论文总字数：55756字

2011届毕业设计（论文）

题目名称 苗家坪大理河112米跨铁路桥设计

院 （系） 交通学院轨道交通工程系

专 业 交通工程(轨道交通方向)

姓 名 张 顺

学 号 3904110322

起讫日期 2015.01—2015.06

指导教师 罗 韧

目录

第一章 设计概况 1

1.1 工程概况与背景 1

1.2 水文地质资料及设计依据 2

1.3 主要技术标准和设计基础资料 2

1.4 主要材料 3

第二章 方案设计 4

2.1 构思宗旨 4

2.2 比选标准 4

2.3 设计方案：系杆拱桥 4

2.4 方案确定 5

第三章 有限元建模 7

3.1 模型简介 7

3.2 全桥结构单元的划分 7

3.3 全桥施工节段划分 8

3.4 计算参数 10

第四章 作用效应计算 13

4.1 静力效应 13

4.2 动力效应 18

4.3 荷载组合 23

第五章 主梁验算 25

5.1 内力组合 25

5.2 截面验算 26

第六章 预应力钢束的估算与布置 52

6.1 钢束估算 52

6.2 预应力钢束布置 55

6.3 预应力筋束的布置结果 56

第七章 稳定性验算 58

7.1 模型概述 58

7.2 原理 58

7.3 屈曲模态 59

7.4 结果分析 60

第八章 拱肋应力验算 61

8.1 荷载组合 61

8.2 计算结果 61

第九章 下部结构验算 63

9.1 桥墩类型的选择 63

9.2 墩帽、墩身构造及尺寸拟定 63

9.3 基础构造及尺寸拟定 63

9.4 桥墩检算 71

设计概况

工程概况与背景

太原至中卫(银川)铁路是《中长期铁路网规划》规划的西北至华北新通道的重要组成部分，线路东起太原南站，西达包兰线中卫站、银川站，横穿23个县市区，线路等级为Ⅰ级，桥隧占比38%。太原至中卫线路全长751公里。苗家坪大理河特大桥位于陕西省子洲县苗家坪镇，上跨青银高速公路后与苗家坪2＃隧道直接连接。桥梁全长658.11m，其主跨拟设置为约72～112m简支下承式钢管混凝土拱桥，当拱桥主跨为82.5m时，拱肋采用钢管混凝土哑铃形拱，拱管直径1m，管壁厚16mm，拱肋矢高16m，矢跨比1/5，拱管内灌注C50补偿收缩混凝土。主拱轴线为二次抛物线，上下拱管之间设置腹腔，在腹腔内吊杆设置处在设置Φ800×16mm钢管，其余位置处间隔两米设置Φ560×12mm钢管。两主拱肋中心间距11.8m，拱肋之间设两道K横撑；梁上吊杆间距5.5m，全桥共设11对吊杆。

苗家坪镇属华北地台的鄂尔多斯台、陕北台凹的中北部。东北部靠近东胜台凸，是块古老的地台，未见岩浆岩生成和岩浆活动，地震极少。

地势由西部向东倾斜，西南部平均海拔1600-1800米，其它各地平均海拔1000-1200米。最高点是定边南部的魏梁，海拔1907米，最低点是清涧无定河入黄河口，海拔560米。地貌分为风沙草滩区、黄土丘陵沟壑区、梁状低山丘陵区三大类。大体以长城为界，北部是毛乌素沙漠南缘风沙草滩区。得到治理的沙滩地郁郁葱葱；海子(湖泊)星罗棋布。南部是黄土高原的腹地，沟壑纵横，丘陵峁梁交错，水土流失得到初步控制，生态环境有了较大改善，境内95%为山区，5%为川区。该区域跨暖温带与中温带，具有大陆性季风气候特点。日照充足，光能较强。年均气温9.1℃，年均无霜期145天，降水变率较大，旱涝频繁。年均降水量428.1毫米，春夏季多行偏南风，秋冬季春盛行偏北风。本设计需考虑满足跨越青银高速公路的要求，主桥拟采用跨径约为112m的简支下承式钢管混凝土拱桥，参考82m跨径的简支下承式钢管混凝土拱桥进行本铁路桥梁设计。

水文地质资料及设计依据

（1）位地形图、地质资料及结构设计参考图(附图、附表)

（2）采用的主要设计标准与规范：

[1] TB10002.1-2005．铁路桥涵设计基本规范 [S]．北京：中国铁道出版社，2005

[2] TB 10002.3-2005．铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，2005

[3] TB 10002.4-2005．铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，2005

[4] TB 10002.5-2005．铁路桥涵地基和基础设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，2005

[5] GB 50111-2006 (2009年版）．铁路工程抗震设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，2009

[6] GB50139-2004．内河通航标准[S]．北京：中国铁道出版社，2004

[7] TB 10017-99．铁路工程水文勘测设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，1999

[8] TB10005-2010．铁路混凝土结构耐久性设计规范[S]．北京：中国铁道出版社，2010

[9] BS54001978-82．钢桥、混凝土桥及结合桥[S]．英国标准学会

主要技术标准和设计基础资料

1、铁路等级：国铁I级；桥梁设计荷载：中-活载；设计时速：160km/h，预留200km/h；

2、桥梁净空及其它要求：①桥梁单向标准宽度为16m；②桥上净空高度为5m；③桥下净空高度＞7m；④设轨道双线；⑤纵坡：lt;1.3％；限坡：0.6%

3、该桥拟建于桩号DK281 929.30～DK282 009.30；

4、桥梁结构设计基准期：100年；

5、抗震设防标准：按基本烈度8度设防，地震动峰值加速度0.20g，地震动反应谱特征周期分区为三区，场地土类型为Ⅱ类；

6、主桥上部结构拟采用系杆拱结构(钢管混凝土拱肋 预应力混凝土连续箱梁)；桥墩采用空心(或实心)墩身，矩形整体式承台，承台顶面位于地面(或河底)以下10cm；基础采用钻孔灌注桩，桩基础按摩擦桩基础设计；

7、最小平曲线半径： 一般3500m困难条件下2800m；要满足铁道线路要求；

8、桥梁参考纵、横断面布置图参见附图；

9、桥面系及附属设施

（1）本桥两侧均设钢筋混凝土人行道铺板及钢栏杆，人行道宽0.80m；

（2）本桥相距30m两侧设置避车台。相隔500m左右设置加大避车台；

（3）本桥左右侧均设电力电缆槽和通信信号电缆槽。

主要材料

（1）混凝土：①箱梁及拱脚采用C55混凝土；②墩身C40混凝土；③支座垫石C50混凝土；④承台C35混凝土；⑤钻孔灌注桩C40水下混凝土；

（2）钢材：①低松弛高强度预应力钢绞线应符合GB/T5224-2003的规定；单根钢绞线直径j15.24mm，钢绞线面积AY=139mm2，钢绞线标准强度Rby＝1860MPa，弹性模量Ey＝1.95×105Mpa；②普通钢筋采用符合GB 1499.1-2008标准的HPB235光圆钢筋和符合GB 1499.2-2007标准的HRB335螺纹钢筋；③凡钢筋直径大于等于12mm者，均采用HRB335级热轧螺纹钢筋；④凡钢筋直径＜12mm者，采用HPB235光圆钢筋，带肋钢筋焊接技术标准应符合《钢筋混凝土用焊接钢筋网》(YB／T076-1997)的规定；

（3）拱肋及拱顶横撑、K撑：Q345qD钢材，符合《桥梁结构用钢》（GB/T714-2008）

（4）吊杆：吊索采用OVMPES7-85平行钢丝，抗拉强度标准值为1670MPa，疲劳应力幅200MPa。采用双护层拉索。锚具采用LZM7-85锚头；

（5）其它：①锚具及管道成孔—箱梁纵向预应力钢束锚具采用预应力钢绞线群锚OVM型锚具及其配套的设备，管道成孔采用金属波纹管，有关设备与器具

应符合国家标准《预应力筋用钱具、夹具和连接器》(GB/T14370-2000)的规定；②支座采用GPZ(II)盆式支座，符合交通部行业标准JT391-1999的规定；③伸缩缝应符合《桥梁伸缩装置》GQF-MZL行业标准，伸缩缝宽为温度20℃时安装缝宽，施工单位应根据实际温度进行修。

方案设计

构思宗旨

1、符合城市发展规划，满足当地快速发展的经济的交通需要，分孔分跨与

原桥位错开。

2、桥梁结构造型简洁、轻巧，不与原桥型相似，形成当地一道新的风景线，

以体现当地的经济发展实力，和现代建桥风格，国家的建桥水平。

3、设计方案力求结构新颖，尽量采用新式桥型，既要满足美观要求，又要是

受力合理，结构力线鲜明，轻盈可靠且施工方便。

4、学习系杆拱桥的设计过程。

比选标准

在我国，安全、经济、适用、美观是桥梁设计中的主要考虑因素，安全尤为重要。因此，在桥梁设计过程中首先要考虑安全因素。

设计方案：系杆拱桥

桥型介绍

拱桥是我国公路上使用较广泛的一种桥型。拱桥与梁桥的区别，不仅在于外形不同，更重要的是两者的受力性能有较大的差别。由力学知，拱桥结构在竖向荷载作用下，两端将产生水平推力。正是这个水平推力，使拱内产生轴向压力，从而大大减小了拱圈的截面弯矩，使之成为偏心受压构件，截面上的应力分布与受弯梁的应力相比，较为均匀。因此，可以充分发挥主拱截面材料强度，使跨越能力增大。

尺寸拟定

（1）桥跨布置

本桥梁设计可以采用下承式系杆拱桥，桥梁全长112 m，计算跨径106m，采用吊杆将主梁悬吊于主拱圈上，形成桥面，其布置图如图2-1所示。

桥型布置图（下乘式系杆拱桥）

（2）下部结构

主拱圈支撑于桥台上，由于要抵抗主拱圈强大的水平力，桥台基础拟采用群桩基础。

施工方法设计

对于主拱圈的施工，常见的施工方法有悬臂浇筑法、悬臂拼装法、转体施工法等，对于此桥，考虑到施工环境的影响，主梁采用满堂支架现浇，主梁施工完成后，主拱圈采用预制阶段拼装法，最后张拉吊杆，拆除支架进行桥面施工，最终完成施工。该施工方法科学合理，工期较短，具有可行性。

方案确定

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。

最终根据设计要求确定系杆拱桥为推荐方案。其中，系杆拱桥有多种优缺点：

（1）线形美观，能充分发挥材料的性能，跨越能力大；

（2）在两侧桥墩处产生较大的水平推力，对基础的要求较高，施工建造难度大。

通过对各设计方案在技术及施工适用性，安全性，经济性，实用性，美观性，设计、施工周期等几方面的综合对比分析，结合总体布置的需要，系杆拱桥优势明显，被确定为最终设计方案。

有限元建模

模型简介

结构采用MIDAS桥梁软件进行成桥和各施工阶段状态下恒载、活载、混凝土收缩、徐变、支座强迫位移、温度变化等作用的计算。横向按框架和简支板考虑固端影响的模式进行计算，按其最不利内力控制截面设计。施工阶段按图纸说明的施工顺序模拟，对系杆拱边界采用简支梁约束方式。下部结构按最不利荷载组合进行设计，支座沉降按2cm考虑。上面桥面做简单的模拟，主要计算拱肋及其主梁的受力情况，对于前面板的计算做简单处理，二期铺装以梁单元荷载加在桥面板上。

全桥结构单元的划分

划分单元原则

全桥按平面杆系结构进行分析，考虑梁的跨径、截面变化、施工方法、预应力布置等因素，按照杆系程序分析原理，遵循结构离散化的原则，在适当位置划分节点：

1.杆件的起点和终点及边界支承处；

2.杆件的转折点和截面的变化点；

3.施工分界线处和预应力锚固点；

4.单元长度过大时，应适当细分；

5.需验算的截面处；

6. 位移不连续，需进行主从约束时。

结构离散模拟图

桥梁具体单元划分

全桥长112米，共分为297个单元，每一个施工阶段自成一个单元，另外，在拱顶、1/4处和一些构造变化位置相应增设了几个单元，这样便于模拟施工过程，而且这些截面正是需要验算的截面。

全桥施工节段划分

桥梁划分施工分段原则

① 有利于结构的整体性，尽量利用伸缩缝或沉降缝、在平面上有变化处以及留茬而不影响质量处。
② 分段应尽量使各段工程量大致相等，以便于施工组织节奏流畅，使施工均衡。
③ 施工段数应与主要施工过程相协调，以主导施工为主形成工艺组合。工艺组合数应等于或小于施工段数。
④ 分段的大小要与劳动组织相适当，有足够的工作面。

施工分段划分

全桥主梁采用满堂支架现浇。拱肋预制拼装焊接现浇，施工完成后架设桥面板等，最后完成铺装。

施工阶段在midas中的实现

在进行拱桥全桥整体计算时应注意施工阶段的模拟及划分的准确性，便于合理计算。

具体施工阶段的模拟图所示：

施工阶段1：主梁满堂支架现浇

施工阶段2：拱肋、吊杆的安装

施工阶段3：拆除支架，张拉吊杆

施工阶段4：二期恒载的铺装

施工阶段5：成桥运营

本桥的施工过程相对比较简单，主要按5个大的施工阶段进行，具体如上图所示。

计算参数

材料参数

（1）混凝土：①箱梁及拱脚采用C55混凝土；②墩身C40混凝土；③支座垫石C50混凝土；④承台C35混凝土；⑤钻孔灌注桩C40水下混凝土；

（2）钢材：①低松弛高强度预应力钢绞线应符合GB/T5224-2003的规定；单根钢绞线直径j15.24mm，钢绞线面积AY=139mm2，钢绞线标准强度Rby＝1860MPa，弹性模量Ey＝1.95×105Mpa；②普通钢筋采用符合GB 1499.1-2008标准的HPB235光圆钢筋和符合GB 1499.2-2007标准的HRB335螺纹钢筋；③凡钢筋直径大于等于12mm者，均采用HRB335级热轧螺纹钢筋；④凡钢筋直径＜12mm者，采用HPB235光圆钢筋，带肋钢筋焊接技术标准应符合《钢筋混凝土用焊接钢筋网》(YB／T076-1997)的规定；

（3）拱肋及拱顶横撑、K撑：Q345qD钢材，符合《桥梁结构用钢》（GB/T714-2008）

（4）吊杆：吊索采用OVMPES7-85平行钢丝，抗拉强度标准值为1670MPa，疲劳应力幅200MPa。采用双护层拉索。锚具采用LZM7-85锚头；

具体截面尺寸

1、拱肋

拱肋采用钢管混凝土截面，拱肋的模拟采用共节点单元，具体尺寸如图所示：

拱肋尺寸图

2、主梁

主梁采用箱型截面，具体尺寸如图所示：

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