(11889.022'0=+=γ填料及路面重 KN h l p d c 65.06241'==γ外图3.4两腹拱之间起拱线以上部分的重量KN x h y d f y x P d d 56.22)28.0]()[()8.0('12'''3''=-+-++-=γγγ一个腹拱重 ∑=+++==daKN p P 8444.14856.220624.655494.196726.41② 腹孔下部1#横墙 P=[7.1276×1-(0.5×1+π×0.52/2)/9]×0.8×24=134.9446KN2#横墙 P=[4.0173×1-(0.5×1+π×0.52/2)/9]×0.8×24=75.2273KN3#横墙 P=[1.7539×1-(0.5×1+π×0.52/2)/9]×0.8×24=31.7709KN 4#拱座 P=(0.2883+1/2×0.2534)×0.2414×24=2.4042KN ③ 集中力P 1=148.8444+134.9446=283.7890KN P 2=148.8444+75.2273=224.0717KN P 3=148.8444+31.7709=180.6153KNP 4=(148.8444-22.56)/2+2.4042=65.5464KN ④ P 1、P 2、P 3、P 4作用力对拱脚力臂分别为1e ==-#102/x l 30.4556-26.3988=4.0568m#2022/x l e -==30.4556-21.5988=8.8568m=-=#3032/x l e 30.4556-16.7988=13.6568m#4042/x l e -==30.4556-12.3988=18.0568m ⑤ P 4对1/4拱跨的力臂为#404/1,44/x l e -==15.2278-12.3988=2.8290m （3）拱上实腹段的恒载(图3.5)图3.5○1 拱顶填料及桥面重KN h l P d x 7818.12215==γ② 悬链线曲边三角形部分重量 KN k m k shk xf P 5327.128)1/()(40016=--=γξξ 式中 925.11)1cos /1(11=--=j y f f ϕ重心位置 2323.9)(]/)1()2/[(000000=-⋅---=ξξξξξξηk shk l k chk k shk l x x m ③ P 5、P 6作用力对拱脚力臂分别为：2/2/#505x l e -==30.4556-11.8188/2=24.3166m x l l e η-=2/06=30.4556-9.2323=21.2233m④ P 5、P 6作用力对1/4拱跨的力臂分别为 =-=2/4/#504/1,5x l e 9.3184m =-=x l l e η4/04/1,6 5.9955m（4）各块恒载对拱脚及拱跨1/4截面的力矩见表3.33.1.3 验算拱轴系数由表3.3得，∑M 4/l /∑M j =5874.494/28266.38504=0.2078261假定m=2.814，相应的y 1/4/f 0=0.21，上述计算值为0.208，较为接近，拱轴系数可用m=2.814。