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云溪大桥 2 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 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梁式桥 拱式桥 刚架桥 斜拉桥 悬索桥 以下分别介绍这五种桥梁及其发展现状 1 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 恒载和活载 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相比 梁桥 内产生的弯矩最大 通常需用抗弯 抗拉能力强的材料 钢 配筋混凝土 钢 混凝土组合结构等 来建造 从受力特点上看 混凝土梁式桥分为简支梁 板 桥 悬臂梁 板 桥和连 续梁 板 桥 简支梁桥属静定结构 是建桥实践中受力和构造最简单的桥型 连续梁桥是超静定结构 因为在荷载作用下支点截面产生负弯矩 导致跨中的正 弯矩大大减少 跨越能力大 适用于桥基良好的场合 悬臂梁桥属静定结构 跨 越能力比简支梁桥大 但逊于连续梁 并且因悬臂梁桥在悬臂端与挂梁衔接处的 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 2页 挠曲线都会发生不利于行车的折点 目前较少采用 从截面形式上看 可以分为板桥 T 梁桥和箱梁桥 板桥 建筑高度小 外形简单 施工方便 缺点是跨径不宜过大 T 梁桥 由于挖去受拉区的一部分混凝土 故自重轻 跨越能力大 箱梁桥 能同时承受正负弯矩 抗弯及抗扭刚度大 因此适用于较大跨径 当施加预应力后 其具有变形小 伸缩缝少 行车平顺舒适 后期养护简单 等优点 从施工方法上看 又可分为整体浇筑式梁桥和预制装配式梁桥两类 整体式 梁桥具有整体性好 收缩徐变比较小的优势 但施工速度慢 工业化程度低 耗 费支架和模板多 装配式梁桥由于下部结构施工与主梁预制不冲突可以同时进 故具有施工方便 大量节省模板 不受季节性影响等优点 但是需要大型起吊运 输设备 此项费用高 简支梁桥 结构简单 架设方便 可减低造价 缩短工期 同时最易设计成 各种标准跨径的装配式构件 但相邻两跨之间存在异向转角 路面有折角 影响 行车平顺 河南开封黄河公路大桥 图 2 1 是中国最长的简支 T 梁桥 全长 4475 09m 共 108 孔 其中 77 孔 50m 跨径的预应力混凝土简支 T 梁 31 孔 20m 跨径的钢 筋混凝土简支 T 梁 图 2 1河南开封黄河公路大桥 连续梁桥 超静定结构连续梁桥以其结构刚度大 变形小 伸缩缝少和行车 平稳舒适等突出优点而得到迅速发展 普通钢筋混凝土连续梁的适用跨径在 15 至 30m 之间 预应力等截面连续梁适用跨径 40 至 60m 之间 预应力变截面连续 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 3页 梁适用于主跨在 70m 及其以上 表表 1 我国已建成的大跨径预应力混凝土连续梁桥我国已建成的大跨径预应力混凝土连续梁桥 2 拱式桥 拱式桥的主要承重是拱圈或拱肋 拱结构在竖向荷载作用下 桥墩和桥台将 承受水平推力 又根据作用力和反作用力的原理 墩台向拱圈提供一对水平反力 这对水平反力将大大抵消在拱圈内由荷载所引起的弯矩 鉴于拱桥的承重结构以 受压为主 通常用圬工材料和钢筋混凝土等来建造 按照结构受力图式可分为 简单体系拱桥 组合体系拱桥和拱片桥 其中 1 简单体系拱桥又可细分为 三铰拱 属外部静定结构 由温度变化 支座沉降 混凝土收缩徐变等因 素引起的变形不会对它产生附加内力 它适合于在地基条件很差的地区修建 但 由于铰的存在 使其构造复杂 施工困难 维护成本增高 而且减少结构的整体 刚度 降低抗震能力 一般较少采用 两铰拱 属外部一次超静定结构 由于取消了拱顶铰 使结构整体刚度较 相应三铰拱大 由基础位移 温度变化 混凝土收缩和徐变等引起的次内力比对 无铰拱的影响要小 故可在地基条件较差或坦拱中采用 无铰拱 属外部三次超静定结构 在自重及外荷载作用下 拱内的弯矩分 序 号 桥名主桥跨径 m 桥址建成年份 1南京长江二桥北汊桥90 3 165 90江苏2000 2六库怒江大桥85 154 85云南1995 3黄浦江奉浦大桥85 3 125 85上海1995 4常德沅水大桥84 3 120 84湖南1986 5东明黄河公路大桥75 7 120 75山东1993 6风陵渡黄河大桥5 87 87 7 114 87山西1994 7沙洋汉江大桥63 6 111 63湖北1985 8珠江三桥80 110 80广东1983 9宜城汉江公路大桥55 4 100 55湖北1990 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 4页 布比两铰拱均匀 材料用量省 但因为无铰拱的超静定次数高 温度变化 收缩 徐变 特别是墩台位移会在拱内产生较大的附加内力 所以无铰拱一般修建在地 基良好的地方 2 组合体系拱桥可细分为 无推力的组合体系拱 无推力拱式组合体系桥是外部静定结构 兼有拱桥 的较大跨越能力和简支梁桥对地基适应能力强的两大特点 拱的推力由系杆承 受 系杆的含义就是一个将两铰拱脚相互联系在一起的水平结构 因而墩台不承 受水平推力 有推力的组合体系拱 此种组合体系拱没有系杆 此单独的梁和拱共同受 力 拱的推力仍由墩台承受 拱片桥 在拱片中 行车道系与拱肋刚性连成一体 共同承受荷载 按照桥面位置可分为 上承式拱桥 中承式拱桥和下承式拱桥 上承式拱桥 桥面系设在拱圈上面 桥面系构造简单 施工方便 拱圈与墩 台的宽度小 缺点是建筑高度大 纵坡大 引桥长 中承式拱桥 桥面设置在拱肋中部 当桥梁的建筑高度受到严格限制时 可 以采用中承式拱桥满足桥下净空 同时可以满足景观与美学要求 中承式拱桥缺 纵梁 致使在轮载作用下 横梁顺桥向不断扭转 不断扭转致吊杆疲劳断裂 施 工中很难保证吊杆轴线与锚固导管位于同一直线 且是铅垂线上 转折引起应力 集中 疲劳问题更严重 黑石铺大桥 图 2 2 全长 3068 米 主桥为三跨钢管拱和 11 连拱 与当时 已有的跨湘江大桥相比 创长 宽 时速之最 堪称 湘江第一桥 其规模在当 时同类型桥梁中也属全国之最 图 2 2黑石铺大桥 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 5页 下承式拱桥 桥面系设置在拱圈下面 建筑高度小 纵坡小 引道长度可节 省一部分 缺点是拱肋施工复杂 按照拱上建筑的构造方式分为 实腹式拱桥和空腹式拱桥 实腹式拱桥 拱上建筑构造简单 施工方便 填料数量较多 恒载较重 所 以一般用于小跨径的拱桥 空腹式拱桥 大 中跨径的拱桥 特别是矢高较大时 应以空腹式拱上建筑 为宜 空腹式拱上建筑除具有实腹式拱上建筑相同的构造外 还有腹孔和腹孔墩 3 刚架桥 刚架桥的主要承重结构是梁与立柱整体结合在一起的刚架结构 梁和柱的连 接处具有很大的刚性 以承担负弯矩的作用 门式刚架桥 其主要特点是将桥台台身与主梁固结 既省掉了主梁与桥台之 间的伸缩缝 改善了桥头行车的平顺性 又提高了结构的刚度 斜腿刚架桥 由一对斜置的撑杆与梁体固结后来承担车辆荷载的桥 因其压 力线接近于拱桥的受力状态 斜腿以受压为主 比门式刚架的立墙或立柱受力更 合理 故其跨越能力也大 连续刚构桥 梁体连续 墩 基础三者固结为一个整体共同受力 恒载作用 下 在采用双肢薄壁墩时 墩顶截面的恒载负弯矩要比相同跨径连续梁桥小 适 用于高墩 大跨的结构中 但其对地基承载力的要求更高 而且墩梁联接处应力 复杂 T 型刚构桥 分为带挂梁的 T 构桥和带铰的 T 构桥 其中带挂梁的 T 构桥 属静定结构 基础不均匀沉降 混凝土收缩徐变及温度变化等因素都不会对结构 产生次内力 带铰的 T 构桥属超静定结构 两个大悬臂在端部借所谓 剪力铰 相连 虎门大桥辅航道桥 图 2 3 是目前中国最大跨径的连续刚构桥 该桥位于 R 7000m 的平曲线上 跨径为 150 270 150 m 主梁为单箱单室箱梁 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 6页 图 2 3虎门大桥辅航道桥 4 斜拉桥 斜拉桥由塔柱 主梁和斜拉索组成 它的基本受力特点是 受拉的斜拉索将 主梁多点吊起 并将主梁的恒载和车辆等其他荷载传至塔柱 再通过塔柱基础传 至地基 主梁像一条多点吊起的连续梁一样工作 由于受到斜拉索的弹性支承 弯矩较小 主梁尺寸大大降低 自重明显减轻 大幅度提高了斜拉桥的跨越能力 斜拉桥的结构体系 可按以下方式划分 1 漂浮体系 塔墩固结 塔梁分离 主梁除两端有支承外 其余全部用 拉索悬吊 优点是主跨满载时 塔柱处的主梁截面无负弯矩峰值 但是当采用悬 臂施工时 塔柱处主梁需临时固结 以抵抗施工过程的不平衡弯矩和纵向剪力 由于施工不可能做到完全对称 成桥后解除临时固结 主梁会发生纵向摆动 荆州长江大桥 图 2 4 为主跨 500 米 PC 斜拉桥主梁设计成飘浮体系 图 2 4荆州长江大桥 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 7页 2 半漂浮体系 塔墩固结 主梁在塔墩上设置竖向支承 采用一般支座 时无明显有点 但采用弹簧支承时 可与漂浮体系媲美 并且在经济和减小纵向 飘移方面会有一定好处 3 塔梁固结体系 将塔梁固结并支承在墩上 主梁的内力和挠度直接同 主梁与索塔的弯曲刚度比值有关 优点是显著减小在主梁中央段承受的轴向拉 力 并且索塔和主梁中的温度内力极小 5 悬索桥 悬索桥是用悬挂在塔架上的强大缆索作为主要承重结构 其承载系统包括缆 索 塔柱和锚碇三部分 因此结构自重较轻 能跨越任何其他桥型无法达到的特 大跨度 受力简单明了 在将缆索架设完成后 便形成了一个强大稳定的结构支 承系统 施工过程中的风险相对较小 按锚碇方式分为 自锚式悬索桥和地锚式悬索桥 自锚式悬索桥 将主缆直接锚固在加劲梁上 从而取消了庞大的锚碇 优点 有 不需要修建大体积的锚碇 所以特别适用于地质条件很差的地区 因受地形 限制小 可结合地形灵活布置 既可做成双塔三跨的悬索桥 也可做成单塔双跨 的悬索桥 但是锚固区局部受力复杂 地锚式悬索桥 主揽锚固于大地 主揽的拉力由重力式锚碇或岩洞式锚固体 传递给地基 矮寨大桥 图 2 5 主跨 1176m 跨峡谷悬索桥创世界第一 首次采用塔 梁完全分离的结构设计方案 首次采用岩锚吊索结构 首次采用 轨索滑移法 架设钢桁梁 图 2 5矮寨大桥 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 8页 展望 21 世纪世界桥梁将实现新型 大跨 轻质 灵敏和美观的国际桥梁 发展新目标 桥梁结构形式多彩多姿 新型材料的运用大跨 轻质桥梁 会更多 涌现 更加注重环保 二 设计方案比选 1 技术标准 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 2 方案比选的原则 经济性 适用性 安全性 美观性 3 方案比选 1 方案一 3 40m 预应力混凝土连续箱梁桥 见图 2 6 2 7 该结构的组成 上部结构 云溪大桥 2 号 桥横截面布置采用 C50 双悬臂矩形单箱单室的 等截面箱形截面 截面箱梁顶宽 16 5 米 底板宽 9 50 米 梁高 3 00 米 箱梁顶 板厚度采用 32 厘米 腹板厚度为 45 厘米 底板厚度 25 厘米 下部结构 采用横系梁以上部分直径为 110cm 横系梁以下部分直径为 120cm 的双排桩 采用桩柱式桥台 使用该结构的原因 连续梁桥其结构刚度大 变形小 伸缩缝少和行车 平稳舒适 而且等截面以 40 至 60m 为宜 这样可以使主梁构造简单 施工快捷 施工方法 支架法施工 图 2 6方案一立面图 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 9页 图 2 7方案一断面图 2 方案二 6 20m 预应力混凝土装配式简支板桥 见图 2 8 2 9 该结构的组成 上部结构 云溪大桥 2 号 桥横截面布置采用 C50 空心板桥 板厚为 0 5m 下部结构 采用横系梁以上部分直径为 110cm 横系梁以下部分直径为 120cm 的三排桩 采用桩柱式桥台 使用该结构的原因 该处净空正好受限 板桥的优点是建筑高度小 适 用于桥下净空受限制的桥梁 而且它的外形简单 制作方便 便于工厂成批生产 并且装配式梁桥构件质量小 架设方便 缺点是跨径不宜过大 一般不超过 20m 施工方法 预制装配法 图 2 8方案二立面图 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 10页 图 2 9方案二断面图 3 方案三 方案三 4 30m 预应力混凝土连续 T 梁桥 见图 2 10 2 11 该结构的组成 上部结构 云溪大桥 2 号 桥横截面布置采用 C50T 型截面 主梁肋宽 0 2m 梁高 1 8m 下部结构 采用横系梁以上部分直径为 110cm 横系梁以下部分直径为 120cm 的三排桩 采用桩柱式桥台 使用该结构的原因 该地标高低 不适宜修建高墩桥梁 且地质条件较 差 不适宜修拱桥 因此结构简单 架设方便的 T 梁桥就很有优势 不但受力 明确 结构简单 而且可减低造价 缩短工期 施工方法 预制装配法 图 2 10方案三立面图 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 11页 图 2 11方案二断面图 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 3 40m预应力混凝土连续 箱梁桥 方案一 伸缩缝少 行 车舒适 满足 高速行车要 求 河床压缩 少 有利于汛 期泄洪 造价较低满堂支架施 工结构受力 与成桥结构 受力较为接 近 施工步骤 成熟 成本低 廉 无需大型 吊装设备 三跨结构线 条简洁明快 视野开阔 与 当地环境相 协调 6 20m预应力混凝土装配 式简支板桥 方案二 6 跨 简 支 板 桥 适用该处 地质条件 但 河床压缩多 汛期泄洪能 力较差 造价较高装配式板桥 施工方便 大 量节省支架 模板 不受季 节性影响 但 需大型吊装 设备 桥墩较多 下 视野不够阔 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 12页 4 30m预应力混凝土连续 T 梁桥 方案三 该处地基较 软 桥墩低 适合建梁桥 河床压缩多 对汛期泄洪 较不利 造价最高结构简单 架 设方便 易设 计成各种标 准跨径的装 配式构件 但 需大型吊装 设备 桥墩较多 下 视野不够阔 4 结论 选择方案一 3 40m 预应力混凝土连续箱梁桥 因为方案一为连续梁桥 故伸缩缝少 行车舒适 满足高速行车要求 三跨 结构对河床压缩少 有利于汛期泄洪 且线条简洁 轻巧 美观性更高 满堂支 架施工简单方便 无需大型吊装设备 三三 设计 研究 进度计划 设计 研究 进度计划 第 1 2 周 桥梁工程实习 第 3 4 周 方案比选 提交开题报告 第 7 9 周 结构计算 成桥阶段计算 第 10 周 施工方法设计 第 11 周 成桥阶段设计分析 第 12 13 周 荷载组合承载能力分析 第 14 周 绘制图纸 第 15 周 英语翻译 完成设计提交修改 第 16 周 完成修改进行答辩 云溪大桥 2 号桥 施工图设计 第 13页 四四 参考文献 参考文献 1 JTG D60 2004 公路桥涵设计通用规范 S 北京 人民交通出版社