7本科桥梁设计

11方案比选和总体设计1.1方案比选根据现代化桥梁设计的要求，一座桥梁的方案比选应该考虑的标准有安全、功能、经济与美观，其中最为重要是安全和经济。同时桥梁的受力特点还是我们应该综合考虑的，通过综合比较适应跨度，施工条件，经济安全等方面，最终选定一种构造合理造价经济的优美适用的桥型1.1.1桥梁设计的基本要求(1)使用上的要求桥上车辆和人群的安全畅通应该得到保证，并且还要使交通量增长的需要得到满足。比如桥下泄洪、安全通航或通车等要求也应该得到满足。修建的桥梁应该有较长的使用年限，并且便于对桥梁进行检查与维修。(2)结构尺寸和构造上的要求对于桥梁结构的强度，全部构造及其连接构造材料抗力或承载能力应该具有足够的安全储备；对于刚度的要求，应使桥梁在荷载作用下的变形不超过规定的容许值。结构的稳定性，是要桥梁结构在各种外力作用下，具有保持原来形状和位置的能力。比如，桥跨结构和墩台的整体布置导致倾倒或滑移等。在特殊地区修建桥梁时，应该充分考虑特殊情况在结构尺寸和构造上进行合理设计。(3)经济上的要求桥梁设计应体现经济上的合理性。经济性一般在设计中处于重要位置。，为了使桥梁的总造价和材料等消耗最少，我们在设计前应进行详细周密的技术经济比较。在经济上的要求，我们应充分考虑到将来的各种费用。桥梁设计应根据安全、美观的原则，恰当地选用比较合适的桥型。另外，能达到快速施工要求，能使造价降低，并且提早通车在运输上将带来很大的经济效益。(4)施工上的要求设计的桥梁结构应该便于制造和架设。应该尽量使现代桥梁建设的新技术得到体现，为了减少劳动强度，加快施工进度，保证工程质量和施工安全，还应尽量采用先进工艺技术和施工机械、设备。(5)美观上的要求优美的外形是城市桥梁必须具有，应该与周围的风景相协调。城市桥梁可较多的考虑建筑艺术上的要求。美观的主要因素是合理的结构布局和轮廓，坚决不能把美观理解为比较奢侈的装饰。1.1.2桥梁的综合评估（1）梁桥梁式桥：主梁为主要承重构件，受力特点为主梁受弯。主要材料为钢筋混凝土、预2应力混凝土的桥梁。预应力混凝土梁式桥受力明确，理论计算较简单，设计和施工的方法日臻完善和成熟。预应力混凝土梁式桥具有以下主要特征：①.采用高强材料减小构件截面尺寸降低自重桥梁的跨越能力得到提高②.节约钢材﹙和钢筋混凝土桥比较）③.抗裂性好、刚度大、耐久性好④..预应力技术的采用为装配式结构提供了最有效的接头和拼装技术手段⑤.结构安全可靠⑥.反拱度不易控制⑦需要专门的设备⑧开工费用（2）板桥无论对钢筋混凝土还是预应力混凝土装配式板桥来说，跨径增大，实心矩形截面就显得不合理。因而将截面中部部分地挖空，做成空心板，不仅能减小自重，而且对材料的充分利用也是合理的。钢筋混凝土空心板目前使用范围在6~16m。空心板较同跨径的实心板重量小，运输安装方便，而建筑高度又较同跨径的T梁小，因此目前使用较多。相应于这些跨径的板厚，对于钢筋混凝土板为0.4~0.8m。（3）拱桥力学特点，将桥面的竖向荷载转化为部分水平推力，使拱的弯距大大减小，拱主要承受压力，充分发挥圬工材料抗压性能。拱桥的优点：1、具有较大的跨越能力，充分发挥圬工及其它抗压材料的性能；2、构造较简单，受力明确简洁；3、形式多样、外型美观；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。拱桥的缺点：1、有水平推力的拱桥，对地基基础要求较高，多孔连续拱桥互相影响；2、跨径较大时，自重较大，对施工工艺等要求较高；3、建筑高度较高，对稳定不利。（4）梁拱组合桥梁拱组合体系桥梁,由拱肋、系梁、吊杆、横梁及桥面系组合起来共同受力,是一种结构合理、外形美观、新颖的结构体，拱肋承担压力。这类桥梁不仅技术经济指标先进、造价低廉，同时桥型美观，反映出力与美的统一、结构形式与环境的和谐，增加了城市的景观。（5）斜拉桥斜拉桥是由斜拉索、塔柱和主梁组成，用若干高强的拉索将主梁斜拉在塔柱上，斜拉索使主梁受到一个压力和一个向上的弹性支承的反力，这就使得桥梁的跨越能力大大增强。。斜拉桥的优点是：梁体尺寸较小，桥梁的跨越能力较大；受桥下净空和桥面标高的限制少；抗风稳定性比悬索桥好；不需悬索桥那样的集中锚碇构造；便于悬臂施工等。3不足之处是，它是多次超静定结构，设计计算复杂；索与梁或塔的连接构造比较复杂；施工中高空作业较多，且施工控制等技术要求严格。斜拉桥是半个多世纪以来最富于想象力和构思内涵最丰富而引人注目的桥型，它具有广泛的适应性。一般来说，对于跨度从200m至700m左右的桥梁，斜拉桥在技术上和经济上都具有相当优越的竞争能力。然而，随着斜拉桥跨度的增大，将会面临桥塔过高和斜索过长等一系列技术问题。1.1.3初定方案（1）方案一：装配式预应力混凝土简支T梁桥预应力混凝土简支梁桥的特点：①.简支梁桥属于单孔静定结构，它受力明确，结构简单，施工方便，结构内力系受外力影响，能适应在地质较差的桥位上建桥。②.在多孔简支梁桥中，由于各跨经结构尺寸统一，其结构尺寸易于设计成系列化，标准化。有利于组织大规模的工厂预制生产并用现代化起重设备，进行安装，简化施工管理工作，降低施工费用。③.装配式的施工方法可以节省大量模板，并且上下部结构可同时施工，显著加快建桥速度缩短工期。④.在简支梁桥中，因相邻各跨单独受力，桥墩上常设置相邻简支梁的支座，相应可以增加墩的宽度。（2）方案二：预应力混凝土连续T梁桥预应力混凝土连续梁桥属于超静定结构，具有整体性好、结构刚度大、接缝少、挠度小，行车舒适、跨中建筑高度小。还可以减少下部工程量和简化下部施工，外型美观，钢筋混凝土节省，以及应用施工场地小经济效益显著等，但其结构和工艺较复杂，二次内力系要精确计算。（3）方案三：预应力混凝土简支箱形梁桥预应力混凝土简支箱形梁桥除具有预应力混凝土简支T梁桥的特点外还具有其独到的特点：①.箱形截面是一种闭口薄壁截面，其抗扭刚度大，受偏心荷载时箱形截面梁内力分布比较均匀。②.具有比T形截面高的截面效率指标。③.顶板和底板面积比较大，能有效地承担正负弯矩，并能满足配筋的需要。④.桥梁处于悬臂状态时，具有良好的静力和动力稳定性，有利于施工。⑤.整体性能好，在限制车道数通过车辆时，可超载通行。经过仔细的对比，方案三无论从工艺技术要求，使用效果，施工方法，造价及用材等经济因素多方面都优于其他方案。所以本设计采用装配式预应力混凝土简支箱形梁桥。41.2桥梁的总体设计1.2.1平面设计桥上及桥头引道的线形应与路线布设相互协调，各项技术指标应符合路线布设的规定。桥梁的线形及桥头引道要保持平顺，使车辆能平稳的通过。从桥梁本身的经济性和施工方便来说，应尽可能避免桥梁与河流或与桥下路线斜交。此桥为一级公路上的大桥，桥梁位于直线上。1.2.2纵断面设计桥梁纵断面设计包括确定桥梁的总跨径、桥梁的分孔、桥道的标高、桥上和桥头引道的纵坡以及基础的埋置深度等。现分述如下：（1）桥梁总跨径的确定对于一般跨河桥梁，总跨径可参照水文计算确定。桥梁的总跨径须保证桥下有足够的排洪面积，使河床不致遭受过大冲刷，根据河床土壤性质和基础埋置情况，应视河床容许冲刷深度，适当缩短桥梁的总长度，以节约总投资。本桥位于吉林省四平市附近，跨越隆西河。起至桩号约为K23+036～K23+184。桥梁位于直线上，桥面纵坡为+0.5%。经实地调查，宽屏河水体水流平缓,沿线场地周围主要为树林和果园,底层居民住宅,平原地区,地势较平坦.历年平均水位67m,无通航要求.经分析，此桥的总跨径为90m较为经济。（2）桥梁的分孔对于一座较长的桥梁，应当分成几孔，各孔的跨径应该多大，这不仅影响到使用效果、施工难易等，并在很大程度上关系到桥梁的总造价。跨径越大，分孔越少，上部结构的造价就很高，墩台的造价就减少；反之，跨径减小，分孔增多，又将会使下部结构的造价提高。最经济的分孔就是使上下部结构之间，相互协调考虑，进而使总造价趋于最低。跨径的选择还与施工能力有关，有时选用较大的跨径虽然是经济合理的，但是由于当时的施工技术能力和设备条件等方面受到限制，满足不了要求，这样也不得不将跨径减小。此外，整体规划桥梁分孔时必须重视美观上的要求。综上所述，根据使用任务，桥位处的地形和环境，河床地质、水文等具体情况，并通过技术经济等方面的分析比较，又由于此桥下无通航要求，故设定本桥分五孔，每跨40m。（3）桥道标高的确定对于跨河桥梁，桥道的标高应保证桥下排洪和通航的需要。必须根据设计洪水位、桥下通航净空等需要，结合桥型、跨径等一起考虑，以确定合理的桥道标高。为了保证桥下流水净空，梁底一般应高于水库正常蓄水位（包括壅水和浪高）不小于50cm，高出最高流冰水位75cm；支座底面应高出水库正常蓄水位不小于25cm，高出最高流冰水5位不小于50cm，但如果支座部分有围护隔水者可不受此限制。（4）桥上和桥头引道的纵坡桥道标高确定后，就可根据两端桥头的地形和线路要求来设计桥梁的纵断面线形。为了利于桥面排水和降低引道路堤高度，本桥的桥头引道纵坡设为1.5%。桥上或引道处纵坡发生变更的地方均应按规定设置竖曲线。本设计桥上及引道处均无纵坡，故均不用设置竖曲线。（5）基础的埋置深度《公路基规》3.1.2条规定：设置在岩石上的一般桥梁墩台，如果风化层较厚，河流的冲刷又不太大，在全部清除风化层有困难的情况下，在保证安全条件时，基础可以考虑设置在风化层内，其埋置深度要根据岩层的风化程度、冲刷情况以及其相应的承载能力来确定。由以上分析，本桥可将持力层选在中风化的花岗岩上，以承受上部荷载较大的压力。1.2.3横断面设计桥梁横断面的设计，主要是要决定桥面的宽度和与桥面宽度有关的桥跨结构横断面的布置。而桥面宽度则决定于行车的交通需要。本桥的设计为一级公路。2设计资料（1）标准跨径30m计算跨径：29.42m主梁预制长度29.96m。（2）桥面宽为11+2×0.5米(防撞护栏)。（3）荷载为公路一级荷载。（4）栏杆荷载8.64KN/m（5）设计原则:经济实用安全美观（6）桥下水位为常水位69.50米。（7）桥下无通航要求。（8）地质条件较好。（9）桥梁设计没有人行道，无人群荷载。（10）桥梁设计为预应力混凝土小箱型简支梁桥。3主梁内力计算与配筋3.1主梁截面几何特性的计算本设计采用分块面积法计算,公式如下：毛截面面积：1242532423=Σ1242532423i各分块面积对上缘的静矩：1242532423i=1242532423i1242532423i毛截面重心至梁顶的距离：6ys=Σ1242532423i/Σ1242532423i毛截面惯性矩计算公式:=Σ[1242532423+Ai(yi-ys)2]式中:1242532423—分块面积1242532423i—分块面积的重心至梁顶边的距离1242532423s—截面重心到梁顶的距离1242532423i—各分块对上缘的面积矩1242532423—分块面积对其自身重心轴的惯性矩3.1.1预制中主梁的截面几何特性(以跨中大毛截面截面为例,括号内为小毛截面)1242532423图3.1主梁横截面表3.1中梁跨中截面几何特性计算表分块名分块面积iA分块面积形心至上缘的距离分块面积对上缘静矩分块面积自身惯性矩)(4mmIiisiyyd(mm)分块面积对截面形心惯性矩)(42xmmdAIiII=Ii+Ix73.1.2检验截面效率指标（以跨中截面为例)上核心矩：Ks=xAIy608.4mm下核心矩：Kx=sAyI=451.6mm截面效率指标：=sxKKh+=0.53根据设计经验，一般截面效率指标取为0.45至0.55，且较大者亦较经济。上述计算结果表明，初拟的主梁跨中截面是比较合理的。3.2主梁恒载内力计算3.2.1一期恒载称（2mm）)(ymmiiiASyi○1417200（347200）70920.4x×104(2171.4x×104）0.6814×109(0.679×109）298(294)37.05×109(35.46×10