《桥梁设计概述》PPT课件.ppt

第二章 桥梁设计概述 1、桥梁设计的基本原则 2、桥梁平、纵、横断面设计 3、桥梁设计方案比选 4、桥梁上的作用 桥梁设计的基本原则 第一节 桥梁设计的基本原则 桥梁设计的基本原则 桥梁的总体规划 基本原则：安全、适用、经济、美观和有利于环保。 桥梁设计的基本要求 （1）结构尺寸和构造上： 在强度方面：足够的安全储备； 在刚度方面：控制变形 稳定性方面：保持原形状和位置的能力。 桥梁设计的基本原则 （2）使用上的要求：适用耐久 保证在100年的设计基准期内正常使用 桥面宽度满足当前以及今后规划年限内的交通流量； 利于泄洪，通航（跨河桥）或车辆和行人的通行（旱桥）； 桥梁的两端方便于车辆的进入和疏散； 考虑综合利用，方便各种管线的搭载。 桥梁设计的基本原则 （3）经济上的要求：合理的经济 选择造价和养护费用综合最省的桥型； 遵循因地制宜，就地取材和方便施工的原则； 桥位应考虑建在能缩短河道两岸的运距，促进该地区的经济发 展，产生最大的效益；对于过桥收费的桥梁应能吸引更多的车辆 通过，达到尽可能快回收投资的目的。 （4）施工上的要求：技术先进 在因地制宜的前提下，尽可能采用成熟的新结构、新设备、新 材料和新工艺。 桥梁设计的基本原则 （5）美学和景观上的要求：美观 香港昂船州大桥 “桥能满足人们到达彼岸的心理 希望，同时也是使人印象深刻 的标志性建筑，并且常常成为 审美的对象和文化遗产” 摘自日本伊藤学的桥梁 造型一书 瑞士萨尔基那山谷桥（ Salginatobel Bridge） 被 评为20世纪最美丽的桥梁 桥梁设计的基本原则 和环境相协调 桥梁设计的基本原则 （6）环境保护和可持续发展 多方面考虑环境要求，采取 必要的工程控制措施，建立环 境监测保护体系，将不利影响 减至最小。 桥梁设计的基本原则 二、野外勘测与调查 桥梁调查 环境调查 施工单位调查 桥梁用途 桥位 老桥情况 地形，地质，水文 建筑材料 气象资料 造价 地方保护？ 桥梁设计的基本原则 三、桥梁设计程序 一阶段设计： 二阶段设计 三阶段设计 一阶段施工图设计 初步设计 施工图设计 初步设计 技术设计 施工图设计 桥梁平、纵、横断面设计 第二节 桥梁平、纵、横断面设计 桥梁平、纵、横断面设计 一、桥梁的平面设计 确定桥位：小桥和涵洞的位置与线型一般应符合路线的 总走向，为满足水文、线路弯道等要求，可设计斜桥和 弯桥；对于公路上的特大桥、大、中桥桥位，原则上应 服从路线走向，桥、路综合考虑，尽量选择在河道顺直 、水流稳定、地质良好的河段上。 桥梁的平曲线半径、平曲线超高和加宽、缓和曲线、变 速车道设置等，均应满足相应等级线路的规定。 尽量正交。 大、中桥 小桥 必须斜交时，交角不大于5度。 不大于45度 桥梁平、纵、横断面设计 桥梁平、纵、横断面设计 桥面纵坡 二、桥梁纵断面设计 桥梁总跨径的确定 桥梁的分孔 桥道各种标高的确定 桥梁平、纵、横断面设计 桥梁平、纵、横断面设计 1、 桥梁总跨径的确定 原则：在整个使用年限内，保证泄洪及通航，流冰；避免因过 分压缩河床引起河道和河岸的不利变迁；避免因桥前壅水及河 床过度冲刷带来的不利影响。 对于深埋基础，一般允许稍大一点的冲刷，使总跨径能适当减 小； 对于平原区稳定的宽滩河段，流速较小、漂流物少、主河槽较 大，可以对河滩的浅水流区段作较大的压缩，但必须慎重校核， 压缩后的桥梁的壅水不得危及河滩路堤以及附近农田和建筑物。 特殊： 桥梁平、纵、横断面设计 桥梁平、纵、横断面设计 2、桥梁的分孔 原则：在满足使用和技术要求的前提下，使上、下部结构的 总造价趋于最低。 (2) 平原区宽阔河流上的桥梁：通常在主河槽部分按需要布置较大 的通航孔，而在两侧浅滩部分按经济跨径进行分孔。 (1) 通航河流：应满足桥下的通航要求。通航孔应布置在航行最方 便的河域。对于变迁性河流，根据具体条件，应多设几个通航孔。 使用和技术要求 桥梁平、纵、横断面设计 桥梁平、纵、横断面设计 (3) 对于在山区深谷上、水深流急的江河上，或需在水库上修 桥时，应加大跨径，甚至采用特大跨径的单孔跨越。 (4) 从结构的受力特性考虑，合理地确定相邻跨之间的比例。 (5) 可以适当加大跨径避开不利的地质段。 (6) 上下游临近桥梁的情况 桥梁平、纵、横断面设计 3、 桥面高程的确定 原则： 满足流水净空的要求； 通航桥孔应满足通航净空的要求； 桥下通车桥孔应满足建筑净空限界的要求； 桥的两端能够与公路或城市道路顺利衔接。 桥梁平、纵、横断面设计 桥梁平、纵、横断面设计 l 通航净净空要求 为为了保证桥证桥 下安全通航，通航孔桥桥跨结结构下缘缘的标标高应应高出 自设计设计 通航水位算起的净净空高度。 l 流水净净空要求 按设计设计 水位计计算桥桥面最低高程： 最小桥面标高 =计算水位+ 桥下净空安全值+建筑高度 最小桥面标高 =通航水位+通航净空高度+建筑高度 桥梁平、纵、横断面设计 l 跨线桥桥线桥桥 下的交通要求: 保证桥下通车的净空安全 跨线桥： 最小桥面标高 = 桥下路面标高+安全行驶高+建筑高度 安全行驶高： 对于高等级公路H5.0m； 对于低等级公路H4.5m， 且h4.0m 桥下路面标高 b B H h 桥梁平、纵、横断面设计 4 桥面纵坡： 既利于交通，美观效果好，又便于桥面排水 单向或双向坡度的桥梁，对于不太长的小桥，可以做成平坡桥 桥上纵坡不宜大于4% 桥头引道纵坡不宜大于5% 位于市镇混合交通繁忙处的桥梁，桥上纵坡和桥头引道纵坡均 不得3%，并应在纵坡变更的地方按规定设置竖曲线 斯托尔马桥 桥梁平、纵、横断面设计 高速公路、一级公路路基标准横断面 1. 桥梁宽度根据 公路工程技术标准中规 定各级公路行车道宽度、 中间带宽度、路肩宽度 三、横断面设计 取决于桥面的宽度和不同桥跨结构横断面的形式。 2. 桥面净空满足公路工程技术标准中的建筑界线规定 桥梁平、纵、横断面设计 桥梁平、纵、横断面设计 桥梁平、纵、横断面设计 横坡 桥面 人行道 双面坡 1.5%3.0% 单面坡 1% 桥面净高： 对于高等级（高速公路、一、二级）公路H5.0 对于低等级（三、四级）公路H4.5m 3. 桥面横坡 桥梁设计方案比选 第三节 桥梁设计方案比选 桥梁设计方案比选 明确各种标高 的要求 桥梁分孔和初拟桥型 方案草图 方案初筛 详绘桥型方案 编制估算或 概算 方案选定和 文件汇总 最佳的推荐 方案 桥梁上的作用 第四节 桥梁上的作用 桥梁上的作用 长期以来，我们一般习惯地称所有引起结构反应的原因 为“荷载”，这种叫法实际并不科学和确切。引起结构反 应的原因可以按其作用的性质分为截然不同的两类，一类 是施加于结构上的外力，如车辆、人群、结构自重等，它 们是直接施于结构上的，可用“荷载”这一术语来概括。 另一类不是以外力形式施加于结构，它们产生的效应与结 构本身的特性、结构所处环境等有关，如地震、基础变位 、混凝土收缩和徐变、温度变化等，它们是间接作用于结 构的，如果也称“荷载”，容易引起人们的误解。因此， 目前国际上普遍地将所有引起结构反应的原因统称为“作 用”, 而“荷载”仅限于表达施加于结构上的直接作用。 作用的定义 桥梁上的作用 编号作用分类作用名称 1 永久作用（恒载） 结构重力（包括结构附加重力） 2预加应力 3土的重力 4土侧压力 5混凝土收缩及徐变作用 6水的浮力 7基础变位作用 8可变作用汽车荷载 9汽车冲击力 10汽车离心力 11汽车引起的土侧压力 12人群荷载 13汽车制动力 14风荷载 15流水压力 16冰压力 17温度(均匀温度和梯度温度)作用 18支座摩阻力 19偶然作用地震作用 20船舶或漂流物的撞击作用 21汽车撞击作用 作用的分类 桥梁上的作用 一、永久作用（恒载）一、永久作用（恒载） 1、永久作用（恒载）的定义 永久作用（恒载）作用位置和大小、方向固定不变 的荷载。 （二）桥梁下部结构的恒载：由支座传递下来的结构重力 、墩台本身的重力、土压力及水浮力等。 （一）桥梁上部结构的恒载：结构重力 、附属设备等外加 力。 2、永久作用的类型 桥梁上的作用 3、永久作用的计算 结构重力=结构体积 材料容重 结构重力 注意： 在进行桥梁结构分析时，通常需要预先估计恒载， 当估算的恒载与最终的设计恒载之间的差距不超过5%时 ，不必修正设计；否则，需重新进行结构分析。 常用材料容重见表2-3 桥梁上的作用 可变作用（活载）的定义 可变作用是指在设计使用年限内其作用位置、大小和方 向随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的作用 。 1.汽车荷载 2.汽车冲击力 3.汽车离心力 4.汽车引起的土侧压力 5.人群荷载 6.汽车制动力 可变作用（活载）的类型 7.风荷载 8.流水压力 9.冰压力 10. 温度(均匀温度和梯度温度)作用 11. 支座摩阻力 一、公路桥梁可变作用（活载）一、公路桥梁可变作用（活载） 桥梁上的作用 1. 汽车荷载 公路等级高速公路 一级公路 二级公路 三级公路 四级公路 汽车荷载等级公路I级公路I级 公路II级 公路II级 公路II级 各级公路桥涵的汽车荷载等级（新规范） 公路车辆荷载的类型 a.等级: b.由车车道荷载载和车辆车辆 荷载组载组 成 汽车荷载分为公路I级和公路II级。 汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载用于 桥梁结构的整体计算（例如主梁、主拱和主桁架等的计算 ）；车辆荷载用于局部加载、涵洞、桥台和挡土墙压力等 计算。 桥梁上的作用 c.车车道荷载载的标标准值值 均布荷载标准值： a) 公路级车道荷载 车道荷载图 集中荷载： 计算跨径小于等于5m时，180kN 计算跨径大于等于50m时，360kN 计算跨径在5至50m之间时，直线内插。 剪力效应应再乘以1.2的系数。 qk = 10.5kN/m 车道荷载标准值应取公路级汽车荷载的车道荷载 标准值的0.75倍 b)公路级车道荷载 桥梁上的作用 车辆荷载的立面、平面和横向分布 车辆荷载在每个设计车道上布置一辆总重550kN的单车。 公路I级和公路II级采用相同的车辆荷载标准值。 桥梁上的作用 车辆荷载的主要技术指标 152.5m车辆车辆 外形尺寸（长长宽宽） 0.60.2m中、后轮轮着地宽宽度及长长度 0.30.2m前轮轮着地宽宽度及长长度 1.8m轮轮 距 3+1.4+7+1.4m轴轴 距 2140后轴轴重力标标准值值 2120中轴轴重力标标准值值 30前轴轴重力标标准值值 550车辆车辆 重力标标准值值 技术术指标标单单位项项 目 表2-5 桥梁上的作用 桥梁设计时，每一设计车道上的车道荷载均模拟为 一车辆荷载，其横向位置如图布置，用以计算车道荷载 的横向分布。 横向布置 桥梁上的作用 设计车道数及车道折减 1）桥涵设计车道数应符合表2-6的规定。多车道桥梁上的汽车 荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车道数大于2时，由汽 车荷载产生的效应应按表2-7规定的多车道折减系数进行折 减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。 行车车道宽宽度W（m） 桥桥涵设计车设计车 道数 车辆单车辆单 向行驶时驶时车辆车辆 双向行驶时驶时 W7.0 7.0W10.5 10.5W14.0 14.0W17.5 17.5W21.0 21.0W24.5 24.5W28.0 28.0W31.5 7.0W14.0 14.0W21.0 21.0W28.0 28.0W35.0 1 2 3 4 5 6 7 8 桥涵设计车道数 表2-6 桥梁上的作用 横向布置设计车 道数345678 横向折减系数0.780.670.600.550.520.50 横向折减系数 表2-7 2）施加于长跨桥梁上的车道荷载，其计算效应考虑纵向折 减。当桥梁计算跨径L150m时应按表2-8规定的纵向折减 系数进行折减。当为多跨连续结构时，整个结构均应按最 大的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。 计算跨径L（m）纵向折减系数计算跨径L（m）纵向折减系数 150L400 400L600 600L800 0.97 0.96 0.95 800L1000 L1000 0.94 0.93 表2-8 纵向折减系数 桥梁上的作用 人群荷载标准值按下列规定采用： 1）当桥梁计算跨径L50m时，人群荷载标准值为3.0 ； 当桥梁计算跨径L150m时，人群荷载标准值为2.5 ； 当桥梁计算跨径在50m和150m之间时，由线性内插得到人群 荷载标准值。对跨径不等连续结构，以最大计算跨径为准。 城市郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取上述 规定值的1.15倍。 专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5 。 2.人群荷载 2）人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加 于使主梁产生最不利荷载效应的区段内。 3）人行道板（局部构件）可以一块板为单元，按标准值 为4.0 的均布荷载。 4）计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准 值取0.75 ；作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1.0 。 桥梁上的作用 二、城市桥梁可变作用二、城市桥梁可变作用 1. 车辆荷载 汽车荷载等级分为两个等级，即城-A级汽车荷载和城-B级汽车荷载。 城市桥梁汽车荷载可分为车辆荷载和车道荷载。桥梁的横隔梁、行 车道板、桥台或挡土墙后土压力的计算应采用车辆荷载。桥梁的主梁、 主拱和主桁架等的计算应采用车道荷载。当桥面车行道内有轻轨车辆混 合运行时，尚应按有关轻轨荷载规定进行验算，并取其最不利者进行设 计。 桥梁上的作用 城-A级标准载重汽车应采用五轴式货车加载，总重700KN前后轴 距为18.0m，行车限界横向宽度为3.0m。 桥梁上的作用 城-B级标准载重汽车应采用三轴式货车加载，总重300KN，前后轴 距为4.8m，行车限界横向宽度为3.0m。 桥梁上的作用 城A级车道荷载和城B级车道荷载应按均布荷载加一个集中荷载计算 。均布荷载和集中荷载的标准值应按桥梁的跨径确定，并应符合下列规定： 跨径为220m时 桥梁上的作用 桥梁上的作用 跨径大于20m且小于等于150m时 桥梁上的作用 桥梁上的作用 车道荷载横向布置 桥梁上的作用 当设计车道数目大于2时，应计入车道的横向折减系数，车道横向 折减系数可按表4.1.6采用。加载车道位置应选在结构能产生最不利的 荷载效应之处。车道的纵向折减不予考虑。 桥梁上的作用 2. 人群荷载 城市桥梁的人群荷载： 桥梁上的作用 专用人行桥的人群荷载 桥梁上的作用 计算桥上人行道栏杆时，作用在栏杆扶手上的活载： 竖向荷载采用1.2kN/m；水平向外荷载采用1.0kN/m。两者应分别 考虑，不得同时作用。 作用在栏杆立柱柱顶的水平推力应为1.0kN/m。防撞栏杆应采用 80kN横向集中力进行验算。作用点应在防撞栏杆板的中心。 桥梁上的作用 1、地震作用 定义：指地震时强烈的地面运 动引起的结构惯性力，它是随 机变化的动力荷载，其值的大 小决定于地震强烈程度和结构 的动力特性（频率与阻尼等） 以及结构或杆件的质量。 三三 偶然作用偶然作用 地震基本烈度与地震动动峰值值加速度系数的对应对应 关系 地震动动峰值值 加速度系数 0.05g0.05g0.10 g0.15g0.20g0.30g0.40g 地震基本烈 度 设计设计要求简简易设设防抗震设计设计专门专门的抗震研 究和设计设计 抗震设防要求以地震时地面最大水平加速度的统计值即地震 动峰值加速度确定。 桥梁上的作用 2、船只或漂流物撞击力 船只或漂流物撞击力在有 可能的条件下，应采用实测资 料或模拟撞击试验进行计算， 并