论文总字数：23137字

摘 要

本次设计的对象是苗家坪大理河特大桥。根据所给地形和其他设计的参数，联系已建桥以及有关文献，结合相关的规范，进行法案分析。采用二次抛物线下承式钢管混凝土拱桥，主桥的跨径设为96m，拱肋采用钢管混凝土哑铃形拱。

本文主要阐述了该桥的设计和计算的过程。首先对系杆拱进行介绍，然后对主桥进行总体布置设计，上部结构进行内力、配筋计算，再进行强度、应力验算。

本设计严格遵从交通部颁布实施的关于此类桥梁设计、施工规范，最终达到了理论与实践相结合。

关键词：钢管混凝土；下承式拱桥；系杆拱。

ABSTRACT

The object of this design is a city bridge. According to the terrain and other design parameters,contact the bridge and related documents, combined with relevant specification,design scheme.Using two times of parabolic CFST arch bridge,the main span is96m,the main arch ring is uniform dumbbell shaped cross section. rectangular section beam with rectangular cross section.

This paper mainly describes the design and calculation process of the bridge. Firstly,the development of CFST arch bridge is described,and then the overall layout design of the bridge,upper part of the structure internal force calculation, reinforcement, and strength, stress checking calculation, finally the cable hoisting constructiong should be attention and control problems. At the same time,the design of strict compliance with the Ministry of Communications issued about this kind of bridge design, construction specifications, ultimeately achieve a combination of theory and practice.

Key words:Steel concrete; arch bridge;stability

目录

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 系杆拱桥结构体系分类与力学特性分析 1

1.3 上下部联接方式 2

1.4 拱肋和系杆相对刚度 3

1.5 拱肋截面形式或横向联系 3

1.6 拱肋截面形式 4

1.6.1钢管混凝土单管拱肋系杆拱桥 4

1.6.2钢管混凝土哑铃形拱肋系杆拱桥 4

第二章 工程概况及介绍 7

2.1工程背景 7

2.2 主要技术标准和设计基础资料 8

2.3主要材料 9

2.4温度计算 9

第三章 桥梁尺寸的确定 10

3.1拱轴线与矢跨比的确定 11

3.2 桥型与孔跨布置 11

3.3 拱肋截面的确定： 11

3.4 横撑截面设计： 12

3.5 吊杆的构造与布置： 12

3.6 主梁： 13

3.7横梁结构设计 14

3.8 预应力体系 14

3.9 方案的比选 15

第四章 荷载计算 15

4.1恒载： 16

4.2 风荷载： 16

4.3温度荷载： 16

4.4移动荷载： 17

第五章 内力计算 17

5.1荷载组合： 18

5.2桥梁单元： 18

5.3 支撑条件： 18

5.4拱肋截面几何性质计算： 18

5.5 拱肋在各个荷载组合的作用下的轴力图、弯矩图、剪力图 19

5.5.2 拱肋在主力 附加力组合1的作用下轴力图、弯矩图、剪力图 20

5.5.3 拱肋在主力 附加力组合2的作用下轴力图、弯矩图、剪力图 21

第六章 桥梁配筋的计算 22

6.1主梁截面预应力配筋 22

6.2主梁截面配筋 23

6.3 横梁截面的配筋计算： 24

6.4 纵梁截面的配筋计算 26

第七章 截面的验算 27

7.1 拱肋的内力验算 28

7.2 钢管混凝土拱肋应力验算： 31

7.3 横撑内力及强度验算 33

7.4 吊杆验算： 33

7.5 主梁的内力计算分析： 34

7.6主梁承载能力极限状态验算 36

7.6.1、主梁轴心受拉正截面承载力验算 36

7.6.2、主梁跨中截面正截面承载力计算 36

7.7 主梁斜截面承载力计算 38

7.9中纵梁斜截面承载力计算 40

7.10 横梁承载能力极限状态验算 41

7.11 横梁斜截面承载力计算 42

7.12 边横梁承载能力极限状态计算 43

第一章 绪论

1.1引言

系杆拱桥作为拱桥家族中的一员，具有拱桥的一般特征，又有自身的独有特点。它是一种集拱与梁的优点于一身的桥型，它将拱与梁两种基本结构形式组合在一起，共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用，拱端的水平推力用拉杆承受，使拱端支座不产生水平推力。拱与弦间用两端铰接的竖直杆联结而成。亦可用斜杆来代替直杆成为尼尔森体系。这种拱桥内部为超静定体系，外部则为静定，因此对墩台不均匀沉降无影响。从结构上主要可以分为有推力和无推力两种组合体系。

四川旺苍东河大桥

1.2 系杆拱桥结构体系分类与力学特性分析

系杆拱桥是由拱肋、系杆（梁）、吊杆（立柱）等协同工作的组合构件体系，以系杆（梁）部分或完全承受拱脚的水平推力为主要特性，是一种具有良好发展前景的大跨服桥梁结构形式。系杆拱桥与斜拉桥、悬索桥一样都是典型的三元结构，即由活载分布构件，其内力的水平分力可以部分或完全平衡掉拱肋产生的水平推力；拱肋也起承重构件的作用，且主要承受压力，能够充分发挥混凝土材料抗压性能好的优点；吊杆则是前两者联系的传递构件，主要是将桥面荷载传递给拱肋。

由于系杆、吊杆、拱肋等主要构件本身均具有多种布置形式，因此系杆拱桥是一种结构形式极富变化的桥式体系，对其不同结构体系的力学特性进行分析并比较其异同点具有现实的理论和实践意义。因此，以下将主要从受力的角度出发，结合系杆、拱肋、吊杆等不同的布置形式，对系杆拱桥进行结构体系分类，并详细分析不同结构体系系杆拱桥的力学特性。

1.3 上下部联接方式

按照桥梁上下部结构联接方式的不同系杆拱桥可主要分为两种：一种是上部结构简支墩台上，通常情况下系杆即纵梁，属拉完结构：另一种是上下部之间的刚性联接，系杆不参与桥面系的受力，为纯拉杆，一般称为刚架系杆拱。

第一种联接方式由于上部结构是简支于墩台上，结构受力明确，为外部静定、内部超静定的结构，它的下部结构类似于梁桥。但是，节点处理和系杆张拉调整苦难，支座结构复杂，施工时须采用少数支架或整片浮运，主要应用于江南水乡河网地区，如江苏无锡新安北桥（160m）、浙江义乌宾王桥（80m）和天津彩虹桥（3X168m）。

第二种联接方式即刚架系杆拱，是随着钢管混凝土拱桥在我国的应用而出现的。我们建立的第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍东河大桥采用就是刚架系杆拱结构。与前述第一种联接方式不同的是，刚架系杆拱中拱肋与桥墩固结、不设支座，采用预应力钢绞线作为拉杆来平衡拱的推力；拉杆独立于桥面系之外，不参与桥面系受力，而桥面系为局部受力构件。这种结构由于拱和墩联接处为刚结点，属刚架结构，又带有系杆，故称之为刚架系杆拱。

刚架系钢拱为超静定结构，桥梁上部、下部以及基础甚至地基练成一体，结构的超静定次数较多，受力复杂。由于其系杆刚度与第一种联接方式中的系杆梁刚度相比小很多，特别对于大跨径桥梁，系杆拉力增量将产生很大的变形，而拱肋、系杆和墩柱固结在一起，根据位移变形协调条件，拱的水平推力的增量主要由桥墩和拱肋自身承受，因而考虑系杆变形后它是有推力的结构。系杆的作用是对拱施加预应力以抵消拱的大部分水平推力（主要是恒载产生的水平推力），因此通常把系杆看成预应力体外索。除去系杆承受的水平推力后，余下的拱的水平推力一般来说不大，且还可以通过适当的超张拉给予最大限度的减少。

刚架系杆拱由于系杆的存在，降低了对下部结构和基础的要求。为了发挥系杆的作用。应适当降低墩与基础的刚度。这种结构虽然拱脚与桥墩为固结，但由于墩的抗推刚度较小，所以拱脚存在转角。根据拱的受力特性，拱脚变位对拱受力的影响以水平位移最大，转角次之。水平位移又以相对向外为不利，它主要靠拉杆来约束，所以近似分析时，可以考虑按固定拱计算，但应入拱的水平位移产生的内力。

刚架系杆拱拱墩固结点的结构较为复杂，特别是下承式，拱肋、桥墩、帽梁汇聚在这里，一般为不规则的几何体。固结点处的受力也较为复杂，各方向的力都集中于此点，且受系杆强大的集中力作用，容易在主拉应力方向发生开裂，因此应引起重视。深圳北站大桥对此进行了有限元分析和光弹性试验，四川成都青龙场立交桥也进行了段节点的混凝土模型试验和有限元分析。

刚架系杆拱的施工由于可以像固定拱一样采用无支架施工，因而桥梁的跨越能力较大，也能够充分发挥钢管混凝土拱桥施工方便的优越性，所以这种结构形式出现以后得到较广的应用。刚架系杆拱有单跨和连续多跨两种。单跨的钢管混凝土刚架系杆拱，已建成的除四川旺苍东河大桥外，还有广东佛山佛城大桥（112.8m）和深圳北站大桥（150m）等。连续多跨的钢管混凝土刚架系杆拱有下承式多跨的，也有带悬臂中承式多跨的。广州解放大桥为三跨连续的下承式钢管混凝土刚架系杆拱，拉杆每跨分别锚固于桥墩上。采用带双悬臂的中承式钢管混凝土刚架系杆拱有下承式多跨的，也有带悬臂中承式多跨的。广州解放大桥为三跨连续的下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥已建成的有广东南海三山西大桥（200m）、四川绵阳培江大桥（202m）和广州市丫鬟啥大桥（360m）。

1.4 拱肋和系杆相对刚度

根据拱肋和系杆（梁）的相对刚度不同，可以把系杆拱桥分为柔性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱以及刚性系杆刚性拱等三种结构体系，本节将主要分析上述三种基本体系的特点。

1.5 拱肋截面形式或横向联系

拱肋作为系杆拱桥的主要承重构件，按照其截面形式或者拱肋间横向联系的不同可以划分为不同的结构体系。这里需要指出的是，由于已建成的多数系杆拱桥的拱肋多采用钢管混凝土结构。

1.6 拱肋截面形式

钢管混凝土系杆拱桥的拱肋截面形式主要由钢管混凝土单管拱肋、钢管混凝土哑铃型拱肋以及钢管混凝土桁拱等几种形式，以下将分别分析各种不同形式的结构特点：

1.6.1钢管混凝土单管拱肋系杆拱桥

钢管混凝土系杆拱桥，在跨径不大的情况下可以采用单管截面。单管截面主要有圆形和圆断型两种。单圆加工简单，抗扭性能好，抗轴向力性能由于紧箍力作用显示出其优越性，但是抗弯效率低，因此主要适用于跨径不大（80m以下）的城市桥梁或人行桥中。另外，单管的管壁一般较厚，截面含钢率高，一般可达8%。国内采用单圆管的钢管混凝土系杆拱桥有江苏无锡新安北桥（60m）、江苏泰州引江河大桥（80m）等。实际上，由于系杆拱桥的组合作用可降低拱肋的弯矩值，所以此类单圆管钢管混凝土拱肋的跨径还可以继续增大，如法国的凯泽莱尔桥主跨已经达到了220m，主拱拱肋即为两根2m的钢管组成的横向哑铃形断面。

单管拱肋除了采用常用的圆管之外，在江浙河网一带还较多地采用了圆端形截面。相比之下。圆端截面横向抗弯惯矩较大，主要多用于无风撑拱肋中。圆端形截面加强了圆端方向的面内抗弯刚度，加工也比较简单，同时也可以使拱肋的造型富于变化，但是圆形钢管混凝土相比，钢管对核心混凝土的套箍作用要小很多。因此，目前这类结构设计时一般均偏安全地不考虑钢管对混凝土的套箍作用，而将其视为钢筋混凝土进行设计计算，所以含钢率也比较高，仅适用于跨径不大的城市桥梁。

1.6.2钢管混凝土哑铃形拱肋系杆拱桥

已建成的钢管混凝土系杆拱桥的拱肋绝大部分都采用了钢管混凝土哑铃形的拱肋。我国的第一座钢管混凝土刚架系杆拱桥——四川旺苍东河大桥就采用了哑铃形拱肋，另外广东广州市佛陈大桥以及天津彩虹大桥等也均为这一类型。这些桥梁跨径从几十米到160m，其中100m附近为多；

与单圆管截面相比，哑铃形截面抗弯刚度较大，类似于工字型截面，但由于两圆管的直径与高度之比在1/25附近，因而不能视为钢管混凝土格构式截面。腹腔内的混凝土受钢板横向套箍作用机理复杂，缺乏研究，若采用钢管混凝土理论理算，计算将很复杂，并且由于钢管混凝土拱桥的设计理论滞后，因此现行的计算方法常奖其作为钢筋混凝土结构，使得这一矛盾并不突出；另外，考虑到腹腔内混凝土处于中和抽附近，所以设计计算经常将其忽略，而只计算自重。对哑铃形截面板内腔充填混凝土模型的试验表明，腹腔内部填充混凝土时，在同等荷载作用下拱肋的位移与填充混凝土后的变形基本一致，但板承受的剪力却较后者增大一倍，板内的混凝土主要用于防御钢板局部失稳和正大截面抗剪能力。

哑铃形截面的特征是由两根钢管组成，且腹腔较薄，两根圆管一般为竖向排列，类似于工字型的拱肋。但是，浙江义乌的宾王桥，虽然其主拱肋是由两根钢管组成，但是外表看来却是圆端形，且两钢管横向并列，拱肋的高度为钢管的直径加上下两块钢板的厚度。该桥主桥为55m 80m 55m的三跨下承式钢管混凝土系杆拱桥，钢管只用了单肋，布置在车行道分隔带内，横向双吊杆穿过两根圆管。

参考文献

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9. 项海帆、刘光栋 拱结构的稳定与振动 人名交通出版社，1991年
10. 丁大钧 我国拱桥建设创辉煌 桥梁建设，2000，3

第二章 工程概况及介绍

2.1工程背景

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