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附件 1 毕业设计开题报告毕业设计开题报告 题目题目 云南黄凳水电站三角河桥施工图设计 云南黄凳水电站三角河桥施工图设计 课课 题题 类类 别 别 设计设计 论文论文 学学 生生 姓姓 名 名 颜俊卿颜俊卿 学学 号 号 201025020222 班班 级 级 桥梁桥梁 1010 0303 班班 专业 全称 专业 全称 土木工程专业土木工程专业 桥梁工程方向桥梁工程方向 指指 导导 教教 师 师 田仲初 蒋田勇田仲初 蒋田勇 20142014 年年 03 03 月月 1 一 本课题设计的目的一 本课题设计的目的 1 掌握桥梁的基本概念 增强综合运用各种所学知识的能力 2 培养分析问题和解决问题的独立工作能力 3 提高桥梁结构分析能力和运用电算的能力 掌握一到两种商业软件对桥梁的计算 方法 4 通过桥梁毕业设计 熟悉桥梁设计的整个过程 加强对规范手册的了解和应用 5 提高计算绘图 查阅文献 使用桥梁规范和设计手册 填写技术文件 运用办公软件 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 设计步骤 6 掌握设计的基本原则 设计方法 步骤 提高计算 绘图 查阅文献 使用桥梁 规范手册和编写技术文件及计算机辅助设计 CAD 等基本技能 为毕业后从事桥梁技 术工作打好基础 7 培养严肃认真 一丝不苟的学习态度和刻苦钻研 勇于创新的科学精神 8 学习查阅外文文献并对其进行翻译 9 熟悉论文的标准格式 二 工程概况二 工程概况 云南黄凳水电站三角河桥 地处库区 两岸为山坡 左岸坡度较小 右岸地势较陡 地质情况良好 桥位平面图和地质剖面图如下 但是桥位处峡谷较深 水位较高 搭 图 2 1 地形平面图 2 设脚手架费用高 难度大 而且该桥跨度大 在 200m 以上 不适宜连续和钢构桥的施 工 而拱桥 悬索桥最具有竞争力 因而 在本次设计中 以钢管混凝土拱桥悬索桥为 首选方案 对其进行初步设计 图 2 2 地质剖面图 三 国内发展现状和未来趋势三 国内发展现状和未来趋势 1 悬索桥 悬索桥就是指以悬索为主要承重结构的桥 它的历史是古老的 婆罗洲 老挝 爪 哇原始藤竹桥 就是最早的悬索桥 其主要构造是 缆 塔 锚 吊索及桥面 一般还 有加劲梁 其受力特征是 荷载由吊索传至缆 传力途径简捷 明确 悬索桥有如下特 点 构造简单 受力明确 跨径越大 材料耗损越少 造价越低 结构及构件简单 轻 便和易于标准化 构件容易运输 便于用悬吊法拼装 不受地形 航道和季节的影响 目前 全世界跨径大于 1000m 的桥 都是悬索桥 就是这个原因 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 对承重结构没有任何削弱 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 能充分显示其优越性 迄今为止 世界上已出现三个悬索桥大国 即美国 英国 日本 和我国 美国的悬索桥出现较早 主要有以下特点 主梁采用 AS 法假设 加劲梁采 用非连续的钢桁梁 适应双层桥面 并在桥塔处设有伸缩缝 桥塔采用铆接或栓 接刚结构 吊索采用竖直的 4 股骑跨式 索夹分为左右两半 在其上下采用水平 高强螺栓紧固 鞍座采用大型铸钢件 桥面板采用 RC 构件 3 图 3 1 美国金门大桥 英国的悬索桥由于出现晚些 故自成流派 采用流线型扁平钢箱梁作为加劲 梁 早期采用铰接斜吊索 经赛文桥 博斯普鲁斯一桥以及恒伯尔桥的实践后 博斯普鲁斯二桥改回到垂直吊索 索夹分为上下两半 在其两侧采用垂直于主缆 的高强螺栓紧固 桥塔分为焊接钢结构或钢筋混凝土结构 钢桥面板采用沥青混 合料铺装 图 3 2 英国恒比尔大桥 日本的悬索桥出现较晚 故也有其相应技术随时代进步的特色 主要特点如 下 采用预制平行钢丝索股架设主缆 简称 PWS 法 加劲梁主要沿袭美国流派的 4 钢桁梁型式 但近年来对非双层桥面的梁体已转向采用流线型扁平钢箱梁 吊索 沿袭美国流派的竖直 4 股骑跨式 不接受英国流派的斜吊索 桥塔采用钢结构 主要采用焊接方式 鞍座采用铸焊混合方式 采用钢桥面板沥青混合料铺装桥面 主缆索股与锚碇内钢构架采用预应力工艺锚固 图 3 3 日本明石峡大桥 我国进入 20 世纪 90 年代以来 现代悬索桥的建设揭开了新的历史篇章 修 建了一批结构复杂 造型美观的大跨悬索桥 进入 21 世纪 我国又建设了几座各 具特色的大跨度现代悬索桥 如舟山西堠门大桥主跨 1650m 位居世界第二 世界 上最长的钢箱梁悬索桥 2007 建成 坝陵河大桥 中国最大的钢桁加劲梁悬索桥 主跨 1088m 2009 年 12 月建成通车 矮寨特大悬索桥 2012 年建成通车 创造了 四项世界第一 南京长江四桥 主跨 1418m 为国内跨径最大的双塔三跨悬索桥 于 2012 年底建成通车 江苏泰州长江大桥 世界首座三塔两跨千米级三塔双跨钢 箱梁悬索桥 2012 年建成通车 现在在建的悬索桥有马鞍山长江大桥 预计 2013 年年底可建成通车 河南武西高速公路桃花峪黄河大桥 主跨为 406m 为目前世界 上最大跨度的钢箱梁自锚式悬索桥 预计 2013 年 10 年建成通车 武汉鹦鹉洲长 江大桥 世界上跨度最大的三塔四跨悬索桥 预计 2014 年完工 等等这些都表明 我国悬索桥的建设技术已经赶上了世界先进水平 5 图 3 4 中国矮寨大桥 除了以上三个悬索桥大国之外 世界其他各国 包括我国 对加劲梁基本上都接 受了英国流派的流线型扁平钢箱梁形式 对吊索仍保持美国流派的竖直形式 但 按照各桥具体情况分别采用 4 股骑跨式或双股铰接方式 对主缆架设方法我国引 用日本的 PPWS 法 欧洲 特别是英国 仍喜欢用 AS 对鞍座与锚碇内的锚固方式 都分别偏向采用铸焊混合结构与预应力锚固工艺 目前 跨度最大的悬索桥是 1988 年 4 月建成的日本明石海峡大桥 该桥的结构形式为 960m 1991m 960m 的三跨悬 索桥 2 钢管混凝土桥 钢管混凝土桥是兴起于上世纪 90 年代的一种桥型 属于钢 混凝土组合结 构中的一种 是一种比较年轻的桥型 拱桥的受力主要是受压为主 通过其独特的结 构将压力转变为推力 传给墩台 其传力途径如下 恒载和活载作用在主梁上 主梁通 过拉杆或者腹孔墩将荷载传至主拱圈 再由主拱圈传至墩台 钢管混凝土拱桥的受力原 理是将钢管内填充混凝土 由于钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀 使混凝土处 于三向受压状态 从而显著提高混凝土的抗压强度 同时钢管兼有纵向主筋和横向套箍 的作用 同时可作为施工模板 方便混凝土浇筑 施工过程中 钢管可作为劲性承重骨 架 其焊接工作简单 吊装重量轻 从而能简化施工工艺 缩短施工工期 中国的钢管混凝土拱桥真正的发展是在 20 世纪 90 年代 我国第一座钢管混凝土 拱桥是 1990 年建成的四川旺苍东河大桥 跨径 110m 据不完全统计 十多年来我国 己建的和在建的钢管混凝土拱桥约有 200 多座 其中跨径超过 200m 的有 30 多座 6 图 3 5 支架河大桥 1995 年 广东三山西大桥是第一座跨径超过 200m 的钢管混凝土拱桥 也是第一 座飞燕式拱桥 飞燕式钢管混凝土拱桥通过系杆来平衡主拱所产生的大部分水平推力 大大降低了平原或软基地区拱桥下部与基础的工程量与造价 且造型美观在我国得到了 迅速发展 相继建成的有武汉市江汉五桥 江苏徐州京杭运河特大桥 南昌市生米特大 图 3 6 广州丫髻沙大桥 桥等 尤其是建成于 2000 年跨径组合 76 360 76 的丫髻沙大桥 把这一桥型 也可 以说把钢管混凝土拱桥的跨径推上了一个新的台阶 2006 年 我国建成了世界当时最大 跨的钢管混凝土拱桥 460m 的巫山长江大桥 2007 年建成通车的重庆菜园坝大桥 首 创了刚箱提篮拱这一桥型 现在在建的合江长江一桥 是主跨 530m 的中承式钢管混凝 土拱桥 预计 2013 年完工 建成后为世界上同类型结构的跨度最大 7 这类桥型的施工常用是分段吊装施工 首先分段吊装钢管后焊接 现将主拱圈架设 起来 利用混凝土泵车将混凝土压注到钢管内 待主拱圈完成后 再架设主梁 通过拉 杆 将主梁和主拱圈联系起来 在涉及到跨线或是跨越不大河流时 为了不影响交通 也常采用转体施工 四 设计方案四 设计方案 方案一 单跨悬索桥方案一 单跨悬索桥 本方案为单跨简支悬索桥 三级公路标准 设计时速 30km 双向单车道 1 受力特征和传力过程 以主缆受拉为主要受力特性 充分发挥了钢材受拉强度高的能力 合理利用了材料 成桥后 车辆的活载和结构的自重通过吊索传递给主缆 主缆和吊索承受很大的拉力 从而为抵抗活载效应提供了刚度 主缆的拉力最终通过隧道锚定传递到地基 主塔承受 着主缆在竖向的分力 以受压为主 这也充分发挥了混凝土受压强度高的特点 充分利 用材料的特性 钢桁架主梁构造简单 刚度大 一方面减轻了结构的自重 另一方面加 强了桥面的刚度 有利于结构的抗风和挠度控制 由于悬索桥为柔性体系 制作和架设 误差及温度变化对梁的受力无影响 减少了次内力对结构的影响 悬索桥方案的立面图 见下图 图 4 1 悬索桥立面图 单位 mm 2 结构构造 桥跨布置 桥总长 295m 主跨 260m 采用 21 5m 260m 13 5m 布置 垂跨比为 1 10 8 宽跨比为 1 20 保证有足够的横向刚度 桥面布置 桥面单边布置为 3 5m 行车道 1 2m 人行道 0 3m 防撞栏杆 1 1m 锚定 区 桥面总宽为 2 3 5 1 2 0 3 1 1 12 2m 吊杆布置 在主梁范围内布置 49 对吊杆 间距为 5 2m 双面布置 主梁布置 主跨主梁为混凝土板梁 梁宽 12 2m 梁高边缘 0 95m 中间 0 6m 主缆 采用镀锌钢丝编制而成 抗拉强度为 1670MPa 采用预制平行丝股法 PPWS 法 施工 吊索 吊索与主缆的连接方式采用销接式 吊索由抗拉强度为 1670MPa 的镀锌钢丝 捻制而成 左主塔 采用混凝土 H 式框架结构 桥面以上 30 5m 基顶以上为 64 5m 右主塔 采用混凝土 H 式框架结构 桥面以上 30 5m 基顶以上为 46 5m 图 4 2 悬索桥剖面图 单位 mm 9 图 4 3 左桥塔三视图 单位 mm 图 4 4 右桥塔三视图 单位 mm 10 3 施工方法 先修建主塔基础 基础为直径 4m 的圆形桩 长 12m 采用机械挖桩的方法 待基础 完工后 修建主塔 2 5m 3 5m 预制边跨箱梁 修筑隧道锚定 随后架设猫道 同 时架设两边跨箱梁 预制主梁 接着架设主缆 主缆采用分根 分股 成索 紧索的工 艺施工 待主缆和边跨建好后 采用跨缆吊机 从桥塔向跨中方向对称架设主梁 跨中 合龙 主梁靠近桥塔处每节长 7 6m 其余每节主梁为标准长 4 8m 吊索悬掉点为每节的 中点 主梁合龙后 连接各主梁湿接缝 使其成为整体 最后铺设桥面铺装 桥面铺张 由中轴线向两边设置 2 的横坡 以便于横向排水 最后修筑辅助设施 方案二 单跨上承式钢管混凝土拱桥方案二 单跨上承式钢管混凝土拱桥 本方案为单跨上承式钢管混凝土拱桥 三级公路标准 设计时速 30km 双向两车道 1 受力特征和传力过程 以钢管混凝土受压为主要受力特征 在竖向荷载作用下产生水平推力 成桥后 车 辆的活载传递路径为 桥面板 纵梁 横梁 立柱 拱肋 地基 竖向和水 平 受力明确 由于钢管对混凝土的套箍作用 约束了混凝土的横向变形 加强了混 图 4 5 拱桥立面图 单位 mm 凝土的抗压强度 减少了截面尺寸 从而减轻了结构的自重 充分发挥了结构的特性 11 满足了结构抗压的强度要求 另外 钢管的存在 也有利抵抗拱肋可能受到的弯矩 结 构的上部结构大部分为钢结构 强度大 自重轻 增大了结构的承载力 结构在竖向荷 载作用下会产生较大的水平的推力 而桥位处两岸的山坡和良好的地质能提供良好的水 平支撑 充分发挥了地形优势 2 结构构造 桥跨布置 桥跨采用单跨拱桥 桥总长 298m 主跨 240m 桥面布置 桥面单边布置为 3 5m 机动车道 1 5m 人行道 0 5m 栏杆 桥面总宽 为 2 3 5 1 5 0 5 11m 纵梁 纵梁为贯穿整个桥跨的钢桁架梁 梁高 1 2m 梁宽 0 8m 沿桥宽方向均匀布置 三根纵梁 纵梁固定在横梁上 图 4 6 拱桥剖面图 单位 mm 横梁 横梁高 1 2m 宽 0 8m 长 11 5m 两边各悬挑 1 2m 横梁固结在立柱上 立柱 立柱在桥跨范围内等间距分布 纵向间距为 20m 立柱为刚结构 截面尺寸为 0 6m 0 8m 一对立柱间的横向间距为 8 5m 立柱根据不同的高度 在中间设置横向梁连 12 接 以增强立柱的稳定性和刚度 拱肋 全桥由两根主拱肋承担荷载 每根拱肋由四根直径为 20cm 的钢管混凝土组 成的空间结构组成 混凝土等级为 C50 拱肋高 1 0m 宽 0 6m 两拱肋在立柱的支点处设 置横向连接 横向连接为米字连接 以保证足够的横向刚度和整体性 3 施工方法 本设计方案施工采用前支点悬挂法 先修筑拱脚处的基础 待其完成后 架设临时 塔架 塔架采用钢结构 同时在两岸的山坡上修筑临时锚固点 随后修筑拱肋 拱肋采 用组装钢管 现灌混凝土施工 拱肋钢管分节安装 每节的标准长度为 4 0m 接口采用 现场焊接 每节钢管安装到位后 挂上临时索 调好索力 随后往钢管内灌注混凝土 混凝土采用 C50 的高强混凝土 为了保证钢管内混凝土的密实度 混凝土要求有很好的 流动性和坍落度 拱肋的施工由两边向跨中对称施工 在跨中合龙 待拱肋施工完毕后 拆除临时塔架 同时修筑两边的基础 随后便架设立柱 全桥 14 根立柱 采用现场组 装 对称架设 立柱架设完后 架设横梁 纵梁 铺设桥面板 桥面板现在两岸预制 现场安装 由两岸向跨中对称铺设 桥面统一规格为 11 5m 19 8m 纵向设置湿接缝 最后修筑桥面铺张和附属设施 图 4 7 施工立面图 五 方案比选五 方案比选 根据设计构思宗旨 桥型方案应从安全 适用 经济 美观等的原则出发 考虑多 13 方面的因素来进行比选 最终所选桥型力求技术先进 安全可靠 适用耐久 同时满足 工程数量省 造价低 投资少 经济合理 造型美观 与周边环境相协调等原则 另一 方面 所选桥型应满足有成熟施工经验 所需施工设备少 工艺简单的要求 以减小施 工难度 加快施工进度 节省投资金额 保证施工质量 结合桥梁设计的原则 对以上 两个方案进行必选 并确定最终方案 必选结果如表 5 1 表表 5 5 1 1 比选结果比选结果 方案 单跨简支悬索桥 单跨上承受钢管混凝土拱桥 安全 柔性体系 抗风性差 抗震能力好 施工过程较安全 国内经验丰富 有可借鉴的工程实例 拱肋的施工风险大 变化因数太多 一旦主肋施工 完毕 接下来的施工过程都比较安全 成桥后安全 性很高 抗风能力强 抗震性差 国内施工经验丰 富 经济 主缆和吊索为主要受力结构 耗钢 量大 对材料要求高 运营阶段维 修费用高 投资较大 结构大部分为钢结构 耗钢量大 前期投资较多 成桥后几乎不用维修 后期费用很少 施工过程临 时设施较多 机械动用多 施工费用较高 投资较 大 适用 跨度大 一次跨过峡谷 桥下净空 高 基础设置在两岸 桥面行车舒 适 适用性好 跨度大 一次跨越峡谷 基础较低 要做防冲刷处 理 适用性一般 耐久 主缆和吊索的防腐要求高 后期需 维修 耐久性一般 成桥后 几乎不用维修 一劳永逸 耐久性好 美观 柔性体系 动感十足 感人漂浮的 感觉 气势磅礴 远看也充满霸气 可成为地标结构 结构简洁 线形优美 它的曲线给人美的感觉 与环境 的协调 土方开挖量不大 能很好的保护原 有的地形地貌 建成后 可与当地 环境组成一道美丽的风景 基础较多 较大 临时锚固点的设置 土方开挖量 较大 对原有环境破坏较大 但是成桥后 结构能 很好的融入当地环境 最终方案确定 本着安全第一的原则 结合经济性 耐久性 适用性 美观等其他因素 借鉴 国内外相关工程经验 经过对比 我推荐使用方案一 即单跨简支悬索桥 从上述表格 可以看出这种桥型在各个方面的表现都令人满意的 悬索桥这种现代感极强的桥型将成 为未来桥梁发展的趋势 成为未来的主流 14 六 设计重点和难点 拟采用的研究手段六 设计重点和难点 拟采用的研究手段 1 设计重点和难点 本设计为单跨简支悬索桥 设计计算复杂 施工工艺要求高 设计的重点和难点在 于主缆和吊索的索力计算 主缆的计算分为施工和成桥两阶段 成桥阶段分析包括初始 平衡状态分析以及在其它外力作用下的结构效应分析 在成桥阶段分析中采用线性化有 限位移法 施工阶段 随着加劲主梁的架设 主缆线形不确定 在不断的变化和转换中 这时的计算更加复杂和重要 因而需进行施工阶段验算 以确保整个施工过程安全可靠 本方案的施工重点和难点则是主缆和主梁的架设 由于主缆是钢结构 受温度变化的影 响较 而每根钢丝的位置要求精确无误 这就对施工工艺和施工监控提出了很高的要求 主梁的架设也是重点 由于架设主梁时 采用的是桥面吊机架设 而此时主梁尚未成型 结构柔性大 受侧面风的影响较大 因而需特别注意 2 研究手段 由于结构属于多次超静定结构 手算几乎不能 因而只能依靠软件和计算机计算分 析 本设计主要借助 Midas Civil 软件来进行悬索桥的分析 具体步骤如下 1 正确拟定主缆 索塔 加劲梁 吊杆等构件的材料和截面特性 2 通过建模助手进行有限元建模 并根据实际情况 对单元 边界条件和荷载进 行一些必要的编辑 定义一个一次成桥的施工阶段 3 运行分析后查看该施工阶段的位移是否接近于0以及一些构件的内力是否与几 何刚度初始荷载表格或平衡单元节点内力表格的数据相同 4 各项结果都满足要求后即可进行成桥阶段的各种分析和倒拆施工阶段分析 七 设计进度计划七 设计进度计划 1 英语翻译 1 2 周 2 方案必选 3 4 周 3 结构计算 计算软件学习 1 7 周 4 结构计算 成桥阶段计算 7 9 周 5 施工方法设计 10 周 6 成桥阶段计算分析 11 周 7 荷载组合承载能力分析 12 13 周 15 8 绘图 14 周 9 完成设计递交修改 15 周 10 完成修改进行答辩 1