斜拉桥悬索桥-方案比选-毕业设计

第二章方案比选1.1桥型方案设计概述东海大桥起始于上海浦东新区（原南汇区）芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛。全长32.5公里的东海大桥是上海国际航运中心深水港工程的一个组成部分，被上海市政府列为“一号工程”，同时东海大桥工程是上海国际航运中心洋山深水港区一期工程的重要配套工程，为洋山深水港区集装箱陆路集疏运和供水、供电、通讯等需求提供服务。由港区的集装箱陆路集疏运量的预测情况分析．至2020年洋山深水港区陆路集装箱集疏运量为750万TEU，根据计算的大桥集装箱集疏运能力分析，东海大桥工程需具备双向6车道的建设规模。车辆交通的组成比例为：集装箱卡车（拖挂车）85％，社会车流量占15％。可见港口货物运送愈加频繁，建桥已显得十分必要。1.1桥位自然条件1、地形、地貌拟建东海大桥西端芦潮港为沙泥滩地，围海造地形成陆域，属潮坪地貌。桥区海域，海势稳定，海床较为平坦，水深一般在8～12m左右，标高－7．5～12．5m。近岸浅水区水深为0～5m（长度约为500m）。大桥东侧所经岛屿及东端小洋山为一系列面积狭小的岛屿，呈鸡爪型地貌，局部地区水深达30m。2、气象特征该区位于北亚热带南缘，东亚季风盛行区，受季风影响冬冷夏热，四季分明，降水充沛，气候变化复杂。（1）、气温：多年平均气温15．8℃；历年最高气温37.5℃；历年最低气温－7．9℃。（2）、降水：降水日数134d/y。（3）风况：实测最大风速35．0m/s（风向NNE）；风力≥7级大风日数65．8d/y；风力≥8级大风日数30d/y；风力≥9级大风日数约为3d/y。（4）雾况：平均有雾日30～50d/y；最多60d/a；最少20d/a。3、水文特征该海区的潮汐主要受东海前进潮波控制，潮汐类型属非正规半日浅海潮型。潮流运动基本形态为每天二涨二落，具有明显的往复流特性。NNE向（包含N、NE向）水域开敞，为该海区的强浪向。4、工程地质海上段基岩埋藏较深，基岩面标高由北向南逐渐抬高，标高为－230m～－160．0m，第四系堆积层厚度为160～220m。颗珠山岛～小洋山段区域受周围蒋公柱岛、金鸡山、镬脐岛等影响，水动力条件复杂，残留厚度受基底起伏控制，在口门两侧和颗珠山系湾残留厚度相对较薄，中部残留厚度较大。1.3桥型方案比选1.3.1确定桥型方案的原则适用性桥上应保证车辆和人群的安全畅通，并应满足将来交通量增长的需要。桥下应满足泄洪、安全通航等要求。建成的桥梁应保证使用年限，并便于检查和维修。舒适与安全性现代桥梁设计越来越强调舒适度，要控制桥梁的竖向与横向振幅，避免车辆在桥上振动与冲击。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。经济性设计的经济性一般应占有重要位置，经济性应综合发展远景及将来的养护和维修等费用。1.3.2确定本桥型方案的具体要求造价要求所选桥型力求技术先进，结构有利于通航要求，同时满足工程数量省、造价低、投资少、经济合理的原则。施工要求所选桥型应满足有成熟施工经验、所需施工设备少、工艺简单的要求，以减小施工难度、加快施工进度、节省投资金额、保证施工质量。通航要求通航孔桥的方案设计应满足通航要求，并选用结构安全可靠、经济、美观的桥型。通航孔桥的工程量及规模比非通航孔桥总量小得多，也需充分考虑海上施工的特点。（东海大桥海上段设四处通航孔：5000t级主通航孔一处，通航净空为300m×40m（单孔双向）；能满足10000t级船舶通行的要求；1000t级副通航孔一处，通航净空为100m×25m（双孔单向）；500t级副通航孔二处，通航净空为56m×17．5m（双孔单向），设置在近芦潮港侧及小乌龟岛侧）非通航孔桥结构型式根据不同区段的条件分别确定，在同一区段结构型式统一，有利于模数化、标准化、工厂化制作。1.3.3桥位对桥型的制约桥址位于外海，大风、波浪、潮流、寒潮等恶劣自然条件对施工的影响很大，按目前施工设备抗风流能力，全年平均有效施工工作业天数在180d以下。海域水面开阔，百年一遇H1％波浪高度达6m，最大流速2m/s，设计基本风速为42m/s。寒潮、台风影响频繁。海洋强烈的腐蚀环境对结构耐久性影响很大。1.3.4桥型方案所选方案应满足经济上合理、施工方便快捷，既要与周围环境相互协调，又要能体现出自身的特点。对于主桥部分，在方案选择时，从国内外已修建的各类型桥型广泛入手，对梁式体系、拱式体系、斜拉体系、悬索体系进行了综合的分析比较，这里只针对拱桥和斜拉桥比选。目前钢管混凝土拱桥的跨径已经超过420米，故在此处建造一座钢管混凝土拱桥在技术及施工上也是合理的；但是由于地质条件较差，无法承受拱桥的推力，如果由地基直接承受水平推力，拱脚就要做得很低，不能满足通航的要求，而且拱肋可能受到船舶的撞击，故此处提出了系杆拱；在满足了通航要求的前提下，上承式的桥拱太扁，不能满足结构受力的要求。下承式的拱桥，因为拱身全部在桥的上面，看起来很不协调，不能满足美观的要求，故提出了采用无推力中承式的钢管混凝土系杆拱的方案。该桥型方案的立面图如图1设计中考虑的另外一种桥型是斜拉桥，该类型的桥梁设计、施工工艺成熟。跨径达到200多米的斜拉桥很容易实现，由于是在海上施工，考虑到施工的便利性，采用结合梁斜拉桥，结合梁斜拉桥与混凝土斜拉桥和钢斜拉桥相比较，施工方便且造价低。并且我国已经有了相当丰富的建设经验，如1991年和1993年建成的主跨分别为423m和602m的上海南浦大桥和杨浦大桥。在斜拉桥的设计规范也着重于混凝土斜拉桥部分，但由于结合梁自重力小，相应也减少了钢索用量和基础工程量，所以采用双塔单索面钢和混凝土结合梁斜拉桥。图1立面图图2立面图1.3.5方案比选基于以上分析，提出两种桥型方案进行初步比较，即方案一:无推力中承式的钢管混凝土系杆拱桥88m+102m+420m+102m+88m方案二:双塔单索面钢和混凝土结合梁斜拉桥73m+132m+420m+132m+73m两种桥型的具体布置情况如下：1、无推力中承式的钢管混凝土系杆拱桥（1）、孔径布置其边跨与中跨的比值取为0.24,又由于主跨为420m，故本方案采用190+420+190的布跨形式，对称布跨的边跨和侧跨分别为102m和88m，全桥总长800m，同时桥面设置2%的纵坡。（2）、拱肋横截面形式钢管混凝土拱肋是主要的承重结构，它承受桥上的全部荷载，并将荷载传递给墩台和基础。设计为四肢格构型拱肋，为了提高拱肋的横向稳定性和承载力，使两拱肋顶部互相内倾，水平面上的投影呈“X”，由于拱肋的恒载分布比较均匀，因此拱轴线一般采用二次抛物线。拱肋截面沿拱轴线的变化规律为等截面，并且采用无铰拱形式，以保证其刚度。（3）吊杆吊杆分刚性吊杆和柔性吊杆两类，刚性吊杆用钢筋混凝土或预应力混凝土制作；柔性吊杆用冷轧粗钢筋、高强钢丝或钢绞线等高强钢材制作。使用刚性吊杆可以增强拱肋的横向刚度，但是用钢量比较大，施工程序多，工艺复杂；使用柔性吊杆可以部分消除拱肋和桥面之间的相互影响，节省钢材。此处吊杆为等间距16m，采用PE防护技术，保证其使用寿命。（4）、主跨结构构造：图3拱肋截面简图图4主梁截面简图（5）、Y型钢构两个主墩均采用Y形造型，由中横梁，前后悬臂梁，前后主横梁，前后次横梁，前后主横梁及系杆索锚固结构组成。Y型上部为预应力砼结构，墩身都采用14×9~12×6.2m的变截面空心薄壁结构。Y形刚结构由前、后悬臂，主横梁，前、后次横梁，前、后主横梁及系杆索锚固件等结构组成。具体布置见下图：（6）、拱桥墩台及基础作为基础设计，一般应先考虑扩大基础，然后才是桩基础和沉井基础，对于管柱、沉箱和组合基础一般只在特殊情况下考虑。基础采用桩基础，基础承台置于河床底部。图5Y型钢构图6基础设计2、双塔单索面钢和混凝土结合梁斜拉桥（1）、孔径布置主跨和边跨的跨径比为0.48，根据边孔的高度，通航要求，施工安全，全桥刚度以及经济和使用条件可在边孔设置辅助墩，这样可以改善结构的受力状态，增加施工期的安全。当辅助墩受压时，减少了边孔主梁弯矩，而受拉时则减少了中跨主梁的弯矩和挠度，从而大大提高了全桥刚度。所以最后的孔径布置为73m+132m+420m+132m+73m。（2）、主跨结构构造主梁采用单箱三室，梁高4m，下侧用开口钢箱形式，上侧为预应力混凝土桥面板，由此组成结合梁，全桥宽33m。设计2%的横坡以满足排水要求，桥面铺装采用等厚铺装，其中钢箱底板宽20m采用Q345qD，桥面板采用C60砼。具体尺寸如下：主梁混凝土面板厚0.28m，在腹板顶附近加厚至0.55m，主梁钢结构部分截面底板及斜腹板厚16mm，竖向腹板及腹板上缘厚24mm,塔根及边墩、辅助墩顶附近主梁钢板局部加厚。其中主梁横隔板梁采用桁架形式以利于过桥管线布置，主梁截面横隔板横隔梁厚16mm，上翼缘板厚24mm，主梁钢结构和混凝土面板间设置剪力钉。主梁节段初步拟定为8m，横隔梁间距为4m，每一标准节段两端各设置0.5m宽的混凝土现浇湿接缝。具体尺寸如下：图7主梁1/2横截面图8主梁混凝土面板（3）主索塔斜拉桥主塔外形通常有H形、钻石形、A字形、倒Y形等，但各种形式的塔形有各自的优点，这里对这几种塔形进行比选。表1主塔外形对比塔形优点缺点H形塔柱完全竖直，十分便于施工，同时可以保证斜拉索均在同一平面内，大大地简化了锚固系统的设计拉索不能对主梁提供抗扭刚度帮助A形力线传递顺畅，通过不断的向上收敛给人一种稳定的感觉基础尺寸较大，需设置横梁，施工相对复杂，造型比较大众钻石形外形优美，桥面以下的塔柱通过向内收敛可以减少基础的尺寸、节约空间力线有转折、不顺畅，有时无法与周围环境协调，特别是在桥下净空较大时倒Y形构造简单，受力明确，施工方便，结构上是高效的，给人一种稳定和强有力的感觉，能突出高耸而简洁的美感，适用于单索面基础尺寸较大从主塔材料上讲，塔材料可供选择有三种：钢，钢筋混凝土，钢混结合。由于该桥位于海域腐蚀比较严重，防腐蚀的投入会很大，所以采用完全的钢结构显然不合理。从受力来讲钢筋混凝土和钢混结合均可采用，但是对于钢混结构来说其过渡段是主塔受力点，构造复杂，另外对钢筋混凝土结构来说造价比较低，工艺成熟可靠，结构防腐蚀相对简单，养护费用低。综上采用倒Y形的索塔（常用于大跨径及特大跨径的斜拉桥），它结构简单，受力明确，施工方便，结构上是高效的，给人以稳定和强有力的感觉，用于比较宽阔的水面空间透视性好，突出了斜拉桥轻盈、高耸、简洁的完美形象，适用于单索面塔高148m，在顺桥向索塔刚度大，有利于抵抗索塔两侧拉索的不平衡拉力，能承受较大的顺桥向弯矩，并具有更良好的抗振能力，并且主塔与加劲梁之间均设置了阻尼装置。阻尼装置对温度等速率缓慢的变形，约束力很小；对活载、风、地震等速率较快的变形，能有效约束；同时可以使行车的舒适度提高。具体尺寸如图9图9.1上塔柱截面图9.2中塔柱截面图9.3下塔柱截面图9.4主塔侧立面图9.5主塔正立面（4）、斜拉索斜拉索是斜拉桥的主要承重构件之一，拉索对主梁起到弹性支撑的作用，其对斜拉桥的结构刚度和经济合理性起着重要作用，斜拉索宜选用抗拉强度高，疲劳强度好和弹性模量较大的钢丝或钢绞线制作，而根据目前发展来看，斜拉索正向着小索距的密索发展。索面选择：由于桥面较宽，且主塔采用倒Y形，为使全桥获得较好的视觉效果及行车效果，同时节省空间，采用中央单索面形式，给人一种简洁美观的感觉而避免了两侧拉索交叉凌乱之感斜拉索采用高强度镀锌平行钢丝束，冷铸锚，拉索外表面采用防风雨振措施。梁上标准索距8m，塔上标准索距2m。具体尺寸如下：（5）主墩及基础斜拉桥主塔墩位处水深约为11m，地基覆盖层较厚，塔墩基础承受主墩传来的巨大荷载，可供选择的形式主要有以下几种：图10斜拉索横截面图11斜拉索总装图1预应力管桩基础2大直径钢管桩基础3大直径钻孔桩基础4沉井基础对于1由于桩径小（通常在600mm以内），数量多，基础大，造价高不宜采用对于4工期长，难以控制，不宜采用对于2施工方便迅速，但造价高，经济性差对于3是目前国内外深水基础