土木道橋畢業(yè)設(shè)計-30m上承式鋼管混凝土拱橋

單跨30m上承式鋼管混凝土拱橋設(shè)計50mSingle-span第1章鋼管拱橋發(fā)展概況1.1鋼管混凝土系桿拱橋的發(fā)展概況世界上最早修建的鋼管混凝土拱橋是20世紀30年代前蘇聯(lián)建造的跨越列寧格勒涅瓦河跨度為100m的拱梁組合體系橋和位于西伯利亞跨度為140m的桁肋拱橋[1]。系桿拱橋起源于十九世紀末的歐洲，1858年奧地利人蘭格爾(JosefLanger)申報了剛性梁柔性拱的系桿拱橋?qū)＠瑥娬{(diào)拱肋和吊桿之間鉸接構(gòu)造，拱肋只承受軸向力，不承受彎矩，這就是現(xiàn)代系桿拱橋的早期形式。隨后，尼爾森(Q.F.Nelsen)提出了用斜吊桿代替蘭格爾梁中的豎吊桿，大幅度提高了系桿拱橋剛度。因此，斜吊桿形式的系桿拱橋又被稱為尼爾森體系。二戰(zhàn)以后，德、日、美等國對已有橋型進行了一定的研究與實踐[9]。1962年德國建成了世界上第一座提籃形拱肋的費馬恩松德(Fehirnamsund)橋，主跨248.4m，矢高43m，橋面寬21m，單線鐵路與三車道公路并行。1968年日本建成了第一座尼爾森一洛斯（Nelsen一Rohse)體系橋——主跨110m的安岐橋，在此后的二十多年中，先后修建了10多座200m左右跨度的提籃形拱肋的尼爾森洛斯體系橋梁，其中1991年7月建成的新濱寺橋，跨度達到了254m，成為了世界上最大跨度的尼爾森一洛斯體系橋梁[13-14]。在我國，鋼管混凝土拱橋真正的發(fā)展是在20世紀90年代的中國。我國第一座鋼管混凝土拱橋是1990年建成的四川旺蒼東河大橋，跨徑110m，據(jù)不完全統(tǒng)計，十多年來在我國己建的和在建的鋼管混凝土拱橋約有200多座，其中跨徑超過200m的有30多座。1995年，廣東三山西大橋是第一座跨徑超過200m的鋼管混凝土拱橋，也是第一座飛燕式拱橋。飛燕式鋼管混凝土拱橋通過張拉系桿來平衡主拱所產(chǎn)生的大部分水平推力，大大降低了平原或軟基地區(qū)拱橋下部與基礎(chǔ)的工程量與造價，且造型美觀在我國得到了迅速發(fā)展，相繼建成的有武漢市江漢五橋、江蘇徐州京杭運河特大橋、南昌市生米特大橋等。尤其是建成于2000年跨徑組合76+360+76的丫髻沙大橋，把這一橋型，也可以說把鋼管混凝土拱橋的跨徑推上了一個新的臺階。近幾年來，設(shè)計者對拱肋結(jié)構(gòu)進行了更進一步研究，拱肋截面形式有了進一步的發(fā)展如:單圓形、啞鈴形、多肢析式、橫啞鈴析式和箱肋式等；施工方法也逐步成熟，主要有支架法、一般吊裝法、轉(zhuǎn)體吊裝法、轉(zhuǎn)體施工法和斜拉扣掛法。鋼管混凝土系桿拱橋技術(shù)在我國得到了突飛猛進的發(fā)展[15-19]。1.2鋼管混凝土拱橋的特點拱橋作為壓彎結(jié)構(gòu)，隨著跨徑的增大，高強材料的應用受到穩(wěn)定問題的制約，鋼筋混凝土和預應力混凝土拱橋由于自重較大，施工架設(shè)問題較為突出。而鋼管混凝土拱橋由于受力過程中鋼管和混凝土共同作用，充分發(fā)揮了兩種材料的特性，有效的解決了材料高強度和施工架設(shè)的兩大問題。鋼管混凝土拱橋的跨越能力較鋼筋混凝土拱橋有了較大的提高，除了具有鋼筋混凝土拱橋的優(yōu)點外，還具有以下優(yōu)點[1]、[2-7]。(l)受力合理。兼具拱橋與梁橋的特點，將拱與梁兩種基本結(jié)構(gòu)組合在一起，共同承受荷載，充分發(fā)揮了梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)性能和組合作用。拱肋作為壓彎構(gòu)件，可以選擇合理的拱軸線，使得拱肋所承受彎矩減小，充分發(fā)揮了鋼管混凝土抗壓強度高的優(yōu)點，較大幅度的提高了拱肋結(jié)構(gòu)的承載能力，節(jié)省材料的用量。并且拱肋自重的減小，減輕了橋梁自重，使橋墩負擔減小[8-12]。(2)抗風、抗震性能好。采用鋼管混凝土可以較大程度的改善大跨度拱橋的抗風能力和抗震能力。大跨度拱橋的側(cè)向剛度一般較小，在風荷載作用下將產(chǎn)生較大的側(cè)向變形，影響橋梁的運營，甚至導致破壞。然而，鋼管混凝土拱肋可以根據(jù)需要做成合理的格構(gòu)式曲析架結(jié)構(gòu)，從而獲得所需的結(jié)構(gòu)剛度，并且在構(gòu)件整體穩(wěn)定的前提下，由于拱肋結(jié)構(gòu)通透，阻風面積小，所受風荷載減小，因此其橫向穩(wěn)定性能得到了改善。另外地震分析表明，拱肋截面變小，將減小地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應和結(jié)構(gòu)內(nèi)力，從設(shè)計上帶來一定的經(jīng)濟效益。(3)施工便捷。鋼管混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)架設(shè)方便，施工快捷，工期短，綜經(jīng)濟效益顯著。修建鋼管混凝土系桿拱橋時，可以先通過纜索吊裝法或轉(zhuǎn)體施工法完成空鋼管拱肋的架設(shè)，從而形成自架設(shè)體系，再以此為支架進行管內(nèi)混凝土的灌注和橋面系的吊裝。由于空鋼管自重較輕，運輸和安裝十分方便。(4)形式多樣。鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，除了傳統(tǒng)的下承式拱還有中承式，上承式拱以及無橫撐、單片拱肋、斜吊桿、異型拱等。1.3上承式結(jié)構(gòu)拱橋簡介上承式拱橋按結(jié)構(gòu)形式可分為簡單體系拱和組合拱，在過去的鋼管混凝土拱橋橋例統(tǒng)計分析中，上承式一般僅占總數(shù)的10%左右，這主要是因為鋼筋混凝土拱橋和石拱橋，自重較大，對基礎(chǔ)要求高，在城市和平原地區(qū)修建，容易由于下部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的施工量較大而使造價上升而較少采用，而鋼管混凝土拱橋由于自重較輕，加上鋼架系桿拱等新的結(jié)構(gòu)形式，使得對下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的要求降低，因而在城市的平原得到大量的應用。上承式鋼管混凝土拱橋一般采用一孔跨河谷，這有利于充分利用橋位的良好的地質(zhì)條件，方便施工，降低了工程造價。第2章MidasCivil軟件的介紹第2章MidasCivil軟件的介紹Midas/Civil是個通用的空間有限元分析軟件，可適用于橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑、飛機場、大壩、港口等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計。特別是針對橋梁結(jié)構(gòu)，Midas/Civil結(jié)合國內(nèi)的規(guī)范與習慣，在建模、分析、后處理、設(shè)計等方面提供了很多的便利的功能，目前已為各大公路、鐵路部門的設(shè)計院所采用。Midas/Civil的主要特點如下：(1)提供菜單、表格、文本、導入CAD和部分其他程序文件等靈活多樣的建模功能，并盡可能使鼠標在畫面上的移動量達到最少，從而使用戶的工作效率達到最高。(2)提供剛構(gòu)橋、板型橋、箱型暗渠、頂推法橋梁、懸臂法橋梁、移動支架/滿堂支架法橋梁、懸索橋、斜拉橋的建模助手。(3)提供中國、美國、英國、德國、歐洲、日本、韓國等國家的材料和截面數(shù)據(jù)庫，以及混凝土收縮和徐變規(guī)范和移動何在規(guī)范。(4)提供桁架、一般梁/邊截面梁、平面應力/平面應變、只受拉/只受壓、間隙、鉤、索、加勁板軸對稱、板（厚板/薄板、面內(nèi)/面外厚度、正交各向異向）、實體單元（六面體、楔形、四面體）等工程實際時所需的各種有限元模型。(5)提供靜力分析（線形靜力分析、熱應力分析）、動力分析（自由振動分析、反應譜分析、時程分析）、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析、動力邊界非線形分析、幾何非線形分析（P-delta分析、大位移分析）、優(yōu)化索力、屈曲分析、移動荷載分析（影響線/影響面分析）、支座沉降分析、熱傳導分析（熱傳導、熱對流、熱輻射）、水化熱分析（溫度應力、管冷）、施工階段分析、聯(lián)合截面施工階段分析等功能。(6)在后處理中，可以根據(jù)設(shè)計規(guī)范自動生成荷載組合，也可以添加和修改荷載組合。(7)可以輸出各種反力、位移、內(nèi)力和應力的圖形、表格和文本。提供靜力和動力分析的動畫文件；提供移動荷載追蹤器的功能，可找出指定單元發(fā)生最大內(nèi)力（位移等）時，移動荷載作用的位置；提供局部方向內(nèi)力的合力功能，可將板單元或?qū)嶓w單元上任意位置的接點力組合成內(nèi)力。(8)可在進行結(jié)構(gòu)分析后對多種形式的梁、柱截面進行設(shè)計和驗算。Midas/Civil是針對橋梁工程，特別是分析象預應力箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式，同時可以做非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析。為能夠迅速、準確地完成類似結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計，以填補目前土木結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計軟件市場的空白，而開發(fā)的“土木結(jié)構(gòu)專用的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計軟件”。如圖2-1所示，為該軟件的操作界面。圖2-1Midas操作界面第3章建模過程第3章建模過程3.1橋梁設(shè)計基本參數(shù)的選取本次設(shè)計的基本資料是：設(shè)計荷載：公路一級橋面車道：雙向四車道地震列度：地震列度為8度，按9度設(shè)防橋面縱坡：0%橋面橫坡：雙向1.5%橋面寬度：凈9+2×0.5m防護欄橋梁跨徑：3根據(jù)以上基本資料通過規(guī)范以及基本計算選得：上承式拱橋，矢夸比為1/4，采用的是二次拋物線，矢高為7.5m3.1.1拱肋材料及尺寸拱肋采用啞鈴型截面，鋼管鋼材采用Q345:；拱肋內(nèi)填注混凝土按C50考慮，鋼管直徑78mm,壁厚5mm，啞鈴長178mm,連接鋼管直徑38圖3-1拱肋截面（單位：mm）3.1.2主梁材料及基本構(gòu)造主梁采用的是T型梁截面，混凝土標號為C50，主梁各處的截面是相同的，所以只要畫出一個截面：T梁截面。截面的尺寸以及形狀如圖3-2和3-3所示：圖3-2T型梁截面(mm)圖3-3T梁詳細尺寸數(shù)據(jù)3.1.3立柱和橫向連接全橋總計用十根立柱和五根橫向連接，他們都用直徑為800mm，壁厚為16mm的鋼管混凝土制成，其中十根立柱中有4根10M的，4根6.8M的，2根5.6M的；橫向連接全為5.5M，混凝土為C50，鋼管與鋼管之間均采用相貫焊接。3.1.4蓋梁與橫梁的基本構(gòu)造蓋梁與橫梁都可用MidasCivil的截面直接創(chuàng)創(chuàng)建，所以蓋梁和橫梁的具體構(gòu)造如下圖3-4和圖3-5所示圖3-4蓋梁的基本構(gòu)造數(shù)據(jù)圖3-5橫梁的基本構(gòu)造數(shù)據(jù)3.2利用MidasCivil軟件的建模過程模型的建立過程是通過已有的例題以及MidasCivil軟件的教學視頻中學習的，主要步驟包括以下幾方面：材料的定義、時間依存性材料的定義、截面特性計算器、各個截面的定義、節(jié)點的建立、單元的建立、邊界條件的定義、自重定義、荷載工況的定義、移動荷載布置等。下面根據(jù)本次設(shè)計的相關(guān)情況介紹具體的建模過程如下：3.2.1材料的基本設(shè)定材料的定義主要有多種方法：1、通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中已有材料數(shù)據(jù)定義。2、通過自定義方式來定義。3、通過導入其他模型已經(jīng)定義好的材料。采用以上3種方法進行材料的定義，操作順序都可以按下列步驟來執(zhí)行：選擇設(shè)計材料類型，如鋼材、混凝土、組合材料、自定義等，選擇相應規(guī)范數(shù)據(jù)庫中材料，確定各項材料的基本數(shù)值。（1）主梁，蓋梁，橫梁，立柱等材料的定義隨設(shè)計同步進行，方法都為第一種，如圖3-6；圖3-6材料基本設(shè)定的第一種方法（2）拱肋材料的定義方法為第二種自定義材料法，需要輸入各種控制參數(shù)的數(shù)據(jù)，包括彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)、容重等。拱肋的彈性模量在前面已計算出，但對于泊松比、線膨脹系數(shù)、容重等則按混凝土的計算系數(shù)設(shè)置，各數(shù)值如圖3-7所示。圖3-7材料基本設(shè)定的第二種方法3.2.2截面的定義截面定義方法也有多種：1.采用調(diào)用數(shù)據(jù)庫中截面（標準型鋼）；2.用戶定義；3.采用直接輸入截面特性值的數(shù)值形式；4.導入其他模型中已有截面。在本次設(shè)計中分別采用通過導入其他模型中的PSC截面來形成當前模型中的截面。對于在截面數(shù)據(jù)庫中沒有的截面類型，還可以通過程序提供的截面特性計算器來生成截面數(shù)據(jù)。將CAD軟件中畫好的各個界面，保存成DXF格式后利用截面特性計算器計算后再導入的。截面的定義分為以下7部分：（1）打開截面特性計算器，根據(jù)CAD圖形的數(shù)值單位編輯正確，這里我們以啞鈴截面為例，單位為mm,如圖3-8所示：圖3-8截面特性計算器設(shè)置單位（2）將已經(jīng)轉(zhuǎn)換成DNF格式的CAD圖形導入截面特性計算器，如圖3-9所示：圖3-9截面特性計算器導入圖形（3）因為剛導入的圖形為線，所以將導入的圖形生成截面，如圖3-10所示：圖3-10截面特性計算器成截面（4）以MIDASSectionFile格式導出截面，如圖3-11所示：圖3-11截面特性計算器生成截面導出（5）在“特性”中選擇“截面”選項，點擊添加截面，在添加截面中我們選擇“數(shù)值”，在數(shù)值中我們選擇“任意截面”，如圖3-12所示：圖3-12導入截面過程（6）由上圖的“從SPC中導入”選項導入之前做的截面，導入后在圖中顯示截面的形狀等，如圖3-13所示：圖3-13導入截面后截面顯示（7）點擊確認后，即得到了所需截面，所得截面可從工作欄中截面中找到，如圖3-14所示：圖3-14導入截面后的截面所在3.2.3節(jié)點的建立節(jié)點的建立發(fā)法也有多種：1、利用MidasCivil軟件捕捉柵格網(wǎng)的方法建立節(jié)點；2、利用MidasCivil軟件輸入坐標的方法建立節(jié)點；3、從其他圖形文件中導入節(jié)點。這里我們采用的是第三種從其他圖形文件中導入節(jié)點的方法，讓后通過節(jié)點的復制等方法進行所有節(jié)點的建立，建立過程如下列步驟所示：（1）在CAD中建立節(jié)點文件具體的計算方法為拋物線法，計算方法為草稿，由于計算簡單不予列出，節(jié)點的確立方法為：講拋物線法算出的點的坐標，并將其輸入CAD之中，取其點，由于MidasCivil軟件不能識別曲線，故將曲線刪除用直線連接這些點，成品如圖3-15所示：圖3-15CAD中建立的節(jié)點將CAD文件保存為DXF格式，導入MidasCivil軟件，由于單元的建立需導入材料，故只導入節(jié)點，選擇x軸旋轉(zhuǎn)90度，以保證視圖的美觀，導入過程如圖3-16所示：圖3-16CAD中建立的導入過程導入節(jié)點最終結(jié)果顯示，如圖3-17：圖3-17導入節(jié)點最終顯示通過節(jié)點的復制形成，經(jīng)過多次修改確定各個截面的長度，即節(jié)點的距離，形成最終全節(jié)點模型，如圖3-18所示：圖3-18最終全節(jié)點模型3.2.4單元的建立單元的建立有很多種方法：1.通過節(jié)點的連接建立單元；2.通過單元的擴展、分割、復制建立單元；3.通過導入其他圖形文件的方法建立單元。這里我們采用第一種通過節(jié)點的連接建立單元的方法，建立單元時，選擇單元的材料和截面，每個截面都有他響應的材料，這里以拱肋的單元建立為例，如圖3-19所示：圖3-19單元的建立方法其他各個單元截面的建立方法與上述方法相同，對應好各個截面的材料的即可，最終建立的基本模型如圖3-20所示：圖3-20最終單元框架成品圖點擊消隱可看基本材料框架成品圖，如果不美觀可進行截面的尺寸修改，經(jīng)過多次修改成品如圖3-21所示：圖3-21基本材料框架成品圖3.2.5邊界條件的定義在MIDASCivil里包含多種邊界條件。這里用到的主要有一般支撐、彈性連接、設(shè)定梁端鋼域等邊界條件的定義方法。一般支撐的設(shè)定，由于系桿拱結(jié)構(gòu)為內(nèi)部超靜定，外部靜定結(jié)構(gòu)，需建立空間簡支邊界條件。如圖3-22所示：圖3-22一般支撐彈性連接，進行彈性連接時注意不要遺漏，將本應該連接但并未用單元的節(jié)點進行彈性連接，成品圖如3-23所示：圖3-23彈性連接節(jié)點彈性支撐，因為橋面板要與陸地連接，為了更好地保護橋，面，故需設(shè)定彈性支撐，如圖3-24所示：圖3-24節(jié)點彈性支撐3.2.6荷載工況的定義荷載工況包括自重荷載、二期荷載等。首先定義荷載工況，荷載工況的定義，包括名稱，荷載類型等，如圖3-25所示：圖3-25荷載工況定義自重荷載的添加MidasCivil對結(jié)構(gòu)的自重荷載可以通過程序來自動計算。程序計算自重的依據(jù)是材料的容重、截面面積、單元構(gòu)件長度、自重系數(shù)來自動計算結(jié)構(gòu)自重。在定義自重時，首先要定義自重荷載的荷載工況名稱，并定義自重所屬的荷載組，然后輸入自重系數(shù)即可。對于荷載系數(shù)，通常在Z方向輸入-1即可，因為通?？紤]的模型的重力作用方向都是豎直向下，而程序默認的整體坐標系Z的正方向是豎直向上的。結(jié)構(gòu)自重荷載的添加方式如圖3-26所示：圖3-26自重荷載（2）移動荷載的定義對于移動荷載定義可以分為以下幾步：定義車道（適用于梁單元）或車道面（適用于板單元）；定義車輛類型；定義移動荷載工況；定義移動荷載分析控制，選擇移動荷載分析輸出選項、沖擊系數(shù)計算方法和計算參數(shù)。對于移動荷載的施加方法，對于不同的結(jié)構(gòu)形式有不同的定義方法。對于梁單元，移動荷載定義采用的是車道加載；車輛的類型無論是梁單元還是板單元在進行移動荷載分析時，定義了車道后，需要選擇車輛類型，車輛類型包括標準車輛和用戶自定義車輛兩種定義方式，定義了車道和車輛荷載后，將車道與車輛荷載聯(lián)系起來就是移動荷載定義。在移動荷載子工況中選擇車輛類型和相應的車道，對于多個移動荷載子工況在移動荷載工況定義中選擇作用方式。定義規(guī)范為中國規(guī)范如圖3-27所示：圖3-27移動荷載規(guī)范定義車道，根據(jù)計算車道的車輛兩輪距離1.8m，兩車間距1.3m進行簡單的計算確定車道位置，這里布置偏載，布置方式用兩點方法選取，如圖3-28所示：圖3-28定義車道3）定義車輛，選擇要求相應規(guī)范如圖3-29所示：圖3-29定義車輛定義移動荷載工況如圖3-30所示：圖3-30定義移動荷載工況3.2.7二期荷載的布置二期荷載主要用橋面鋪裝以及防護欄確定，根據(jù)查閱的相關(guān)資料，橋面鋪裝以及防護欄設(shè)計如圖3-31所示：圖3-31橋面鋪裝及防撞護欄（單位：cm）根據(jù)3-31的設(shè)計資料計算出二期荷載的單位荷載量為-34.5kN/m(因為荷載向下，故為負)二期荷載加載過程如圖3-32所示：圖3-32二期荷載加載方法二期荷載加載表格如圖3-33所示：圖3-33二期荷載表格圖3.2.8自重轉(zhuǎn)化為質(zhì)量自重轉(zhuǎn)化為質(zhì)量是為了進行加載，為軟件的計算做準備，具體的操作為在“模型”中的“結(jié)構(gòu)類型”中的“將結(jié)構(gòu)的自重轉(zhuǎn)化為質(zhì)量”，根據(jù)以上步驟操作就可以了，具體視覺概念由圖3-34所示：圖3-34自重轉(zhuǎn)化質(zhì)量3.2.9荷載轉(zhuǎn)化質(zhì)量這里的荷載主要指的是二期荷載，程序在進行結(jié)構(gòu)分析的時候都是按照荷載的形式施加的，在進行動力分析時，二期恒載實際上是作為結(jié)構(gòu)的一部分要參與動力分析的，因此需要考慮它的質(zhì)量影響。二期恒載的質(zhì)量定義需要在“模型”中的“質(zhì)量”中的“將荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量”中來定義，如圖3-35所示：圖3-35荷載轉(zhuǎn)化成質(zhì)量3.3運行結(jié)果3.3.1周期與振型首先運行后查看周期與振型，得到自重與二期荷載引起的自振頻率f=10.914235Hz然后輸入移動荷載分析空數(shù)據(jù)，最后重新運行分析。如圖3-36所示：圖3-36自重與二期荷載引起的自振頻率然后將自振頻率f=10.91235Hz輸入移動荷載分析空數(shù)據(jù)，最后重新運行分析，如圖3-37所示：圖3-37輸入自振頻率3.3.2梁單元受力情況梁單元受力情況主要包括自重、二期荷載等情況下梁單元的受力情況，內(nèi)力包括彎矩（My）、水平推力（Fx）、豎直方向的剪力（Fz）。下面以自重為例依次介紹各個受力情況，如圖3-38至3-40所示：圖3-38自重下梁單元水平推力（Fx）圖3-39自重下梁單元豎直方向的剪力（Fz）圖3-40自重下梁單元彎矩（My）由于梁單元在自重下、二期荷載下的圖形大同小異，由上列3張圖可以看出模型沒有問題，符合要求，故不多做列舉。3.3.3顯示反力反力的大小查看如圖3-41所示：圖3-41反力的查看3.3.4顯示應力梁單元所收應力與梁單元受力情況相同，各個荷載作用下應力圖形大同小異，在這里只列舉二期荷載下的梁單元所受應力，如圖3-42所示：圖3-42二期荷載作用下梁單元所受應力3.3.5顯示影響線由于各個單元的內(nèi)力影響線形狀不相同，因此我們找?guī)讉€特殊位置單元進行查看。查看62單元的內(nèi)力影響線，如圖3-43所示：圖3-4362單元內(nèi)力影響線查看67單元內(nèi)力影響線，如圖3-44所示：圖3-4467單元內(nèi)力影響線查看5單元內(nèi)力影響線，如圖3-45所示：圖3-515單元內(nèi)力影響線第4章檢算過程第4章檢算過程4.1內(nèi)力作用組合4.1.1作效應用組合基本原理結(jié)構(gòu)計算是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的主要依據(jù)之一，盡管整體不能兼顧構(gòu)造設(shè)計，但是對結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)方面有著重要的作用。在全橋空間計算結(jié)果中，對內(nèi)力符號規(guī)定如下：（1）彎矩符號：從單元坐標軸的正方向上看，下側(cè)纖維受拉為正，上側(cè)纖維受拉為負。（2）軸力符號：受拉為正，受壓為負。按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計應按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行效應組合，并用于不同的計算項目。按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時的基本組合表達式：按正常使用極限狀態(tài)計算時進行作用效應組合，即作用短期效應組合和作用長期效應組合。作用短期效應組合是永久性作用標準值效應與可變作用頻遇值效應的組合，其表達式為：作用長期效應組合是永久性作用標準值效應與可變作用準永久值效應相組合，其表達式為：4.1.2沖擊系數(shù)在內(nèi)力組合前，需要計算出汽車荷載的沖擊系數(shù)，在Madis中已知?=10.914235Hz，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》4.3.2沖擊系數(shù)可按下式計算μ=0.1767㏑10.914235-0.0157=0.40664.1.3主梁內(nèi)力作用組合表4-1主梁作用效應組合值截面類型拱腳截面L/4截面跨中L/2截面FxFzMyFxFzMyFxFzMy自重G15541.22499.3-6587.45541.2-892.55075.45541.2326.44685.7二期荷載G2471.3-238.6-692.7471.3-112.41354.8471.353.91593.4公路一級荷載Q983.4163.21758.4896.8318.54162.8785.9482.34180.5整體升溫-17.4-23.6-69.7-17.4-7.9150.4-17.4-1.2183.1整體降溫17.423.669.717.47.9-150.417.41.2183.1承載能力極限狀態(tài)的基本組合8935.4-3251.8-6182.97058.6-989.65738.9-7925.6967.95983.7作用短期效應組合7952.05-2451.01-6289.76854.5-983.71867.5-6924.5689.42408.7作用長期效應組合6752.48-2831.6-6924.86897.48-956.0817982.88-6872.48698.441978.49注：1.表中單位：；2.承載能力極限狀態(tài)的基本組合:4.1.4拱肋內(nèi)力作用效應組合拱肋的內(nèi)力組合計算主要進行拱肋極限承載能力計算及穩(wěn)定性驗算，其內(nèi)力組合設(shè)計值如下表所示。表4-2拱肋作用效應組合值截面類型拱腳截面L/4截面跨中L/2截面FxFzMyFxFzMyFxFzMy自重G1-3594.1406.1-1123.9-3016.9168.0-161.2-2605.7260.3377.1二期荷載G2-595.9-49.9-166.8-491.925.690.9-415.9-45.9120.8公路一級荷載Q42.6145.2765.240.422.3129.838.23.2139.6整體升溫13.90.5--5整體降溫-14.3-3.2-34.8-13.9-0.54.1-8.7-0.3-5承載能力極限狀態(tài)的基本組合-3845.746279.64018.8-3892.99145.09-192.39-3842.31-198.27796.34作用短期效應組合-3821.845823.13829.78-3204.5143.61-198.12-3120.7-143.82553.22作用長期效應組合-3597.625421.543512.22-3217.62121.92-214.06-2963.16-162.78641.34注：1.表中單位：；2.承載能力極限狀態(tài)的基本組合:4.2主梁內(nèi)力計算4.2.1普通鋼筋的估算及布置（1）參照橋梁設(shè)計手冊，根據(jù)構(gòu)造要求1/4截面初步采用10根直徑為32mm的HRB335鋼筋，提供的鋼筋截面面積為As=10×804.2=8042mm圖4-11/4標準截面普通鋼筋筋布置圖（2）參照橋梁設(shè)計手冊，根據(jù)構(gòu)造要求1/2跨中截面初步采用10根直徑為32mm的HRB335鋼筋，提供的鋼筋截面面積為As=10×804.2=8042mm2,圖4-21/2跨中截面普通鋼筋筋布置圖（3）參照橋梁設(shè)計手冊，根據(jù)構(gòu)造要求拱腳截面初步采用10根直徑為32mm的HRB335鋼筋，提供的鋼筋截面面積為As=10×804.2=8042mm2圖4-3拱腳截面普通鋼筋筋布置圖4.3正截面承載力的計算4.3.1正截面承載力1/2截面處換算：由CAD圖中的數(shù)值根據(jù)構(gòu)造配普通鋼筋縱向鋼筋截面As=8042mm計算所得受壓區(qū)高度，滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定：X=?sdAS?cdb?'M=16.1×1740×80.4×(800-30-35.8/2-80.4/2)=1603.4kN·m極限狀態(tài)下Mdm所以滿足規(guī)范要求，設(shè)計合理。4.3.2正截面承載力1/4截面處換算：因為T梁個截面鋼筋布置全部相同，所以正截面承載力也是相同的，故1/4處的正界面承載能力而極限狀態(tài)下M所以滿足規(guī)范要求，設(shè)計合理。4.3.3正截面承載力拱腳截面處換算：因為T梁個截面鋼筋布置全部相同，所以正截面承載力也是相同的，故拱腳處的正界面承載能力而極限狀態(tài)下M所以滿足規(guī)范要求，設(shè)計合理。4.4斜截面抗剪承載力計算計算受彎構(gòu)件斜截面抗剪承載力時，齊計算位置按下列規(guī)定采用：距支座中心h/2處的截面：受拉區(qū)彎起鋼筋彎起點處截面；錨于受拉區(qū)的縱向鋼筋開始不受力處截面；箍筋數(shù)量或間距改變處截面；構(gòu)件腹板寬度變化處截面。從MidasCivil模型中看出h/2處截面并非是受到剪力最大的截面，但是其值與拱腳截面相差不是太大，并且其截面相對于拱腳截面來說，更容易受到破壞?，F(xiàn)在就以此截面為例進行斜截面抗剪承載力的驗算。首先進行截面抗剪強度上，下限復核：斜截面驗算（1）1—1斜截面頂端A位置坐標x=L/2-h/2-h0=7750-400-752.1=A處正截面處的剪力Vd，AV=192.72+=MA點正截面有效高度h則實際有效減夸比m及斜截面投影長度c分別為m=Md，c=0.6mh斜角β=50.0°斜截面內(nèi)有縱向受拉主筋4Φ32，As=相應主筋的配筋率ρ=100AV==893.14kN＞615.56kN符合規(guī)范要求，斜截面抗剪檢算通過，設(shè)計合理。用此方法同樣可檢算出2-2截面，3-3截面，4-4截面，5-5截面皆設(shè)計合理，但由于計算步驟一致，且繁瑣，所以省略，僅以1-1為例。4.5主梁預拱度計算4.5.1荷載短期效用作用下主梁撓度驗算(1)可變荷載作用引起的撓度因為可變荷載為均布荷載作用在主梁上，則取主梁跨撓度系數(shù)，荷載短期效應的可變荷載值由MidasCivil讀出為Ms=1867.5kN·m，主梁計算跨徑L=30000，C50的彈性模量，偏安全起見，取梁的標準截面的慣性矩I=1.26×10由可變荷載引起的簡支梁跨中截面的撓度為：ω考慮長期效應的可變荷載引起的撓度值為：ω滿足要求。(2)考慮長期效應的一期恒載、二期恒載引起的撓度ω=4.5.2梁在預加力和荷載短期效應組合共同作用下并考慮長期效應的撓度值為：ω因為產(chǎn)生的撓度值很小，對橋梁整體產(chǎn)生的影響微乎其微，所以不需要設(shè)置預拱度。4.6拱肋計算圖4-9拱肋截面（單位：mm）4.6.1正截面應力計算拱肋上下緣的正應力（以1/2跨中截面為例計算）：—拱肋截面軸力,N=-2605.7kN=-2.6057×106N—拱肋截面面積,A=1.0384×104—拱肋截面彎矩，M=796.34kN·M；—拱肋截面對上下緣的截面抵抗矩，，y=8.9cm；I=3.978×106cmW=8.9代入公式：上緣應力為：σct下緣應力為：σ即整個拱肋截面產(chǎn)生壓應力。由《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，混凝土受彎構(gòu)件正截面應力應符合規(guī)定。故：σctt=-4.21MPa4.6.2變形計算由邁達斯運行結(jié)果中可以得到位移結(jié)果，將其統(tǒng)計于表：表4-8拱肋位移表（mm）拱肋跨中1/4處自重-1.936-1.085二期恒載-0.329-0.156溫度荷載-2.765-1.577公路I級-0.311-0.477總位移-5.341-3.295注：位移以向下為負，向上為正。由于拱肋位移略大，所以要設(shè)置預拱度。4.6拱軸線預拱度方程為Δf=Δf用此公式進行預拱度計算，之后輸入下表，整體與共度詳情請見下表：表4.6.3拱軸截面高度h理論拱軸線坐標預拱度坐標實際拱軸坐標拱腹坐標拱背坐標序號Xh（mm）Yo△fXcYcXbYbXtYt10.0178.00.0000-0.05340.0-0.05340.0000-0.09040.0000-0.097521.0178.20.0333-0.05321.0-0.01990.98470.02301.0153-0.062832.0178.60.1333-0.05252.00.08081.97020.12362.02980.038043.0178.90.3000-0.05133.00.24872.95770.29143.04230.206054.0179.10.5333-0.04964.00.48373.94060.52624.05960.441265.0179.30.8333-0.04755.00.78584.92970.82825.07030.743476.0179.51.2000-0.04496.01.15015.91531.19236.08471.107987.0179.81.6333-0.04187.01.59156.90181.63367.09821.549498.0180.22.1333-0.03828.02.09517.89692.13718.10312.0531109.0180.52.7000-0.03429.02.66588.88762.70779.11242.62391110.0180.83.3333-0.029710.03.30369.87223.344510.12783.26191211.0181.14.0333-0.024711.04.008610.86044.050211.13963.97151312.0181.44.8000-0.019212.04.780811.84694.822312.15314.73931413.0181.95.6333-0.013313.05.620012.82715.661413.17295.57861514.0182.36.5333-0.006914.06.526413.81236.567714.18776.48511615.0182.77.50000.000015.07.500014.80087.541215.19927.4588畢業(yè)設(shè)計總結(jié)畢業(yè)設(shè)計總結(jié)我本次畢業(yè)設(shè)計的題目“單跨30m鋼管混凝土上承式拱橋設(shè)計”，在答辯前經(jīng)過一番使勁的努力最終順利完成。在這幾個月的時間里，我把知識從抽象道具體，從理論到實踐，很好的運用到了畢業(yè)設(shè)計中。我從不知該怎么用這個軟件到基本掌握軟件的應用以及一些檢算的過程在此次設(shè)計中，按照老師任務書的要求，我基本上完成了一座鋼管混凝土上承式拱橋的初步設(shè)計任務，包括模型的建立，技術(shù)指標的選取，規(guī)范的應用，鋼筋的配置，成果的驗算等。另外，根據(jù)自己的實際情況，我選取了“結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的一些驗算方法，對本專業(yè)的系統(tǒng)知識有了更深的了解并且初步的掌握了目前很少人會用的MidasCivil軟件。本次設(shè)計最大的收獲是學會了適用MadisCivil設(shè)計拱橋，感覺這是一個很好的橋梁設(shè)計軟件，但也是很復雜的軟件，所以以后還要更多的學習與使用，做到真正的掌握這款軟件。設(shè)計的過程是很艱難的，起初由于對軟件的不熟悉且對知識及各項規(guī)范運用不夠熟練，總會在后續(xù)工作中暴露各種問題，所以在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中我無數(shù)次的重復與更正，最后還是完整的做完了這份人畢業(yè)設(shè)計。自己分析問題，解決問題的能力也有了很大程度的提高，創(chuàng)新能力和獲取知識的能力也得到了培養(yǎng)。然而由于時間和知識的有限，本次設(shè)計較實踐還是存在一定差距的：比如用料過多，雖然驗算結(jié)果符合規(guī)范要求，但是不是最佳配置，所用材料太過于浪費，如果真正實施，將浪費大量金錢。畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，通過了一個學期的設(shè)計，我對拱橋設(shè)計的全過程也有了系統(tǒng)的認識，學會了軟件的應用，掌握分析和解決專業(yè)問題的辦法，進一步鞏固了已學各門課程，能獨立查閱資料，熟悉和理解橋梁工程技術(shù)標準，正確的應用道路橋梁的設(shè)計規(guī)范。另外，將幾年所學的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識理論聯(lián)系到設(shè)計實踐中，也為自己即走上工作崗位奠定了基礎(chǔ)。致謝致謝時光飛逝，隨著畢業(yè)論文的完成我的大學生活也進入了尾聲。從開始進入課題到設(shè)計的順利完成，一直都離不開老師、同學、朋友給我熱情的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!我要謝謝我們設(shè)計小組的成員。在本次設(shè)