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1、 毕 业 设 计 任 务 书 班 级 学生姓名 学 号 发题日期： 2011 年 3 月 1 日 完成日期： 2011 年 6 月 12 日 题 目 1-45m 双线高速铁路板拱桥设计(2 立柱) 1、本论文的目的、意义 学生在进行毕业设计之前，已对公共基础课程、专业基 础 课程及专业课程进行了有序的分阶段学习，对工程结构已建立起了从设计原理 到设计方法及施工方法的基本知识结构，但还缺少综合的系统的运用这些知识 来解决实际问题的锻炼机会。本设计以新建高速铁路拱桥为背景，让学生在老 师的指导下系统的完成结构设计、结构计算和检算的全过程。通过本设计可巩 固学生对材料力学、结构力学、混凝土结构设计原
2、理、桥梁工程等知识的掌握， 提高学生分析和解决问题的能力；同时可让同学对桥梁工程的认识更加清晰， 全面；通过对有限元软件、绘图软件及办公自动化软件的大量使用培养学生的 计算机运用能力。 2、学生应完成的任务 （1）相关资料收集及外文翻译； （2）桥跨总体布置及拟定桥梁细部结构尺寸； （3）运用 Midas 件进行桥梁结构内力分析计算和变形分析； （4）截面钢筋配筋设计； （5）主要截面配筋检算； （6）主要截面抗裂检算； （7）编制毕业设计设计说明书； （8）绘制桥跨布置图和钢筋图； 3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周） 第一部分 相关资料收集及外文翻译 ( 2 周) 第二部分 整体
3、桥跨布置以及截面尺寸拟定 ( 1 周) 第三部分 建立 Midas 结构模型并调整修改模型 ( 3 周) 第四部分 结构的内力计算与变形分析 ( 2 周) 第五部分 桥跨结构截面配筋 ( 2 周) 第六部分 图纸的绘制 ( 2 周) 第七部分 设计计算说明书编制 ( 2 周) 评阅及答辩 ( 2 周) 备 注 指导教师： 年 月 日 审 批 人： 年 月 日 摘 要 本设计主要是关于高速铁路拱桥的设计，目前我国的高速铁路快速发展，设计 施工水平以处于世界先进水平。我国西南地区地质复杂，河流纵横，在一些多山地 区拱桥是有相当大的优势的。本设计拱桥的设计跨度为 45m，设计为新建高速双线 无石碴铁
4、路，线路中心线距离 4.8m，桥轴线为直线，设计纵坡为 -0.15%，桥面横坡 为 2人字排水坡，设计荷载为 ZK 活载。由于拱桥的跨度较小，拱桥的施工方法为 满堂支架法。 本设计采用桥梁工程软件 Midas 建立全桥结构模型并进行结构内力以及变形分 析，先把桥跨结构分为各若干节段，在 Midas 里面用相应的材料建立单元，并在上 面施加相应的荷载，添加边界条件和施工阶段，调整运行模型得到相应的内力和变 形。用电子表格整理内力，再根据混凝土结构设计原理和相应规范进行截面的配筋 检算，最后绘制相关的设计图纸。 设计过程中，多次运用计算和绘图的辅助软件，特别是涉及到大量的数字运算， 采用手算比较繁
5、琐，而且准确性得不到保证，这时 Excel 电子表格对大量数据的重 复处理效率非常有用，本设计在 Midas 的内力整理和截面配筋检算的计算过程中， 都采用了 Excel 辅助工具完成。设计图纸主要包括桥跨结构的整体布置图和结构的 钢筋布置图，绘制时主要用 Auto-CAD 绘图软件完成相关图纸的绘制。 关键词：双线高速铁路 板拱桥 满堂支架施工 有限元分析 Abstract This graduate design is mainly about the design of the two-line rapid transit railway arch bridge. The develop
6、ment of rapid transit railway in our country is very fast at present. The geology in southwest of China is great complex, and the advantage of arch bridge is reveal in this mountainous and river area. The span of arch bridge is 45 m in my graduate design . this new rapid transit railway design for t
7、he two ballastless track lines .the distance of two centerline4.8m, The axes of this bridge is a straight line, and the grade of deck is - 0.15 , the herringbone lateral slope of deck is 2% for draining . The design load standard is the ZK Live Load (double line). Because the span of arch bridge is
8、small, the construction method of small arch bridge is full support method. This design adopts the bridge analytical softwareMidas Civil. It establishs a full- bridge structure model and analysis the internal force and deformation. First, it divided bridge span structure into several segment, Establ
9、ish units with the appropriate materials and imposed relevant loads on it. Add boundary conditions and the construction stage, adjustment of the operating model of the relative internal forces and deformation. Finishing internal forces with spreadsheet .and use the theory designing concrete structur
10、es and relevant code to design and check the reinforcement of the cross-section. Finally ，draw relevant design drawings. Because this design involving a great deal of numerical calculation, its too tedious to work by hand and the accuracy assuranced hardly. I used many strong soft-wares: Auto- CAD ,
11、Word and Excel etc.which also advanced the design efficiency and precision.in my graduate design, the main software to design and check the reinforcement of the cross- section is Excel spreadsheet, the main drawing software is Auto-CAD. Key word: two-line rapid transit railway arch bridge full suppo
12、rt method Finite Element Analysis 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 概述 .1 1.1.1 拱桥的发展历史及结构受力特点 1 1.1.2 现代拱桥的发展 3 1.2 设计基本资料 .5 1.2.1 主要技术标准 5 1.2.2 设计依据 6 第 2 章 主要尺寸拟定 .7 2.1 主要材料参数 .7 2.2 桥跨结构平面的总体布置 .7 2.2.1 桥面高程及纵坡确定 7 2.2.2 拱脚位置确定 8 2.2.3 拱轴线的选取 8 2.2.4 立柱位置的选取 9 2.2.5 最终桥梁结构布置 9 2.3 结构截面尺寸拟定 .10 2.3.1 梁的截面尺寸
13、10 2.3.2 板拱截面尺寸 11 2.3.4 立柱截面尺寸 11 第 3 章 建立 Midas 结构模型 12 3.1 模型各结构节段划分 .12 3.1.1 梁体节段划分 12 3.1.2 立柱节段划分 13 3.1.2 板拱节段划分 13 3.2 模型单元的建立 .14 3.2.1 材料 14 3.2.2 截面 14 3.3 边界条件 .15 3.4 时间依存性材料 .16 3.5 结构荷载 .16 3.6 施工阶段定义 .21 3.7 模型修改调整 .22 第 4 章 结构内力 变形分析 .24 4.1 荷载组合 .24 4.2 结构的内力 .24 4.2.1 梁体的内力 24 4.
14、2.2 板拱的内力 28 4.2.3 施工阶段作用下板拱内力 32 4.2.4 立柱的内力 33 4.2.5 帽梁的内力 35 4.2.6 拱桥整个结构反力 36 4.3 结构的变形 .37 4.3.1 梁体竖向变形 37 4.3.2 梁体横向变形 39 第 5 章 结构截面配筋及检算 41 5.1 铁路桥跨结构截面配筋原则 .41 5.1.1 受弯构件截面受力的几个阶段 41 5.1.2 按容许应力法计算的基本假定 42 5.1.3 截面换算原理 44 5.1.4 钢筋种类及其布置原则 44 5.2 梁体截面配筋 .45 5.2.1 T 形截面梁配筋原理 .45 5.2.2 梁体正截面抗弯配
15、筋 47 5.2.3 梁体斜截面抗剪配筋 58 5.2.3 梁体斜筋及构造配筋 60 5.3 板拱截面配筋 .61 5.3.1 偏心受压截面梁配筋原理 61 5.3.2 板拱截面配筋及检算 65 5.3.3 板拱斜截面抗剪配筋 70 5.3.3 板拱稳定性验算 72 5.3.4 板拱斜筋及构造配筋 73 5.4 立柱截面配筋 .73 5.4.1 轴心受压截面梁配筋原理 74 5.4.2 轴心受压截面梁配筋 75 5.4.3 立柱稳定性验算 75 5.4.4 立柱截面配筋结果 76 5.5 帽梁截面配筋 .76 第 6 章 桥跨结构裂缝检算 78 6.1 受弯构件裂缝产生原因 .78 6.2 受
16、弯构件裂缝计算原理 .78 6.3 受弯构件裂缝计算 .79 结 论 .83 致 谢 .84 参考文献 .85 附 录 .86 第 1 章 绪论 1.1 概述 1.1.1 拱桥的发展历史及结构受力特点 拱是一种自然与合适的结构型式，它总是令人赏心悦目而且清晰地表达出它的 功能。拱极易融入环境和满足大众的审美习惯与需求。著名的结构专家林同炎曾经 说过“拱是结构也是建筑” 。英语中的“建筑(architecture)”一词可能是由“拱(arch)” 衍生而来。因此，拱受到广大桥梁设计师的喜爱。在现代桥梁设计中，许多拱桥的 方案往往因其建筑学方面的意义而被选中。与此同时，对建筑结构造型的追求，促 使
17、拱结构的形式不断变化与翻新，也出现了结构异化的现象。 拱，作为一种结构，在荷载作用下主要承受轴向压力，用拱圈或拱肋作为主要 承重结构的桥梁称为拱桥。显然，受压性能极好的石拱桥是历史上最先发展的桥梁 之一。在古代，拱桥起源于模仿石灰岩溶洞中天然形成的“天生桥” 。据说美索不达 米亚（Mesopotamia）中亚底格里斯河和幼发拉底河流域间的古王国，现今伊拉克所 在地）人，曾在古罗马人建造石拱桥以前的 2000 多年，就造过这种桥梁。我国隋 朝开皇十五年至大业元年间（公元 595605 年） ，由匠人李春在现河北省赵县建成 一座跨越河的石拱桥（图 1-1）至今著名于世。该桥初称赵州石桥，后称安济桥
18、，为 一空腹式单孔圆弧石拱桥，全部用石灰岩石块建造，全长 50.83m，净跨 37.02m， 矢高 7.23m，矢跨比（矢高与跨径之比）小于 1/5，桥面宽 9m，行车道纵坡 6.5%。拱由 28 个石拱（窄拱）并列组成，每个拱圈石厚约 1.03m，长约 1.0m，宽 在拱顶处为 0.25m，部分拱石在趋近拱趾处逐渐放宽，使整个拱圈在拱趾处有较大 宽度。在拱圈上压有一层厚 0.160.3m 的护拱石，并列圈每隔一段距离设有铁拉条 和钩石，有利于各列圈石共同受载，不致解体。在大拱圈之上，每侧设有两个小拱， 可以减轻桥的自重，并增加泄洪面积，也使桥面平缓，便于通行。该桥虽在 1300 余 年中经受
19、多次洪水及地震，至今安然无恙，公认为世界现存最早、跨度最大、造型 最新的石拱桥。除赵州石桥外，我国著名的石拱桥还有北京的卢沟桥（建成于 1192 年，长 265m，宽 8m，由 11 孔石拱组成） ，苏州的宝带桥（相传在唐代建造，全长 317m，由 53 个连续石拱组成）等。古罗马人认为桥是由于神的感召力量才存在的， 因而他们将建造石拱桥的任务委托给由大祭士马克西姆斯（Maximus ）为首的一个 教士阶层来建造。古罗马时代石拱桥的拱圈呈半圆形，拱石要经过仔细地切割和凿 磨，并单凭石块自身的重力将拱圈挤紧，拱石的缝隙间不填砂浆。由于尚不能修建 深水基础，当时石拱桥墩的宽度与拱的跨度比大多为 1
20、/31/2。这种桥多半在施工时 有临时支架，直到加上拱顶石使全拱形成一个结构后，才将临时支架撤除。这时所 建的跨河石拱桥，只有较窄的车道，并且桥下不能通航，往往因为桥身（含拱圈和 桥墩）阻水面积过大，而被洪水所冲毁。今天， 英国西约克郡的威柯勒桥就是一座 早在 1800 年前建造成的，类似古罗马人砌筑的石拱桥。西班牙境内还有一座建成于 公元 98 年的 6 孔石拱桥，名为阿尔坎塔拉（Alcantana）桥，它的桥墩建造在岩石上， 中间两孔跨度各为 28m，桥面高出谷底 52m。 图 1-1 赵州桥 拱桥的另一种明显优势是其造型美观，许多著名拱桥甚至成为一个城市，一个 地区的旅游景点，不少风景区
21、还专门配置各式拱桥装点景色。这是因为拱桥可做成 各种和周围景观协调的曲线样式，或用连拱入波浪，体现一种韵律；或大拱、小拱 巧妙搭配，在变化中蕴含协调；或大拱、小拱相叠，从层次上表现柔和之美、曲线 之美；也有的工程师匠心独运将桥做成异形拱，使之既具备交通功能，有事一座城 市雕塑和造型，以显现创作者对城市或灵气、或精神、或展望的想象。各种桥型都 可以做的很美，单像拱桥这样变化之多、适应性之强是其他桥型所不能比的。 拱桥还有一个优点就是其构造简单，尤其是中、小跨径圬工拱桥，不需要大型 设备和复杂技术，建桥技术容易掌握，有利于广泛应用。对于大跨径拱桥，近来转 体施工法和劲性骨架拱的应用，使其建造过程比
22、同跨径其他桥型（如斜拉桥、悬索 桥）容易便捷。 拱桥的主要缺点就是其自重大，相应的水平推力也比较大，增加了下部结构的 工程量；此外，工程师精心设计的拱轴线可以使拱处于很理想的受力状态，但当基 础发生变形和沉降时所产生的附加内力是很大的，因此拱桥对基础的要求比其他桥 型严格，通常拱脚都要置于很可靠的基础上，例如整体性较好的岩石上。拱脚水平 推力还可以产生另一个不良后果，即多空连拱的中间墩，其左右拱的水平推力是相 互平衡的，一旦一空出问题，其他孔也会因为水平力不平衡而相互毁坏。拱桥的其 他特点如建造高度较大，施工时常需搭支架等也使某些种类的拱桥建设受到一定的 限制。 对于拱桥的这些优缺点，在建桥时
23、还应结合桥址处的地质地理特点及其他环境 因素，进行多方面，多方案的综合比较。谨慎的决定选择哪种样式的桥梁。一般来 说，在地质条件的山区，中、小跨径的拱桥是最具有竞争力的；在地质条件较差或 平原地区也常选择无推力拱的方案。 1.1.2 现代拱桥的发展 随着生产力的不断发展，拱桥的设计和施工技术的不断进步，现代的结构型式 也愈来愈多。 按照常用的拱桥分类方法有三种： （1）按照承重结构与桥面系之间的位置关系，又可分为上承式拱桥、中承式拱 桥和下承式拱桥； （2）结构型式划分有：板拱桥、双曲拱桥、箱形拱桥、肋拱桥、刚架拱桥、系 杆拱桥； （3） 。按照建桥材料（主要是针对主拱圈使用的材料）可以分为圬
24、工拱桥、钢 筋混凝土拱桥、钢拱桥、钢管砼拱桥等； 1、石拱桥 现代石拱桥是圬土拱桥中的一支。石拱桥具有施工简单、造价低廉、因地制宜、 就地取材等优点，因此在历史上是最早出现一种拱桥，并且到 20 世纪仍然有其生命 力。现代石拱桥的特征是跨径大，拱上建筑为空腹式，其立面展示出视觉上通透， 感觉上轻型。 2、钢筋混凝土拱桥 自从 1824 年波特兰水泥问世，1850 年出现钢筋混凝土以来，作为重要的结构 材料，在桥梁工程中得到广泛运用，产生了多种结构型式的钢筋混凝土拱桥。 钢筋混凝土拱桥的主要结构型式有：双曲拱桥、箱形拱桥、桁架拱桥、刚架拱 桥。 （1）双曲拱桥 1964 年江苏省无锡县建桥工程队
25、因地制宜，就地取材，继承传统的拱桥技术， 创造了中国独有的双曲拱桥。其中： 湖南省长沙湘江大桥，全长 1532 米由 8 孔跨径 76 米和 9 孔跨径 50 米双曲拱， 是修建最成功的双曲拱桥，主跨 150 米的河南省前河大桥，是中国最大跨径的双曲 拱桥。 （2）箱型拱桥 箱型拱桥是大跨径钢筋混凝土拱桥的一种比较经济、合理的型式。1979 年建成 的主跨 150 米的四川省宜宾马鸣溪金沙江大桥，是国内用缆索吊机吊装施工的跨度 最大的钢筋混凝土箱型拱桥；1989 年建成主跨 200 米的重庆市涪陵乌江大桥，是 一座用中国独创的转体施工建成的特大跨钢筋混凝土箱型拱桥； 1997 年建成的重庆市万
26、县长江大桥，采用了钢管混凝土劲性骨架，建成了 420 米单孔上承式箱形拱桥，该桥是目前世界上跨径最大的钢筋混凝土拱桥。 （3）刚架拱桥 钢筋混凝土刚架拱桥是 20 世纪七十年代发展起来的一种新的轻型钢筋混凝土 拱桥。其特点是从简化拱上建筑着眼，利用斜撑将桥面位于拱的 1/4 跨径处的最不 利荷载传至拱脚，以改善主拱的受力。钢筋混凝土刚架拱桥特别适用于中小跨径桥 梁。 1985 年建成的广东省清远北江大桥，是中国规模最大的钢筋混凝土刚架拱桥， 该桥全长 1058.04 米，由 345 + 870 + 445 米共 15 孔刚架拱组成；1993 年建 成的江西省德兴东安江太白大桥，将钢筋混凝土刚架
27、拱桥的跨径提高到 130 米。 3、钢拱桥 国外大跨度拱桥中，钢拱居多。据资料统计，目前世界上跨度超过 300m 钢拱 桥有 15 余座，其中主跨超过 500m 的有 3 座。早在 1932 年修建的澳大利亚悉尼港 拱桥，跨度 503m 至今仍为世界上跨度最大的公铁两用钢拱桥。 1977 年修建的美国 新河公路拱桥，跨度为 518.2m，该桥桥面在新河峡谷水面以上 267m，是世界上通 航净空最高者之一。近年来我国的钢拱桥的发展很快，相继建成了几座大跨度的钢 拱桥。1969 年建成的四川攀枝花渡口大桥 ，跨径为 180 米；2003 年建成的主跨 550m 上海芦浦大桥，居当时世界同类桥梁之首
28、，被誉为 “世界第一钢拱桥” 。 4、钢管混凝土拱桥 1937 年和 1939 年，前苏联建成了两座跨径分别为 110m 和 140m 的钢管混凝土 拱桥。此后的相当长时间内，世界范围内未见有这种桥梁修建的报道。1990 年，中 国第一座钢管混凝土拱桥旺苍东河大桥在四川建成。由于钢管混凝土拱桥具有 材料强度高、施工方便、造型美观等优点，又适逢我国大规模的交通基础设施建设 时期，钢管混凝土拱桥便在我国得到迅速的发展。随着数量的增多，跨径与规模也 不断增大，分布区域也越来越广。据不完全统计，我国己建和在建的钢管混凝土拱 桥已达 200 余座。已建的钢管混凝土拱桥中，跨径最大的是 2000 年建成的
29、广州丫髻 沙大桥，主跨跨径达 360m。从结构类型来看，上承式中跨径最大的是主跨为 288m 的重庆奉节梅溪河桥；中承式有推力的跨径最大的是主跨为 308m 的浙江省淳安县 (千岛湖 )南浦大桥；中承式无推力的是主跨 360m 的广州丫髻沙大桥，下承式刚架系 杆拱跨径最大的是跨径为 280m 的湖北武汉的汉江三桥，下承式无推力跨径最大的 是主跨 150m 的天津彩虹桥。我国目前仍处于交通基础设施建设的高潮，钢管混凝 土拱桥的应用仍在不断发展之中。在建的大跨径与大规模的钢管混凝土拱桥有广西 南宁永和大桥(338m) 、另一座是重庆市巫山县巫峡长江大桥(460m) 、湖南茅草街大 桥(368m)、
30、杭州市钱江四桥(190m) 、郑州深河公路二桥主桥 (8100m)等。 1.2 设计基本资料 1.2.1 主要技术标准 桥梁布置： 45m 双线高速铁路板拱桥设计(2 立柱 ) ； 桥梁等级：新建双线高速铁路； 结构自重：混凝土容重按 26kN/m 计算； 二期恒载：按 134kN/m 计算； 横向摇摆力：以 100kN 的集中力加在结构的最不利位置； 列车制动力：以桥梁静荷载的 10%计算； 横向风力：参见铁路桥涵设计基本规范 （TB 10002.1-2005 ）4.1.1； 活载：Z-K 标准荷载； 系统温度荷载：整体升温为 16,整体降温为-16； 温度梯度荷载：日照温度正梯度 10（梁
31、高方向） ，寒流温度负梯度-5（梁宽 方向） ； 支座沉降：拱脚支点-0.005m，梁端支点-0.005m； 桥面宽度：总宽 12.2m，1.6+2.1+4.8+2.1+1.6 ； 桥梁坡度：纵坡-0.15% （沿线路方向） 横坡2.0%。 ； 1.2.2 设计依据 铁路桥涵设计基本规范 （TB 10002.1-2005） 铁路桥涵混凝土与预应力混凝土结构设计规范 （TB 10002.3-2005） 铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范 （TB 10002.4-2005 ） 铁路桥涵地基和基础设计规范 （TB 10002.5-2005 ） 高速铁路设计规范（试行） （TB 10621-2009 J
32、971-2009） 第 2 章 主要尺寸拟定 2.1 主要材料参数 梁部混凝土：采用 C55 高性能混凝土； 帽梁、立柱：采用 C50 混凝土； 板拱：采用 C50 混凝土； 钢筋：主筋：HRB335 构造钢筋：HRB335 箍筋：HPB235 HPB235 钢筋在主力或主力+附加力作用下，容许应力 分别取 130MPa 和c 160MPa；受力筋及构造钢筋为 HRB335，母材及纵向加工的闪光对接焊接接头主力 或主力+ 附加力作用下，容许应力 分别取 180MPa 和 230MPa；参见铁路桥涵s 混凝土与预应力混凝土结构设计规范 （TB 10002.3-2005）5.2.2；设计最后考虑钢
33、筋 和混凝土强度的充分利用，梁体 C55 混凝土，其它结构的混凝土也由 C45 混凝土提 高到 C40 混凝土。受力钢筋采用 28， 22，箍筋为 12，其他构造钢筋为 20。 2.2 桥跨结构平面的总体布置 2.2.1 桥面高程及纵坡确定 由 DK106+200DK187+800 的线路详细纵断面图来确定和计算出排水河两岸的 线路高程。再由排水河纵断面图上确定出线路里程和对应的高程左岸：里程 DK172+020m，高程 522.04m；右岸：里程 DK1723+105m，高程 521.91m。线路的 设计纵坡 i=-0.15%。路详细纵断面见图 2-1： 图 2-1 路详细纵断面 2.2.2
34、 拱脚位置确定 由 45m 的跨径和自然边坡稳定线，拱的基础要放置在自然边坡稳定线内，地形 地貌，剥蚀中低山地貌，沟壑纵横，切割深，线路跨越排搞河，为山涧“U ”型河 谷，坡面陡峻，贵阳端近于直立，广州端纵坡约 45，河谷深切，深约 60m；排水 河纵坡较陡，河床平缓；坡面植被多为低矮灌木、乔木；桥址施工交通条件极其不 便。桥址区无特殊岩土，桥址两侧为砂质板岩夹变质粉细砂岩，上层强风化层 （W3）浅灰色夹灰深色，其下为弱风化层（W2 ）灰色、青灰色，岩质新鲜、质地 较坚硬，性脆，岩体较完整。由以上地质条件以及线路的设计高程等多因素来确定 桥址的位置。 2.2.3 拱轴线的选取 拱轴线的选取是拱
35、桥设计里面的一个重要环节，合理的拱轴线对拱桥的合理受 力有很大作用， 铁路桥涵设计基本规范 （TB 10002.1-2005）中建议设计拱轴线可 以采用恒载压力线或者恒载及均布全跨的一半列车静活载的压力线作为拱轴线，当 采用悬链线时，宜采用较小的 m 值。 目前该设计暂以圆弧线作为拱轴线，建模求出内力以后再加以调整，拱桥的矢 跨比为 11/45，满足铁路桥涵设计基本规范中 5.2.1 规定，拱桥的矢跨比为 1/31/7 的范围，本设计计算矢高 f=11m。 2.2.4 立柱位置的选取 设计的题目为 1-45m 双线高速铁路板拱桥设计(2 立柱)，为了使受力更为合理， 两立柱对称布置，立柱的位置
36、的选取也是该设计是否合理的一个重要考虑因素，选 取的思路是让整个梁的正负弯矩大致相等。拱形式采取无铰拱，拱顶与梁刚性连接 为整体。本设计立柱的位置选取先采用结构力学解两次超静定，求出反力，在根据 弯矩选择合理位置，1/2 跨简化计算简如图 2-2: 图 2-2 力矩分配法选取立柱的合理支承位置 根据 ，求出 ,同时用 Midas 模拟多种两立柱的立柱位置，加好DM与c EF与c 边界和荷载后，通过结构内力分析在选择合理的立柱位置，最终设计立柱距梁端 18m。 2.2.5 最终桥梁结构布置 最后立柱的位置的选取还有 Midas 建立的模型计算出的内力调整，拱形式采取 无铰拱，拱顶与梁刚性连接为整
37、体。拱桥的总体布置图 2-3： 图 2-3 拱桥的总体布置 2.3 结构截面尺寸拟定 2.3.1 梁的截面尺寸 由全国高速双线铁路设计的桥面尺寸基本参照图 2-4： 图 2-4 高速双线铁路设计的桥面尺寸参照图 本设计梁的类型选为 T 形梁，上翼缘宽 1220cm，T 形梁采用实腹式，梁高暂定 为 150cm，建模检算后在进行优化，上翼缘高 20cm，腹板宽 900cm。如下图 2-5： 图 2-5 梁截面尺寸 2.3.2 板拱截面尺寸 板拱初定为矩形，截面宽 750cm，高 120cm，为使施工方便，全拱为等截面。 如下图 2-6： 图 2-6 立柱截面尺寸 2.3.4 立柱截面尺寸 立柱截
38、面为矩形截面，宽 700cm，高 90cm。如下图 2-7： 图 2-7 立柱截面尺寸 立柱顶部上有帽梁结构，垫石与支座放在其上，在 Midas 里面模拟为矩形横梁， 矩形截面尺寸拟定为 1.5m1.5m。帽梁的作用是将梁上的荷载均匀的传至立柱。 第 3 章 建立 Midas 结构模型 3.1 模型各结构节段划分 3.1.1 梁体节段划分 T 梁全长 70m，立柱到梁端距离 18m，跨中与梁的固结长度为 10m，固结段边 缘到立柱距离为 12m，梁体纵坡-0.15%（沿线路方向） ，立柱到梁端的 18m 平均划 分为 10 个节段，固结段边缘到立柱得 12m 也平均划分为 10 个节段，跨中固
39、结段平 均划分为 6 个节段。坐标原点为 1#拱脚处。梁体各节点坐标值如下表 3-1： 表 3-1 梁体个节点坐标值 节点号 X/m Y/m Z/m 节点号 X/m Y/m Z/m 1 -12.58 0.00 12.51 24 22.50 0.00 12.46 2 -10.78 0.00 12.51 25 24.23 0.00 12.46 3 -8.98 0.00 12.50 26 25.95 0.00 12.46 4 -7.18 0.00 12.50 27 27.42 0.00 12.46 5 -5.37 0.00 12.50 28 28.62 0.00 12.45 6 -3.57 0.00
40、 12.50 29 29.82 0.00 12.45 7 -1.77 0.00 12.50 30 31.02 0.00 12.45 8 0.03 0.00 12.49 31 32.22 0.00 12.45 9 1.83 0.00 12.49 32 33.42 0.00 12.45 10 3.63 0.00 12.49 33 34.62 0.00 12.45 11 5.44 0.00 12.49 34 35.82 0.00 12.44 12 6.63 0.00 12.48 35 37.02 0.00 12.44 13 7.83 0.00 12.48 36 38.23 0.00 12.44 14
41、 9.03 0.00 12.48 37 39.44 0.00 12.44 15 10.23 0.00 12.48 38 41.23 0.00 12.44 16 11.43 0.00 12.48 39 43.02 0.00 12.43 17 12.63 0.00 12.48 40 44.82 0.00 12.43 18 13.82 0.00 12.47 41 46.62 0.00 12.43 19 15.02 0.00 12.47 42 48.42 0.00 12.43 20 16.22 0.00 12.47 43 50.22 0.00 12.42 21 17.42 0.00 12.47 44
42、52.02 0.00 12.42 22 19.05 0.00 12.46 45 53.82 0.00 12.42 23 20.77 0.00 12.46 46 55.62 0.00 12.42 47 57.42 0.00 12.42 3.1.2 立柱节段划分 1#立柱高 319cm，2#立柱高 315cm，由于立柱为轴心受压构件，受力情况简单， 为了减小模型的分析时间，所以两个立柱都平均划分为两个节段，立柱中心距梁端 18m，立柱上有 1.5m 高的帽梁。立柱各节点坐标值如下表 3-2： 表 3-2 立柱各节点坐标值 节点号 X/m Y/m Z/m 56 5.44 0.00 7.38 57 5
43、.44 0.00 9.66 75 39.44 0.00 7.42 76 39.44 0.00 9.44 91 5.44 0.00 5.30 113 39.44 0.00 5.39 3.1.2 板拱节段划分 拱桥的拱圈存在一定的弯矩，为偏心受压构件，无铰拱的拱脚的弯矩和轴力比 较大，立柱位置还存在较大的剪力、弯矩和轴力，受力情况复杂，节段的划分也比 较详细，共划分为 32 各节段，板拱各节点坐标值如下表 3-3： 表 3-3 板拱各节点坐标值 节点号 X/m Y/m Z/m 节点号 X/m Y/m Z/m 86 0.00 0.00 0.00 102 22.50 0.00 11.00 87 1.1
44、0 0.00 1.33 103 24.23 0.00 10.95 88 2.28 0.00 2.59 104 25.95 0.00 10.79 89 3.54 0.00 3.78 105 27.42 0.00 10.57 90 4.43 0.00 4.54 106 29.35 0.00 10.17 91 5.44 0.00 5.30 107 31.01 0.00 9.70 92 6.57 0.00 6.08 108 32.64 0.00 9.13 93 7.70 0.00 6.86 109 34.24 0.00 8.47 94 9.21 0.00 7.71 110 35.79 0.00 7.7
45、1 95 10.76 0.00 8.47 111 37.30 0.00 6.86 96 12.36 0.00 9.13 112 38.37 0.00 6.12 97 13.99 0.00 9.70 113 39.44 0.00 5.39 98 15.65 0.00 10.17 114 40.42 0.00 4.65 99 17.42 0.00 10.54 115 41.46 0.00 3.78 100 19.05 0.00 10.79 116 42.72 0.00 2.59 101 20.77 0.00 10.95 117 43.90 0.00 1.33 118 45.00 0.00 0.00
46、 3.2 模型单元的建立 3.2.1 材料 模型的材料除钢材外一共有三种（Midas 里面没有考虑钢材，主要是因为我们 的设计题目为 1-45m 双线高速铁路板拱桥设计(2 立柱)，整个结构只配普通钢筋， 没有预应力钢束，用 Midas 建模并运行分析得出内力以后通过手算配筋） ，梁部混凝 土采用 C55 高性能混凝土；帽梁、立柱以及板拱采用 C50 混凝土；另外还有一种 C0 的材料，其材料的弹性模量很大为为 7.00e+007kN/ ，这种材料是为了模拟施 工阶段梁体的浇筑时支架搭在拱圈上，并且在此时梁体混凝土的强度还没有达到承 载的强度，降梁体的混凝土支座模拟为荷载加在拱圈上，这种材料就
47、是起到支架的 作用。 3.2.2 截面 模型中的截面均从 CAD 图形中直接导入，先在 CAD 中将所用截面做好，保存 为 dxf 格式，再在 Midas 中使用截面特性计算器降所需的 CAD 截面导入，如图 3- 1： 图 3-1 Midas 导入截面过程 生成截面，计算截面特性，最后保存为.sec 截面，以供在 Midas 建立单元时使 用（在 Midas 导入.sec 截面是注意要输入截面的各项参数） 。将上一步中建好的节点 用各自对应的单元连接。模型概图如下 3-2: 图 3-2 模型概图 3.3 边界条件 本设计拱桥为无铰拱，拱脚支承为固结，在 Midas 里面模拟为 dx， dy，
48、 dz； Rx， Ry， Rz 全部约束。拱顶与梁体的固结在模型里面模拟为弹性连接 下面的刚性连接，供上的 99105 号节点分别于梁体的 2227 号刚性连接；梁体左端 只约束 dy， dz， Rx；梁体右端也只约束 dy， dz， Rx；立柱与梁体的连接，由于立柱 上有帽梁，先将帽梁与立柱刚性连接，在梁体下支座位置先建立节点，将这些节点 与梁上节点刚性连接，再在帽梁节点与梁体下支座节点用只受压连接模拟实际支座 连接起来。一般支承的边界条件如下表 3-4： 表 3-4 一般支承的边界条件 弹性连接里面有刚性连接和只受压连接两类，数量较多，此处不用表格一一列 出。 3.4 时间依存性材料 时间依存性材料主要是考虑混凝土结构混凝土强度的发展，收缩与徐变，本设 计里面主要考虑 C55 混凝土与 C50 混凝土的收缩徐变，先添加收缩材料名称，将其 与相应的材料连接，最终修改截面的实际厚度，如下图 3-3： 图 3-3 时间依存性材料添加 影响徐变