1、本科毕业设计10 前言毕业设计是高等工科院校本科培养计划中的非常重要的教学环节，是毕业前的一个综合的学习阶段,是一个深化、拓宽、综合教与学的过程,是对本科生在大学期间所学的专业知识的全面总结。通过毕业设计这一环节，可以加强学生对所学知识的运用能力；可以提高学生分析和解决实际问题的能力；并且在设计的过程中可以学到一些新的知识，便于以后走上工作岗位及适应社会。此次任务是设计总跨径为 140m 的小渡河大桥。根据给的设计资料，首先初步拟定出不同体系三个桥梁图式，通过对三种桥型的受力、施工、工程造价等诸多方面因素的比较，最后选定 4 孔 35m 的双曲拱桥作为推荐桥型方案。通过查找设计规范、大量文献及
2、结合技术标准，在老师的悉心指导和帮助下，也在同学的帮助和鼓励下，我终于完成了本次设计。因本人设计能力有限，设计中难免有诸多不足之处，敬请各位老师批评、指正。1 方案选择本次设计任务书的要求和公路桥规的规定,对小渡河大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，本文提出三种不同的桥型方案：方案一双曲拱桥，方案二为简支梁桥，方案三为简支板桥。1.1 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。1.1.1 桥梁设计原则桥梁是公路、铁路及城市道路的重要组成部分，特别是大、中桥梁的建设对当
3、地经济、国防等具有重要的意义。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）技术先进桥梁设计应体现现代桥梁建设的新技术。在因地制宜的前提下，尽可能采用成熟的新结构，充分利用最新科技成就，把学习和创新结合起来，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。本科毕业设计2（3）经济性设计的经济性一般应占首位。经济性是应综合考虑到发展的远景及养护和维修等费用。经济的桥型应该是工程造价和在使用年限内的养
4、护费用综合最低的桥型。（4）美观桥梁，特别是坐落在城市上的桥梁应该具有优美的外形，且在空间上应有和谐的比例。桥型也应与周围环境相协调。（5）环境保护和可持续发展设计必须考虑到环境保护和可持续发展，包括生态、空气、水、噪声等多种方面，应从桥位的选择、桥跨的布置、基础方案、墩身的外形、上部结构的施工及施工组织设计等方面全面的考虑环境要求，采取必要的工程控制措施，建立环境监测保护的体系，将不利影响降至最低。1.1.2 对桥梁的综合评估（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 的作用下，简支梁q的跨中弯矩
5、为 ，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2/8ql面弯矩均为零，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。对于多跨连续拱桥，为防止其中一跨破坏而影响全桥，还要采取特殊的措施，或设置单向推力墩以承受不平衡的推力。（2）梁桥梁式桥是指其结构在垂直荷载的作用下，其支座仅产生垂直反力，而无水平反力的桥梁。由于外力的作用方向与承重结
6、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 40m 简支梁桥。（3）板桥若跨径增大，实心的矩形截面就会显得不合理。因此将截面中部部分挖空，做成空心板，不仅可以减小自身的重量，而且可以更为合理的利用材料。钢筋混凝土空心板目前使用的范围在 616m。空心板与同跨径的实心板相比，重量较小，运输安装更方便，且建筑高度又较同跨径的 T 型梁小，目前使用较多。相应于这些跨径的板厚，对于钢筋混凝土板为 0.40.8m。对以上所论述的桥型进行列表比较,见表 1.1。本科毕业设计3表 1.1 方案比选表比较项目 第一方案 第二方案 第三
7、方案主桥跨桥型 拱桥 预应力混凝土简支梁桥 简支板桥主桥跨结构特点桥梁的主要承重结构是拱圈和或拱肋。这种结构在竖向荷载的作用下，桥墩或桥台将承受水平推力。水平推力也将显著抵消荷载所引起的在拱圈内的弯矩作用。因此，与同跨径的梁桥相比，拱的弯矩和变形要小得多，但其下部结构和地基得受住很大的水平推力在垂直荷载的作用下，其支座只产生垂直反力，而无水平推力。预应力混凝土简支梁桥的结构造型灵活，整体性好，刚度较大，且其跨径较大，受力简单。同跨度的实心板重量较小，运输安装更为方便，建筑高度又较小。但随着跨径的增大，刚度减小，变形增大。建筑造型拱桥的跨越能力较大，耐久性能好，维修、养护费用较少，外形较美观，构
8、造较简单，节省造价，充分就地取材，可节省大量的钢材和水泥。T 型构件可预制，并运至施工地点，在施工现场采用混凝土现浇，将 T 型梁连接，其外型简单、制造方便，整体性能较好。桥型较为美观。侧面上看上去线条较为明晰，与当地的地形相配合，显得美观大方。养护维修量 较小 较小 较小设计技术水平 经验丰富，国内先进水平 经验丰富，国内先进水平 经验丰富，国内先进水平工期 较长 较长 较短将以上所论述的桥型进行列表比较：根据本桥的地质、水文等实际情况，并结合桥梁设计原则，第一方案拱桥经济上比其他方案好，跨径上能满足要求，景观与环境协调，因地制宜，减轻吊装质量,能节省大量的钢材和水泥，修建 4 跨 35m
9、双曲拱桥是适宜的。双曲拱桥双 曲 拱 比 单 曲 拱 能 承 受 更 大 的 载 荷 ， 主 要 是 因 为 双 曲 拱 不 仅 在 一 个 方向 上 呈 拱 形 ， 而 且 在 与 其 垂 直 的 另 一 方 向 也 呈 拱 形 。 自 行 车 的 挡 泥 板 就 是 这 种 双 曲拱 形 的 。 当 它 受 力 时 ， 力 使 沿 着 两 个 拱 的 方 向 更 均 匀 地 传 递 ； 某 一 局 部 受 力 过 大 时 ，本科毕业设计4双 曲 拱 能 迅 速 自 行 调 整 平 衡 ， 使 整 个 双 拱 曲 不 会 因 局 部 受 力 过 大 而 损 坏 。 拱 形结 构 除 了 能
10、用 于 建 造 桥 梁 外 ， 另 一 个 重 大 的 用 处 就 是 建 造 水 坝 。 特 别 是 双 曲 拱 形 坝 ，由 于 拱 形 顶 所 受 的 水 压 力 能 通 过 拱 体 均 匀 地 传 递 给 河 岸 ， 依 靠 坚 固 的 两 岸 来 维 持 的稳 定 ， 它 与 完 全 靠 自 身 重 量 来 维 持 平 衡 的 重 力 坝 相 比 ， 不 仅 可 以 减 少 体 积 ， 节 约 材料 ， 而 且 还 有 一 定 的 弹 性 ， 对 地 基 的 局 部 变 形 具 有 一 定 的 适 应 能 力 ， 有 较 好 的 抗 震性 能 。 它 的 最 主 要 特 点 是 ：
11、将 主 拱 圈 以 “化 整 为 零 ”的 方 法 按 先 后 顺 序 进 行 施 工 ，再 以 “集 零 为 整 ”的 方 式 组 合 成 承 重 的 整 体 结 构 。 因 主 拱 圈 分 期 形 成 ， 呈 现 组 合 结 构的 受 力 特 征 ， 整 体 性 较 弱 ， 在 地 震 荷 载 作 用 下 容 易 破 坏 。 选材经济，构造简单。桥的外观较优美，可充分协调周围的环境，综合考虑这些因素，确定最终选用第一方案即拱桥方案。2 设计资料2.1 设计标准1.设计标准:公路级汽车荷载，人群荷载 23.0/kNm2.结构形式：4 孔等跨不等刚度悬链线无铰拱3.跨径及桥宽:总跨径 , 净跨
12、径 ，净矢高 ，净04351l5l07fm矢跨比 0/15fl4.桥面净宽：净 12+20.75m(人行道) 13.5m0B5.拱顶填料平均厚度（包括路面） .dh2.2 材料及其数据（1）拱肋： M40 钢筋混凝土（预制）容重 弹性模量3125/kNm30MPaE极限抗压强度 128jaRMp（2）拱波：M10 砂浆砌 C20 混凝土预制拱波，容重 ，324/ ，抗压极限强度 ，轴心抗压强28054jEP 6.8jaRMp度设计值 .3cdf（3）拱板： C20 混凝土（现浇）容重 弹性模量334/ kNm320PaE抗压极限强度 直接抗剪极限强度 ，弯曲01jaRp.j抗拉极限强度 2.5
13、wM（4）钢筋 级钢筋，标准强度 0,bgygyPa拱圈设计温差 15（5）腹拱： C20 混凝土（预制）容重 334/kN（6）横墙： M20 钢筋混凝土 容重 25m（7）侧墙 护拱： M7.5 砂浆砌块片石，容重 /（8）拱腔填料及侧墙的平均容重： 3618/本科毕业设计5（9）桥墩： M7.5 砂浆砌 MU50 块石 容重 3724/kNm（10）墩身 基础：M7.5 砂浆砌 MU50 片石， 8极限抗压强度 3.9jaRMp地基土为圆砾，其容许承载力 206/（11）桥台： M5 砂浆砌 MU30 片石、块石 容重 3k极限抗压强度 322.51/jakN极限直接剪强度 04j m基
14、础为 M15 片石混凝土 37/台后填砾石土，夯实内摩擦角 35 填土容重 81/k2.3 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 ；（4）公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）S.北京:人民交通出版社,2007（5） 公路桥涵设计手册编写组：墩台与基础 ，人民交通出版社，19783 主拱圈截面尺寸的拟定及几何特性计算3.1 主拱圈截面尺寸
15、的拟定主拱圈由 6 肋 5 波另加两个悬半波组成，可分为 6 个相同的单元，每单元见图 3-1。本科毕业设计6图 3-1 拱圈单元（尺寸单位：cm）3.1.1 主拱圈总高度估算根据经验公式，主拱圈总高度 0350()1.2=98cmldakb考虑到连拱的拱圈需适当加强，采用 d =110cm3.1.2 拱肋尺寸拱肋采用倒 T 形截面。本桥拟用有支架施工，拱肋高度采用 ，拱肋宽度0.135lcmb=50cm。拱肋的面积一般以不小于主拱圈全截面积的 为宜。4拱肋配筋，上缘采用 ，下缘采用 。163.1.3 拱波及拱板拱波采用圆弧形，拱波厚度一般采用 68 cm，此取 6 cm；净跨径一般取 1.2
16、1.6 m 此取 1.74 m；宽度一般取 3050 cm，此取 50 cm。为便于施工，拱板采用折线形，拱板厚一般需大于拱波厚，取值为 14 cm，拱板面截面积以占主拱圈全截面的 35%40%以上为宜。拱肋顶部现浇厚度 15 cm。3.2 主拱圈单元几何特性计算3.2.1 换算系数本例以拱板为标准层，其抗压极限强度 ，拱肋及拱波的换算系数为：014jaRMp拱肋混凝土 1028.4jaRn级钢筋 g混凝土预制拱波砌体 206.481ja3.2.2 拱波半径本科毕业设计7根据拱波的 ，由文献 10表 3-1 得：00011.74,.,2.5flmfl拱波内半径 527489Rl m拱波轴线半径
17、 .89.3.3.2.3 几何特性计算（1）换算截面形心轴根据各部分材料的净面积和换算系数求出换算面积 ，换算截面面积矩 之后，0A0S采用下式计算截面形心轴位置： 03475.9.42=1-9.26.8SyA下上（2）换算截面对形心轴的换算惯性矩换算截面对形心轴的换算惯性矩 ，等于各换算截面对自身重心轴的换算惯性矩0I，加上各换算截面移至形心轴的惯性矩 。即0I 20iAa（3）换算截面抵抗矩 2 400196(1349572.8)0.67iI m88530.47.5.1.0992WcmyI上 上下 下主拱圈单元截面几何特性计算过程见表 3-1净面积 iA换算系数 in换算面积 0iA各面积
18、重心至肋底距离 iy对肋底换算面积矩 0iSyA各面积对自身形心轴的惯性矩 0I各形心至截面重心的距离 ia各面积移至重心轴的惯性矩 20iA项目1 2 3 4 5 6 7 868.04 10 80.4 31 3698.4 4.14 1378.0238钢筋 15.71 10 157.1 4 628.4 46.14 334450.1272416667 25.144拱肋混凝土 1576.25 2 2552.5 21.54 54980.8520000 40.1442261311.642拱波1492.7 0.485 724.0 67.46 48841 349453 17.32 217187.2576大
19、矩形 A 24640 1 24640 55 1355200 248453334.86 581986.944填平层反拱板小矩形 4-3480 1 -3480 10 -34800 -116000 40.14 -5607044.208本科毕业设计8弓形 5A-9029.3 1 -9029.3 49.45 -446499 -30480830.69 -4298.8497梯形 6-5820 1 -5820 86.91 -505816.2 -1468329.940.62 -9602909.208拱肋 1-1300 1 -1300 21.54 -28002 -310080 30.76 -1230030.88拱
20、波 2A-1492.7 1 -1492.7 67.46 -100698 -719040 17.32 -447783.7拱板 33518 1 3518 239384.8 19183800.1-16310079.9合计 6310.7 7032 347533.45 19969920-13495752.854 确定拱轴系数拱轴系数 值的确定，一般是采用“五点重合法” ，即先假定一个 值，定出拱轴m m线，再拟定上部结构的各种几何尺寸，计算出半拱恒载对拱脚截面形心的弯矩及自拱顶至 l/4 跨的恒载对 l/4 跨截面形心的弯矩 。算出其比值：jM41M，在求得 值后，再由 中反求 值。fyj/4141 f
21、y41 1)2(fym若求出的 值与假定的 值不相符合，则应以求得的 值作为假定值，重复上述计算，直至两者接近为止。4.1 拟定上部结构的几何尺寸（1）主拱圈几何尺寸 截面特性截面高度取 ，主拱圈横桥向取 1m 单位宽度计算1.0dm横截面积 A=0.732 2 计算跨径和计算矢高假定 =2.514，相应的 。查拱桥表（）20(7)得1/40.25yf=0.69198 =0.72191sinjcosj计算跨径 023.940.61835.40l m下计算矢高 (co)7(729)17jf下 拱脚截面的投影水平投影 sin.618jxdm竖向投影 094y 计算主拱圈坐标 本科毕业设计9图 4-
22、1 1/2 主拱圈将主拱圈沿跨径 24 等分，每等分长 = /24=1.48683m。以拱顶截面形心为原点坐标，l拱轴线上个截面的纵坐标 拱桥(上册)表（）-1 值 ，相应拱背曲面的坐1y f标，相应的拱腹曲面相应点的坐标 。 。 具体位置见图1cosy上 1cosy下4-1。计算结果见表 4-1。表 4-1 主拱圈截面坐标表截面号 x(m) 1yf1y(m)coscosy上(m)cosy下(m)1y(m)1(m)1 2 3 4 5 6 7 8 9拱脚 0 17.8420 1.000000 7.1374 0.72191 0.83914 0.68460 6.29826 7.822001 16.3
23、552 0.814018 5.8100 0.76969 0.78704 0.64210 5.02296 6.452102 14.8684 0.653408 4.6636 0.81360 0.74457 0.60745 3.91903 5.271053 13.3815 0.515405 3.6787 0.85291 0.71025 0.57945 2.96845 4.258154 11.8947 0.397635 2.8381 0.88718 0.68282 0.55707 2.15528 3.395175 10.4079 0.298071 2.1275 0.9163 0.66112 0.539
24、36 1.46638 2.66686拱跨 1/4 68.9211 0.215000 1.5345 0.94042 0.64416 0.52553 0.890342.060037 7.4342 0.146992 1.0491 0.95985 0.63112 0.51489 0.41798 1.563998 5.9474 0.092877 0.6629 0.97498 0.62133 0.50690 0.15600 1.169809 4.4606 0.051724 0.3692 0.98634 0.61423 0.50112 -0.24503 0.8703210 2.9737 0.022825 0
25、.1629 0.99398 0.60945 0.49721 -0.44655 0.6601111 1.4869 0.005682 0.0406 0.99851 0.60668 0.49496 -0.56608 0.53556dy上 下y1上下本科毕业设计10拱顶 12 0.0000 0.000000 0.0000 1.00000 0.60578 0.49422 -0.60578 0.49422 注：第 2 栏由拱桥附录（）表（）-1 查得第 4 栏由拱桥附录（）表（-20（7） ）查得（2）拱上构造尺寸腹拱圈 1腹拱一般对称布置在靠拱脚侧的一定区段内，其长度约为跨径的 ，跨中1/34存在一段实
26、腹段，腹孔跨数每边以 2-5 孔为宜，此取 3 孔。腹拱圈为等截面圆弧拱，截面高度 d =0.2m，净矢高 ，净跨径 , 0.25fm2lm净矢跨比 。查拱桥上册表 3-2 得1/8fl= 0.470588 =0.8823530sin0cos水平投影 .9412xdm竖向投影 co76y 腹拱墩腹拱墩采用横墙式，能增强主拱圈横向整体性并把活载较均匀的分布在主拱圈的全宽上，厚 0.6m。在横墙的中间留出上半部为半径 的半圆和下半部高为 0.60.6Rm宽为 1.2 的矩形组成的检查孔。m1#横墙 13235.68402.215.4llb2#横墙 41.9llm3#横墙 152/.420.620.
27、9410.594llbx m空实腹段的界限 10.578xl主腹拱圏拱顶的拱背在同一标高线上时，腹拱的起拱线至主拱拱背的高度，空实腹分界线的高度 ，这些高1(cos)()hydf上 1(cos)hy上度均可利用表 4.1 中的数值内插得到，也可以用悬链线公式直接算得。其计算过程及数量值见表 4-2。表 4-2 腹拱墩高度计算表项目 x1ycos (1cos)y上 h1#横墙 15.54200 5.18298 0.79371 -0.15745 5.025532#横墙 12.94200 3.43022 0.86304 -0.09613 3.334093#拱座 10.59494 2.38630 0.91264 -0.05799 2.32831空实分界 10.54788 2.19440 0.91356 -0.05732 2.13708
