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中南大学本科生毕业论文连续钢桁梁桥设计48中南大学本科生毕业论文连续钢桁梁桥设计摘要 本次设计是对高速铁路连续钢桁梁桥进行初步设计。本桥为双线3102m三跨连续钢桁梁桥，主桁的中心距为12m，主桁的节间长度为8.5m，桁高为14m，主桁采用三角形桁架形式，杆件采用高强螺栓连接。荷载有恒载、列车zk活载、横向活荷载（风荷载）和纵向活载（制动力），采用内力的组合对杆件进行设计与验算。设计的主要步骤为：（1）进行水文计算和桥式方案的比选，选取合适的桥型为连续钢桁梁桥；（2）利用矩阵位移法，对主桁架进行程序的编制和主桁杆件初步设计以及截面参数的优化，对主桁杆件截面进行检算，保证其满足规范要求；（3）最后再对桥梁进行上拱度设计和典型节点板设计与检算。本设计采用matlab语言编程计算，而节点板计算则利用手算。本设计的重点是主桁杆件设计程序的编制、杆件截面尺寸拟定和验算部分，设计的难点是zk移动活载在杆件影响线上加载以及实际上拱度的设置部分。关键字： 连续钢桁梁桥 matlab编程 主桁设计 上拱度设计 节点板检算abstract the graduation design is about preliminary designing of the high speed continuous steel truss girder of railway bridge. the bridge is a double line 3 102m three-span continuous steel truss bridge. its center distance of the main truss is 12m, the internode length is 8.5m, and the height is 14m. the main truss uses triangular truss with high strength bolts connecting rod. the loads contain many respects, such as constant load, live load of train zk, lateral live load (wind) and vertical live load (power). using a combination of internal forces on the rod design and calculation. the main steps of the design contain：（1）the hydrological calculation of the bridge and the selection of bridge scheme are useful for colecting the appropriate type of continuous steel truss bridge；（2) with the matrix displacement method, optimize the program of main truss , the preliminary design of the rod and the cross section parameters of the main truss，and calculate the main truss rod in order to meet the requirements of specification；(3) finally, this thesis designs the bridge arch and checks the typical node plate. the focus of this design is to use the matlab language programming, while the node plate is calculated by hand. the key points of the design are the design of the program of the main truss and the mapping out and the calculation of the section size of the rods. the difficulties of the design are how the load of zk mobile live load on line loading rods and the setting part of bridge arch.key words: continuous steel truss bridge; matlab language programming; the main truss design; camber design; gusset plate calculation摘要iabstractii第1章 绪论11.1 钢桥的发展1 1.1.1 国外钢桥的发展概况11.1.2我国的钢桥发展概况2 第2章 水文计算32.1水文地质资料32.1.1、水文资料32.1.2河床断面及地质资料32.1.3通航要求:32.1.4其他资料32.2设计流量和设计水位42.2.1洪水特大值的判别42.2.2 经验频率估算62.2.3 统计参数估算72.2.4 设计流量和设计水位计算72.3 形态断面天然流量计算92.4 通航水位102.5 孔径计算112.5.1 冲刷系数法确定桥梁孔径。112.5.2 孔泾检算（梁底高程检算）122.6 冲刷深度计算142.6.1河槽冲刷142.6.2 河滩冲刷172.7 基础埋置深度计算19第3章 方案设计与比选203.1概述203.1.1 主要技术标准203.1.2 工程概况203.1.3 方案设计203.2 主桥方案设计213.2.1 方案一：连续钢桁桥213.2.2 方案二：三跨双肢薄壁连续刚构桥223.2.3 方案三：劲性骨架系杆拱桥243.3 方案比选25第4章 程序设计274.1 程序设计概述274.1.1 设计计算模型的建立274.1.2杆件基本尺寸的拟定274.1.3算法设计284.1.4程序总体设计284.2 程序的设计294.2.1 程序设计基本原理：矩阵位移法294.2.2 平面桁架结构静定分析程序324.2.3 轴力和位移影响线程序324.2.4 加载程序设计334.2.5 截面检算程序344.2.6 竖向刚度检算程序364.2.7 上拱度计算程序37第5章 主桁杆件设计385.1设计依据及主要技术指标385.1.1 设计规范385.1.2 钢材及其基本容许应力385.1.3 结构的连接方式及连接尺寸385.1.4 结构的基本尺寸385.1.5全桥设计恒载385.1.6 全桥设计活载395.2 主桁杆件初步设计395.2.1 计算模型395.2.2 杆件截面初步设计395.2.3 主桁杆件内力的组成395.2.4 主力415.2.5 主力+风力（摇摆力）415.2.6 主力+制动力465.2.7 横梁面内闭合框架在横梁受竖向荷载时的节点弯矩计算475.2.8 控制内力485.2.9 截面检算495.3 截面尺寸的优化设计49第8章 总结85结束语86参考文献87附录89中南大学本科生毕业论文第一章 绪论第1章 绪论1.1 钢桥的发展1.1.1 国外钢桥的发展概况国外钢桥的发展经过了较长的时期，从钢桥施工工艺、新材料利用、美学和钢结构桥梁设计理论等方面进行划分，国外钢结构桥梁的发展过程可分为以下几个阶段：一、钢桥在1890年之前的发展在这段时期，主要是以铁桥为主，钢桥应用很少，铸铁和锻铁是主要的使用材料。并且设计钢桥所需的力学知识很少，正处在逐步形成、完备之中。在这段时期，并没有桥梁规范，钢桥的设计完全凭借造桥实干家的经验，因此稍有不慎，就会遭受到失败，带来安全和经济上的巨大损失。不过，在这段时间，一些创跨度记录的大桥在工程师的辛勤工作下而被建成了，并且它们承受住了多年的营运考验，最终成为了历史上著名的名桥，例如：英国1850年建成的britainia锻铁巨型箱管连续梁桥；美国1856年建成的尼亚格拉河悬索桥；英国1859年建成的saltash锻铁桁梁桥；福斯湾铁路桥。二、钢桥在18901920年之间的发展这段期间出现了简支、连续类桥梁类型，同时钢材基本上已经取代了铁材，桥梁得以迅猛的发展，这段时期内，较为出名的桥梁有美国在1916建成的metropolis简直桁梁桥，这座桥梁的跨度为220m，大多杆件使用的钢材为硅钢，也有一部分的杆件采用镍钢。美国于1917年建成的sciotoville下承式连续桁梁桥，这座桥梁的跨度为2236.2m。三、钢桥在19201945年间的发展在这段时间，发展最大的是钢桥设计理论的完善。开始考虑节点刚性产生的二次应力、桥面系与主梁的共同作用、冲击和荷载在铺装层的扩散等问题，鉴于桥梁事故，对压杆失稳也进行了深入研究。四、钢桥在20世纪50年代2014年间的发展这段时期内出现了现代钢桥。它的主要技术有一下几点：采用了新材料，如预应力钢筋、高强度低合金钢、高标号混凝土等新材料的应用，这使得钢桥更轻，跨度更大；桥梁的上部结构已经开始采用钢材与混凝土的组合结构，箱型梁以及高次超静定的结构，使得钢桥的受力更加合理等等；对大型结构进行线性非线性分析、动力分析、空间分析；在施工方面采用新方法，工厂预拼，加快施工进度。1.1.2我国的钢桥发展概况我国钢桥的发展主要分为铁路钢桥和公路钢桥的发展史，主要情况如下：（1） 铁路钢桥在新中国建国前，铁路大桥一般都是由外国工程师设计的。当时我国的铁路钢桥建设，受到了旧中国的科学技术条件、经济和政治的限制，施工技术、设计水平、材料、制造水平等条件都非常落后，因此钢桥的发展非常缓慢。在新中国建国后，我国的铁路钢桥整体水平有了相当大的进步。建国后铁路发展的主要标志有以下几点：桥梁标准设计和栓焊钢桥；跨越能力逐渐加大；钢材产量增加以及新材料不断的开发利用；铁路钢桥制造以及施工技术的提高；科研成果的发展促进新设计概念以及设计理论形成；铁路桥梁设计规范。 （2）公路钢桥我国公路钢桥发展主要经历了以下两个阶段。在20世纪80年代中期以前，钢材的供应不足限制了钢桥的发展，因公路钢桥很少，并且桥梁结构的形式不多、跨度也不很大。但是在20世纪80年代中期以后，公路钢桥得以迅猛发展，跨度大大增大。中南大学本科生毕业论文第2章 水文计算第2章 水文计算2.1水文地质资料2.1.1、水文资料 （1）各年水位数据表2-1 1931年至1992年水位表年份水位/m年份水位/m年份水位/m193147.61196944.03198241.82195640.76197043.00198338.97195744.26197144.06198441.79195843.56197238.46198545.79195941.02197343.06198646.79196140.76197444.66198737.69196241.96197539.56198843.09196335.86197640.46198936.29196440.56197740.72199039.29196539.46197842.02199141.19196643.46197943.62199243.79196743.42198043.79196845.96198140.76（2）水文站1961-1970年流量表表2-2 1961-1970各年流量年份1961196219631964196519661968q(m3/s)744066904610758071209190128002.1.2河床断面及地质资料 见cad图2.1.3通航要求: 二级通航标准2.1.4其他资料主槽天然流速：5.0 m/s（设计流速）设计洪水频率：1/100汛期含砂量：河床泥砂平均粒径：1.25 mm河滩细砂平均粒径：0.12 mm河滩中砂平均粒径：0.32 mm水文站位于桥址下游：800 m糙率系数n （1/n约为30）水面比降：河槽与河滩的分界线：30.00220.00左河滩：5.0030.00右河滩：220.00300.00线路标高：60 m2.2设计流量和设计水位2.2.1洪水特大值的判别特大洪水指由暴雨、急骤融冰化雪、风暴潮等自然因素引起的江河湖海水量迅速增加或水位迅猛上涨的重现期超过50年的洪水。（1） 判别原理在求取设计流量时，应考虑含有特大洪水值对设计流量的影响。由于水文资料中并未直接给出洪水特大值，故首先应对洪水特大值进行确定。对于特大值的判断，国内外学者都曾提出一系列的方法，如美国洪水频率指南中的门槛法、barnettlewis检验法、偏态检验法、峰度检验法、一次判断法以及工程上常用的3法等。在气候环境基本稳定的情况下，水位和流量应该符合正态分布函数，本文采用统计学正态分布分位点法，原理如下：已知标准正态分布，若满足条件即即称为标准正态分布上的分位点。根据上述定义，水位值为正态分布，当特大洪水重现期为50年时，即特大洪水出现的频率为2%，而非特大洪水累积出现的频率为98%，即： ，其中（2）流量与水位的关系 由表2-2各年份水位和流量绘到坐标纸上后，发现流量与之间存在线性相关关系，故一下计算先对水位计算，进而求出设计流量。用最小二乘法，得与的回归方程： （2-1）图2-1 水位与流量关系曲线表2-1中缺少1960年的水位资料，取1956年至1992年的平均值补充，其值为41.75m。（3）具体求解先剔除1931年水位数据，从1956年至1992年各年水位列表如下 ：表2-3 1956-1992年水位表年份水位/米年份水位/米年份水位/米年份水位/米195640.76196643.46197640.46198646.79195744.26196743.42197740.72198737.69195843.56196845.96197842.02198843.09195941.02196944.03197943.62198936.29196041.75197043198043.79199039.29196140.76197144.06198140.76199141.19196241.96197238.46198241.82199243.79196335.86197343.06198338.97196440.56197444.66198441.79196539.46197539.56198545.79 先对这年37水位从小到大排序，用分位点法循环求解特大洪水位值。先以前n个数据，用分位点法求出50年一遇的特大洪水位值h0，若第n+1个水位值小于h0，则用前n+1个数据再次计算，直到第n+1个水位值大于上次算得的h0，最后一次的h0为特大洪水位判别值，大于此值者为特大洪水位值。表2-4 连续系列水位排序表 单位：m35.8636.2937.6938.4638.9739.2939.4639.5640.4640.5640.7240.7640.7640.7641.0241.1941.7541.7941.8241.9642.024343.0643.0943.4243.4643.5643.6243.7943.7944.0344.0644.2644.6645.7945.9646.79先取前个数据计算，特大洪水位值，取前个数据计算，特大洪水位值，最后取前36个数据计算，特大洪水值，故为特大洪水位值初值，即年为特大洪水。2.2.2 经验频率估算根据水文资料及以上数据处理，可知该水文分析为含特大洪水系列的频率分析。（1）特大洪水考证期:式中：考证或调查所及的最远年代； 连续系列中的最后年代。（2）经验频率估算对于项特大洪水： （） （2-2）对于其余项观测洪水 （2-3）由以上公式可计算各年水位出现的经验频率，列表如下：表2-5 水位经验频率计算序号按年份排序按大小排序年份水位（m）年份水位（m）经验频率（%）1193147.61193147.611.62195640.76198646.793.23195744.26196845.965.81624195843.56198545.798.43245195941.02197444.6611.0496196041.75195744.2613.6657196140.76197144.0616.2818196241.96196944.0318.8979196335.86199243.7921.51410196440.56198043.7924.1311196539.46197943.6226.74612196643.46195843.5629.36213196743.42196643.4631.97814196845.96196743.4234.59515196944.03198843.0937.21116197043197343.0639.82717197144.0619704342.44318197238.46197842.0245.05919197343.06196241.9647.67620197444.66198241.8250.29221197539.56198441.7952.90822197640.46196041.7555.52423197740.72199141.195802195941.0260.75725197943.62195640.7663.37326198043.79196140.7665.98927198140.76198140.7668.60528198241.82197740.7271.22229198338.97196440.5673.83830198441.79197640.4676.45431198545.79197539.5679.0732198646.79196539.4681.68633198737.69199039.2984.30334198843.09198338.9786.91935198936.29197238.4689.53536199039.29198737.699219198936.2994.7682.2.3 统计参数估算对于从年空缺的年，假定这年的平均值等于连续系列（不含特大值）的平均值，其均方差等于连续系列（不含特大值）的均方差，补齐后组成从年的连续系列样本。 （2-4） （2-5）求得： 2.2.4 设计流量和设计水位计算通过适线法确定一条和经验点群吻合较好的理论曲线以求得设计流量值。根据经验点的计算，其中平均流量取，分别选取、而保持、不变的这条理论曲线，计算结果见表2-6：表2-6 2条理论曲线计算值p(%)1252050909599曲线号h=41.873.022.541.880.76-0.16-1.13-1.32-1.591cv=0.05kp1.151.131.091.040.990.940.930.92cs=0hp48.1947.1945.8143.4641.5439.5039.1138.54h=41.872.42.111.670.84-0.02-1.27-1.62-2.252cv=0.065kp1.161.141.111.051.000.920.890.85cs=0.1hp48.4047.6146.4144.1641.8238.4137.4635.75将表2-4中经验点群和表2-6理论曲线均描绘在海森几率格纸上，如下图2-2所示 图2-2 水位频率曲线图由图2-2所示，得知曲线2与经验点群吻合的较好，但由此算的50年一遇（频率为2%）的特大洪水位判别值为47.61m与46.79m不符，即1986年水位46.79m小于47.61m，不应该作为特大值处理。对1986年水位值按一般洪水位处理，即特大洪水位值判别值按47.61m计算，重复上述步骤得，选取的理论曲线，计算结果见表2-7：表2-7 1条理论曲线计算值p(%)1252050909599h=41.872.40 2.11 1.67 0.84 -0.02 -1.27 -1.62 -2.25 cv=0.062kp1.15 1.13 1.10 1.05 1.00 0.92 0.90 0.86 cs=0.1hp48.10 47.35 46.21 44.05 41.82 38.57 37.66 36.03将表2-4中经验点群和表2-7理论曲线描绘在海森几率格纸上，如图2-3所示。由图2-3可知，该理论频率曲线与经验频率曲线较为吻合，最终确定其为选定的理论频率曲线。由表2-6，50年一遇的特大洪水位值为47.35m小于47.61m（特大洪水判别值） 符合假设；由表2-6可得， 水文站百年一遇的设计洪水位为48.1m，水文站在桥址下游800m处，由于两者之间无支流汇入、分出，故可利用其间水面比降求得桥址处的设计水位。桥址处百年一遇的设计洪水位为： 设计水位： 由公式（2-1）可得，设计流量 ： 图2-3 水位频率曲线图2.3 形态断面天然流量计算 由2.2.4节可知，桥下通过设计流量时，形态断面设计水位，桥下过水断面图如下图2-4 桥下过水断面示意图在此设计中认为该河段为稳定均匀流河段，于是可以采用谢才-曼宁公式2 计算流速： （2-6）式中， ：糙率系数；：为水力半径；：为水力坡度。断面流量计算 ： （2-7）式中，：计算断面的过水断面面积。根据2.1.4节可知，。然后再根据桥下过水断面图和设计流量通过桥下时的水位高,然后通过cad查询左右河滩、主槽部分的断面面积，进而计算各部分的湿周、水力半径和流量参数，列表如下：表2-8 桥下河床断面天然状态下流量计算左河滩主槽右河滩断面面积3217119196湿周 70.4327.136.5水力半径4.56 21.76 5.37 水速0.87 2.47 0.97 流量279.1 17548.7 190.1 2.4 通航水位 通航水位包括设计设计最高通航水位和设计最低通航水位。根据内河通航标准（gb50139-2004）有如下要求：表2-9 设计最高通航水位的洪水重现期航道等级 、洪水重现期（年）20105表2-10 设计最低通航水位的多年历时保证率航道等级 、 洪水重现期（年）9898 9595 90本航道二级通航标准，设计最高通航水位重现期为20年；设计最低通航水位多年历时保证率为98%，在图2-3水位频率曲线上找到对应点，得：设计最高通航水位: 44.05m设计最低通航水位：36.65m2.5 孔径计算2.5.1 冲刷系数法确定桥梁孔径。（1） 冲刷系数的确定铁路工程水文勘测设计规范第3.4.8条中，冲刷系数表示桥下设计需要过水断面面积与桥下实有供给过水断面面积之比，公式表示如下： （2-8）式中 : 冲刷系数；：桥下供给过水断面面积，不包括桥墩阻水面积。：桥下需要过水断面面积 （2-9） : 设计流量 : 设计流速；：水流方向与线路轴向之法线间的夹角。 根据铁路工程水文勘测设计规范第3.4.7条，容许冲刷系数如下表：表2-11 容许冲刷系数河段类别冲刷系数山区峡谷段1.2山前变迁段按地区经验确定其他各类河段1.4注：平原宽滩河流的平均水深小于或等于1.0m时，容许冲刷系数可大于表列数值。该河流为宽阔平坦区，河床比降为1/9000，因此根据经验，取；河流与桥梁轴线垂直即：；设计流速为；设计流量为，带入公式（2-9）、公式（2-8）得:桥下需要过水断面面积： 桥下供给过水断面面积（最小值）： （2） 桥孔净长检算为保守起见，初步设定桥墩宽度（顺桥向）为4m，按32m简支箱梁布置桥墩，由断面图2-4可知，河流宽度为，最多布置13跨，最多有桥墩14个，由断面cad图纸可得，设计流量通过天然河道时，桥下毛过水断面面积为： 设计水位下，平均水深 则桥下实际可供给的过水断面面积为：故本桥满足排洪泄沙的要求。2.5.2 孔泾检算（梁底高程检算）（1） 壅水高度根据铁路工程水文勘测设计规范第3.5.1条，桥前壅水高可用下式计算： （2-10）式中， ：桥前最大壅水高度；：系数从表2-12查取；：断面平均流速，为设计流量被全河过水断面除得之商；：桥下平均流速，按表2-13计算； 表2-12 系数河段特征河滩路堤阻挡的流量和设计流量的比值（%）河滩很小的山区河流100.05河滩较小的半山区河流11300.07有中等河滩的平原河流31500.10河滩较大的低洼地区河流500.15由地址资料图可知，本桥河滩较小，取；将以上数据代入公式（2-10）可得桥前最大壅水高为： 表2-13 桥下平均流速计算表土质土的名称颗粒直径（mm）松软土淤泥、细粒砂、中粒砂、松软的淤泥质砂粘土1及以下=中等土砂砾、小卵石、圆砾、中等密实的砂粘土和粘土125密实土大卵石、漂石、密实的粘土25以上根据铁路工程水文勘测设计规范第3.5.2条，对于一般河流，桥下壅水高度为桥前最大壅水高度的一半。桥下壅水高度为：（2） 波浪高度由于缺少实测资料，浪高公式采用了经验公式，为了简化计算，本文采用公路桥涵设计手册中的查表方法。浪程平均水深按设计流量下的断面平均水深计算，即：；计算浪程近似按设计水位下的桥孔长度的一半计算，即：；根据经验和地区气象资料，设计风速为：。查公路桥涵设计手册表5-3-13d得，波浪高度。（3） 桥面高程检算 按设计洪水位（不通航）计算桥面最低高程 （2-11）式中，：桥面最低高程；：按要求对应的设计水位；：各种水面升高值（壅水高、浪高）总和；：桥下净空安全值，根据桥规规定，按表2-14，取；由公式（2-11）可得，不通航时桥面最低高程为： 按设计最高通航水位计算 （2-12）式中，：设计最高通航水位，根据2.4结可知，：通航净空高度；根据内河通航标准表5.2.2-1规定，取，带入公式（2-12）求得， 结论：根据和计算结果，本设计中梁底最小高程为54.05m。 表2-14 桥下净空高度序号桥的部位高出设计洪水频率水位加后最小高度高出检算洪水频率水位加后最小高度1梁底（洪水期无大漂流物）0.50.252梁底（洪水期有大漂流物）1.51.03梁底（有泥石流）1.04支撑垫石顶0.25 5拱肋和拱圈的拱脚0.25 2.6 冲刷深度计算2.6.1河槽冲刷（1） 河槽一般冲刷计算 计算原理 根据铁路工程水文勘测设计规范 ，非粘性土桥下河槽的一般冲刷公式为 （2-13）式中 ， ： 桥下一般冲刷后的最大水深； ：河槽桥孔部分的过水净宽； ：河槽断面上的最大水深；：河槽断面上的平均水深；：与汛期含沙量有关的系数，见表2-15；：单宽流量集中系数，即： 其中，、为造床流量时的河宽和平均水深，本地址资料显示河床为复式河床，按平滩水位计算。：河槽泥沙的平均粒径；：河槽部分通过的设计流量，按下式计算：其中，：天然状态河槽部分通过的流量；：天然状态河滩部分通过的流量；表2-15 系数含沙量（） 河槽一般冲刷计算1）河槽部分通过的设计流量 由表2-7桥下河床断面天然状态下流量计算，可得： 2）单宽流量集中系数按平滩水位计算河宽 按平滩水位计算平均水深 3）河槽桥孔部分的过水净宽 河槽部分水面长度为，按简支箱梁布置桥墩，桥墩最多有个，桥墩顺桥向宽度为，可得4）河槽断面的最大水深和平均水深 由河床断面图可知，设计水位下河槽部分面积为，河槽部分水面长度为，进而可求出：5）和由2.1.4节资料可知，汛期含沙量，查表2-14得：。6）计算桥下河槽一般冲刷后的最大水深（2）河槽局部冲刷的计算 计算原理根据铁路工程水文勘测设计规范第3.6.6条，非粘性土河槽桥墩局部冲刷公式如下：当时， （2-14）当时， （2-15） 式中，：局部冲刷深度；：墩形系数（椭圆型，取0.96）；：河床颗粒影响系数，；：河床平均粒径，取；：桥墩计算宽度，取；：墩前行进流速，：河床泥沙启动流速，：墩前泥沙启动流速，：指数， 河槽局部冲刷计算 1）墩前行进流速 2）河床泥沙启动流速 3）河床颗粒影响系数 4）墩前泥沙起冲流速 5）指数 6）墩前局部冲刷 ，由公式（2-14）得，2.6.2 河滩冲刷（1）河滩一般冲刷 计算原理根据铁路工程水文勘测设计规范第3.6.3条，粘性土河滩一般冲刷计算公式为： （2-16）式中，：河滩部分的过水净宽；：桥下河滩断面的最大水深；：桥下河滩断面的平均水深；：冲刷范围内粘土的液性指数，此处取；：桥下河滩部分通过的设计流量，其余未述及参数与前面2.6.1节相同。 河滩一般冲刷计算 左河滩、右河滩的尺寸由cad断面图量得，二者计算过程相同，按照公式（2-16）分别计算出左右河滩一般冲刷深度，由于计算过程较为繁琐，故此处略，现将计算结果统计如下表2-16所示。表 2-16 河滩一般冲刷计算参数左河滩右河滩203138水面宽度65.530.8桥墩数21桥墩宽度44河滩部分的过水净宽57.526.8断面面积322195河滩断面的最大水深河滩断面的平均水深4.926.33液性指数0.160.16一般冲刷深度9.068.75（2） 河滩局部冲刷计算 计算原理 根据铁路工程水文勘测设计规范第3.6.7条，该河流河滩为粘性土，粘性土河床桥墩局部冲刷计算公式如下： 当时， （2-17）当时， （2-18）式中， ：河滩一般冲刷后墩前行进流速， 其余参数同公式（2-14）、（2-15）和（2-16）中的同名符号相同，不再赘述。 河滩局部冲刷计算 按照公式（2-17）或（2-18）分别计算出左右河滩局部冲刷深度，计算过程略，现将计算结果统计在表2-17中。表 2-17 河滩局部冲刷计算参数左河滩右河滩一般冲刷深度9.068.75桥墩跨度442.32.2计算公式（2-18）（2-18）墩形系数0.960.96液性指数0.160.16墩前行进流速7.747.57局部深度1.871.732.7 基础埋置深度计算 根据铁路工程水文勘测设计规范第3.6.8条，铁路桥基底埋置安全值，对于一般桥梁，安全值为2m加冲刷总深度的10%。因工程中，常常将标高设为整数，故基底标高实设值与计算值不同，桥下各部分基底标高实设值列于表2-18。表2-18 冲刷深度和基础埋置深度汇总左河滩主槽右河滩一般冲刷深度9.0616.788.75局部冲刷深度1.875.751.73总冲刷深度10.9322.5310.48预留安全值3.094.253.05基底标高计算值36.1721.4136.66基底标高实设值32.02032中南大学本科生毕业论文第3章 方案设计与比选第3章 方案设计与比选3.1概述桥型方案设计与比选是桥梁设计者必须十分注意的部分，其设计的好坏直接影响桥梁的安全、工程费用、施工、美观等方面。设计时，应考虑桥梁的结构受力情况、适用性能、经济费用与造价以及桥梁的美学因素等，采用综合分析法，初步拟定桥梁的合理结构形式及其主要结构尺寸。该阶段的主要内容包括：桥梁立面设计和桥梁平面设计；施工组织方案；技术经济指标和优化方案的选用。3.1.1 主要技术标准（1）线路标准：高速铁路（2）正线数目：双线，线间距（3）设计行车速度：设计最高时速，初期运行速度（4）通航要求：级通航标准（通航净高为）（5）桥梁限界：见高速铁路设计规范（试行）图1.0.6规定（6）设计荷载：zk标准活载3.1.2 工程概况该桥河宽为，桥址处河滩上层部分为河流冲积相的粘土，下层部分为砾岩；河槽大部分是砾岩，地质情况表较好。由第章水文计算部分可知，该桥桥址处百年一遇的设计洪水流量为，设计水位为，设计最高通航水位为，设计最低通航水位，梁底设计标高为。设计水位下，河宽。3.1.3 方案设计根据现有地质资料及水文计算情况，并考虑地形通航要求特点，结合高铁的现有规范及桥梁修建与规划情况，充分考虑了不同类型桥梁在高铁上的应用合理性，并且结合了中国高铁桥梁建设的实例，本设计最终选定了三种桥型进行方案比选，主要桥型包括以下：第一种方案：连续钢桁桥；第二种方案: 三跨双肢薄壁连续刚构桥；第三种方案： 劲性骨架系杆拱桥。对于所选三种桥型方案，从从结构的受力特点，使用维护，工程造价，美观，施工等方面对备选方案作出全面的比较，从中选出最佳桥式方案。3.2 主桥方案设计3.2.1 方案一：连续钢桁桥（1）纵立面设计 方案一桥跨组成：预应力混凝土简支箱梁 +连续钢桁桥 + 预应力混凝土简支箱梁，全桥总长，桥面轨顶标高为。节间长度为，主桁采用加竖杆的三角形平行弦桁架，上平纵联和下平纵联均采用交叉形。桥梁跨长由第2章水文计算部分确定，要求满足河流排洪输沙的基本要求。主桥分孔时要考虑航道运输要求，结合水文条件，初步拟定主桥每跨为。图3-1 连续钢桁梁桥立面布置示意图（途中未注明单位一律为：）三跨连续梁桥跨度布置的原则是：边跨和中跨最大弯矩基本相等。混凝土连续梁桥中，自重所占比例比活载大，为使各孔弯矩达到平衡，跨度的合理比例是，这样可使自重产生的弯矩得以平衡。由于本设计中采用的是钢桁梁桥，自重所占的比例比较小，不需严格按照上述原则，同时为了美观，三跨连续钢桁梁桥布置成等跨形式。（2）横断面设计横断面设计主要参数如下：1）主桁架：本桥为双线桥，采用双片主桁，桁高，主桁中心距。2）主桁杆件：荷载比较大，主桁杆件大部分采用箱型截面，杆件宽度为 ，上下弦杆在各节间的高度相同，为，立柱不受力，采用h型截面。 3）桥面系：采用明桥面形式，横梁高度为，纵梁高度为，设道纵梁，纵梁间距2米，对称布置于线路中心线两侧。4）横向联结系：为增加桥梁整体横向刚度，应尽可能使楣杆下缘逼近桥梁建筑限界，横梁与楣杆间的距离为，采用工字型截面。图3-2 横断面图（单位: ）（3）基础墩台设计该桥所有桥墩均为圆端形空心墩，距墩顶有3的实心段，主墩顺桥向宽，横向宽。该桥下河床水文地质情况良好，考虑到河滩和主槽地质条件不同，河滩采用承台加桩基的形式，河槽采用承台扩大基础的形式，具体见1号图纸。（4）施工设计钢桁梁架设的方法主要包括悬臂拼装法、拖拉法及浮运法三种。三种方法各有优缺点，考虑到本桥施工时间段应为河流的枯水期，不易采用浮运法，又结合钢桥施工经验，本桥采用施工技术比较成熟的悬臂拼装法进行施工，这种方法在施工时，安装内力接近于设计内力，故安装时需要加强的杆件也较少，能节约工程费用和加快施工进度等。采用悬臂施工步骤主要有以下几点工厂内进行杆件的预制和部分杆件的预拼；现场吊机进行悬臂拼装作业和进行螺栓连接，应注意拼装的顺序及确保杆件稳定性； 安装支座，进行结构的体系转换。3.2.2 方案二：三跨双肢薄壁连续刚构桥（1）纵立面设计 方案二桥跨组成：预应力混凝土简支箱梁 +双肢薄壁连续刚构桥 + 预应力混凝土简支箱梁，全桥总长，桥面轨顶标高为。主桥部分，边跨，中跨，边跨与中跨的跨径之比为，在、桥墩处，墩梁固结在一起，可以使中墩内基本没有恒载偏心弯矩。中跨支点截面高，高跨比为，跨中截面高度为，跨中截面梁高为支点截面