土木工程毕业设计方案比选.doc

兰州交通大学毕业设计（论文）方案比选说明书一、 桥梁设计方案概要本次方案设计就大西客运专线韩家屯特大桥DK831+103.10DK831+280.80段进行三个桥型方案的设计研究比较。方案一：三跨预应力连续箱梁；方案二：三跨预应力连续刚构桥；方案三：下承式系杆拱桥。三个桥梁方案均可满足跨越大西客专新临潼上行联络线。经综合研究比较后，认为方案一最优，建议作为本工程的实施方案。二、所选桥型各方面比较方案一：三跨预应力连续箱梁预应力混凝土连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。简介其发展：由于普通钢筋混凝土结构存在不少缺点：如过早地出现裂缝，使其不能有效地采用高强度材料，结构自重必然大，从而使其跨越能力差，并且使得材料利用率低。 为了解决这些问题，预应力混凝土结构应运而生，所谓预应力混凝土结构，就是在结构承担荷载之前，预先对混凝土施加压力。这样就可以抵消外荷载作用下混凝土产生的拉应力。自从预应力结构产生之后，很多普通钢筋混凝土结构被预应力结构所代替。 预应力混凝土桥梁是在二战前后发展起来的，当时西欧很多国家在战后缺钢的情况下，为节省钢材，各国开始竞相采用预应力结构代替部分的钢结构以尽快修复战争带来的创伤。50年代，预应力混凝土桥梁跨径开始突破了100米，到80年代则达到440米。虽然跨径太大时并不总是用预应力结构比其它结构好，但是，在实际工程中，跨径小于400米时，预应力混凝土桥梁常常为优胜方案。 我国的预应力混凝土结构起步晚，但近年来得到了飞速发展。现在，我国已经有了简支梁、带铰或带挂梁的T构、连续梁、桁架拱、桁架梁和斜拉桥等预应力混凝土结构体系。 虽然预应力混凝土桥梁的发展还不到80年。但是，在桥梁结构中，随着预应力理论的不断成熟和实践的不断发展，预应力混凝土桥梁结构的运用必将越来越广泛。虽然连续梁有很多优点，但是刚开始它并不是预应力结构体系中的佼佼者，因为限于当时施工主要采用满堂支架法，采用连续梁费工费时。到后来，由于悬臂施工方法的应用，连续梁在预应力混凝土结构中有了飞速的发展。60年代初期在中等跨预应力混凝土连续梁中，应用了逐跨架设法与顶推法；在较大跨连续梁中，则应用更完善的悬臂施工方法，这就使连续梁方案重新获得了竞争力，并逐步在40200米范围内占主要地位。无论是城市桥梁、高架道路、山谷高架栈桥，还是跨河大桥，预应力混凝土连续梁都发挥了其优势，成为优胜方案。目前，连续梁结构体系已经成为预应力混凝土桥梁的主要桥型之一。 然而，当跨度很大时，连续梁所需的巨型支座无论是在设计制造方面，还是在养护方面都成为一个难题；而T型刚构在这方面具有无支座的优点。因此有人将两种结构结合起来，形成一种连续刚构体系。这种综合了上述两种体系各自优点的体系是连续梁体系的一个重要发展，也是未来连续梁发展的主要方向。 另外，由于连续梁体系的发展，预应力混凝土连续梁在中等跨径范围内形成了很多不同类型，无论在桥跨布置、梁、墩截面形式，或是在体系上都不断改进。在城市预应力混凝土连续梁中，为充分利用空间，改善交通的分道行驶，甚至已建成不少双层桥面形式。在我国，预应力混凝土连续梁虽然也在不断地发展，然而，想要在本世纪末赶超国际先进水平，就必须解决好下面几个课题：1、 发展大吨位的锚固张拉体系，避免配束过多而增大箱梁构造尺寸，否则混凝土保护层难以保证，密集的预应力管道与普通钢筋层层迭置又使混凝土质量难以提高。2、 在一切适宜的桥址，设计与修建墩梁固结的连续刚构体系，尽可能不采用养护调换不易的大吨位支座。3、 充分发挥三向预应力的优点，采用长悬臂顶板的单箱截面，既可节约材料减轻结构自重，又可充分利用悬臂施工方法的特点加快施工进度。另外，在设计预应力连续梁桥时，技术经济指针也是一个很关键的因素，它是设计方案合理性与经济性的标志。目前，各国都以每平方米桥面的三材（混凝土、预应力钢筋、普通钢筋）用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁的技术经济指针。但是，桥梁的技术经济指针的研究与分析是一项非常复杂的工作，三材指标和造价指标与很多因素有关，例如：桥址、水文地质、能源供给、材料供应、运输、通航、规划、建筑等地点条件；施工现代化、制品工业化、劳动力和材料价格、机械工业基础等全国基建条件。同时，一座桥的设计方案完成后，造价指针不能仅仅反应了投资额的大小，而是还应该包括整个使用期限内的养护、维修等运营费用在内。通过连续梁、T型刚构、连续刚构等箱形截面上部结构的比较可见：连续刚构体系的技术经济指针较高。因此，从这个角度来看，连续刚构也是未来连续体系的发展方向。总而言之，一座桥的设计包含许多考虑因素，在具体设计中，要求设计人员综合各种因素，作分析、判断，得出可行的最佳方案。本次设计为(48+80+48)m预应力砼连续梁，桥宽为12m，梁体采用单箱单室箱型截面，全桥共设45个梁段，中支点0号梁段长度12m，一般梁段长度分成2.7m、3.1m和3.5m，合拢段2.0m，边跨直线段及合拢段共长8.0m，最大悬臂浇筑块重136.882t。由于多跨连续梁桥的受力特点，靠近中间支点附近承受较大的负弯矩，而跨中则承受正弯矩，则梁高采用变高度梁，按二次抛物线变化。这样不仅使梁体自重得以减轻，还增加了桥梁的美观效果。梁体各控制截面梁高分别为：端支座处边跨直线段和跨中3.85m，中支点处梁高6.65m，梁高按二次抛物线变化；箱梁截面为单箱单室直腹板；全桥箱梁顶宽12.0m，底宽6.7m，顶板厚40cm，腹板厚分别为48cm至60cm、60cm至90cm，按折线变化，底板厚由跨中的40cm按直线变化至中支点梁根部的100cm；全桥共设5道横隔梁，分别设于中支点、端支点和中间跨跨中截面。由于预应力混凝土连续梁桥为超静定结构，手算工作量比较大，且准确性难以保证，所以采用有限元分析软件MIDAS进行，这样不仅提高了效率，而且准确度也得以提高。本次设计的预应力混凝土连续梁采用悬臂现浇法施工。图2.1 三跨连续梁简图方案二：三跨预应力连续刚构桥1、 概况及受力特点刚构桥将桥跨结构(主梁)与墩台刚性固结，连接成整体，则主梁的弯矩可传递至墩台，使墩台也同时弯曲而产生弯矩，同时又受压力作用。刚构桥的外形近似梁式桥，但与梁式桥不同的是，它的墩台是压弯杆件，受力情况又接近拱桥，因此其结构体系介乎梁式桥与拱式桥二者之间。在跨内荷载作用下刚构桥主梁两端产生负弯矩，能抵消跨中一部分正弯矩，跨中截面尺寸相应得以减小。连续刚构是在T形刚构桥和连续梁的基础上发展起来的。T形刚构不需大吨位支座，但伸缩缝多，影响了行车的舒适性，而且挂梁处或铰接处存在转角不连续，因此不适合高速交通的发展。连续梁桥桥面平顺，行车舒适，但需体系转换和大吨位支座。连续刚构则吸取了两者的优点，采用双薄壁墩来减小温度应力。连续刚构桥外型尺寸小，桥下净空大，桥上视野开阔。钢筋混凝土刚构桥混凝土用量少，但钢筋用量较大，基础的造价也高，所以目前常用于中小跨度；预应力混凝土刚构桥则常用于高墩大跨桥梁，且具有较好的技术经济性，其桥型方案主要采用连续刚构。2、预应力混凝土连续刚构桥具有如下优点：(1)墩梁固结的特点省去了大跨连续梁的制作，无需进行巨型支座的设计、制造、养护和更换，节省昂贵的支座费用；(2)因墩梁固结，桥墩的厚度大大减小，约为梁在支点处高度的02倍一04倍，比T形刚构的墩厚小的多，减少桥墩与基础工程的材料用量；(3)抗震性能好，水平地震力可均摊给各个墩来承受，不需像连续梁设置制动墩承受，或采用昂贵的专用抗震支座；(4)墩梁固结便于采用悬臂施工方法，省去了连续梁施工在体系转换时采用的临时固结措施，拱式组合体系桥是指在拱式桥跨结构中，将梁和拱两种基本结构组合起来，共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构特性及其组合作用，达到节省材料的目的。对一般变截面箱梁,合理的箱梁高度以根部高度为中跨的1/ 151/ 20、中跨跨中梁高为主跨比的1/ 501/ 60 为宜,边、中跨比最好在0.520.58 之间使边跨支座在任何情况下均保持一定的压力。连续刚构在跨中和根部的应力,一般均能控制住,而在距离根部1/ 4 附近的正应力和主应力则难以控制,解决的办法是将该范围腹板增宽并加密布置构造钢筋以减少裂缝的出现,除此之外也可通过梁高的变化规律来调整,一般梁高的变化规律可采用二次抛物线来实现,该桥设计方案为主跨(48+80+48)m预应力混凝土连续刚构。主桥箱梁采用单箱单室截面，为三向预应力结构。考虑到铁路桥，尤其高速铁路线性要求严格，刚度要求高，适当提高主梁高度，支点处梁高取5.6m，跨中取2.8m，宽度12m，二次抛物线变截面。图2.2 三跨连续刚构简图方案三：上承式混凝土拱桥1、拱桥的基本特点及其适用范围力学特点：将桥面的竖向荷载转化为部分水平推力，使拱的弯距大大减小，拱主要承受压力，充分发挥圬工材料抗压性能；拱桥的优点：（1）具有较大的跨越能力，充分发挥圬工及其它抗压材料的性能；（2）构造较简单，受力明确简洁；（3）形式多样、外型美观；拱桥的缺点：（1）有水平推力的拱桥，对地基基础要求较高，多孔连续拱桥互相影响；（2）跨径较大时，自重较大，对施工工艺等要求较高；（3）建筑高度较高，对稳定不利；拱桥的主要组成:拱圈（拱背、拱腹、拱顶、拱脚）、拱上结构矢跨比f/L反映拱桥受力特性的重要指标2、主拱圈的截面尺寸拟定（1）主拱圈宽度中、小跨径桥：拱圈宽度=桥面净空宽度栏杆宽大跨径桥或特宽桥：拱圈宽度桥宽，主拱圈宽度一般l/20。桥规规定当主拱圈宽度l/20时，则应验算拱的横向稳定性本桥设计矢跨比f/L=1/7，跨度176m，矢高25m，主拱圈材料采用钢筋混凝土，为节约材料拱圈截面为等截面箱型拱，主拱圈采用二次抛物线，适合大跨径拱桥。箱型截面特点：截面挖空率大，节省材料；形心轴靠中适应主拱正负弯距变化；主拱整体性好，抗扭刚度大，稳定性好；便于预制施工拼装；箱形主拱圈的形式（2）箱形拱构造尺寸拱圈高度一般为跨径的1/501/70；可采用经验公式：H=176/100+0.8=2.56m拱圈宽度满足跨度的1/20；保证横向稳定；所以宽度取10m。（3）空腹式梁式腹孔特点：减轻拱上重量，降低拱轴系数，改善拱圈在施工过程中的受力状况，获得更好的经济效果，为了施工方便，采用简支腹孔。拱轴线选取应满足的要求（1）尽量减小拱圈截面的弯矩，使主拱圈各主要截面的应力相差不大；且最大限度减小截面拉应力，最好是不出现拉应力；（2）对于无支架施工的拱桥，应尽可能少用或不用临时性施工措施；（3）计算方法简便，易为生产人员掌握；（4）线型美观，便于施工。图2.3 上承式拱桥简图表1 方案综合比较表方案比选内容结构形式预应力混凝土连续梁混凝土连续刚构上承式混凝土拱桥主要受力特点由于支点负弯矩的卸载作用，跨中正弯矩大大减小，恒载、活载均有卸载作用（受力性能较简支梁优越）由于弯矩图面积的减小，跨越能力增大，适宜跨径：30-300米超静定结构，对基础变形及温差荷载较敏感主梁变形挠曲线平缓、桥面伸缩缝少、行车舒适。桥墩上只需布设一排支座，降低了桥墩的宽度尺寸在竖向荷载作用下，主梁与立柱的连接处会产生负弯矩：主梁、立柱受弯矩和轴力；柱底约束处既有竖直反力也有水平反力。刚架桥的形式多半是立柱直立的、单跨或多跨的门形框架，柱底约束可以是铰接或固接。 拱式桥的主要承重结构是拱圈或供肋(拱圈横截面设计成分离形式时称为供肋) 拱结构在竖向荷载作用下，桥墩和桥台将承受水平推力，同时，根据作用力和反作用力原理，墩台向拱圈(或拱肋)提供一对水平反力，这种水平反力将大大抵消在拱圈(或拱肋)内由荷载所引起的弯矩。 因此，与同跨径的梁相