开题报告.pdf

苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 1页 一 本课题设计 研究 的目的 通过桥梁毕业设计使学生运用所学的课程系统的训练 以便掌握桥梁的基本 理论 基本知识和基本计算方法 通过毕业设计的实践 理论联系实践 独立完成设计 不断提高分析问题和 解决问题的能力 通过毕业设计 不断提高查阅文献 计算 绘图 使用桥梁规范和设计手册 编写技术文件 运用电脑等基本技能 树立正确的设计思想 逐步掌握设计原则 设计方法和设计步骤 准守纪律 遵守校规 校纪 严谨负责 实事求是 刻苦 钻研 相互协作 勇于创新 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 2页 二 设计 研究 现状和发展趋势 文献综述 一 桥梁的现状和发展趋势 20 世纪各种大跨径桥梁均在国内外的桥梁工程中得以建设和高速发展 无 论是结构型式 施工方法 还是新型材料的应用均在不断地完善和进步 从世界 上的典型工程实例中可见 大跨径桥梁在世界各地工程建设中有着重要的地位 必将有新的发展前景和开拓方向 按照桥梁主要承重结构的受力体系可以将桥梁分为斜拉桥 梁式桥 拱式桥 刚架桥 悬索桥 以下分别介绍这五种桥梁及其发展现状 1 斜拉桥斜拉桥 斜拉桥是一种桥面体系受压 支承体系受拉的桥梁 其桥面体系由加劲梁 构成 其支承体系由钢索组成 斜拉索的两端分别锚固在主梁和索塔上 将主梁 的恒载和车辆荷载传递至索塔 再通过所塔传至地基 因而主梁在斜拉索的个点 支承作用下 弯矩值大大降低 这减小了结果自重 使得斜拉桥的跨径较大 目 前世界上跨径最大的斜拉桥苏通大桥其跨径达到了 1088m 斜拉桥按照塔的数量 可分为单塔斜拉桥 双塔双塔 多塔斜拉桥 按照主梁与塔的连结形式可分为漂 浮体系斜拉桥 半漂浮体系斜拉桥 塔梁固结体系斜拉桥 钢构体系斜拉桥 施工中的苏通大桥 优点 斜拉桥主梁在斜拉索的各点支承作用下 像多跨弹性支承的连续梁一样 使弯矩值得以大大的降低 这不但可以使主梁的尺寸大大的减小 而且由于结构 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 3页 自重的显著减轻 既节省了材料 又大大的增加了大桥的跨越能力 此外 斜拉 索轴力产生的水平分力对主梁施加了预压力 从而可以增强主梁的抗裂性能 节 约主梁中预应力钢材的用量 缺点 当采用三塔四跨或多塔多跨结构时 斜拉桥的柔性非常大 这使得大 桥的变形较大 增加主梁的刚度可以一定程度的提高大桥的整体刚度 但是大桥 的自重也就随之增加 另外 斜拉索的使用寿命不长 其更换十分麻烦且费用较 大 可占到大桥建设费用的 20 30 适用情况 斜拉桥可分为混凝土斜拉桥 组合斜拉桥 钢斜拉桥 混合式斜 拉桥 当跨径为 200 400m 时采用混凝土主梁是最经济的 400 600m 时采用钢 混凝土组合梁式最经济的 大于 600 米时 应采用钢主梁 斜拉桥的施工 钢斜拉桥施工 大多是工厂电焊加工 运至工地 用吊机整体 起吊 或分块起吊 就位后用高强度螺栓连接成型 混凝土斜拉桥施工有现浇和 预制拼装及其它组合的施工工艺 挂篮转移 斜拉桥拉索张拉到设计吨位锚固后 解除锚固系统的斜向拉杆 铺好 走行滑道 两侧滑到高差小于规定值 用锚固系统的垂直吊杆将挂篮桁架与底模 及外侧模等慢慢落在走行滑道上 解除锚固系统的垂直吊杆 在桁梁的尾部横梁 上 对称安装两台千斤顶 用这两台千斤顶 将调高楔块顶离斜拉桥主梁底面 装入走行轮并进行锚固 将穿心式千斤顶 用这两台千斤顶放在滑道前端的顶座 上 并将精轧螺纹钢筋一端连接其上 另一端与挂篮的走行牛腿相连接 千斤顶 同时反复顶拉 使挂篮迁移 同时将主梁上的锚固系统部件移至下一段安装位置 挂篮走行就位后 借助于千斤顶拆除走行轮 用锚固系统吊升 安装挂篮到设计 位置 施工要点 挂篮的安装标高 要严格按设计给定值就位 预留孔应准确 不得使 吊杆及拉杆受弯 挂篮的预拉力 要按设计准确设置 锚固螺栓要借助千斤顶将 其拧紧 外侧模在锚垫板处不要包死 挂篮走行时 一定要平稳前移 悬臂浇筑 混凝土时应从挂篮的前端分层均匀的向挂篮尾端进行 千斤顶是施工中的重要工 具 必须认真保养 走行系统要经常进行润滑保护 短平台复合型牵索挂篮施工 短平台复合型牵索挂篮由挂篮 三角架和伺服系统 包括牵索系统 悬吊系 统 走行系统 锚固系统 水平支承系统 微调定位系统等 三大部分组成 主梁节段施工中 在挂篮前吊杆和牵索共同作用条件下 必须保证前吊杆受 拉力 而且拉力值必须在设计规定范围内 为此要安装测力计 自行式前支点牵索挂篮施工 对于普遍使用的悬臂挂篮无论是桁架式还是斜拉式均为后支点形式 这种 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 4页 挂篮为单悬臂受力 承受负弯矩较大 所以浇筑节段长度受限制 而前支点挂篮 能充分利用斜拉索的作用变悬臂负弯矩受力为简支正弯矩受力 这样浇筑长度和 承受能力可大大提高 施工工艺 挂篮悬挂脱空 此时后反力点作用力向下 挂篮挂梁作用力向 上 挂篮主纵梁承受负弯矩 挂篮前移 挂篮仍承受负弯矩 呈单臂状态 挂篮 挂梁顶升 后锚固点锚固 使挂篮就位 后反力点使标高大致调平 设预抬高量 拉索与挂篮联结 进行第一次索力张拉 此时挂篮前支点受力 纵梁受正弯矩呈 简支状态 浇至 1 2 梁段进行第二次索力张拉 角完全断面梁段混凝土后 挂篮 端部弹性下扰度小于规定值 检测梁段标高 待混凝土达到强度张拉预应力束 挂篮脱空待前移 2 梁式桥 梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构 由于外力的作用方向与 承重结构的轴线接近垂直 因而与同样跨径的其他结构体系相比较 梁桥内产生 的弯矩最大 按照承重结构横截面形式可分为板桥 肋梁桥和箱形梁桥 按照受 力特点可分为简支梁 板 桥 连续梁 板 桥和悬臂梁 板 桥 按照施工方 法可分为整体浇注式梁桥和预制拼装式梁桥 优点 板桥是最简单的构造形式 施工方便 肋梁桥显著的减小了结构自重 使其跨越能力得到提高 箱形截面梁桥则提供了能承受正 负弯矩的足够的混凝 土受压区 抗弯 抗扭能力强 因而更适应于较大跨径的悬臂体系梁桥和连续体 系梁桥 简支梁桥属静定结构 受力构造简单 连续梁桥是超静定结构 跨越能 力较大 适应于基础较好的桥位 整体式梁桥具有整体性好的优势 而装配式梁 桥具有施工方便 节省支架模板不受季节性影响等优点 缺点 简支梁桥跨越能力较小 连续梁桥对基础要求较高 适用情况 对于中小跨径桥梁 目前在公路上应用的最广泛的是标准跨径的 钢筋混凝土简支梁桥 其结构简单 施工方便 对地基的承载力要求也不高 其 常用跨径在 25m 以下 当跨径较大时 需采用预应力混凝土简支梁桥 但其跨度 一般不超过 50m 在地质条件较好的情况下 中小跨径梁桥可使用连续梁桥 连 续梁桥可以改善受力条件和使用性能 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 5页 简支梁桥 先简支后连续的施工工艺 预制主梁 待混凝土强度达到设计强度的 100 后 张拉正弯矩区预应力 钢束 压浆并及时清理主梁 预应力混凝土简支转连续箱梁 底板通气孔 设置临时支座并安装好永久支座 逐孔安装主梁 置于临时支座上为简 支状态 及时连接桥面钢筋与横梁钢筋 连接接头段钢筋 设置接头钢束波纹管并穿束 在日温最低时 不高于 15 浇筑连续接头 中横梁及两侧与顶板钢束同长范围内的桥面整体化混凝 土 达到设计强度的 100 时 张拉顶板钢束并压浆 接头完成后 由跨中向支点浇筑剩余部分的桥面整体化混凝土 浇筑完 成后 拆除一联内的临时支座 完成体系转换 拆除临时支座时应特别注意严防 高温影响橡胶支座质量 喷洒防水层 安装伸缩装置 进行桥面系施工 3 拱式桥 拱桥指的是在竖直平面内以拱作为上部结构主要承重构件的桥梁 拱式结构 在竖向荷载的作用下 两端将产生水平推力 使得拱内产生轴向压力 从而大大 减小了拱圈的截面弯矩 使之成为偏心受压构件 截面上当应力分布与弯梁桥的 应力相比较为均为 因此 可以充分利用主拱截面材料强度 使之跨越能力增大 拱桥按照工商建筑的形式可分为 实腹式拱桥和空腹式拱桥 按照桥面位置可分 为上承是拱桥 中承式拱桥和下承式拱桥 按拱圈截面形式可分为板拱桥 板肋 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 6页 拱桥 肋拱桥 双曲拱桥 箱形拱桥 钢管混凝土拱桥 劲性骨架混凝土拱桥 对于板拱桥其构造简单 施工方便 但在相同截面面积的条件下 实体矩形 截面比其他形式截面的抵抗矩小 通常在地基条件较好的中 小跨径圬工拱桥中 才采用此种形式 肋拱桥则在相同的截面积的情况下可获得较大的截面抵抗矩 从而节省材料 减小自重 因此常用于大 中跨径的拱桥 而双曲拱桥其主拱圈 截面由一个或数个横向小拱单元组成 这种截面抵抗矩较相同材料用量的板拱 大 可节省材料 且施工中采用预制拼装 较之板拱有较大优越性 但有施工工 序多 组合截面整体性较差易开裂等缺点 箱形拱桥也可以节省材料 减轻自重 上承式拱桥 优点 跨越能力较大 能充分就地取材 与混凝土梁式桥相比可以节省大量钢材 和水泥 耐久性好 维护 养护费用少 外形美观 构造简单 缺点 自重较大 相应的水平推力也较大增加了下部结构的工程量 当采用无铰 拱时 对地基要求高 由于水平推力大 在连续多孔的大 中桥梁中 为防止一 孔破坏而影响全桥的安全 需采用复杂的措施 例如设置单向推力墩 而增加造 价 与梁式桥相比 上承式拱桥建筑高度较高 这既增加了造价又对行车不利 4 刚架桥 刚架桥也称刚构桥 主要承重结构采用刚架的桥梁 刚架的腿形成墩 台 身 梁和腿为刚性连接 可用钢 钢筋混凝土或预应力混凝土制造 常见的刚架桥有 T 形刚构桥 连续刚构桥和刚构 连续组合体系桥 三者共同的 特点是 由于采用墩梁固结构造 使之既可以省掉昂贵的支座又可以在施工中不 用进行体系转换 特别是在恒载条件下 桥墩两侧梁体结构的受力状态接近平衡 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 7页 桥墩接近中心受压 主梁以受弯为主 T 型钢构是具有悬臂受力特点的梁式桥 最早采用钢筋混凝土结构 从墩上伸出较短的悬臂 跨中用简支挂梁组合而成 而采用预应力混凝土结构可获得更大的跨径 钢筋混凝土 T 型刚构常用跨径在 40 50m 左右 预应力 T 型刚构的常用跨径可在 60 200m 预应力 T 形刚构分两 种基本类型 1 带铰的 T 形刚构桥 它非常适合于采用悬臂施工的办法 但是其 行车条件不是很好 当它为对称结构时 在恒载作用下为静定结构 在活载作用 下为超静定结构 2 带挂孔的 T 形刚构桥 这是静定结构 增加了牛腿的构造 但免去了剪力铰的复杂结构 缺点是桥面上伸缩缝过多 对高速行车不利 T 形 刚构桥的横截面形式主要以箱式截面为主 T 形刚构一般采用悬臂施工 所以 零号块一般是在墩身上现浇的 与桥墩固结 然后在从零号块开始跨中进行悬臂 施工 零号块一般为箱形截面 其截面为全桥最大的 在零号块上下方均应留出 孔道 以便施工和梁体散热 减弱温度对箱梁的影响 连续刚构桥 分主跨为连 续梁的多跨刚构桥和多跨连续 刚构桥 均采用预应力混凝土结构 有两个以上 主墩采用墩梁固结 具有 T 形刚构桥的优点 但与同类桥 如连续梁桥 T 形刚 构桥 相比 多跨刚构桥保持了上部构造连续梁的属性 跨越能力大 施工难度 小 行车舒顺 养护简便 造价较低 多跨连续 刚构桥则在主跨跨中设铰 两 侧跨径为连续体系 可利用边跨连续梁的重量使 T 构做成不等长悬臂 以加大主 跨的跨径 典型的连续刚构体系对称布置 并采用平衡悬臂施工方法修建 5 悬索桥 悬索桥又名吊桥 suspensionbridge 指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸 或 桥两端 的缆索 或钢链 作为上部结构主要承重构件的桥梁 其缆索几何形状由 力的平 价愈低 结构及构件简单 轻便和易于标准化 构件容易运输 便于用 悬索法拼装 不受地形 航道和季节的影响 近代悬索桥的主缆用高强钢丝束制 成 这种钢丝束的容许应力很高 对承载结构没有任何削弱 建筑高度小 易于 加固和改建 这些特点表明 悬索桥的自重较轻 在刚度满足使用要求的情况下 能充分显示出其优越性 但是悬索桥的坚固性不强 在大风情况下交通必须 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 8页 暂时被中断 悬索桥不宜作为重型铁路桥梁 另外 悬索桥的塔架对地面 施加非常大的力 因此假如地面本身比较软的话 塔架的地基必须非常大 和相当昂贵 施工中的矮寨大桥 悬索桥的施工 锚碇的施工 锚碇是主缆锚固装置的总称 由砼锚块 含钢筋 及支架 锚杆 鞍座 散索鞍 等组成 锚块的形式可分为重力式和隧道式 若锚碇处有坚实岩层靠近地表 修建隧道锚 或称岩洞式锚 有可能比较经济 但隧道锚有传力机理不明确的缺点 有坚实基岩层靠近地表也可以采用重力式锚 让锚块嵌入基岩 使位于锚块前的 基岩凭借承压来抵抗主缆的水平力 巨大的主缆拉力通过锚杆 后锚梁 锚块砼 均匀传递给基岩 塔的施工 大跨度悬索桥的索塔在50年代以前几乎都是采用钢塔 其主要优点是 施工速度 快 质量容易保证 抗震性能好 塔的施工与斜拉桥塔基本上相同 主缆架设 悬索桥的钢缆有钢丝绳铜缆和平行线钢缆 前者一般用于中 小跨度的悬索桥 后者主要用于主跨为500m 以上的大跨悬索桥 平行线钢缆根据架设方法分为空 中送丝法 As 法 及预制索股法 Pws 法 加劲梁架设 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 9页 加劲梁架设的主要工具是缆载起重机 架设顺序可以从主跨跨中开始 向桥塔方 向逐段吊也可以从桥塔开始 向主跨跨中及边跨岸边前进 加劲梁采用用钢桁架 其架设方式也像钢桁架桥那样 从桥塔开始 向主跨跨中和岸边逐段吊装 在每 一梁段拼好以后 立即将其与对应的吊索相连 使其自重由吊索传给主缆 对于 三跨悬索桥而言 一般需要四台缆载起重机 分别从两塔各向两个方向前进 边 跨和主跨的跨径比 各桥不同 为了使塔顶纵向位移尽可能小 对于当主跨拼成 几段时 边跨应拼几段 应该进行推算 从桥塔开始吊装的优点是施工比较方便 缺点是桥塔两侧的索夹首先夹紧 此时主缆形状与最终几何线形差别最大 因而 主缆中的次应力较大 当加劲梁的重力逐渐作用到主缆上 主缆将产生较大的位 移 改变原来悬链线的形状 所以在吊装过程中上缘一般都顶紧而下缘张开 直 至全部吊装完毕下缘才闭合 如果强制使下缘过早闭合 结构或其连接件有可能 因强度不够而破坏 合理的做法应该是 在架设的开始阶段 使各梁段在上缘铰 接 而使下缘张开 这些上缘铰接的梁段应具备整体以横向抗弯抵抗横向风荷载 的能力 待到一部分梁段业已到位 主缆线形也比较接近最终线形时 再将这一 部分梁段下缘强制闭合 当然必须通过施工控制确认此时闭合是结构和其连接件 都能够承受的 二 设计方案比选 1 技术标准 汽车荷载 公路 I 级 桥面宽度 26m 采用防撞栏杆 0 5m 2 方案比选的原则 经济性 适应性 施工难易程度 美观性 3 方案比选 方案一 16 20 m 预应力混凝土空心板桥 该方案拟采用 16 20m 预应力混凝土空心板桥 全桥长 320m 每块空心板 宽度为 1 24m 每跨由 20 块空心板组成 全桥共使用 340 块空心板 空心板采 用后张法施工 空心板具体尺寸如下图 设铰接缝加强空心板横向联系 空心板 上铺装 C50 混凝土 桥面铺装沥青混凝土 两侧设防撞栏杆 桥梁横断面布置如 下图 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 10页 方案一立面布置示意图 空心板截面尺寸图 方案二 11 30 m 装配式预应力混凝土简支 T 梁桥 该方案拟采用 11 30m 装配式预应力混凝土简支 T 梁桥 全长 330 米 桥 宽 26m 由于为简支 T 梁桥 每跨之间还留有 4 厘米的伸缩缝 全桥设 2 的纵坡 桥梁横断面布置见下图 方案 2 立面布置图 主梁结构构造 全桥采用等跨等截面 T 型梁 主梁间距 2 20m 预制 T 梁宽 为 1 8m 现浇湿接缝 0 40m 预制梁间的翼板和横隔板待 T 梁架设后再现浇 以 加强横断面的整体性 中心梁高 2 30m 肋厚 0 20m 马蹄宽 0 40m 高 0 40m T 梁翼缘端部厚 0 18m 翼缘根部厚 0 30m 横隔板间距为 6 5 米 每跨设有 12 片 T 梁 全桥共计 132 片 T 梁 下部构造 采用四圆柱式桥墩 基础采用桩基础 钻孔灌注桩 桥台采用埋 置式轻型桥台 施工方案 全桥采用装配式施工方法 预应力混凝土 T 形梁桥有结构简单 受力明确 节省材料 架设安装方便 跨越能力较大等优点 T 型梁桥在我国公路上修建最多 早在 50 60 年代 我 国就建造了许多 T 型梁桥 这种桥型对改善我国公路交通起到了重要作用 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 11页 80 年代以来 我国公路上修建了几座具有代表性的预应力混凝上简支 T 型 梁桥 或桥面连续 如河南的郑州 开封黄河公路桥 浙江省的飞云江大桥等 其跨径达到 62m 吊装重 220t T 形梁采用钢筋混凝土结构的已经很少了 从 16m 到 50m 跨径 大多都是采 用预制拼装后张法预应力混凝土 T 形梁 预应力体系采用钢绞线群锚 在工地预 制 吊装架设 其发展趋势为 采用高强 低松弛钢绞线群锚 混凝土标号 40 60 号 T 形梁的翼缘板加宽 25m 是合适的 吊装重量增加 为了减少接缝 改 善行车 采用工型梁 现浇梁端横梁湿接头和桥面 在桥面现浇混凝土中布置负 弯矩钢束 形成比桥面连续更进一步的 准连续 结构 其最大跨径以不超过 50m 为宜 再加大跨径不论从受力 构造 经济上都不 合理了 大于 50m 跨径以选择箱形截面为宜 目前的预应力混凝土 T 形梁采用预应力结构 预应力张拉后上拱偏大 影响 桥面线形 带来桥面铺装加厚 为了改善这些缺点 建议预制时在台座上设反拱 反拱值可采用预施应力后裸梁上拱值的 1 2 2 3 3 方案比选表 方案比选表 适用性经济性施工难易程度美观性 16 20m 空心板桥 外形简单 制作 方便 适应于桥 下净空受限的 桥梁 造价较低 经 济性较好 整体浇注 成 批生产 质量 小 方便架设 全桥线条简洁 明快 与周围 环境相协调 桥形美观 11 30m 简支 T 梁 桥 T 形截面 构 造简单 采用桥 面连续的方式 解决了行车舒 适的问题 应用 比较广泛 T 梁架设需要架 桥机或大型龙 门吊等大型机 具 费用相对较 高 T 梁质量较大 吊装不易 全桥线条简洁 明快 与周围 环境相协调 4 结论 简支梁桥属于静定结构 它构造简单 施工方便 其结构尺寸易于设计成系 列化和标准化 有利于在工厂内或地上广泛采用工业化施工 组织大规模预制生 产 并用现代化的起重设备进行安装 采用装配式的施工方法可以大量节约模板 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 12页 支架木材 降低劳动强度 缩短工期 显著加快建桥速度 综合考虑各因素而选 定方案一 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 13页 三 设计 研究 的重点与难点 拟采用的途径 研究手段 一 设计重点 1 重点 成桥状态下的结构分析 预应力钢筋的配置 连续梁桥恒载状态下内力 位移的计算 结构设计验算 包含正常使用极限状态和承载能力极限状态 二 设计难点 2 难点 施工过程的正确模拟 每阶段预应力筋的张拉及施工过程中预应力损失 混凝土的收缩徐变 计算及其原理 三 研究途径 1 专业英文文献翻译阶段 2 方案拟定阶段 根据已有的水文地质资料 确定河床断面图 确定总跨径 确定桥型 进行 桥梁的分孔 基础以及墩台的形式确定 桥梁横断面设计 上下部构造主要尺寸 的拟订 桥面基础以及墩台标高的确定 得出两套方案出两套图纸 3 进行桥梁设计方案的比选 1根据设计任务要求 依据现行公路桥梁设计规范 综合考虑桥位的地质 地形条件 经初选后提出了 2 3 个比选桥型 2对各方案基本尺寸的选择进行探讨 包括上部结构 下部结构的结构形 式以及基本尺寸梁 苏仙大桥 01 号桥 施工图设计 第 14页 3对已确定的桥梁方案进行结构设计及施工方案的确定 4 计算阶段 1确定计算图式 2自重作用内力计算 3墩台沉降内力计算 4温度影响内力计算 5车辆荷载和人群荷载内力计算 6作用效应的组合计算 7配筋计算通过自己编制程序 计算结构在承载能力极限状态下的配 筋 并对结果进行校核 5 验算阶段 运用常规的超静定混凝土桥梁分析程序计算结构内力及变形 布置预应力钢 筋 进行正常使用极限状态的截面设计与检核 进行应力验算 抗裂验算 变形 验算 稳定性验算等 如果有一项验算不合格 就必须返回到尺寸拟定阶段 重 新拟定尺寸 6 施工图绘制 梁的一般构造图及配筋图 7 设计计算书的编写阶段 四 设计 研究 进度计划 1 结合毕业实习熟悉 准备资料 方案比较 拟定推荐方案的结构尺寸 交 方案比选报告和图纸 第 1 4 周 2 推荐方案主梁设计计算 第 3 8 周 3 专业文献翻译 第 3 周 4 配筋计算及验算 进行中期检查 第