毕业设计600m斜拉桥设计

本科毕业设计说明书 题 目： 圣阳桥设计 院 （部）： 交通工程学院 专 业： 交通工程 班 级： 交通工程 091 姓 名： 孙庆军 学 号： 2009011181 指导教师： 范伟 完成日期： 2013 年 6 月 15 日 山东建筑大学毕业设计说明书 I 目 录 摘 要 . . V 第 1 章 绪 论 . - 1 - 拉桥发展概述 . - 1 - 第 2 章 初步设计 . - 3 - 计资料 . - 3 - 程概述 . - 3 - 术标准 . - 3 - 要材料 . - 3 - 区自然概况 . - 3 - 位平面图、河床剖面图 . - 4 - 案构思 . - 6 - 案比选 . - 8 - 第 3 章 桥梁上部结构及塔墩设计 . - 10 - 料选择 . - 10 - 体设计 . - 10 - 梁设计 . - 11 - 拉索设计 . - 12 - 塔设计 . - 12 - 部结构构造 . - 13 - 体分析 . - 13 - 算原则 . - 13 - 算作用 . - 14 - 寸拟定建模计算 . - 15 - 梁配筋及索力优化 . - 23 - 第 4 章 桥梁基础工程设计 . - 31 - 山东建筑大学毕业设计说明书 计资料 . - 31 - 择桩端持力层、承台埋深、拟定桩长 . - 31 - 桩设计、确定承台尺寸 . - 31 - 定单桩承载力特征值 . - 31 - 选桩的根数 . - 32 - 选承台尺寸 . - 32 - 桩受力验算 . - 32 - 台配筋计算及承台受力验算 . - 34 - 台配筋计算 . - 34 - 台受力验算 . - 35 - 第 5 章 圣阳桥施工组织设计 . - 39 - 程概况 . - 39 - 拉桥概况 . - 39 - 要工程数量 . - 39 - 程特点 . - 39 - 拉桥施工方案 . - 39 - 孔灌注桩基础施工 . - 40 - 台 钢筋加工及安装 . - 43 - 拉桥主塔施工 . - 44 - 篮悬浇施工 . - 45 - 拉索的安装 . - 49 - 拉索的张拉工艺 . - 50 - 工控制 . - 51 - 工控制的目的 . - 51 - 工控制的原则 . - 51 - 工控制的组织形式 . - 52 - 第 6 章 毕业设计总结 . - 53 - 致 谢 . - 54 - 山东建筑大学毕业设计说明书 考文献 . - 55 - 山东建筑大学毕业设计说明书 要 本设计根据设计任务要求 ,依据现行公路桥梁设计规范 ,兼顾 技术先进，安全可靠，适用耐久，经济合理 的原则，提出了预应力混凝土双索面独塔斜拉桥、预应力混凝土连续刚 构 两个 比选桥型。综合各个方案的优缺点并考虑与环境协调，把预应力混凝土双索面独塔斜拉桥作为推荐设计方案。 主梁是斜拉桥的重要基本承载构件之一，主梁的强度、刚度和稳定性直接影响到全桥的刚度和稳定性，因此本设计 利用 桥梁博士 建模， 进行了索力调整， 并 对结构细部尺寸拟定， 进行静活载内力计算、配筋设计及控制截面应力验算、 变形验算等， 经验算表明该设计计算方法正确，内力分布合理，符合设计任务的要求。 然后进行下桥梁下部结构的设计，重点对桥塔下部基础进行了设计。 该计算仅仅是斜拉桥设计的一部分，通过本设计为将来桥梁施工或是设计 打下基 础。 关键词 ： 独塔双索面斜拉桥 ； 桥梁博士建模 ； 索力调整 ； 成桥合理状态 ； 桩基础 山东建筑大学毕业设计说明书 V to on I to of I as a is of of of r. to of s I of of I is is in of of on of I is a of of a of my or r. a of 东建筑大学毕业设计说明书 - 1 - 第 1 章 绪 论 拉桥发展概述 早在悬索桥出现的同时 ,工程师就提出了斜拉桥的概念。斜拉桥是一种桥面体系受压，支承体系受拉的桥梁。其桥面系由加劲梁构成，其支承体系由钢索组成。斜拉桥在世界范围内的应用从 20世纪 50年代开始，在 90年代迅速发展，其跨径已经进入以前悬索桥适用的大跨径范围内。结构分析的进 步、高强材料和施工方法及防腐技术的发展对于大跨径斜拉桥的发展起到了关键性推动作用。 拉桥结构概述 斜拉桥的基本承载构件是由主梁、桥塔和斜拉索三部分组成。实际设计时三者是密不可分的，三种基本承载构件以不同的方式影响结构的总体性能。塔、梁及索的不同变化和相互组合，可以构成具有各自结构性能且力学特点和美学效果突出的斜拉桥。 斜拉桥的主要特点是利用由桥塔引出的斜拉索作为梁跨的弹性中间支承 ,借以降低梁的截面弯矩、减轻梁重和提高 桥 梁的跨越能力。但斜拉索对主梁的弹性支承作用只有 在 拉索处于拉紧状态才能发挥出来，因此 ，必须在承受荷载之前对拉索进行预拉。这样的预拉 力 还可以减小斜拉索的应力变化幅度，提高斜拉索的刚度，从而改变结构的受力状态。此外，斜拉索的水平分力对主梁产生轴向预施压力的作用可以增强主梁的抗裂性能，节约高强钢材的用量。 斜拉桥与悬索桥的区别在于：斜拉桥主梁上的荷载是通过锚固点直接传至斜拉索上，而悬索桥则是经由吊索传至柔性承重索，因而两者的结构刚度有较大的差别。一般悬索桥的承重索系锚固在桥台或台后专设的地锚上，主梁不承受轴力，而斜拉桥的主梁承受巨大的轴向力，形成偏心受压构件。斜拉桥可以进行内力调整，以获得合理的 内力分布。斜拉桥的刚度很大程度上取决于斜拉索的刚度，因此，改变斜拉索的张拉力、间距和数量，不仅可以调整主梁的截面内力，也可以改变桥梁的刚度。 拉桥施工概述 塔和基础的施工 目前我国所修建的斜拉桥无论采用何种形式的索塔，均采用钢筋混凝土结构。近年来大多采用简易支架或无支架施工法，索塔的施工模板相继出现了滑模、提模、翻山东建筑大学毕业设计说明书 - 2 - 模和爬模工艺，其中爬模的造价最低，浇注节段高可达 6m 10m，施工速度快，且外观也较光滑。 梁的施工 主梁的施工一般采用挂篮对称悬拼或悬 臂 浇 筑 施工，对于钢主梁和叠 合梁采用工厂加工制造，现场起吊拼装形成；预应力混凝土主梁大多采用挂篮现浇或支架现浇，少数采用预制拼装。挂篮悬 现 浇法由于造价较低，且主梁线形易于控制，采用较为广泛。在我国，挂篮悬 现 浇从后支点发展到前支点，从小节距发展到大节距，从轻型发展到超轻型，从节段施工周期 15天发展到最快 4天，技术已逐渐成熟。牵索式挂篮的采用提高了挂篮承载能力，加快了施工速度。 索的施工 索的加工 拉索一般采用热挤 多采用整束集中防护张拉，但也有个别采用半平行钢绞线分束防护与张拉。 拉索的锚头有冷铸镦头锚、热铸锚、镦头锚和夹片式群锚等几种，大多采用冷铸镦头锚。 拉索的张挂、牵引和张拉 一般采用放盘法自下而上牵引到位或采用整盘吊装上梁后然后牵引上塔，穿完索后安装锚具再进行张拉，一般均采用两到三次张拉到位。 拉桥的发展方向 斜拉桥今后将逐渐向密索体系发展，由于密索斜拉桥中许多索的自振周期不一样，它们互相干扰，不易产生共振，使风振的危险降低。拉索也倾向于采用较细的拉索，这样可以减轻拉索的自重，减小拉索垂度对结构的非线性影响。桥塔原先多采用钢结构，现在则越来越多地采用混 凝土结构。结构的计算考虑结构非线性分析和模拟施工、安装、运营过程的结构仿真分析。 山东建筑大学毕业设计说明书 - 3 - 第 2 章 初步设计 设计资料 工程概述 该桥起点桩号 点桩号 长 。 该 桥 平面部分 位于直线 段 上。 技术标准 （ 1） 设计车速：主线 80km/h （ 2） 荷载等级：公路 级 （ 3） 地震烈度：基本烈度为 级 （ 4） 设计洪水频率： 1/300 （ 5） 桥梁宽度：宽度 （防撞栏杆） +（车行道） +央分隔带） +（车行道） +（防撞栏杆） ； （ 6） 通航净空：库区规划航道级通航标准； （ 7） 库区蓄水后正常水位： 、 主要材料 按照规范执行。 桥区自然概况 1） 气象、水文 该桥 区附近无气象站， 附近 的苍溪县设有苍溪气象站，其气候特征可代表桥址区的气候条件。苍溪县位于四川盆地北缘深丘，嘉陵江中游，属亚热带季风性湿润气候。其主要特征为：气候温和，光照充足，雨量充沛，四季分明。 据苍溪气象站 1961 1990年的资料统计，其特征为： 多年平均气温： ； 极端最 高气温： ； 极端最低气温： ； 多年平均年降水量： 实测最大降水量： 实测最小降水量： 历年一日最大降水量： 山东建筑大学毕业设计说明书 - 4 - 多年平均相对湿度： 74%； 历年最小相对湿度： 7%； 多年平均风速： s； 最大风速： s； 多年平均年蒸发量： 2） 通航标准 ： 级 。 3） 地质 状况 见 下面桥位平面图、河床剖面图 。 桥位平面图、河床剖面图 山东建筑大学毕业设计说明书 - 5 - 岩层产状:1503岩层产状:1503岩层产状:1503岩层产状:1503岩层产状:1503岩层产状:1503岩层产状:1503山东建筑大学毕业设计说明书 - 6 - 案构思 根据拿到的地形地质图， 并 根据 设计技术指标 以及通航要求， 进行桥梁设计。设计中除 考虑到公路桥涵的设计要 尽可能做到 技术先进，安全可靠，适用耐久，经济合理外， 还 充分考虑 了 景观要求 。本次设计 拟定了以下两 个比选方案 进行方案比选。 1、 对称双索面独塔斜拉桥： 36 6. 11 9630036 0600001400030000 300006008000110033003007625400300800图 塔斜拉桥 a) 300m+300m=600m 对称布跨，采用半漂浮体系，塔高 140m，塔高 用钻石型塔，主梁上斜拉索的标准索距为 8m，索塔上斜拉索的索距为 6=54m,桥面纵坡 2%， 见 图 b) 主梁 采用半封闭双箱截面，如图 高是 3m，是主跨的 1/100，面净宽宽度 （防撞栏杆） +（车行道） +（中央分隔带） +（车行道） +（防撞栏杆） ,桥面横坡为 2%。梁两侧箱室成三角形，起到导风的作用，提高主梁的抗风能力，双索面斜拉索来抵抗梁的扭转作用。 图 横隔梁 主梁 截面 山东建筑大学毕业设计说明书 - 7 - 图 横隔梁 斜拉桥主梁截面 注 以上两 图中尺寸以米计 2、 双薄壁连续刚构： 图 续刚构布置图 注 图中尺寸以厘米计 a) 主跨 径的拟定： 主跨径定为 270m，边跨采用 150 米 +100 的 边 跨径，桥梁全长为150+270+100=520m，见图 b) 顺桥向梁的尺寸拟定 墩顶处梁高：根据规范，取 L/18,即 15m。 跨中梁高：根据规范，梁高为 1/30 1/60L，取 L/54,即 5m。 梁底曲线：选用二次抛物线。 c) 梁 截面的尺寸如下图 东建筑大学毕业设计说明书 - 8 - 图 构桥跨中 截面图 注 图中尺寸以 毫 米计 图 构桥支座 跨中 截面图 注 图中尺寸以 毫 米计 方案比选 方案一 独塔斜拉乔方案 ： 斜拉桥拉索的作用相当于在主 梁跨内增加了若干弹性支撑，从而减小了梁内弯矩、梁体自重，从而减小梁体尺寸。施工技术较成熟。独塔斜拉桥只有一个大型基础，在施工过程中主梁恒载主要 由索塔承担，两侧边墩 荷载较山东建筑大学毕业设计说明书 - 9 - 小， 无水平推力。行车平顺，但后期营运养护费用高 。方案造型美观，气势宏伟，跨越能力强， 140米的主塔充分显示其高扬特性，与周围环境协调好，因此，选择独塔双索面对称斜拉桥作为设计方案。 方案二 连续刚构方案： 综合了连续梁桥和 T 型刚构桥的受力特点，上部结构受力性能同连续梁桥一样，而薄壁墩底部所承受的弯矩，梁体内的轴力随着墩高的增大而急剧减小。其弯 矩分布合理。采用挂篮悬臂浇注施工；不需大量施工支架和大型临时设备，桥梁施工受力状态与运营受力状态基本相近。施工机械化程度高，技术先进，方法简便工艺要求较严格。两个墩可以同时进行施工，施工进度快，占用施工场地少。无须支座，节省大型支座费用。结构刚度大，变形小，主梁变形挠曲线平缓。 连续刚构对地基承载力要求较高。后期营运养护费用少，但其高跨比例不是很协调，影响桥型美观 ，而且悬臂施工风险大， 本次设计放弃该方案。 山东建筑大学毕业设计说明书 - 10 - 第 3 章 桥梁上部结构及塔墩设计 材料选择 1、 混凝土 ： 预应力混 凝土主梁的混凝土强度等级为 塔为 墩墩身为 台和两边 边墩 都 采用钢筋混凝土结构， 承台 混凝土强度等级为 边墩为 基混凝土强度等级为 、 预应力钢材 ： 主梁内的预应力筋除了施工阶段顶板有 32 的精轧螺纹粗钢筋外，其他均为 04 规范中的高强的松弛钢绞线，标准强度 1860 性模量为 E=510 应力管道均采用预埋 波纹管成型， 采用 3、普通钢筋： 肋钢筋 , 4、 斜拉索 ： 该桥采用扭绞型平行钢丝斜拉索，由 7强平行钢丝组成，抗拉强度标准值670性模量为510 拉索外面包双层护套，内层为黑色高密度聚乙烯，外层为彩色高密度聚乙烯，锚具为冷铸墩头锚。 5、 桥面铺装 ： 8防水混凝土 +4重 233m 。 6、 支座 ： 7、 伸缩缝 伸缩装置。 总体设计 根据通航的要求，以及道路的通行能力，采用双向四车道布置。其设计车速为80km/h，处在高速公路上禁止非机动车辆和行人。 采用独塔斜拉桥，其桥塔拟定了门式塔，型塔 和钻石型塔 三种方案。门式塔的景观效果不佳， H 型塔整体刚度不好，切需要很大的下部基础，钻石型塔不仅美观，而且整体刚度高，抗风性能好，经过比较采用钻石型塔。 为方便施工，降低造价， 减轻主梁自重， 主梁采用 半封闭双箱 主梁截面，预应力混凝土结构。为了 不削弱主梁的受力截面积，斜拉索锚固在主梁的 两侧 。 桥面铺装采用沥青混凝土，并设 2%的横坡来满足排水要求。 跨径组成为 300 m+300 m=600m,对称布跨，塔高 140 m，塔高 小主梁的弯矩，斜拉索 索距较密，为密 索体系，扇形布置，主梁上斜拉索的标准索距为 8m，索塔上斜拉索的索距为 36=54 m。 山东建筑大学毕业设计说明书 - 11 - 斜拉索采用扇形布置，双索面 与桥面组成三角形 。 考虑到桥位处的地形条件，即桥面设计标高很高， 塔墩有 80多米 高 ，主梁采用挂篮悬臂浇筑法施工。索塔采取 爬模施工 法 。 支撑体系作为结构的边界条件，其选型布置是非常重要的。本桥采用塔墩梁 半固结体系，该斜拉桥属于 半漂浮 体系。这种体系应用在独塔斜拉桥中有很大的优势，无论是桥梁的建设中便于悬臂施工，还是桥梁的运营状态的性能都很好，由于是独塔，温度荷载对其的影响不像双塔斜拉桥那样巨大。 主梁设计 1、 主梁采用半封闭双箱截面，如图 高是 3m，是主跨的 1/100，梁总宽26.9 m，桥面净宽宽度 （防撞栏杆） +（车行道） +（中央分隔带） +（车行道） +（防撞栏杆 ） ,桥面横坡为 2%。梁两侧箱室呈 三角形，起到导风的作用，提高主梁的抗风能力，双索面斜拉索来抵抗梁的扭转作用。 2、 截面见图 横隔梁截面 注 图中尺寸以米计 图 横隔梁斜拉桥主梁截面 注 上 图中尺寸以米计 山东建筑大学毕业设计说明书 - 12 - 纵向每隔 8 斜拉索锚固点处），横梁的设置主要考虑活载的横向分布以及桥面板的受力，斜拉索的锚固，以及增强桥梁的横向刚度，横梁的位置和斜拉索的锚固相对应。本桥的横梁的厚度为 30 斜拉索设计 该桥的主塔为 截面为矩形 空腹结构，上塔柱为斜拉 桥锚固区，主梁上的基本索距为 8.0 m，索塔上的基本索距为 1.5 m，最 外侧 斜拉索的倾角为 ，为减小斜拉索的风振，雨振，在每根斜拉索上设有减震器。主桥斜拉索独塔共 72 根，塔端采用 锚固型锚具，梁端采用张拉 端锚具。在张拉过程中，斜拉索采用主塔端 锚固 ，主梁端 张拉 。该桥采用扭绞型平行钢丝斜拉索，由 7 强平行钢丝组成，抗拉强度标准值670拉索外面包双层护套，内层为黑色高密度聚乙烯，外层为彩色高密度聚乙烯 ，锚具为冷铸墩头锚。斜拉索断面如图 图图 索断面图 主塔设计 索塔采用造型美观的 钻石 型塔，钢筋混凝土结构。 钻石 型塔造形 美观 ，由于塔柱斜度较小，施工比较方便。 索塔自承台顶到索塔顶的高是 223m，桥面以下部分塔 墩 高 m ，塔高 同 跨径的比为 面以上 横梁， 梁高 2.0 m， 主 梁底设一 中 横梁， 梁高2 m， 用于支撑主梁以及 增强索塔 横向 的稳定性。 索塔在梁底的部分称为塔 墩 ，梁底以上 上 横梁以下部分为 下 塔柱， 上 横梁以上部分为上塔柱。上， 下 塔柱 斜腿 采用单箱单室 ，顺桥向 6.0 桥向 4.0 m。上横梁采用箱室截面，下横梁为预应力混凝土结构，主梁 支撑 在下横梁 上 。细部尺寸如图 合包带拉索外径钢丝束最大外径黑色 色 - 13 - 4001345 134530019002006002001380083001000600正立面图侧立面图80020072006600830022300800 800 80024002400400 3000图 塔构造图 下部结构构造 根据地质条件，该桥选用桩基础，桥墩下 16根直径 3 受力形式为端承桩，桩端嵌入基岩 2 m。承台尺寸 33 m 33 m，承台厚 11 m。 整体分析 算原则 斜拉桥的结构分析计算，根据跨度的大小采用两种不同的理论。对于特大跨径的斜拉桥，为消除斜拉索及大变位引起的非线性因素的影响，必须采用有限变形理论；山东建筑大学毕业设计说明书 - 14 - 对于中 小跨径的斜拉桥，采用小变形理论即可获得满意的结果。平面杆系有限元法是计算斜拉桥内力的基础，其基础理论是小变形理论。 在计算斜拉桥的内力及变形时，一般把空间结构简化成平面结构，但应计算荷载横向分布对结构 的影响，以考虑结构的空间效应。而斜拉桥结构较柔，拉索的布置形式对 主梁抗扭刚度有影响，故在计算荷载横向分布系数时应综合考虑。本设计在计算斜拉索和索塔的内力时，采用杠杆法来考虑荷载的横向分布系数。 斜拉桥的内力及变形分析主要是斜拉索和索塔，所承受的荷载包括一期恒载，二期恒载，活载，温度荷载，支座沉降，预应力，斜拉索 的初拉力，混凝土的收缩徐变等 。 本设计采用 桥梁博士 算作用 1、 设计作用 永久作用：结构自重，预加力，混凝土的收缩徐变作用，基础变位作用； 可变作用：公路 级荷载，温度作用。 2、 自重 （ 1）一期自重 ： 主梁混凝土容重为 N/ 3m 。 （ 2）二期自重 ：二期自重是结构体系完成之后，沥青混凝土铺装和防 栏按均布荷载作用在杆件元上。其中桥面铺装： *24=m 防撞护栏： 5 KN/m 合计： 2q =N/m 3、 汽车荷载 （ 1）设计荷载 公路 I 级车道荷载的均布荷载标准值为 q=N/m；集中荷载标准值 360 若计算剪力效应时， 中荷载标准值 36032 （ 2）横向折减系数 本斜拉桥横向布置设计车道数为 4，取横向折减系数 （ 3）纵向折减系数 ： 本桥主跨的计算跨径 296 m，取 桥 纵向折减系数 为 山东建筑大学毕业设计说明书 - 15 - （ 4）冲击系数 独塔斜拉桥 的竖向弯曲基频： 1f = 式中 1f 竖向弯曲基频（ l 斜拉桥主跨跨径（ m）。 l =296m， 1f = 1f ， = （ 5） 横向分布系数 ： 横 向分布系数应为 4 x 车道的横向折减系数） x 计算而得的偏载系数） 跨径的纵向折减系数） = 汽车的横向分布系数已经包含了汽车车道数的影响 ， 横向分布系数计 = 4、 温度作用 ： 均匀温度取 +15， 最高温度为 低温度为 梁的日照温差按桥面板升温 5计。 寸拟定建模计算 1、 拟定主梁及桥塔形状 根据桥 梁的跨径，参照规范给定的尺寸确定依据，确定主梁的截面 （一单元左截面图） 尺寸如下图 200269001单 元左截面 1:10 03500 12000 3500 39503000620图 梁尺寸图 山东建筑大学毕业设计说明书 - 16 - 60003500 12000 3500 395030006206190 17940 619081904000 7170 40004000 40006000150010001单元左截面1:10037 8单元左截面1:10040 0单元左截面1:10050 0单元左截面1:100图 墩 典型单元截面图 横隔梁间距为 8m,截面尺寸如下图 50402601345 1345515451110451200 350 395454580910220图 横隔梁断面图 桥 梁 两侧边墩为空心墩，除顶部过渡段外，其余截面为等截面，截面图如下图 东建筑大学毕业设计说明书 - 17 - 50050010001500500500150010005001500500500500150059 9单 元左截面60 0单 元左截面60 1单 元左截面60 2单 元左截面4000400040003500350035004000190001000图 墩典型截面尺寸图 2、 确定塔高及拉索锚固位置 公路斜拉桥设计规范 定，且边索与水平线夹角控制在 25之间，基于此，设定塔高为 140m，边索锚固在 X 坐标为 4m 及 596m 处，另外，尽量提高塔的高度有利于加大拉索与纵桥向的夹角，进而减小斜拉锁的拉力，降低拉索的截面积，降低造价。 拉索在主梁上及塔墩上的锚固间距参考国内已经建成相似跨径的桥梁，拟定为主梁上间距为 8m，索塔上间距为 3、 使用桥梁博士建立模型 山东建筑大学毕业设计说明书 - 18 - 首先建立项目组，然后创建一个项目，选定位置保存。 输入总体信息，各种信息从略 。 输入单元信息，截面形式采用坐标输入法。因为梁是等截面的，所以输入一次后，可以存入文件，以便下一次快速输入。主梁仅需编辑无横隔梁和有横隔梁处 的截面图形即可。建好一定长度的梁后，便可以采用快速编辑的方式把主梁模型建好，包括平移和对称两种方式。 主梁建完后，再建桥塔的模型，考虑到拉索的锚固，除顶端外，每 为桥塔两腿之间距离是变化的，所以建模比较复杂，需要用 算出每个节点处两腿之间的距离。 建立拉索的模型，用快速编辑法建完一侧的拉索后，用对称的方法建立另一侧的拉索。 拉索建好之后，对两侧边墩建模。 建完模型之后，输入施工信息，这一步是用软件模拟实际施工过程中的各种情况， 分析结构施工中的受力情形，以便对结构进 行配筋设计。按实际情况输入施工信息，包括挂篮信息，梁段的浇筑信息，施工中涉及两次张拉索力，第一次是用拉索来锚固挂篮， 第二次是张拉用来锚固梁段，对浇筑的悬臂梁提供支撑力， 拉索初始张拉力拟定为 1500次张拉力根据拉索的角度以及梁段的自重确定，以为悬臂梁提供竖向支撑力为原则。 最后一阶段加二期横载，并进行成桥索力调整。 施工过程中阶段图形如下图 山东建筑大学毕业设计