北京市第八届大学生结构设计大赛参赛作品-过街天桥计算书.doc

目录1. 建筑结构说明书3一、工程背景3二、工程概况3三、设计依据4四、设计理念52. 结构设计计算书6一、结构形式选择6二、荷载取值8三、模型选取10四、基本假定12五、结构设计计算12 （1）支座反力15 （2）位移分析17 （3）桥梁内力分析20 （4）在最不利组合下应力分析25 （5）地震分析25 （6）验算拉索27（7）验算斜拱27（8）验算箱形梁截面28（9）柱设计29 六、基础设计32七、经济分析36附录一、建筑设计说明书一 背景 本工程位于xx商业区十字路口，附近有xx商场、xx百货、xx百货等大型商场， 人流量特别大。xx商业区作为xx市延续至今具有悠久历史和深厚文化底蕴的商贾云集之地，与xx大街，xx，并称三大传统商业区。在广大消费者心目中是商业经营的黄金地段，更是首都经济繁荣的象征。而本工程所设计的人行天桥是一座景观天桥，建成后将是xx具有代表性的一个建筑，可供中外游客观赏。选址地势平坦，桥体东西长40m,包括机动车道16m以及两边的人行道和绿化带各12m，南北20m。二 工程概况1 设计要求该桥为城市景观桥，天桥的建筑艺术应与周围建筑景观协调。主体结构的造型要简洁明快通透，附属结构（栏杆、照明等）要兼具美观与实用性。桥面净宽5m；桥面横坡： 横坡为向外双向横坡2；地震烈度八度；要求天桥东西向40m跨越机动车道及人行道，地面标高50.0m。年平均气温以15计；极端最高气温以45计；极端最低气温以-15计；天桥上部结构竖向自振频率不应小于3Hz；天桥、梯道（坡道净空均应满足规范要求。）2 编写建筑设计说明书 3 绘制建筑方案图，包括桥的总平面图,平面图，立面图，侧立面图,桥面布置图，楼梯细部图等。4 绘制效果图，根据拟定设计的背景资料，制作效果图。三 设计依据设计参考书：结构设计原理叶见曙主编，人民交通出版社桥梁工程 白宝玉主编， 高等教育出版社钢结构基本原理 沈祖炎等主编， 中国建筑工业出版社建筑结构抗震设计 李国强等编， 中国建筑工业出版社基础工程设计原理袁聚云等编著，同济大学出版社现行结构设计国家有关规范及标准，xx地方标准:CJJ69-95城市人行天桥与人行地道技术规范 建筑结构荷载规范 GB50009-2001 建筑抗震设计规范 GB50011-2001 公路工程抗震设计规范 钢结构设计规范 GB50017-2003 建筑地基基础设计规范建筑桩基技术规范 国家及xx市各部门颁布的有关规定技术规程，以及大赛主办方提供的相关文件。四 设计理念轻盈、动态、美丽，是蝶的身影。勤劳、坚持、飞舞，是蝶的灵魂。xx的繁华神圣，xx的车水马龙，在这一方不息的流动中，侧目、驻足似乎都不易，因为眼前的美景应接不暇、顾此失彼，要想锁住那一汪清谭的眼神，需要的是无可复制的美、内外兼修的美。所以有了“蝶 舞”的概念与诞生。“黄四娘家花满蹊， 千朵万朵压枝低。 留连戏蝶时时舞， 自在娇莺恰恰啼。”“蝶舞”姿态潇洒可爱，不免使漫步的人也流连忘返，在xx这样一个车水马龙的商业中心坐落着一只舞动的“蝴蝶”，不免能吸引更多的中外游客、商旅、投资商驻足停留，从而带动中国的经济展翅腾飞，“乘风飞去急，映日舞来徐。”相信不久的将来，祖国一定会以迅雷之势走向繁荣富强。“穿花蛱蝶深深见， 点水蜻蜓款款飞， 传语风光共流转， 暂时相伴莫相违。” 蝴蝶的美丽妙不可言，而xx的美，xx的美，xx人的淳朴美，更是不言而喻，xx这个现代文明孕育的润土，配合上大自然舞动的精灵，正是人与社会和谐发展的体现。舞动的蝴蝶、别致的美丽、精致的生活、文化的膨胀、繁华的商业，悠久的历史，一切的一切似乎都在述说着祖国的繁荣昌盛、首都的和谐美好，奥运的魅力！ 第一章 结构设计计算书一、 结构形式选择本工程位于繁华的xx大型商业区，考虑满足行人交通需要的建筑功能和建筑审美要求，又因为位于xx中心十字路口处，故考虑在该十字路口采用“蝶形”拱式斜拉桥，桥面采用钢箱梁结构， 由于卵石层承载力高、埋深稳定、厚度大，所以采用钻孔灌注桩基础。设有两道电梯，楼梯采用悬臂式，考虑到楼梯与柱的连接，将楼梯梁搁置在两个钢骨混凝土柱，踏面、踢面采用钢板焊接。在建筑结构科学使用及与周围环境协调的原则下，优先经济的选用该结构形式，采用拉索减少桥面梁的截面弯矩，由于采用对称结构形式有更好整体性及空间刚度，钢结构便于制造，运输，安装，施工速度快，很好的解决了因施工给交通带来的不便。整个桥体美观，通行量大。栏杆采用玻璃板式，体现了现代建筑发展的方向，与环境融洽，且安全性高。桥东西向跨度40m,南北向20m,桥面呈弧形。桥底面机动车道最高净空高5.1m，两端最低净空高4.5m满足最低净空4.5m的规范要求。拉索钢束直径d=0mm，采用Q345钢，预应力值为300KN，采用防腐油脂发泡剂保护罩的防腐体系。拱截面采用钢管式，采用Q345钢，直径500mm，壁厚40mm,两端实心，提高端部受力性能。拉索与拱采用一般锚固连接，与钢箱梁采用锚箱连接，拱与地面采用栓焊结合。拱采用圆弧形式，宽度40米，高13.88m。钢箱梁高00mm,上部宽5m,下部宽3.7m,截面形式如图，桥面和踏面面层均采用如下形式： 钢管混凝土柱，便于与钢箱梁及楼梯的连接，其截面：二、 荷载取值1 恒荷载：桥面弧长S=43.53m，宽度B=5m 。钢箱梁：=mg/2SB=136624.089.8/(243.535)=3.08 其中质量m在施工图中已统计。桥面混凝土厚t=40mm，密度由城市人行天桥与人行地道技术规范查得，混凝土面层重：斜拱自重：斜拱最高点标高13.88m，与水平面呈60度，计算弧长为55.08m,截面直径500mm,壁厚40mm。=（R2-r2）=3.14-d到结合。拱采用抛物线（0.250.25-0.210.21）78.2=1.417KN/m 2 活荷载a. 基本可变荷载人群荷载：桥跨21mL=43.53m1，取1。 由建筑结构荷载规范GB 50009 2001附录D 基本雪压和风压的确定方法得基本雪压： 其中：屋面积雪分布系数 基本雪压3 偶然荷载a 汽车撞击荷载：由于柱子布置在人行道外缘，不存在汽车撞击的可能。b 地震荷载：按建筑抗震设计规范 GB50011-2001，xx设计地震分组为第一组，（卵石层作为桥基持力层，覆盖层厚度d=1.0+1.0+2.0+0.6+1.5=6.1m)场地类型为类，场地卓越周期取0.4s，设计基本加速度为0.2g，基本地震烈度8度，阻尼比0.02。重力荷载代表值为100%恒荷载（不考虑雪荷载），一般不考虑桥面活荷载。建筑抗震设计规范 GB50011-2001，第5.1.1规定8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。计算地震反应的常用方法有振型分解反应谱法和时程分析法。设计中由MidasCivil2006用反应谱分析法计算。地震作用按建筑抗震设计规范（GB50011-2001）规定的反应谱曲线由软件计算。三、计算模型选取 桥面上的荷载全部由钢箱梁承担，一部分传递到两端的钢管混凝土柱 基础 地基，另一部传递到拉索 斜拱 基础 地基。利用MidasCivil2006软件建立计算模型：将每个桥面划分为40个梁单元，每个拱划分为为10个单元，拉索共14条，每条拉索为一单元；模型中桥面与柱的连接方式为铰接，拱与地面的连接方式为刚接。下面是不同角度所看到的计算模型：三维视图为：图3-1侧立面视图为 图3-2平面视图为图3-3根据经验选取箱梁、拱的尺寸以及拉索的预拉力，利用Midas 建模并运行，观察拱的竖向挠度以及桥的自振频率，我们发现：增大拉索的预拉力，桥面下沉减少，拱挠度增大（向上）；减小拱的质量，拱的挠度增大，桥的自振频率增大；增大拱的截面直径，刚度增大，其变形愈小。最终，通过反复的调节各构件尺寸及拉索的预拉力，我们得出了如下数据：钢箱梁截面：高度，钢板厚度，布置道连接上下桥面的加劲勒，分为个箱室。斜拱截面：截面形式为管形，截面直径，壁厚。拉索：采用多股圆形截面钢丝绞制而成，总截面面积为平方米毫米，预拉力为。四、基本假定1、构件符合小变形、小应变的假定； 2、材料为各向同性的线弹性材料； 3、荷载仅作用节点上。 五、结构设计计算a 承载能力极限状态：按建筑结构荷载规范： 式中G永久荷载的分项系数；Qi第i 个可变荷载的分项系数，其中Q1 为可变荷载Q1 的分项 系数;SGK按永久荷载标准值Gk 计算的荷载效应值；SQik按可变荷载标准值Qik 计算的荷载效应值,其中SQ1k 为诸可变 荷载效应中起控制作用者；ci可变荷载Qi 的组合值系数；n参与组合的可变荷载数。 b 正常使用极限状态：按建筑结构荷载规范 GB50009-2001 按照城市人行天桥与人行地道技术规范3.1.1计算分析过程中考了基本荷载工况的组合： 组合：基本可变荷载与永久荷载的一种或几种相组合。 承载能力极限状态 1.2恒载 + 1.4基本可变荷载 正常使用极限状态 1.0恒载 + 1.0基本可变荷载组合：基本可变荷载与永久荷载的一种或几种与其他可变荷载的一种或几种相组合。 承载能力极限状态 1.2恒载 + 1.4基本可变荷载 + 1.40.6风荷载+ 1.40.7雪荷载 正常使用极限状态 1.0恒载 + 1.0基本可变荷载+1.00.7风荷载+1.00.7雪荷载组合： 结构重力、/人群荷载、预应力中的一种或几种与地震力相组合。 1.2恒载 + 1.4基本可变荷载 + 1.3水平地震荷载+ 0.5竖向地震荷载 支座反力组合为最不利组合。1.2恒载 + 1.4基本可变荷载 + 1.40.6风荷载+ 1.40.7雪荷载节点Fx (kN)Fy (kN)Fz (kN)Mx (kN*m)My (kN*m)Mz (kN*m)16369.73063234.5876859.00590.00000.00000.000041-6377.48263237.8641861.44780.00000.00000.0000426372.1680-3248.6676852.86270.00000.00000.000082-6376.0591-3249.5865853.23020.00000.00000.0000831502.9707-895.55411663.40061304.3768638.9167-588.896093-1504.3928-896.38081664.07551307.2255-640.9066589.5827941499.41066887.39351661.5201-1247.1974620.9667553.6405104-1499.4253887.53831662.5119-1245.6541-617.4844-554.5247节点所对应的支座详见计算模型视图。最不利组合下支座处反力图：最不利组合下斜拱支座处弯矩图：依据以上支座反力设计柱子和基础。 位移分析：组合位移节点组合组合21（桥面跨中）X=0X=0Y=0.00012mY=0.000066Z=-0.052849mZ=-0.062092D=0.053mD=0.062m88（拱的最高点）X=0X=0Y=0.241156mY=0.325875Z=0.13755mZ=0.182863D=0.372mD=0.374m利用荷载标准值组合进行位移验算： 1.0恒载 + 1.0基本可变荷载位移变形图为白色为变形前，蓝色为变形后位移等值线如图： 1.0恒载 + 1.0基本可变荷载+1.00.7风荷载+1.00.7雪荷载 位移形状如图：白色为变形前，蓝色为变形后位移等值线如图：箱梁和拱内力在最不利组合3下拱的内力：单元轴向 (kN)剪力-y (kN)剪力-z (kN)扭矩 (kN*m)弯矩-y (kN*m)弯矩-z (kN*m)82-3097.18181.63411.51-563.044086.594116.4683-2917.63451.56330.44-1100.111510.362373.2784-2527.03386.02178.2-1273.69-50.9853.3685-2181.42218.3893.09-1018.71-781.27-1589.2186-2003.0160.7734.83-390.73-1086.81-2371.8787-2003.08-60.25-34.84389.94-1086.86-2373.0188-2181.76-218.14-93.011018.44-781.62-1591.9989-2528.11-386.53-178.071274.08-52.0451.3890-2918.98-451.88-330.631100.721509.472373.6191-3098.73-181.65-412.03563.554087.974117.87在最不利组合3下箱梁的内力单元轴向 (kN)剪力-y (kN)剪力-z (kN)扭矩 (kN*m)弯矩-y (kN*m)弯矩-z (kN*m)1-4321.86795.75-361.690205.68-434.212-4344.69640.71-308.3415.92569.5-1218.593-4362.17484.83-255.645.34873.56-1833.84-4374.26328.31-203.4285.841118.43-2278.845-4380.96171.35-151.75134.981304.68-2552.986-4382.2714.15-100.54190.291432.87-2655.77-4378.2-143.08-49.75249.331503.57-2586.748-4368.74-300.150.69309.611517.31-2346.079-4235.48-78.54-101.2368.681557.57-2140.3110-4228.56-230.51-50.65431.011623.95-1972.3511-4216.45-382.2-0.36494.141633.48-1638.4312-4199.19-533.4349.74555.61586.54-1138.913-4083.51-218.07-131.73612.91609.72-728.5514-4072.14-364.57-81.32673.951702.53-410.0915-4055.8-510.62-31.02736.261738.4768.2816-4034.51-656.0419.22797.371717.6470617-3968.26-360.07-148.59854.811762.751261.9318-3952.29-502.43-84.6915.91855.041734.3519-3931.64-644.18-34.05977.651886.292362.1220-3906.2-785.1216.571037.591860.033144.47在最不利荷载组合3下轴力Fx：在最不利荷载组合3下剪力Fy：在最不利荷载组合3下剪力Fz：在最不利荷载组合3下Mx图：在最不利荷载组合3下My图：在最不利荷载组合3下Mz图在最不利组合下应力分析：由应力分布图可知：在桥面中部以及斜拱顶部、两端组合应力较大，为受力危险单元。地震分析：取前三阶振型振型阶数频率（Hz）周期 （s）13.0281730.33023224.4816090.22313435.0745040.197064第一阶振型曲线：白色代表变形前，蓝色变形后。第二阶振型曲线：白色代表变形前，蓝色变形后。三阶振型曲线：白色代表变形前，蓝色变形后。(6) 验算拉索材料取16Mn钢，抗拉强度设计值为315N/，拉索截面取0.04m，在最不利组合（组合3）下，拉索的最大内力（拉力）为333.5KN，则： 满足。(7) 验算斜拱材料取Q235，截面取，环形截面直径D=650，壁厚t=18， 在最不利组合下，最危险截面轴力为-3098.75KN(压）；弯矩为- 4087.97KNm（y向），4117.87KNm（z向）;剪力为-181.65KN（y向），412.03KN（z向）a验算强度：满足要求 b 验算刚度：斜拱的竖向最大位移为18.2cm ，满足要求。（8）箱型梁截面验算a强度：正应力验算： 满足要求剪应力验算：剪力最大单元为1，b 刚度验算：计算出在最不利组合下桥面跨中位移 W=-0.061m（向下）L/600=0.066m根据CJJ69-95城市人行天桥与人行地道技术规范满足要求。c 整体稳定：由于桥梁截面为箱型截面，其h/b0=6, 且l1/b0100mm（钢结构设计规范规定的最小柱子外径） 钢管壁厚： t=8mm，钢管混凝土结构设计与施工规程规定：钢管外径与壁厚之比d/t，宜限制在20在85之间（fy为钢的屈服强度）。故：20d/t85，我们的设计d/t=37.5，满足设计要求。3钢管混凝土单肢柱的承载力计算 (1)根据钢管混凝土结构设计与施工规程可知： 钢管混凝土单肢的承载力应按下式计算： 式中-钢管混凝土实心短柱的承载力设计值 - 钢管混凝土的套箍指标 - 混凝土的抗压强度设计值 Ac - 钢管内混凝土的横截面面积 fa - 钢管的抗拉、抗压强度设计值 Aa -钢管的横截面积 1-考虑长细比影响的承载力折减系数 2-考虑偏心率影响的承载力折减系数 在任何情况下均应满足下列条件： 式中为按轴心受压柱考虑的值 (2)柱承载力验算： 满足规范0.34,故（3） Nu的确定：（4）竖向荷载F的确定：电梯重量：147KN 电梯上人群荷载：71.48KN楼梯重量:103.78KN 楼梯上人群荷载：82.07KN桥面竖向压力：900KN总竖向荷载F=1.2恒载+1.4活载= （因为电梯重量大于楼梯重量，偏于安全考虑，故取楼梯重量进行验算）（5）承载力验证： =1922.8KN F=1356.472KN 故满足竖向承载力要求六 基础的设计a 设计材料 1地层岩性勘探时实测钻孔孔口处地面标高为49.8050.20m。在勘探深度内地基土由人工填土和一般第四纪沉积土构成，按其岩性、物理力学性质及工程特性可划分为7个大层，现分述如下：(1)人工填土层（第12大层）a粉土素填土：含少量碳屑和碎石。本层厚度1.00m。b杂填土：主要成分为粘性土、碎石、砖灰渣及少量碳屑。本层厚度1.00m。(2)一般第四纪沉积土层（第37大层）a粉土：含少量云母、氧化铁条纹。本层厚度2.00m。b粉质粘土：含少量云母及螺壳。本层厚度0.60m。c粉细砂：主要成分为石英、长石，含少量砾石。本层厚度1.50m。d卵石：亚圆形，粒径一般2040mm，级配较好。本层厚度7.00m。e卵石：亚圆形，粒径一般4060mm，级配较好，本层厚度13.00m。土层物理力学性质参考指标见表： 表1 土层物理力学性质指标地层名称含水量w%重度kN/m3饱和度Sr%天然孔隙比e液限WL%塑限Wp%塑性指数IP%液性指数IL%粉土素填土18.819.073.30.692617.68.380.34粉土23.119.891.30.6827.417.99.430.54粉质粘土31.718.794.00.9235.623.811.770.66表2 土层承载力基本容许值fa0、桩侧土摩阻力标准值qi、压缩模量Es土层名称承载力基本容许值fa0(kPa)桩侧土摩阻力标准值qi(kPa)压缩模量Es (MPa)粉土素填土110204.0粉土140404.5粉细砂1804518卵石80018060卵石1000230752. 基础的类型： 采用钻孔灌注桩制成的摩擦型端承桩3材料： 钢筋 混凝土4计算方法： 单桩承载力的确定：经验参数法。5基础尺寸： 桩径：D=400mm，桩长l7.3m6要承受的竖向荷载值： F=861.4KN（在最不利荷载组合下）7设计依据： 建筑桩基技术规范 基础工程设计原理袁聚云等编著，同济大学出版社b 承载力的验算：因为上部的竖向荷载不大，根据设计规范的要求，这里我们只设置一根桩。下面我们运用经验参数法进行单桩承载力的验算：1.计算公式： （1） 单桩极限承载力由总桩侧摩阻力和总桩端阻力组成，即 QUK=QSK+QPK=uliqski +Apqpk （2）单桩设计承载力为 R=QSK/s+QPK/p 式中 QSK，QPK-分别为单桩的总极限侧阻力标准值和总极限端阻力标准值； s,p-分别为侧阻力抗力分项系数和端阻力抗力分项系数因为采用的是沉管灌注桩，经查表得s=p-=1.75 qski qpk-分别为桩周第i层土的极限侧阻力标准值和桩端持力层极限端阻力标准值 u-桩周长 li-按土层划分的第i层土桩长2. 柱下单桩承载力的设计值的计算： 承台自重为G= G DA=20*1.8*1.62=92.16KN 桩周长u=D=31.4*400=1256mm=1.256m 侧摩阻力QSK=uliqski =1.256*（2*40+1.5*45+7*180） =1767.82KN 端阻力 QPK=Apqpk =*0.42/4*1000 =125.6KN 单桩承载力的设计值为： R=QSK/s+QPK/p =1767.82/1.75+125.6/1.75 =1081.95KN 单桩承受的荷载为 Q=F+G=861.4+92.16=953.56KN 因为RQ, 故 满足要求3拱下单桩承载力的设计值的计算：承台自重为G= G DA=20*1.8*1.62=92.16KN沿桩方向荷载： 桩周长u=D=31.4400=1256mm=1.256m侧摩阻力QSK=uliqski=1.256（2.340+1.7345+8.1180+9.24230） =4716.23KN 端阻力 QPK=Apqpk=*0.42/4*1000=125.6KN单桩承载力的设计值为： R=QSK/s+QPK/p=4716.23/1.75+125.6/1.75=2752.42KN 因为RQ,故 满足要求七 经济性分析材料单价结构用量总价格(元)钢3000元/吨钢箱梁136624.08Kg334219拉索16.88Kg楼梯23721.68 Kg扶手26950.52 Kg电梯56000 Kg钢管混凝土柱7889.25Kg混凝土95元/吨桥面41788.80 Kg10584楼梯68404.00 Kg钢管混凝土柱及桩1213.37Kg1cm厚有机玻璃20元/m桥面护栏114.92 m233562楼梯护栏52.89 m2梁柱构件全部预制，施工工期短，节点连接焊缝大都现场焊接，施工质量要求高。