摘 要

拱桥是一种有着悠久历史的桥型，早在公元前200多年古罗马人就修建了许多巨大的石拱桥。随着科学技术的进步，铁、钢材、钢筋混凝土等材料开始应用于拱桥的建造。钢管混凝土拱桥是近几十年来发展较快的一种桥梁，其具有材料强度高、施工方便、造型美观等优点。它充分利用了钢材和混凝土两种材料的性能，实现了跨越和美学的完美组合，是一种具有广阔发展前景的桥梁。

本设计根据任务书所给地质资料，结合已有桥梁设计和相关规范设计了一座下承式钢管混凝土拱桥，对主要结构的尺寸进行设计并选择了合适的材料。接着利用桥梁电算软件MIDAS/Civil完成了桥梁模型的建立；分别对主拱和主梁进行了恒载内力和活载内力的计算并依据规范进行荷载组合；对主拱的验算包括单管偏心受压承载能力验算、抗剪承载能力验算、应力验算和挠度验算；对主梁的验算包括拉弯构件强度验算、刚度验算和挠度验算。结果表明桥梁设计满足规范要求。

关键词：钢管混凝土拱桥；下乘式；结构分析

Abstract

Arch bridge is a kind of bridge with a long history. As early as 200 BC, ancient Romans built many huge stone arch bridges. With the advancement of science and technology, iron, steel, reinforced concrete and other materials began to be used in the construction of arch bridges. CFST arch bridge is a kind of bridge which has developed rapidly in recent decades. It has the advantages of high material strength, convenient construction, beautiful shape and so on. It makes full use of the properties of steel and concrete, realizes the perfect combination of span and aesthetics, and is a bridge with broad development prospects.

According to the geological data given in the assignment, combined with the existing bridge design and relevant specifications, this design designs a through concrete-filled steel tubular arch bridge, designs the dimensions of the main structure and selects the appropriate materials. Then the bridge model is established by using the bridge computing software MIDAS/Civil; The constant load internal force and live load internal force were calculated for the main arch and the main beam respectively, and the load combination was carried out according to the specifications the check calculation of the main arch includes the check calculation of the bearing capacity of single pipe eccentric compression, the check calculation of shear bearing capacity, the check calculation of stress and the check calculation of deflection; the check calculation of the main girder includes the check calculation of the strength of tension bending members ,rigidity checking and deflection checking. The results show that the bridge design meets the requirements of relevant specifications.

Key Words: concrete-filled steel tubular arch bridge；through bridge；structural analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 钢管混凝土拱桥概述 1

1.2 钢管混凝土拱桥发展状况 1

1.3 本文主要研究内容 2

第2章 设计基本情况说明 3

2.1 设计标准 3

2.2 地质条件 3

2.3 主要材料 3

2.4 主要规范 4

第3章 总体布置 5

3.1 桥型布置 5

3.2 主拱肋 5

3.2.1 拱轴线 5

3.2.2 拱肋截面 5

3.3 吊杆 8

3.4 主梁 8

3.5 横梁 8

3.6 桥面板和桥面铺装 9

3.7 材料性能汇总 9

第4章 MIDAS计算模型的建立 11

4.1 计算目标 11

4.2 建立节点和单元 11

4.3 定义材料特性和截面特性 11

4.4 施加边界条件 11

第5章 主拱内力计算 13

5.1 恒载内力计算 13

5.1.1 自重及二期恒载内力 13

5.2 活载内力计算 14

5.2.1 汽车荷载 15

5.2.2 温度荷载 16

第6章 主拱内力组合 19

6.1 承载能力极限状态下的作用组合 19

6.2 正常使用极限状态下的作用组合 20

第7章 主拱验算 22

7.1 单管偏心受压承载能力验算 22

7.2 抗剪承载能力验算 30

7.3 应力验算 31

7.4 挠度验算 33

第8章 主梁内力计算 34

8.1 恒载内力计算 34

8.1.1 自重及二期恒载 34

8.2 活载内力计算 35

8.2.1 汽车荷载 35

8.2.2 温度荷载 37

第9章 主梁内力组合 40

9.1 承载能力极限状态下的作用效应组合 40

第10章 主梁截面验算 42

10.1 拉弯构件强度验算 42

10.2 刚度验算 57

10.3 挠度验算 57

第11章 结论 59

参考文献 60

附录A 61

附录B 90

致 谢 93

第1章 绪论

1.1 钢管混凝土拱桥概述

钢管混凝土，顾名思义是把混凝土灌注到钢管内部组合而成的一种材料。将混凝土填充到钢管内部以后，一方面整个结构的稳定性可以获得明显地提升并且降低了钢材消耗量；另一方面钢管壁的紧箍作用还可以提高砼的强度和韧性。钢管混凝土从材料学设计原理上来讲是一种复合材料，它是由金属钢与无机非金属的混凝土所复合而成的，是钢—混凝土结合结构中最重要的一种形式。它不仅可以实现快速施工，同时还拥有良好的承载能力、耐久性高、抗震性能好等优良特性。所以近年来钢管混凝土广泛运用于大跨度结构工程、高层建筑和大型基础的建造中，尤其在应用于大跨度拱桥，其表现十分亮眼。

拱桥是一种古老的桥型，在古代多以石拱桥为主，跨径一般不大^[1]。拱作为典型的压弯结构，随着桥梁跨径的不断增大，稳定性问题成为制约高强材料的应用的主要因素，这是因为需要耗费大量的材料来增强结构的刚度使得高强材料的性能无法充分发挥。钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥结构自身受到的重力一般很大，尤其是在大跨度拱桥中，自重在所有作用中的占比更是明显提高，如何施工架设成为这类桥梁建设的重大挑战^[2]。由于无法方便的使用各种高强度材料，施工架设也是困难重重，这两个因素原因造成拱桥的发展十分缓慢。钢管混凝土的出现为解决上述两个问题开辟了道路：它充分发挥了钢和混凝土各自的优越性能，钢管可以作为混凝土浇筑的模板，加快施工作业；而钢和混凝土组成的复合材料又具有很高的抗压强度和抗变形能力，对于以偏心受压为主的拱桥来说是绝佳的结构形式；所以，在大跨度拱桥的建设中常常可以看到钢管混凝土拱桥的身影。

1.2 钢管混凝土拱桥发展状况

前苏联是世界上第一个将钢管混凝土运用于拱桥结构的国家^[3]。在20世纪30年代前苏联先后修建了拱肋为集束钢管混凝土的跨径110m拱梁组合桥以及跨径达到140m的上承式钢管混凝土桁肋铁路桥。然而在此后相当长的一段时间里，钢管混凝土拱桥的发展处于停滞状态。直到1990，我国第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍东河大桥的建成，钢管混凝土拱桥才迎来了真正的发展高潮^[4]。之后以每年十八座左右的数目迅速增长：1993年建成主跨径92m的浙江绍兴柯桥，拱轴线采用二次抛物线，为下承式刚架系杆拱；1994年建成的广东南海佛陈大桥，主跨径112.8m，为悬链线刚架系杆拱桥；1996年建成的湖北三峡黄柏河大桥，主跨径160m，结构形式为上承式结构；2000年建成的广东广州丫髻沙大桥，主跨径360m，为中承式拱桥等等。据有关资料显示，截至到2016年之前，中国境内主跨超过400m的钢管混凝土拱桥有5座，分别是主跨518m的合江波司登长江大桥，主跨460m的巫山长江大桥，主跨430m的湖北沪蓉高速支井河大桥以及主跨400m的湖南湘潭湘江四桥和莲成大桥；主跨超过300m小于400m的有6座；主跨超过200m小于300m的更是多达43座，中国已建成的钢管混凝土拱桥累计超过400多座。可以看出，钢管混凝土拱桥的数量和跨径都有逐渐增大的趋势。