论文总字数：43618字

摘 要

本文以辽宁省大连市北岗桥为依托工程进行毕业设计研究。该桥梁是一座简支系杆拱，其拱肋采用的是钢管混凝土组合材料。整座桥满足了城市桥梁的美观要求，解决了拱脚处的巨大水平推力问题，还满足了桥下净空的要求。

简支系杆拱桥是一种外部静定、内部超静定的结构，下部结构类似梁桥，所以适用于各种地质条件，尤其是地基较差地区；但节点处理和吊杆张拉调整困难，支座构造复杂，施工需采用少数支架或整片浮运。而钢管混凝土结构由于外包材料使得混凝土处于三相受压的状态，提高了其抗压能力与刚度，拱肋采用这种组合材料使得其稳定性增加、且提高了耐火、耐腐蚀性等，且制作、运输、施工都更为方便。

通过用Midas对这座桥的上部结构进行建模、设计和验算，让我了解掌握了钢管混凝土梁拱组合结构的受力特点与计算方法，学会了利用空间有限元程序Midas对桥梁结构等进行内力分析、荷载组合与承载能力验算。还让我熟悉规范的使用方法及标准。

关键字：钢管混凝土系杆拱桥、空间有限元分析软件、内力分析、承载能力验算

THE CALCULATION AND ANALYSIS TO THE UPPER STRUCTURE OF CFST BRIDGE

HE WEIQI 21712128

Mentor: REN YUAN

Abstract

paper is based on Beigang Bridge in Liaoning province. The Bridge is a Simply Supported Tied-arch Bridge with the CFST used in arch. That the design adopts Simply Supported Tied-arch Bridge not only meets the requirement of beauty, but also solves the problem that the large horizontal thrust in the arch foot and the requirement of bridge clearance.

Simply Supported Tied-arch Bridge is a structure whose external part is static while the internal part is indeterminate. Its substructure is similar to the beam bridge. So it meets most of all geological conditions, especially for the area of poor foundation;but its difficulties to process node and adjust tension ,and support structure is complex, the construction needs to be using a bracket or the whole piece of floating. And concrete filled steel tubular structure due to outsourcing materials, the concrete in compression of three-phase state and improve the compressive capacity and stiffness, arch rib using the composite material makes its stability increase, and improves the fire resistance, corrosion resistance, and making, transportation, construction is more convenient.

By using MIDAS of the bridge upper structure of modeling, design and checking calculation, let me know and master the concrete filled steel tube beam arch combination structure mechanical characteristics and calculation method, learned of bridge structure of the internal force analysis and load combination and bearing capacity checking computation by using spatial finite element software MIDAS. Also allows me to be familiar with the norms of the use of methods and standards.

Keywords: concrete filled steel tubular tied-arch bridge, finite element 3D program, load combination, force analysis, bearing capacity checking

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.1.1 钢管混凝土拱桥的发展及其应用 1

1.1.2 钢管混凝土拱桥的受力特点及其分类 2

1.1.3 钢管混凝土系杆拱桥的力学特征 5

1.2 设计的研究思路和主要内容 5

第二章 设计资料 7

2.1 桥梁概况 7

2.1.1 工程内容介绍 7

2.1.2 工程地质、水文、气象、地震烈度等情况简介 7

2.2 主要设计参数 8

2.3 主要材料 8

2.4 设计依据 9

第三章 桥梁上部结构总体设计 10

3.1 总体设计 10

3.1.1 桥梁横断面布置 10

3.1.2 桥型的选取 10

3.1.3 拱轴线的选取 11

3.1.4 确定拱轴系数 11

3.2 上部结构尺寸 12

3.2.1 主梁尺寸拟定 12

3.2.2 横梁尺寸拟定 14

3.2.3 拱肋结构尺寸拟定 15

3.3 吊杆设置 15

3.4 桥面系组成 16

3.5 风撑尺寸 16

第四章 桥梁有限元模型的建立及内力计算 18

4.1 MIDAS简介 18

4.2 桥梁有限元模型的建立 19

4.2.1 定义结构材料 19

4.2.2 定义结构截面 19

4.2.3 结构单元划分 20

4.2.4 定义边界条件 21

4.2.5 定义静力荷载 22

4.2.6 定义移动荷载 24

4.3 定义施工阶段 26

4.4 桥梁的内力计算 27

4.4.1 恒载内力计算 27

4.4.2 活载内力计算 29

4.4.3 荷载组合 30

第五章 桥梁各构件的设计与计算 35

5.1 配筋计算 35

5.1.1 预应力钢束的估算及其布置 35

5.1.2 普通钢筋的估算及其布置 39

5.2 主梁各截面的强度验算 41

5.2.1 钢筋应力验算 41

5.2.2 主梁抗弯承载能力验算 45

5.2.3 施工阶段正截面法向压应力验算 47

5.2.4 使用阶段正截面压应力验算 48

5.2.5 使用阶段斜截面正压应力验算 49

5.2.6 使用阶段截面抗裂性验算 49

5.3 拱圈各截面的强度、刚度和稳定性验算 52

5.3.1 拱圈的强度验算 55

5.3.2 拱圈的稳定承载力验算 59

5.3.3 拱圈平面稳定验算 62

5.4 吊杆承载力验算 63

5.5 结构挠度验算 64

5.5.1 预应力引起的上拱度 65

5.5.2 使用荷载作用下的挠度 65

5.5.3 结构的总挠度 66

5.5.4 预拱度的设置 67

第六章 下部结构的构造设计 68

第七章 论文小结 69

参考文献 71

参考文献 72

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 钢管混凝土拱桥的发展及其应用

提到中国的桥梁，相信很多人第一个出现在脑中的桥型就是拱桥，因为在中国，拱桥的历史非常悠久，古往今来一直深受设计者的喜爱，是应用十分广泛的一种桥梁结构型式。它不仅更加宏伟壮观，而且受力也十分合理，经久耐用。拱桥是以受压弯为主的压弯结构，但是随着现代生活技术不断革新，对桥梁的跨径需求也不断增大，然而由于高强材料的应用受到许多制约，且由于钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥的自重较大，施工架设的问题也十分突出。因此高强材料的应用和无支架施工的困难成为了制约拱桥发展的难题。钢管混凝土在拱桥的应用由此孕育而生，它能同时解决高强材料和施工困难的问题，使拱桥材料高强化、拱圈施工轻型化。

钢管混凝土结构在土建工程中应用不久，就受到广泛关注与应用。钢管混凝土结构最早是于19世纪80年代出现的，是在劲性钢筋混凝土结构、螺旋配筋混凝土结构的基础上演变和发展的。1879年英国赛文铁路桥桥墩为防止钢管生锈所以采用了在钢管中填充混凝土的方法制作桥墩，但其并未考虑外包混凝土对结构的影响与作用。1907年美国的莱利公司给出了圆管混凝土柱的安全承载力计算方法，促进了圆管混凝土柱在一些房屋建筑中的应用。前苏联在30年代建成了跨越列宁格勒涅瓦河的101m钢管混凝土拱梁组合体系桥梁和位于西伯利亚跨径达140m的钢管混凝土桁架拱。直到1948年，英国的某桥梁规范才正式考虑外包材料对内部混凝的强度强化的以及整体刚度的增大作用。钢管混凝土由此得以在各个方面及领域应用与快速发展。

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