桥梁的方案比选

大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 第二章 桥式方案比选2.1 概述随着桥梁理论的不断成熟，在桥梁设计中要求桥的适用性强、舒适安全、建桥费用经济、科技含量高。对建在城市中的桥梁还特别注重美观大方。由此，对于一定的建桥条件，根据侧重点的不同可能会作出基于基本要求的多种不同设计方案，只有通过技术经济等方面的综合比较才能科学的得出完美的设计方案。在方案比较中主要有以下三项任务：一是拟定桥梁图式，二是编制方案，三是技术经济比较和最优方案的选定。编制设计方案,通常是从桥梁分孔和拟定桥粱图式开始。对一般的大跨度桥梁，依据以往的设计经验，主跨与边跨的比值有一个范围，再由此选定可能实现的桥型图式，鼓励新式桥式的大胆采用。一般选几个(通常 24 个)构思好、各具优点、但一时还难以断定孰优孰差的图式,作为进一步详细研究而进行比较的方案。对每一图式可在跨度、高度、矢度等方面大致按比例画在同样大小的桥址断面图上。编制方案中，主要指标包括：主要材料(普通钢筋、预应力钢筋、砼)用量、劳动力数量、全桥总造价(分上、下部结构列出)、工期、养护费用、运营条件、有无困难工程、特种机具。其目的在于为每个桥式提供全面的技术经济指标，以便相互比较，科学的从中选定最佳方案。在编制方案中要拟定结构主要尺寸，并计算主要工程量。有了工程量，采取相应的材料和劳动力定额以扩大单价，就可以确定全桥造价。并且在每个方案中绘制出河床断面及地质分层的立面图和横断面图。设计方案的评价和比较要全面考虑上述各项指标，综合分析每一方案的有缺点，最后选定一个最佳的推荐方案。按桥梁的设计原则、造价低、材料省、劳动力少和桥型美观的应是优秀方案。但当技术因素或是使用性质候特殊要求时就另当别论，注重考虑设计的侧重点。技术高，造价必然会高，个个因素是相互制约的。所以在比较时必须从任务书提出的要求以大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 及地形资料和施工条件，找出所面临的问题的关键所在，分清主次。在方案比较中，除了绘制方案比较图外，还应编写方案比较说明书。其中应阐明编制方案的主要原则，拟定方案的理由，方案比较的综合评述，对于推荐方案的详细说明等。有关拟定结构主要尺寸所作的各种计算资料，以及为估算三材指标和造价等所依据的文件名称，均以附件的形式载入。在对本桥的设计中，选定三种桥式名分别是： 预应力混凝土连续刚构桥 斜拉桥 拱桥2.2 各种设计桥式特点2.2.1 预应力混凝土连续梁桥一、构思宗旨：1、在 40200m 的跨径范围内，与其它结构体系比较，常成为最佳的桥型方案。2、预应力砼充分发挥了高强材料的特性，具有可靠强度、刚度以及抗裂性能。3、结构在车辆运营中噪音小，维修工作量小。4、其施工方法已达到相当先进的水平，工期短效益明显。5、伸缩缝少，行车舒适，满足高速行车的要求。再用滑动支座时，连续长度可增大。温度、砼收缩徐变产生的附加内力较小。且全桥有较好的抗震性能。6、连续梁内力的分布较合理，其刚度搭，对活载产生的动力影响较小。混凝土收缩徐变引起的变形也是最小的。连续梁超载时有可能发生内力重分布，提高梁部结构的承载力。7、除动墩外，连续梁的桥墩及基础尺寸都可以做得小些。大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 二、成桥经验资料连续梁的边主跨的比值在 0.60.7 之间，较其它两种桥式比值要大，支点梁高与跨中梁高比值要小，在 2.0 左右。表 21 国内预应力连续梁桥分析表梁高桥名 跨组合径 边主跨比H 中 H 中 /L H 支 H 支 / H 中珠江三桥 8011080 0.73 2.7 1 /40.7 5.5 2.04常德大桥 84.7312084.7 0.7 3 1/30.0 6.8 2.27沙洋汉大桥 62.46111+62.4 0.56 2.5 1/44.4 6 2.4华北大桥 70+100+70 0.7 3.3 1/30.3 6 1.82松花江大桥 59+790+59 0.66 3 1 月 30 日 5.4 1.8三、尺寸拟定在预应力混凝土连续梁桥的设计中分跨、主梁高度、横截面形式和主要尺寸的拟定是方案设计中的关键所在。通过以上资料对比，当主桥采用多跨连续梁时，中间部分采用等跨布置，边跨跨径约为中跨跨径的 0.650.7 倍。当边跨采用主跨径的 0.5 倍或更小时，则在桥台上要设置拉力支座。当跨径超过 60m 时，易采用变高梁高度梁，主梁高度根据统计资料：变高度梁跨中截面 h1=（1/301/50 ）L变高度支点截面公路桥 h2=（1/161/25 ）Lh1/h2=2.03.0 箱型截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位，箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚直至墩顶，以适应受压要求。底板厚度约为梁高1/101/12。跨中底板内需要配置一定数量的钢索和钢筋，跨中底板厚度一般在 2025cm。腹板应考虑最小厚度，若腹板内有预应力管道布置时，可采用 2530cm。腹板在支点处的最大大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 厚度约为 3060cm . 1、上部结构（1）孔径布置此桥是一座预应力混凝土连续梁桥，它由主桥和引组成，跨径组合为 70m+112m+70m，边中跨比值为 0.63，桥下为三级通航，纵坡 1%，桥总长 252m。（2）顺桥尺寸跨中梁高为 3.0m，支点梁高 6.0m，为主跨的 1/20，梁底按二次抛物线变化。（3）横桥向的尺寸截面纵向为变截面，桥面宽 25m,采用双幅单箱室。顶板厚 30cm ,取全桥一致，支点处底板厚 60cm，跨中厚为 30cm，以方便布置预应力钢筋。纵向上，梁底按二次抛物线变化，腹板在距支点四分之一跨度处以 4m 阶段直线变化。顶部承托采用 1：2 的比例，高度分别为30cm60cm；底部采用 1：1 的比例,高度分别为 30cm30cm。桥面设 20的单向横坡。30x30x66图 2-1 连续梁桥支点处截面 单位：cm大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 30xx3066图 2-2 连续梁桥跨中截面 单位：cm（4 人行道板其形式采用搁置式具体尺寸见下图：2、下部结构主桥桥面标高高，采用矩形截面空心墩，墩较高，为柔性墩，柔性墩有足够的柔度，在减小水平力的作用时很有效。其它桥墩均为空心墩。基础工程采用桩基型式，桩基施工虽采用比较复杂的机具，但可节约不少材料和开挖基坑的土方量，施工过程中也不会遇到像深基坑那样的防水、防漏和防土等复杂问题；此外，它还具有承载力高，沉降量小，且均匀，能承受较大的垂直和水平荷载等特点。在桥梁基础中，桩基是一种常用的型式。本基础采大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 用柱桩。四、施工方案连续梁最成熟的施工方法是挂蓝悬臂浇注的施工方法，为保证施工过程中结构的稳定可靠，采用 0 号块梁段与桥墩临时固结。其具体措施是将 0 号块梁段临时支撑在扇形或门式托架的二侧。第一步：首先从 B、C 墩临开始对称悬臂施工。第二步：两边跨合拢，释放 B、C 墩临时固结措施，形成单悬臂梁。第三步：合拢中跨。图 23 悬臂施工示意图施工流程如下： 拼装模板，施工主墩搭设墩旁托架施工 0#架设挂蓝，安装箱梁底模板，安装钢筋，预留张拉管道称悬臂浇注，养生拆模后张拉预应力钢筋合拢边跨大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 合拢中跨五、工程数量工程数量是技术经济指标之一，它很直观的反映了一座桥梁建造的水平。目前我国以每平方米桥面的三材（混凝土，预应力钢筋，普通钢筋）用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁技术经济指标。混凝土标号 C50，墩身为 C25，1275 的低松弛钢绞线，级普通钢筋预应力钢筋 65.7kg/非预应力钢筋 89.5 kg/混凝土 0.846 m3/表22 工 程 数 量 表 材 料 预应力钢筋 普通钢筋 混凝土规 格 12-7 5钢绞线 级钢筋 C50 C25单 位 t t M3 M3上部结构 453.33 617.55 5837.4下部结构 3713.72.2.2 预应力混凝土双肢薄壁刚构桥连续刚构是墩梁固结的连续结构，它利用高墩的柔度来适应结构由预应力、砼收缩、徐变和温度变化引起的位移，是一种很有竞争潜力的桥型。一、 构思宗旨：1、 沿用桥位旧址处双肢薄壁铁路桥，桥型新颖简洁轻巧，外形美观，桥净空大，桥下大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 视野开阔。2、 柔性双薄墩减小了主梁支墩净距，能有效消减墩顶弯矩峰值。梁高小，跨度大，带有横梁的双肢薄壁墩具有一定的联合刚度，要承受较大弯矩，而各壁板内弯矩并不大。3、 因墩与上部结构固结，在大跨度连续结构中减少了安装大型支座和养护上的麻烦，减少了桥墩及基础工程的材料用量，适用于较高桥墩。4、 施工体系转换方便，伸缩缝少，行车舒服。5、 顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度大，受力性能好。6、 顺桥向抗推刚度小，对温度、砼收缩徐变及地震影响均有利。7、 由于无支座，省掉了施工中体系转换和墩上的临时固结措施。8、 此桥型可进一步增大跨径，上部结构不断轻型化且连续长度可增长，由此可进一步简化预应力索类型。二、 成桥经验资料表由以下统计质料可以总结如下规律：连续刚构的边主跨径比在 0.50.6 之间，支点梁高为跨中梁高的 3 倍左右，顶板厚在 25cm 左右，腹板和底板是沿全桥变化底，腹板跨中为40cm 左右，支点处为 60100cm 之间。表 23 国内部分连续刚构桥分析表梁高跨中 根部板厚桥名 跨径组合 边主跨比数值(m)与中跨比数值(m)与跨中比顶板(cm)底板(cm)腹板(cm)虎门大桥 150270150 0.56 5 1/54 14.8 3.4 25 32130 4060大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 重庆黄花园大桥 1373250 137 0.548 4.3 1/58 13.8 3.4 25 28150 4070黄石长江大桥 1463250 146 0.584 4.1 1/61 13 3.1 25 32135 5080江津长江大桥 1623245 162 0.663 4.2 1/53 13.5 3.2 25 32120 5080重庆嘉陵江大桥 140240140 0.583 3.6 1/67 25 32120 4060南澳跨海大桥 122221122 0.552 3 1/73 11 3.6 25 32120 4060华南大桥 110190110 0.57 3 1/63 9.5 2.8 28 32120 3555三、 尺寸拟定刚构桥底主要尺寸包括主梁跨度、墩柱高度、桥梁横向宽度。这些尺寸要取决于主梁和支柱底刚度或两者的比例，主梁与支柱底刚度比决定了刚构桥的内力分布。刚度比很大，受力趋于简支梁，刚度比较小趋向于固端梁受力情况。刚架桥两端悬出长度为中跨跨度的 0.20.5 两者之间。若悬臂加长，端支柱弯矩可以减小，跨中正弯矩也可以减小，但主梁变形较大，中跨主梁弯矩变化也较大。对于主梁弯矩较大的三跨连续刚架桥，边跨一般为中跨的 0.7 倍。主梁高度约为中跨跨度的 1/301/40 左右。当采用变高度梁时，端部梁高可为跨中梁高的 1.22.5 倍，适当加大端部的主梁高度，可以减小截面正弯矩，这样可使大多数预应力钢筋布置在主梁的顶部，使其构造简单且施工简单。1、上部结构（1）孔径布置主桥为三跨预应力连续刚构桥，引桥为预应力混凝土简支梁主桥桥孔布置为70m+112m+70m。边跨与中跨的比值为 0.63。（2）纵桥向梁的尺寸梁高采用变截面形式，梁底按二次抛物线变化，跨中梁高为 3.0m，约为跨大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 度的 1/37.3，支点梁高为 6m，为跨中梁高的 2 倍。（3）横截面尺寸图 2-4 刚构桥支点处横截面图 单位：cm顶板厚 30cm ,取全桥一致，支点处底板厚 60cm，跨中厚为 30cm，以方便布置预应力钢筋。底板顶面按二次抛物线变化，腹板在距支点四分之一跨度处以 4m 阶段直线变化。顶部承托采用 1：2 的比例，高度分别为 30cm60cm；底部采用 1：1 的比例,高度分别为30cm30cm。桥面设 20的单向横坡。2、下部结构主桥采用有两个横联的双肢薄壁墩，承担纵向水平力的作用，顶部与梁固结，中间设两个箱型横联。主墩的基础采用桩基，大量减少基础工程量。大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 桥台为钢筋混凝土重力式 U 型桥台，其它桥墩均为混凝土空心墩，基础为桩型基础。四、 施工方案本桥上部结构施工采用挂蓝悬臂浇注法施工。合拢的顺序是先边跨后中跨，边跨和中跨的合拢均采用支架法，且边跨合拢段与边跨同时浇注施工。两个箱梁分开浇注，分别合拢后，再浇注横梁和桥面板。在墩柱两侧设墩旁托架浇注 0 号块，挂蓝的施工阶段最长为 4m，其它为3.5m、3.0m 长，由于是墩梁固结的形式，如此就省去了临时固结的措施。施工挂篮为斜拉式，其主要特点为自重轻，结构受力明确，拼装方便。施工流程如下：拼装模板，施工主墩搭设墩旁托架施工 0#块架设挂蓝，安装箱梁底模板，安装钢筋，预留张拉管道称悬臂浇注，养生拆模后张拉预应力钢筋合拢边跨合拢中跨五、 工程数量工程数量是技术经济指标之一，它很直观的反映了一座桥梁建造的水平。目前我国以每平大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 方米桥面的三材（混凝土，预应力钢筋，普通钢筋）用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁技术经济指标。混凝土标号 50，墩身为 C25，1275 的低松弛钢绞线，级普通钢筋预应力钢筋 65.7kg/非预应力钢筋 89.5 kg/混凝土 0.846 m3/表2-4 材料用表项目 预应力钢筋 普通钢筋 混凝土规格 1275钢绞线级钢筋 C50 C25单位 t t m3 m3上部结构 313.165 726.33 6368下部结构 6862.92.2.3 斜拉桥斜拉桥依靠固定于索塔的斜拉索或主缆支承梁跨，梁似多跨弹性支承，梁内弯矩与桥梁的跨度基本无关，而与拉索或吊索的间距有关，适用于大跨度桥梁，是一种跨越能力极强的桥型。一、构思宗旨1、 鉴于主梁增加了中间的斜索支承，弯矩显著减小，与其他体系的大跨度桥梁比较，混凝土斜拉桥的钢材和混凝土用量均较节省；2、 借斜索的预压力可以调整主梁的内力，使之分布均匀合理，获得经济效果，并且能将主大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 梁做成等截面，便于制造和安装；3、 斜索的水平分力相当于对混凝土梁施加的预压力，借以提高梁的抗裂性能，并充分发挥了高强材料的特性；4、 结构轻巧，适用性强。利用梁、索、塔三者的组合变化成不同体系，可适用不同的地形和地质条件；5、 建筑高度小，主梁高度一般为跨度的1/401/100，能充分满足桥下净空和美观要求，并能降低引道填土高度；6、 竖向刚度及抗扭刚度均较强，抗风稳定性要好的多，用钢量较小以及钢索的锚固装置较简单；7.便于悬臂法施工和架设，施工安全可靠。缺点：斜拉桥是高次超静定的组合体系，与其他体系梁桥相比较，包含有较多的设计变量，全桥总的技术经济合理性，不宜简单的由结构体积小，重量轻或满应力等概念准确表示出来，是选桥型方案和寻求合理设计带来一定困难。索力调整是斜拉桥主梁受力均匀，以达到经济安全的重要措施。二、桥经验数据表 2-5 国内斜拉桥成桥资料表桥名 跨度（m） 体系 梁截面 桥宽 梁高 索面 索距 塔高辽宁长兴岛 83.2+176+83.2 支座支承 单箱三室 10 1.75 双 6 40济南黄河 104+220+104 悬浮 双三角箱 19.5 2.25 双 8 53.8上海泖港 85+200+85 刚构挂梁 分离双室 12 2.2 双 6.5 44天津永和 125+260+125 悬浮 双三角箱 14.5 2 双 11.8 50.5长沙湘江北 105+210+105 刚构 单箱三室 30.1 3.4 单 8 52.7大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 武汉长江二 180+440+180 支座支承 双梯形箱 29.2 3 双 8 90重庆长江二 169+444+169 悬浮 双主肋 24 2.5 双 9 110郧阳汉江 86+414+86 地锚 单箱四室 15.6 2 双 8 92三、尺寸拟订斜拉桥主梁通常为等高度梁。对主梁支承于塔墩上的支承体系，为承受支承截面较大负弯矩，在局部区段可加大梁高或加厚下翼缘厚度。现代斜拉桥都为密索体系，主梁高度越来越小，向着桁式体系转换。密索体系梁高一般为跨径的1/701/200，或为节段长的/51/18。对于单索面，要适当加大梁高，取梁跨比的上限，以提高梁的抗扭刚度。在选择梁高时，要考虑以下因素：索间距、主梁承受的压力、横梁跨度、索与梁的锚固要求等。主梁为弹性支承多跨连续梁，梁内弯矩决定于弹性支承位移、索间距及梁的刚度，梁的刚度越大，弯矩越大。主梁承受的拉索水平分压力与桥的跨度有关，一般靠墩塔处压力最大，必要时局部加大截面。主梁高度要大于等于横梁高度，横梁高度取决于横梁的跨度。从横向风力稳定性角度考虑，桥宽与梁高之比宜大于8，最低限度不宜大于6。现代斜拉桥均采用密索体系。密索体系有以下优点：有利于降低梁高；便于悬臂法施工、索力小，使锚固构造简单，且便于换索。混凝土主梁索间距取为610m, 多数取8m。拉索布置为扇形，为此要拟订拉索锚于塔上的间距。根据主梁的受力要求或为了减小索面积，拉索的竖直分力越大越好，因此应尽量减小拉索在上的间距，一般取为1.62.2m，它决定于拉索锚头布置及张拉空间的要求。1、上部结构（1） 桥孔径布置主跨为单塔对称双跨，可以节省一个塔和基础，缩短斜拉索总长，可取的较好的经济效益。跨度为 112m112m。（2） 顺桥向尺寸大跨度预应力混凝土连续梁桥（70m112m70m ）初步设计第 页 梁高为 3.2m，为主跨的 1/35，为等高粱。（3） 横桥向尺寸截面纵向为等截面，桥面宽 25m，采用单箱四室截面形式。本桥为塔梁固结体系。这种结构存在的主要缺点是上部结构重量和活载力都需由支座传给桥墩，需要设置很大吨位的支座，造价较高。（4）横截面图图 25 斜拉桥横截面图2、下部结构桥台为钢筋混凝土重力式 U 型桥台，基础为柱桩基础。五、施工方案本桥施工利用悬臂拼装法。六、工程数量混凝土标号 C50，预应力钢筋 1275 桥面混凝土 1m3/预应力钢筋 65kg/大跨度预应力混凝土连续