桥梁毕业设计-延新大桥设计

哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 毕业设计 设计题目延新大桥 学生姓名丁贵军 专业班级混凝土构件工程技术一班 指导教师王旭伟 城市轨道交通学院 2012年5 月2 日 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 2 哈尔滨铁道职业技术学院 毕 业 设 计 开开题题报报告告 专业班级混凝土构件工程技术一班 设计方向延新大桥 学生姓名丁贵军 指导教师审查意见： 指导教师签字： 年月日 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 3 延新大桥设计 一、选一、选题的背景与意义题的背景与意义 毕业设计（论文）是高等工科院校培养计划中最后一个重要教学环节，是毕业前的 综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全 面总结。目的是使学生在学完培养计划所规定的基础课、技术基础课及各类必修和选修 专业课程之后，通过毕业设计这一环节，较为集中和专一的培养学生综合运用所学的基 础理论，基本知识和基本技能，分析和解决实际问题的能力。和以往的理论教学不同， 毕业设计是要学生在老师的指导下，独立地，系统地完成一个工程设计，以期能掌握一 个工程设计的全过程， 在巩固已学课程的基础上， 学会考虑问题、 分析问题和解决问题， 并可以继续学习到一些新的专业知识，有所创新。 国内外研究现状：国内外研究现状： 随着交通事业的进一步发展，桥梁设计的要求越来越高。跨线桥在设计、建设过程 中对桥下净空，桥梁的建筑高度有很多的限制。这样采用混凝土梁桥、刚构就不能满足 这一要求，而斜拉桥确可以满足以上要求。 斜拉桥将主梁， 拉索和主塔以不同形式组合形成不同的结构体系以适应不同的地形 地质条件。该桥型有结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型美观、 抗震能力强等优点而成为最富有竞争力的主要桥型之一。 现在国内的斜拉桥正向世界一流水平推进，在推进过程中有两个问题需要认真研 究：一是施工过程中，未合龙前结构抗风问题；二是斜拉桥梁和塔的稳定问题。前者主 要通过施工措施加以解决，后者主要通过理论研究得到解决。国内有许多专家学者正在 进行深入的研究。 二、毕业设计的主要内容毕业设计的主要内容 设计的主要内容：设计的主要内容： 1、根据设计任务书要求，综合考虑地质地形条件、经济条件、景观条件以及交通 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 4 条件，结合工期要求进一步对斜拉桥、拱桥和连续钢构等进行了进一步比较，最后确定 以斜拉桥为推荐方安。 2对推荐方案进行结构设计：桥梁总体布置，合理选择建筑材料，拟订结构与构 件的几何尺寸，通过 midas civil 桥梁计算软件建模。 3对模型进行索力调整，进行成桥及施工阶段的内力计算，并进行内力组合。 4通过手算计算并评价桥梁的抗风与抗震性能。 5绘制上部结构的一般构造图、钢筋构造图及施工示意图。 6. 编写设计计算书。 本次设计拟借助计算机、MIDAS CIVIL 软件、桥梁 CAD 软件、图板、丁字尺等工具。 三、参考文献三、参考文献 1 公路工程技术标准； 2 公路桥涵设计规范； 3 公路桥涵标准图； 4 公路桥涵设计手册； 四、设计时间安排四、设计时间安排 （1）确定题目：2012 年 5 月至 2012 年 5 月 （2）现场调研：2012 年 4 月至 2012 年 4 月 （3）查阅文献：查阅有关组合梁的书籍、期刊等资料，根据公路桥规 、 钢 桥规 、 桥梁工程和组合梁相关资料等进行总体布置、尺 寸拟定。 （4）资料整理分析：根据所学的知识，利用 MIDAS CIVIL 软件等进行内力计 算；根据结构设计原理 、 工程力学和材料力学等 的原理进行手算验算与调整； （5）编写设计、总结：2012 年 5 月至 2012 年 5 月 （6）打印、提交、送审设计，准备答辩：2012 年 6 月 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 5 哈尔滨铁道职业技术学院哈尔滨铁道职业技术学院 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 设计题目延新大桥 学生姓名丁贵军 专业班级混凝土构件工程技术一班 指导教师王旭伟 城市轨道交通学院 年月日 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 6 题目名称题目名称：延新大桥 任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求） 设计的主要内容：设计的主要内容： 1、根据设计任务书要求，综合考虑地质地形条件、经济条件、景观条件以及 交通条件，结合工期要求进一步对斜拉桥、拱桥和连续钢构等进行了进一步比较， 最后确定以斜拉桥为推荐方安。 2对推荐方案进行结构设计：桥梁总体布置，合理选择建筑材料，拟订结构 与构件的几何尺寸，通过 midas civil 桥梁计算软件建模。 3对模型进行索力调整，进行成桥及施工阶段的内力计算，并进行内力组合。 4通过手算计算并评价桥梁的抗风与抗震性能。 5绘制上部结构的一般构造图、钢筋构造图及施工示意图。 6. 编写设计计算书。 本次设计拟借助计算机、MIDAS CIVIL 软件、桥梁 CAD 软件、图板、丁字尺等 工具。 本设计的难点及解决办法：本设计的难点及解决办法： 难点一：结构细部几何尺寸拟订 解决办法：参照已建成的相同桥型，相近跨径、桥宽、荷载标准的桥梁的截面 尺寸根据方案的具体情况进行设计。 设计时要考虑受力、 构造、 施工等方面的因素。 难点二：结构内力计算 解决办法：计算恒载内力时，精确模拟各个施工阶段（安装单元、拆除单元、 张拉预应力、移动挂篮等）的受力，反映在结构约束、荷载列向量和总刚度矩阵等 随施工阶段而发生变化。 悬臂施工涉及到非常多的施工工况， 且预加力和徐变产生 的次内力的计算较复杂，故设计时可借助桥梁电算程序完成。 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 7 设计计划用设计计划用 4 4 周的时间来完成，具体安排如下：周的时间来完成，具体安排如下： 第 1 周，根据地形、交通环境等条件建立比选方案，进行桥型方案比选，确定 以斜拉桥为推荐方案；查阅有关组合梁的书籍、期刊等资料，根据公路桥规 、 钢桥规 、 桥梁工程和组合梁相关资料等进行总体布置、尺寸拟订； 第 2-3 周根据所学的结构设计原理 、 桥梁工程知识，利用 MIDAS CIVIL 软件等进行内力计算；根据结构设计原理 、 结构力学和材料力学等的原 理进行手算验算与调整； 第 4 周，进行结构稳定与动力分析；最后完成计算书书写及图纸绘制，准备答 辩。 设计完提交的文件和图纸：设计完提交的文件和图纸： 1 1、计算说明书部分：、计算说明书部分： 1. 中英文摘要：摘要要写清设计概况及主要内容。 2设计说明：要写清设计背景、技术指标、采用的规范标准、使用的材料、 设计要点、施工方法。 3计算内容：基本原理、公式、参数取值或来源，以及主桥上部结构施工程 序示意图，主要作用效应图、组合包络图、验算结果以及施工阶段包络图、施工预 抛高等。 2 2、图纸部分：、图纸部分： 1. 桥梁方案比选图（包括纵、横断面） 。 2. 推荐方案总体布置图（包括立面、平面、横断面） 。 3. 一般构造图。 4. 预应力钢筋布置图。 5. 桥梁施工程序示意图。 其中： 参考文献篇数：篇 图 纸 张 数：张 说明书字数：4560字 专业负责人意见：专业负责人意见： 签名： 年月日 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 8 延新大桥设计 摘要 本设计根据设计要求及地理地质情况拟定了 2 个比选方案：双塔斜拉桥、四跨连续 刚构。经比较将双塔斜拉桥确定为推荐方案，进行了细部尺寸拟定，并利用桥梁专业软 件 Midas Civil 建立了简化模型。对全桥在施工阶段和成桥阶段进行受力和变形分析。 此外，对全桥进行了稳定分析。最后，根据规范对全桥进行了抗风评价。针对该模型进 行了静活载下的内力分析、应力验算及变形验算。经分析比较证明该桥设计计算正确， 内力分布合理，符合设计任务要求。 关键词关键词：双塔斜拉桥；钢桥塔；结构设计；结构分析双塔斜拉桥；钢桥塔；结构设计；结构分析 Abstract According to the assignment of design, geographic and hydraulic conditions, three types of bridges are presented which are two-pylon cable-stayed bridge, PC continuous rigid frame bridge and suspension bridge. After comparing their characters comprehensively, the double-pylon steel cable-stayed bridge is chosen as the main design scheme. Through drawing-up dimensions, a finite element model was estibalished by Midas Civil software. The analyse of stress and distortion was conducted both in the complished stage and the construction stage. The stability performance of the pylom and the whole bridge was also envalued. Moveover, the work was done to envaluate the resistence of the bridge against wind and earthquake. After calculation and checking of the stress, distortion of model under dead load and living load, the result show that the design is up to the demands. KeyKey WordsWords: two-pylon cable-stayed bridge; steel pylon; structural design; structura 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 9 目目录录 摘要摘要 第一章第一章 延新大桥比选方案延新大桥比选方案 1.1概述 1.2比选方案简介 1.3方案评价 第二章第二章 总体设计总体设计 . 2.1 技术标准. 2.2 设计规范及标准. 2.3 桥梁总体结构形式. . 2.4 设计荷载及荷载组合 2.5 计算模型 2.6 计算理论 第三章第三章 斜拉桥分析斜拉桥分析 . 3.1 成桥阶段索力确定. 3.2 施工阶段分析 3.3 成桥阶段分析. 3.4 结构验算分析 第 四 章第 四 章施 工 方 案 简 介施 工 方 案 简 介 . . 致谢致谢 参考文献参考文献 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 10 延新大桥设计 1.1.11.1.1 方案比选原则方案比选原则 1.认真贯彻国家的各项政策、法规，以及国家和部颁标准、规范、规定和 办法； 2.使用安全耐久，保养维护方便，行车舒适； 3.技术先进可靠，施工方便、快捷，便于工厂化，标准化施工，确保施工 工期； 4.经济上合理适度，上、下部工程投资适当，节省投资； 5.充分考虑堤防要求，满足江堤防洪和跨线的净空的需要； 6.尽量减少拆迁、改线的工程数量、降低投资； 1.1.21.1.2 考虑因素考虑因素 1.地形地貌 桥位位于河流两侧，属斜坡浅丘及河流阶地地貌。两侧为冲洪积河流阶 地，阶面高程 189220m,向西侧延伸为斜坡浅丘。地形总体南北两侧高，地 面坡度较大，坡角约 3055，中间为较平缓的长江阶地。 2.气象 本区位于亚热带温湿季风气候区，常年平均气温 18.4，极端最高气温 41.3，极端 最低气温-2.3，最冷月（一月）平均气温 7.5，常年平均降雨量 1185mm，多年平均相对湿 度 79。 3.风况 桥位位于上游，年平均主导风向以北风为主，平均风速 1.1m/s，最大风速 28.4m/s。 按交通部公路桥涵设计规范 （JTJ021-89）中全国风压分布图，桥址位于 500Pa 等压线 上，按公路桥梁抗风设计指南 ，桥梁设计风速考虑如下：桥址区 100 年一遇 10min 设 计基本风速为 V10=24.052m/s，施工期间采用 10 年一遇基本风速 19.79m/s。 4.地层岩性 拟建场地的地层主要为第四系全新统残坡积低液限粘土 Q4 el+dl、冲洪积低液限粘土、 砂土及卵石土 Q4 al+pl，长江北岸陡坡处第四系崩坡积 Q 4 col的块石土，在两岸斜坡部位有少 量基岩出露地表，基岩为侏罗系中统沙溪庙组 J2s砂岩、泥岩及泥质粉砂岩、粉沙质泥岩。 5.规划道路 该路为双向六车道，桥梁为直线桥梁，规划路宽 33m。通航净空要求为 20m200m。 1.21.2 比选方案简介比选方案简介 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 11 根据桥位区水文，气象、地质，通航，防洪等建设条件，结合桥梁建设工期，施工条 件，桥面宽度，景观要求等实际情况，适宜的桥型为斜拉桥、连续钢构。在方案 设计时，就双塔斜拉桥、连续钢构进行多方案比较。 1.2.11.2.1 方案一：双塔斜拉桥方案一：双塔斜拉桥 1.桥跨布置 该方案为双塔三跨双索面斜拉桥，主桥跨布置为 40+160+370+160+40=770m，边主跨 比为 0.43，塔高 92.5，高跨比 1/4，采用半漂浮体系，桥面设双向横坡为 2%。 2.主梁 主梁断面采用钢主梁与混凝土板共同受力的结合梁， 拉索锚固处高 3m,跨中高 3.422m, 桥面宽 35m，顺桥向每隔 5m 设置一道横隔梁。 3.索塔 索塔包括索塔顶部锚固段、上塔柱、中塔柱、下塔柱和三道横梁。索塔顶部锚固段、 上塔柱和两道上横梁采用 Q370 钢， 中塔柱为钢-混组合结构， 中横梁及下塔柱为预应力钢 筋混凝土结构。索塔高 92.5m。 4.斜拉索 该方案采用双索面扇形体系，全桥共设 136 组斜拉索。拉索最大倾角 71，最小倾 角为 25，斜拉索采用7mm 镀锌高强度低松弛钢丝，匹配相应冷铸镦头锚具。顺桥向标 准索距为 10m,对靠近边跨端头附近的尾索进行加密，索距为 7.5m,23.5m。 5.基础 承台厚 6.5m，顺桥向 32m，横桥向 32m。采用钻孔灌注桩群桩基础，桩径 2.5m。 6.施工方法 主桥采用悬臂拼装法施工，引桥为预制拼装法。 1.2.21.2.2 方案二方案二: : 四跨连续刚构四跨连续刚构 1.桥跨布置 主跨跨径：150+270+270+150=740 米，边主跨比：150/270=0.56。 2.主梁 采用单箱单室箱形截面，桥面采用双幅桥面，单幅桥面宽 17 米，中央分隔带宽 2 米。 3.基础 基础采用大直径钻孔灌注桩群桩基础。桩径 2.5m，桩中心距 5.75m。承台为矩形承 台，厚为 5m，承台尺寸为 26.616m，采用 C40 混凝土。桥墩采用双薄壁空心墩，外部尺 寸 49m,壁厚 0.5m。 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 12 4.施工要点 1.桥梁上部采用挂篮悬臂浇注施工， 施工时要对称浇注， 应注意立摸高程的合理设置， 准确控制悬浇高程，主梁边中跨合拢高差应控制在cm 以内。 2.施工后的主梁备用预应力束孔处理如下：顶板束孔灌浆封填，底板束孔留下备用， 但不穿预应力束。 3.箱梁悬浇施工时在底板上的施工孔不封堵，作为箱梁的通气孔。 采用悬臂拚装法施工。 1.31.3 方案评价方案评价 根据桥梁设计的原则“适用、经济、安全、美观”及桥型方案应满足结构新颖、受力 合理、技术可靠、施工方便的原则对以上三个方案进行评价。 方案一：双塔斜拉桥是斜拉桥体系中采用最为广泛的形式，索面为双索面倾斜布置， 具有很好的抗扭、抗风性能。索塔顶部拉索锚固区采用钢塔段可以减小基础工程量，提高 抗震性。桥面体系主梁受轴力和弯矩，支撑体系以拉索受拉和索塔受压为主。拉索的作用 相当于在主梁跨内增加了若干弹性支撑， 从而大大减小了梁内弯矩、 使主梁内力分布更加 均匀合理，桥梁跨越能力显著增大， 。斜拉桥是超静定结构，使用性能好。主桥桥面连续， 无伸缩缝，行车条件好。 方案二：预应力混凝土连续刚构桥结构线条明快流畅，与周围景观搭配协调。此桥采 用平衡悬臂施工法，由于结构上墩梁固结，为多次超静定，次内力较大。为减小次内力的 敏感性，必须选择抗压刚度较大，抗推刚度较小的单壁或双壁的薄壁墩，使墩适应梁结构 的变形。 通过加大梁根部梁高， 可以使正弯矩减小， 主梁大部分承受负弯矩， 施工较简单。 修建时须采用高墩大跨，当墩的高度较矮时将受到限制，对基础要求较严格。 对连续钢构方案进行了详细的分析计算，分析表明：由于边主墩较矮，在恒载、活载 及温降工况组合下，虽然采取了边跨配重措施，边跨主墩仍产生巨大的偏心弯矩，边主墩 不能满足受力要求。若抬高桥面标高加大边主墩高度以改善受力，势必增加引桥长度，经 济上无可比性。 第二章 总体设计 2.12.1 技术标准技术标准 1）道路等级高速公路 2）桥面宽度215m +2.0m（中央分隔带）+20.5m（防撞栏杆）=33m 3）设计荷载公路 I 级 4）桥面横坡：2% 5）设计年限100 年 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 13 2.22.2 设计规范及标准设计规范及标准 依据的规范有： 1) 中华人民共和国行业标准（交通部发布）公路工程技术标准 （JTJ001-1997） 2）中华人民共和国行业标准（交通部发布） 公路桥涵设计通用规范 （JTJD60-2004） 3）中华人民共和国行业标准（交通部发布） 斜拉索热挤拉索技术标准 （征 求意见稿） 4） 中华人民共和国行业标准 （交通部发布）公路斜拉桥设计规范（试行 1966-12-01） 2.32.3 桥梁总体结构形式桥梁总体结构形式 2.3.1.2.3.1.结构设计材料参数结构设计材料参数 1. 普通钢筋 采用 I 级和 II 级钢筋，其技术标准符合国家 GB 13013-91 和 GB 1499-91 的规定。 2. 预应力钢铰线 采用j15 钢铰线,公称直径 15.24mm， 标准强度 1860Mpa ， 弹性模量为 1.95*105MPA, 锚具采用 OVM15-22 型群锚系列及相应钢铰线匹配的成套产品，包括锚垫板、锚头、夹 片和螺旋筋等。 4. 钢材 钢板梁横梁及防撞护栏立柱采用符合 GB.T1591-94 要求的低合金钢 Q345-D，纵梁采 用 Q370，防撞护栏横梁采用符合 GB/T1591-94 要求的低合金钢 Q390-D。 高强度螺栓应符合 GB 3077-88 的要求，螺母及垫圈应符合 GB 699-88 的要求。 普通螺栓应符合 GB 700-88 或 GB 3077-88 的要求。 5. 焊接材料 焊接材料应结合焊接工艺，通过焊接工艺评定试验进行选择，保证焊缝性能不低于母 材，工艺简单，焊接变形小，所选焊条，焊剂，焊丝均应符合相应国家标准的要求。CO2 气体保护焊的气体纯度应大于 99.5。 6 斜拉索钢丝及锚具 斜拉索采用直径为 7mm 的镀锌高强度低松弛钢丝，应符合 GB 5223-85 的要求。冷铸 锚锚杯及螺母采用 40Cr，抷件为锻件，符合 YB/T 036.7 要求。 2.3.2.2.3.2.结构形式结构形式 根据桥位区水文，气象、地质，通航，防洪等建设条件，结合桥梁建设工期，施工条 件，桥面宽度，景观要求等实际情况，跨径布置为 40（端锚跨）+160（设辅助墩 51+109） +370+160+40770m。 方案总体结构形式为采用半飘浮体系。主跨 L1=370m，边跨 L2=160m，L2/L1=0.43， 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 14 且距边跨 51m 处设一辅助墩，以改善梁的受力性能。主桥在索塔处设置 12.5MN 的盆式橡 胶支座，上游侧为单向支座，下游侧为双向支座，在横向设置 6MN 的单向支座作为侧向 抗风支座，在辅助墩及过渡墩处设置了抗拉 400 吨、抗压 1300 吨拉压盆式橡胶支座。 1.索塔 桥面以上索塔高 92.5 米，塔顶拉锁锚固区为钢塔段，采用 Q370。上塔段采用钢混 凝土的组合材料。下塔段采用预应力混凝土，桥面以下承台以上索塔高 58 米。索塔共设 三个横梁。 钢塔段与普通的混凝土索塔相比，体积小，自重轻，抗震性能好；施工方面，采用工 厂化加工，易于保证精度，机械化程度高，工期快。由于钢截面刚度小，且以受压为主， 设计上必须考虑结构局部屈曲和失稳。虽然钢索塔本身造价较混凝土索塔高，但其与基础 相结合的总造价反而较低，这是因为钢索塔自重轻使基础尺寸较小。 为了方便索塔的施工放样、 立模、 钢筋绑扎，保 证索塔线形及拉索的精确定位， 在索塔塔柱中应设 置劲性骨架，特别对倾斜塔柱更是必不可少。劲性 骨架由等边角钢焊接而成。 斜拉桥的索塔一般较高，一般为主跨的 1/21/5 左右，本斜拉桥索塔高 92.5m（桥面以 上） ，为主跨的 1/4，桥塔上部采用等截面全钢结 构，桥塔下部采用变截面预应力混凝土结构，塔中部采用钢混凝土组合材料。 上塔柱的截面为矩形空心截面，截面为 5000mm3400mm（纵横） ，切角为 490 450mm 桥塔壁厚纵桥向 36mm，横桥向 30mm，桥塔顺桥向设两道壁板，如图 2-1 所示。 2.斜拉索 斜拉桥上部结构的自重和活载通过斜拉索传递到塔柱上。斜拉索由钢索和锚具组成。 斜拉索主要承担拉力，其技术经济指标为：强度、刚度、耐疲劳性能、耐腐蚀性能、施工 难易及价格。 斜拉索钢丝采用部颁行业标准斜拉桥热挤聚乙烯拉索技术条件 （JT/T6-94）直径为 7mm 镀低松弛钢丝，其抗拉强度不低于 1670MPa。锚具采用冷铸锚。全桥共采用了 134 组拉索。拉索布置形式为双索面扇形体系。拉索在索塔上的锚固形式为内侧对称锚固。 塔上拉索间距从上到下依次为 2m13+2.5m2， 3.5m。 顺桥向标准索距为 10m,对靠 近边跨端头附近的尾索进行加密，索距为 7.5m,23.5m。拉索全桥共计 104 根，成对称 形式布置，具体参见全桥布置图。 斜拉索在风力作用下，气流在拉索的背面生成卡门涡流，涡流脱落的频率正好与斜拉 索自身的某一阶频率合拍，使斜拉索受激产生震动。另外，主梁与索塔的震动也会引起斜 拉索的震动。斜拉索的震动使其在根部出现反复绕曲，索中的钢丝产生附加的绕曲应力。 这种绕曲应力的反复作用，将加速钢丝的疲劳。另外，斜拉索的持续震动会使人们对桥梁 结构的可靠性和稳定性产生怀疑。因此，斜拉索必须进行防震设计。 图 2-1 钢塔段示意图 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 15 本方案采用气动控制法。将斜拉索原来的光滑表面做成带螺纹的非光滑表面。通过提 高斜拉索表面的粗糙度，使气流经过拉索时在表面边界层形成湍流，从而防止涡激共震的 产生，防止斜拉索的风振。拉索表面的条纹还能防止雨振的发生。 3.主梁： 由于桥面宽度较宽，工期较紧，若主梁采用预应力混凝土结构，抗裂性及综合施工质 量难以保证，施工中不可预见的因素较多，施工风险性较大；若采用钢箱主梁，则用钢量 过大，经济性难以保证。综上，本方案采用钢主梁与混凝土板共同受力的结合梁形式，同 时保证了施工质量和经济性。 主梁断面如图 2-2 所示。 主梁采用钢梁与混凝土板共同受力的结合梁，主梁为 Q370，横隔梁是 Q345，混凝土 板采用 C60 混凝土。 下部结构基础均为桩基础。 主桥桥面铺装采用 0.8cm 厚的沥青混凝土铺装 桥梁支座采用盆式橡胶支座。 2.4 设计荷载及荷载组合 2.4.1 设计荷载设计荷载 恒载(永久荷载)：结构自重,二期恒载。 活载(基本可变荷载)：公路 I 级。 温度影响力(其他可变荷载)：结构整体升温 20C； 结构整体降温 20C。 支座沉降：设三个支座沉降组，每个支座可能沉降取-0.01m，取沉降组合的最大效应。 2.4.2 主要荷载组合主要荷载组合 根据结构各部分对强度、刚度、稳定性的验算需要,设计中考虑的主要荷载组合见表 2-1。 组合种类荷载组合内容 组合 1自重+二期荷载+汽车荷载+支座位移 组合 2自重+二期荷载+汽车荷载+支座位移+系统升温+风荷载 组合 3自重+二期荷载+汽车荷载+支座位移+系统降温+风荷载 图2-2组合梁截面示意图 图 2-2 主梁断面图 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 16 表 2-1 荷载组合 2.5 计算模型 2.5.1.2.5.1.建立几何模型建立几何模型 模型采用韩国大型土木工程软件 Midas Civil 6.71 版建立。 该模型共有 309 个节点， 310 个单元。主梁和塔柱采用梁单元，拉索采用桁架单元，在做施工阶段分析时，把桁架单元 全部替换为索单元进行分析，最后再将索单元转换为桁架单元进行成桥阶段分析。 材料特性表如表 2-2。 表 2-2 材料特性表 名称类型 弹性模量 (kN/m 2) 泊松比 热膨胀系数 1/T 比重 (kN/m 3) 主梁Q3902.0600e+0080.31.2000e-0057.6980e+001 横梁Q3452.0600e+0080.31.2000e-0057.6980e+001 斜拉索C503.4554e+0070.21.0000e-0052.5000e+001 桥面板c603.5992e+0070.21.0000e-0052.5000e+001 拉索 镀锌高强 钢丝 2.0500e+0020.31.2000e-0057.8500e-008 2.5.2.2.5.2.边界条件边界条件 索塔的底端采用固端约束，辅助墩和边跨采用一般支撑条件。辅助墩和边跨的边支撑 约束竖向（即约束 Dz） ，塔梁处采用弹性支撑进行竖向和横向限位。 2.5.3.2.5.3.荷载定义荷载定义 恒荷载 自重：为施工阶段程序自动加上，且考虑到梁的加劲肋、横隔板及灯柱等的影响，及 等效后钢与混凝土自重换算的原因，自重取本身的 0.501 倍。 二期恒载：二期恒载的集度 q=61kN/m 活载等依据设计要求及公路桥涵设计通用规范取值。 2.5.4.2.5.4.定义施工阶段定义施工阶段 全桥共定义了 21 个施工阶段，采用正装分析的方法。施工阶段分别定义如下： CS0：建造桥墩，施工桥塔，塔梁处为临时固结； CS1：施加挂篮荷载，吊装桥面板，挂斜拉索 17 及 18； CS2：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 16 及 19； CS3：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 15 及 20； 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 17 CS4：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 14 及 21； CS5：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 13 及 22； CS6：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 12 及 23； CS7：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 11 及 24； CS8：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 10 及 25； CS9：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 9 及 26； CS10：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 8 及 27； CS11：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 7 及 28； CS12：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 6 及 29； CS13：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 5 及 30； CS14：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 4 及 31； CS15：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 3 及 32； CS16：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 2 及 33； CS17：挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索 1 及 34； CS18：挂篮前移，吊装桥面板，主跨和龙； CS19：拆除挂篮，体系转换。 CS20：施加二期恒载，成桥。 2.5.5.2.5.5.模型单元与节点表模型单元与节点表 有限元模型如图 2-3 示： 当索与梁间的倾角增大，则索力减小，虽然由于索力的减小，索塔的截面可以相应减 小但塔的高度与索的长度都要增加， 。拉索倾角为 45 度时，拉索材料最经济。根据资料统 计，拉索的倾角宜控制在 25至 45左右。 图 2-3 结构模型图 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 18 2.6 计算理论 2.6.1.2.6.1.总体概述总体概述 斜拉桥是一种高次超静定结构，其力学结构行为和一般桥梁有所不同。对于梁式桥梁 结构，如果结构尺寸、材料、二期恒载都确定以后，结构的恒载内里随之基本确定，无法 进行较大的调整；而对于斜拉桥，首先是确定其合理的成桥状态，即合理的线性和内力状 态，其中最主要的是斜拉索的初张力。 斜拉桥静力分析的基本过程大致可以分为以下三步： （1）确定成桥的理想状态，即确定成桥阶段的索力、主梁的内力、位移和桥塔的内 力。 （2）按照施工过程、方法和计算的需要划分施工阶段。 （3）计算确定施工阶段的理想状态，经过多次反复才可以达到成桥阶段的理想状态。 2.6.2.2.6.2.斜拉桥索力调整理论斜拉桥索力调整理论 斜拉桥不仅具有优美的外形，而且具有良好的力学性能，其主要优点在于，恒载作用 下斜拉索的索力是可以调整的。斜拉桥可以认为是大跨径的体外预应力结构。在力学性能 方面，当在恒载作用时，斜拉索的作用并不仅仅是弹性支撑，更重要的是它能通过千斤顶 主动地施加平衡外荷载的初张力，正是因为斜拉索的索力是可以调整的，斜拉索才可以改 变主梁的受力条件。活载作用下斜拉索对主梁提供了弹性支撑，使主梁相当于弹性支撑的 连续梁。由此可见，对于斜拉桥而言，斜拉索的初张力分析是非常重要的。 张拉斜拉索时，实际上已经将该斜拉索脱离出来单独工作，因为斜拉索的张力和结构 的其它部分无关，而只与千斤顶有关，因此在张拉斜拉索时，其初张力效应必须采用隔离 体分析。设在某个阶段张拉第 5 号和 6 号索时，其初张力分别为 P5 和 P6。 首先将斜拉索从结构中 隔离出来， 其内力为初张力 P5 和 P6，而斜拉索对结构的影响可以 采用一对反向的集中力作用在桥 塔和主梁上，如图 2-4 所示。将 主梁和桥塔上的集中力等效为节 点荷载，迭加进入右端的荷载向 量中，求解结构平衡方程得到结 构的位移。 斜拉桥的调索方法较多，目前较为常用的主要有刚性支撑连续梁法、零位移法、倒拆 和正装法、无应力状态控制法、内力平衡法等。 图 2-4 调索说明图 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 19 （1 1）刚性支承连续梁法）刚性支承连续梁法 刚性支承连续梁法是指成桥状态下，斜拉桥主梁的弯曲内力和刚性支撑连续梁的内力 状态一致。因此，可以非常容易地根据连续梁的支承反力确定斜拉索的初张力。 （2 2）零位移法）零位移法 零位移法的出发点是通过索力调整，使成桥状态下主梁和斜拉索交点的位移为零。对 于满堂支架一次落架的斜拉桥体系，其结果与刚性支承连续梁法的结果基本一致。 （3 3）倒拆和正装法）倒拆和正装法 倒拆法是斜拉桥安装计算广泛采用的一种方法，通过倒拆、正装交替计算，确定各施 工阶段的安装参数，使结构逐步达到预定的线形和内力状态。 （4 4）无应力控制法）无应力控制法 无应力控制法分析的基本思路是：不计斜拉索的非线性和混凝土收缩徐变的影响，采 用完全线性理论对斜拉桥解体，只要保证单元长度和曲率不变，则无论按照何种程序恢复 还原后的结构内力和线形将与原结构一致。应用这一原理，建立斜拉桥施工阶段和成桥状 态的联系。 本设计中采用以控制主梁线形为主兼顾主塔位移的零位移法，进行斜拉索索力的调整 和优化。 第三章第三章 斜拉桥分析斜拉桥分析 3.13.1 成桥阶段索力确定成桥阶段索力确定 斜拉桥索力调整采用以控制主梁线形为主兼顾主塔位移的零位移法，首先根据拟定的 截面尺寸和所选材料建立计算模型，为了调索方便，此时模型中的所有索单元均用桁架单 元代替，并给桁架单元给了 1kN 的单位初拉力，施加约束条件，给全桥施加自重和二期恒 载。运行分析后，利用 Midas 软件中后处理阶段中的未知荷载系数模块，设置主梁和主塔 的控制参数，根据初步给出的未知荷载系数和主梁线形、主塔位移的控制结果，手动对未 知荷载系数进行调整，调整时按照以线形即控制条件为目标的原则进行调整。 为了保证桥梁的线型与受力，在自重与二期恒载作用下主梁线型和主塔变位必须控制 在一定范围内， 从而确定出拉索的初拉力。 进行索力调整时选取主梁上的点作为约束条件， 由于结构为对称结构，所以只要求约束结构的一半 经过索力调整后使主跨跨中向上产生 3.7cm 的位移，以减小车辆荷载作用在跨中时产 生较大的挠度。本桥斜拉索安全系数为 2.5。最大索力考虑了结构的恒载及移动荷载作用。 拉索从两边到中跨中央依次编号为 1 到 34。根据的索力的控制条件，经过反复调整得 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 20 到桁架单元的未知荷载系数如下表所示： 表 3-3未知荷载系数调整结构 拉索 拉索 1 拉索 2 拉索 3 拉索 4 拉索 5 拉索 6 拉索 7 拉索 8 拉索 9 拉索 10 拉索 11 拉索 12 初拉力 （kN） 676066626466636862726174598758845782539652924992 拉索 拉索 13 拉索 14 拉索 15 拉索 16 拉索 17 拉索 18 拉索 19 拉索 20 拉索 21 拉索 22 拉索 23 拉索 24 初拉力 （kN） 480446574431441644164416441644354447459347265128 拉索 拉索 25 拉索 26 拉索 27 拉索 28 拉索 29 拉索 30 拉索 31 拉索 32 拉索 33 拉索 34 初拉力 （kN） 5427554857575929616362306368646664986660 在以上系数组合的荷载工况下，塔最大位移为 4.4cm。主梁最大挠度 3.7 厘米。其变 形图如图 3-1 所示。 由理论控制值和施工模拟到成桥后的实际控制线形来看，控制值与实际成桥后的差值 很小，说明线形控制的较好。 调整未知荷载系数满足要求后，根据拉索的受力情况确定拉索的型号，各个拉索的型 号如下表： 3.23.2 施工阶段分析施工阶段分析 施工阶段的计算方法有正装法和倒拆法等，本设计中采用正装法进行分析。 图 3-1 未知荷载系数组合下结构变形图 MIDAS/Civil POST-PROCESSOR DISPLACEMENT 分析结果 4.39093e-002 3.99176e-002 3.59258e-002 3.19341e-002 2.79423e-002 2.39506e-002 1.99588e-002 1.59670e-002 1.19753e-002 7.98352e-003 3.99176e-003 0.00000e+000 系数= 7.9368E+002 CB: 欲拱3.7，塔 MAX : 241 MIN : 1 文件: 08 单位: m 日期: 06/02/2008 表示-方向 X:-0.483 Y:-0.837 Z: 0.259 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 21 3.2.13.2.1 施工阶段受力与变形分析施工阶段受力与变形分析 斜拉桥是高次超静定结构，施工期间随着拉索的张拉及主梁的架设，斜拉桥体系中的 内力不断的发生变化。为保证成桥后的线形，需要对结构进行实时监控，调整体系中出现 的不利情况。因此，分析施工阶段斜拉桥体系的内力对保证施工阶段的安全乃至成桥后的 安全使用起着至关重要的作用。进行施工阶段分析时，需修改单元参数，把求得的桁架单 元的未知荷载系数作为初拉力赋予索单元，用只受拉的索单元替换桁架单元。 确定桥梁的施工方法，划分施工阶段。每挂一根索，就把成桥阶段所确定的拉索未知 荷载系数当成初拉力赋予对应的斜拉索。采用无挂篮悬臂拼装的施工方法，全桥共划分为 21 个施工阶段，从主塔的施工（CS0）到合龙后二期恒载的施加（CS20） 。 经分析，在 CS0 阶段（即裸塔阶段） ，钢塔无拉索的约束，处于裸塔阶段。其中索塔 受最大压应力 22.66Mpa，最不利的受力部位发生在上塔柱与第二上横梁结合处，最大拉应 力 3.13Mpa，最不利的受力部位发生在混凝土中横梁与中塔柱结合处。在 CS20 阶段，全 桥已合龙， 并给成桥后的结构体系施加二期恒载。 内力最大单元使用应力均小于容许应力， 此时结构的变形就是原来的控制线形， 跨中 60 节点上拱 3.6cm， 符合设计要求， 结构安全。 找出施工阶段弯矩或轴力最大的单元进行应力验算。对比材料的容许应力，可知各个施工 的使用应力远远小于容许应力，结构安全。 选取主跨跨中节点（60） ，边跨跨中节点（35） ，塔顶节点（244）等特殊点进行位移验 算。以上各控制性节点在各施工阶段的变位如图 3-3。各施工阶段主梁和塔的最大变位满 足要求。 各施工荷载合计下，各个施工阶段中的最大的变形如图 3-4，发生的最大变形为 58.8cm.。 3.2.23.2.2 施工阶段索单元分析施工阶段索单元分析 由于斜拉桥是高次超静定结构，每一次张拉新的拉索对原来已有的拉索会产生影响， 斜拉桥的结构体系不断的变化着，所以同一拉索的索力在不同施工阶段有不同的索力。为 了保证施工阶段的顺利进行，拉索在各施工阶段的索力不能为负值，也不能过大。经计算 图 3-3 特殊点在各施工阶段下的变形图 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 22 分析，各拉索在施工阶段受拉，拉索在所有施工阶段中的最大索力如下表 3-5。 表 3-5 拉索在施工阶段中的最大受力表 拉索 施工阶段最大索 力 kN 最大索力所在施 工阶段 拉索 施工阶段最大索 力 kN 最大索力所在施 工阶段 拉索 17203CS20拉索 182262CS20 拉索 26996CS20拉索 192814CS9 拉索 35813CS20拉索 203458CS20 拉索 45061CS14拉索 214059CS20 拉索 54915CS13拉索 224287CS20 拉索 64778CS12拉索 234317CS20 拉索 74636CS11拉索 244513CS20 拉索 84872CS10拉索 254725CS20 拉索 94818CS9拉索 264828CS20 拉索 104590CS20拉索 274968CS20 拉索 114560CS20拉索 285078CS20 拉索 124385CS20拉索 295269CS20 拉索 134278CS20拉索 305388CS20 拉索 144031CS20拉索 315626CS20 拉索 153373CS20拉索 325963CS20 拉索 162846CS9拉索 336416CS20 拉索 172299CS20拉索 347158CS20 ： 从以上分析可知，在各个施工阶段，钢构件应力远远小于容许应力，应力也符合要求， 故结构安全。由变形可看出，最大变形发生在主跨跨中节点，为 58.8cm，是跨径的 1/629 1/400。 哈 尔 滨 铁 道 职 业 技 术 学 院 城 市 轨 道 交 通 分 院 毕 业 设 计 23 3.33.3 成桥阶段分析成桥阶段分析 3.3.13.3.1 成桥阶段恒载状态分析成桥阶段恒载状态分析 成桥阶段，在自重和二期恒载的作用下，主梁的最大弯矩为 57552.9kNm，发生在跨 中；最小弯矩为-79997.6kNm，发生在塔梁结合处。主塔的最大弯矩为 15920.9kNm， 发生在钢塔与钢混凝土组合塔段的结合处和下横梁处；最小弯矩为-14586kNm，发生 在下塔段底部。恒载作用下钢索塔及主梁弯矩图如图 3-6。 3.3.3.3.2 2 成桥阶段移动荷载分析成桥阶段移动荷载分析 移动荷载分析是指沿着车 辆 荷 载的移动路径， 对车辆移动的全 部 过 程进行结构分析， 求出各位置的最大、 最小内力值。 根据要求在模型中 定 义 了六个车道，采用公路工程技 术 标 准(JTG B01-2003)，车道荷载 定 义 为公路一级。 由位移包络图 3-7 可知，在 移 动 荷载作用下，主梁上主跨跨中竖向位移最大，上拱 35.9cm。主塔背向主跨塔顶水平位移接 近 7.3cm。钢主梁在汽车荷载作用下的最大竖向挠度小于 L/400(83cm)，其变形满足要求。 图 3-6 恒载作用下钢索塔及主梁弯矩图 MIDAS