桥梁初步设计方案比选

一桥梁初步设计一工程概况本册设计为猛河大桥初步设计，猛河位于湖南省境内。大桥的建设对推动该地区的经济发展具有十分重要的意义。本桥设计综合考虑该地区地形、地貌、通航、河床特征、泄洪要求，在满足使用要求的前提下，力求结构经济安全，施工方便。二设计规范1公路工程技术标准（JTGB012003）；2公路桥涵设计通用规范（JTG2004）；3公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG2004）；4公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ0241985）；5公路工程可靠度设计统一标准（GB/T502831999）；6公路桥涵施工技术规范（JTJ0412000）；7公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ02690）；8公路工程抗震设计规范（JTJ00596）；9钢结构设计规范（GBJ1788）三技术标准根据设计要求，主要技术指标如下1设计荷载一级公路，双向六车道；2设计车速80KM/H；3桥面宽度双幅分离式，每幅桥宽175M05M防撞栏2M人行道25M右路肩1125M行车道075M左路肩05M防撞栏，两幅桥之间间距05M4桥面坡度纵坡3，横坡15；5通航标准III2级1个航道,双向通航孔，净高H为10M，净宽B为150M，上低宽B为131M，侧高H为6M,通航水位为326473M；航道等级（2）6设计洪水频率按百年一遇洪水频率,设计水位为337765M；7设计基准期100年。四水文地质概况本桥工程区段为K3700K4400，桥址位于内陆河，环境类别为类（温暖或寒冷地区的大气环境、与无侵蚀性的水或土接触的环境），桥位与河道两岸顺直。两堤间距约700M，桥址河床断面属宽滩式河床断面。地质勘探结果表明，桥位区地质情况一般，河滩位置依次是低液限黏土，容许应力0250KPA；弱风化泥质灰岩，容许应力01000KPA；微弱风化泥质灰岩，容许应力01200KPA；微风化白云质灰岩，容许应力02000KPA，河槽部分依次是砂砾层，容许应力0550KPA，砂卵层，容许应力01200KPA，根据上述地质条件，设置端承桩。五大桥设计方案51大桥总体方案构思全面贯彻“安全、实用、经济、美观”的技术方针。（1）造价要求。所选桥型力求技术先进,结构独特有别于附近已建桥梁,同时满足工程数量省、造价低、投资少、经济合理的原则。（2）施工要求。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。（3）通航要求。为减少船舶撞墩的机率,确保桥梁的安全,适当增大和合理布置通航孔跨径,并且抵抗船舶撞击具有足够的安全,同时所选桥应保证在施工时不能影响船只通行。（4）景观要求。桥梁作为一种功能性的结构物，同时也是一种美学的艺术。所以在满足桥梁实用功能和桥下通航要求的前提下，力求桥梁造型美观，使大桥与周围环境相协调。并应最大限度地减少施工对河水及周围环境的污染。基于以上原则再结合地质实际情况以及中国现有的常见桥型，本次设计选取了四种桥型连续刚构桥，独塔双索面斜拉桥，三跨连续下承式钢管混凝土拱桥，自锚式混凝土悬索桥。最后综合各种因素，选取连续刚构桥作为推荐方案。52方案一连续刚构桥521主桥设计（1）总体布置1方案构思随着交通运输特别是一级级公路的迅速发展，对行车平顺舒适提出了更高的要求。而悬臂梁桥和T形刚构桥由于形变比较大的原因均难满足这个要求，超静定结构的连续钢构桥以其结构刚度大、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。与连续梁桥相比，连续刚构桥在墩顶处由恒载产生的弯矩要小，所以在特大跨连续梁体系桥中，一般考虑采用连续刚构桥。变截面连续刚构桥立面多采用不等跨布置，边主跨比一般为050692，梁底曲线可采用二次抛物线、折线和介于折线与二次抛物线之间的1518次抛物线，其中抛物线的变化规律应与连续梁的弯矩变化规律接近。本桥河床较为平坦，基岩埋深较浅，可以使用较大跨径以满足通航和泄洪要求。由于是III2级航道，通航净宽为150M，设一个通航孔，考虑到桥墩布置、地质、地形和通航富余等条件，取主跨为160M。连续刚构桥的边主跨比为050692之间，本桥考虑取两桥台之间长度为700M。由于桥位地质条件好，而引桥的标准跨为一般30M、40M或50M,，故跨径布置为2504050（预制预应力简支T梁）100160100350（预制预应力简支T梁）700M，这时边主跨比100/1600625满足要求。图11连续刚构桥方案总体布置图（单位CM）2桥面标高确定（1）竖曲线设计根据公路工程技术规范高速公路竖曲线半径一般取值为4500M、最小值为3000M，但考虑到避免桥台高度过低，在桥梁竖曲线和纵坡满足规范的前提下，本方案竖曲线半径采用R3000M。竖曲线基本要素为竖曲线长度L270M、切线长T135M、竖曲线外距E304M。（2）桥面标高本桥桥面标高根据设计水位、桥下通航（通车）净空、桥两端引道标高的需要，并结合桥型跨径等综合考虑。按设计水位计算桥面标高，计算公式如下MINJJOHH式中桥面最低高程（M）；I设计水位（M）（设计水位记入壅水、波浪高度等）；J桥向净空安全值（M）；JH桥梁上部结构建筑高度。O337765153010MINH342365M主桥跨中桥面标高按通航水位计算桥面标高MINTHMOHA式中桥面最低高程（M）I设计最高通航水位（M）TH通航净空高度（M）MH桥梁上部结构建筑高度，包括桥面铺装层高度（M）。OA32647310301339573M（主桥跨中桥面标高）MIN按路堤通车处计算桥面标高路堤通车处通车净空45M，上部结构建筑高度30M，设计跨中桥面标高为4335234549852M。综合上述标高，本方案标高取为49852（跨中桥面标高），由路堤通车处跨线标高确定。（2）上部结构设计主桥上部结构采用变截面箱梁，C50混凝土，桥梁宽度175M，箱梁顶板宽度取1750M，底板宽取100M。根据桥梁工程通常梁性刚柔桥，支点处箱梁截面的高跨比在1/161/20之间，跨中截面梁高约为支点截面梁高的1/251/35，故本桥支点处梁高取95M，高跨比为1/20，跨中梁高取4M，跨中截面梁高为支点梁高1/3，高跨比为1/60。箱梁顶板厚取30CM，腹板及底板采用变截面，腹板厚度由墩跨中40CM厚逐渐过渡至墩顶60CM厚,底板厚度由墩跨中35CM厚逐渐过渡至墩顶80CM厚。梁高、底板厚度按二次抛物线变化，以满足受力及桥梁线形上的需要，腹板厚度按直线变化。本桥方案由于桥面宽度的要求，考虑采用单箱单室断面，单箱单室断面构造简单，受力明确，施工方便。图12连续刚构桥方案主梁横截面图（单位CM）（3）下部结构设计本桥地形平坦，通航孔布置范围较广，由钻探资料，本桥主要地层第一层为沙砾层、第二层为砂卵层，采用端承桩，入岩深度大于三倍桩直径，因此主桥基础采用端承桩基础。主桥桥墩为双肢薄壁桥墩，主桥设4M厚钢筋混凝土承台。主桥基础采用钻孔灌注桩，选择在枯水季节钻孔施工，主墩每墩桩数为24根，桩端入持力层厚度亦大于桩直径3倍。图13连续刚构桥方案主桥桥墩大样图（单位CM）522引桥设计（1）桥跨布置2504050M（预制预应力简支T梁）主跨部分350M。（2）上部结构设计引桥上部结构采用标准跨径为40M的预应力简支T梁，梁高为2M，预制宽度为2M，主梁吊装就位后浇筑04M的湿接缝，T梁间距为2M，跨中腹板厚度为02M，跨中马蹄宽度为05M，高度为025M，斜坡高度015M，支点截面腹板厚度变为05M。图14连续刚构桥方案引桥主梁截面图（单位CM）（3）下部结构设计引桥桥墩采用圆柱式桥墩，桥墩直径为15M，每一横截面共设有四个桥墩，每一个桥墩下面设置10M直径的圆柱桩，中心距为25倍桩径，圆柱桩之间设置横系梁。（4）桥台设计本方案中，桥下地基良好，桥台接线处填土高度大约为10M左右，采用构造简单，费用较低的重力时桥台是比较合理的选择。具体桥台的尺寸请参照相关图纸。53方案二独塔双索面斜拉桥531主桥设计（1）总体布置840M预应力混凝土简支T梁160M180M（双塔双索面斜拉桥）50M30M预应力混凝土简支T梁750M。图15斜拉桥型总体布置图（单位CM）1方案构思独塔斜拉桥在河床地质、地形条件较好时，经济性比较好，可以省去一个桥塔，无索区比双塔斜拉桥长，拉索用量少；其次，其活载最大挠度发生在拉索区，对受力有利，受收缩徐变及温度梯度的影响较小；再次，其结构布置灵活，施工也比较方便，可采用悬臂浇筑、转体施工等方法。鉴于这些优点，并结合当地的地质条件，桥位处基岩埋深较浅，且均匀一致，承载力高，河槽偏于西岸，属于不对称情形，同时河面宽度约400M，在其经济跨径的范围内，另外，桥位处视野开阔，高耸的桥塔进一步增加了大桥雄伟的气势，因此独塔斜拉桥是一个很具有竞争力的方案。2桥面标高确定（1）竖曲线设计根据公路工程技术规范高速公路竖曲线半径一般取值为10000M、最小值为6500M，但考虑到避免桥台高度过高，在桥梁竖曲线和纵坡满足规范的前提下，本方案竖曲线半径采用R10000M。竖曲线基本要素为竖曲线长度L400M、切线长T200M、竖曲线外距E2M。（2）桥面标高本桥桥面标高根据设计水位、桥下通航（通车）净空、桥两端引道标高的需要，并结合桥型跨径等综合考虑。按设计水位计算桥面标高，计算公式如下MINJJOHH式中桥面最低高程（M）；I设计水位（M）（设计水位记入壅水、波浪高度等）；J桥向净空安全值（M）；JH桥梁上部结构建筑高度。O3377651525010MINH341865M主桥跨中桥面标高按通航水位计算桥面标高MINTHMOA式中桥面最低高程（M）INH设计最高通航水位（M）TH通航净空高度（M）M桥梁上部结构建筑高度，包括桥面铺装层高度（M）。OA326473102501339073M（主桥跨中桥面标高）MINH（2）上部结构设计1主塔桥面以上主塔顺桥向宽7M，桥面以下至承台逐渐过渡到10M。横桥向厚度为4M。桥塔总高度为1088M，桥面以上高为8950M。2主梁主梁梁高为25M，桥面板行车道做成1的双向横坡，桥面全宽265M。主梁截面采用混凝土形式，其截面形式见图图16主梁截面形式（单位CM）3斜拉索斜拉索采用直径8MM的低松弛高强平行镀锌钢丝束。斜拉索外层防护采用热挤双层PE防护套，外层防护套的颜色可根据景观要求选用。边跨斜拉索布置14M178M10M，主跨斜拉索布置15M178M29M，索横向间距为2550M。全桥共设218对斜拉索。主塔两侧斜拉索的设计以避免产生较大的塔身弯矩为原则。斜拉索两端用冷铸锚分别锚固于索塔和主梁上。斜拉索与主梁上的耳板采用销铰式连接，通过耳板用高强螺栓与主梁连接，斜拉索中心线在耳板平面内摆动。（3）下部结构设计主桥基础采用端承群桩基础。考虑到美观性，枯水期桩不外露，承台位置尽可能靠近最低水位，本设计取承台中心面与最低水位平齐。承台尺寸取为3600M（横桥向）1200M纵桥向40M高。基础由21根直径为20M的桩组成，纵向3排，间距4M，横向7排，间距5M，持力层厚度大于三倍桩劲。532引桥设计（1）桥跨布置840M（预制预应力简支T梁）主跨部分50M40M。（2）上部结构设计引桥上部结构采用标准跨径为40M的预应力简支T梁，梁高为2M，预制宽度为2M，主梁吊装就位后浇筑04M的湿接缝，T梁间距为2M，跨中腹板厚度为02M，跨中马蹄宽度为05M，高度为025M，斜坡高度015M，支点截面腹板厚度变为05M。图17连续刚构桥方案引桥主梁截面图（单位CM）（3）下部结构设计引桥桥墩采用圆柱式桥墩，桥墩直径为18M，每一横截面共设有四个桥墩，每一个桥墩下面设置20M直径的圆柱桩，圆柱桩之间设置横系梁。具体布置参考图纸。（4）桥台设计本方案中，桥下地基良好，桥台接线处填土高度大约为10M左右，采用构造简单，费用较低的重力时桥台是比较合理的选择。具体桥台的尺寸请参照相关图纸。54方案三三跨连续下承式钢管混凝土拱桥541主桥设计（1）总体布置方案取为三跨连续中承式钢管混凝土拱桥。主桥长700M，主跨长300M，采用对称布置。图18拱桥桥型总体布置图（单位CM）1方案构思拱桥是我国公路上使用广泛的一种桥型，在竖向荷载作用下，两端产生水平推力，使拱内产生轴向压力，大大减小了拱圈的弯矩，应力分布均匀，跨越能力较大，拱圈的弧形使结构摆脱了单纯的直线组合，形式鲜活美观。下承式拱桥不仅保持了拱桥一般的力学特点，特别是桥梁标高受限时，采用下承式拱桥可以降低桥面标高，方便两端的接线，更重要的是下承式拱桥的拱圈中的巨大水平推力可以由系杆来承受，从而减小拱桥对地基的要求，使基础造价降低2桥面标高确定（1）竖曲线设计根据公路工程技术规范高速公路竖曲线半径一般取值为4500M、最小值为3000M，但考虑到避免桥台高度过高，在桥梁竖曲线和纵坡满足规范的前提下，本方案竖曲线半径采用R3000M。竖曲线基本要素为竖曲线长度L270M、切线长T135M、竖曲线外距E304M。（2）桥面标高本桥桥面标高根据设计水位、桥下通航（通车）净空、桥两端引道标高的需要，并结合桥型跨径等综合考虑。按设计水位计算桥面标高，计算公式如下MINJJOHH式中桥面最低高程（M）；I设计水位（M）（设计水位记入壅水、波浪高度等）；J桥向净空安全值（M）；JH桥梁上部结构建筑高度。O337765152010MINH341365M主桥跨中桥面标高按通航水位计算桥面标高MINTHMOHA式中桥面最低高程（M）I设计最高通航水位（M）TH通航净空高度（M）MH桥梁上部结构建筑高度，包括桥面铺装层高度（M）。OA32647310201338573M（主桥跨中桥面标高）MIN综合上述标高，本方案标高取为338573（跨中桥面标高），由路堤通车处跨线标高确定。（2）上部结构设计1拱肋设计引桥上部主跨采用中承式悬链线无铰拱，结构采用钢管混凝土桁架，六支桁式断面，沿拱轴拱肋采用变高度（拱脚钢管中心距8M,拱顶钢管中心距4M），预制宽度为4M，边拱拱肋采用上承式双肋悬链线半拱，计算跨径为75M，矢高为35M，矢跨比为1/43,每肋由高4M,宽4M钢筋混凝土箱梁组成，两肋间设有一组“K”字和一组“米”字钢管桁式架横撑，它们与边拱端部固结的预应力混凝土端横梁一起，组成一个稳定的空间梁系结构2系杆及吊杆设计系杆设计是拱桥中的一个关键问题，一方面要考虑系杆与拱肋的连接，保证系杆能很好的与拱肋共同受力；另一方面又要考虑系杆与行车道之间的相互作用，避免桥面因阻碍系杆的受拉而遭破坏。该桥系杆布置箱梁的中间室内，两端锚固于边跨混凝土箱梁梁段横梁处锚体之上，锚体为钢筋混凝土结构，采用C50混凝土，锚体及拱座处埋设系杆预埋钢管。吊杆在同一截面内设置双吊杆，以有利于拱肋横向稳定。一般吊杆间距为410M,吊杆间距初步拟定为70M，全桥共设37对吊杆。每根吊杆采用7的低松弛钢绞线，采用双层HDPE全防腐体系，双层HDPE之间设一隔离层，锚具采用OVMLZM冷铸墩头锚，分别锚固与拱肋钢管顶端和箱梁锚固室内的腹板上。542引桥设计（1）桥跨布置250M4050（预制预应力简支T梁）主跨部分30M30M。（2）上部结构设计引桥上部结构采用标准跨径为40M的预应力简支T梁，梁高为2M，预制宽度为2M，主梁吊装就位后浇筑04M的湿接缝，T梁间距为2M，跨中腹板厚度为02M，跨中马蹄宽度为05M，高度为025M，斜坡高度015M，支点截面腹板厚度变为05M。图19连续刚构桥方案引桥主梁截面图（单位CM）（3）下部结构设计引桥桥墩采用圆柱式桥墩，桥墩直径为18M，每一横截面共设有四个桥墩，每一个桥墩下面设置20M直径的圆柱桩，圆柱桩之间设置横系梁。具体布置参考图纸。（4）桥台设计本方案中，桥下地基良好，桥台接线处填土高度大约为10M左右，采用构造简单，费用较低的重力时桥台是比较合理的选择。具体桥台的尺寸请参照相关图纸。55方案四自锚式混凝土悬索桥551主桥设计（1）总体布置1方案构思自锚式悬索桥与传统悬索桥的最大区别有两个，其一是主缆锚固于边跨加劲梁（即锚跨），因而可以利用加劲梁的水平支承能力来平衡主缆水平分力；利用锚跨自重来平衡主缆拉力的竖向分力，可节省庞大的锚碇工程。其二，可利用主缆水平分力为加劲梁提供压应力，因而加劲梁可采用普通混凝土结构，节省了预应力费用。自锚式悬索桥具有传统悬索桥的主要审美特征，又能够给我们一种格外的厚重、敦实、雄伟的感受。现代桥梁除了满足自身的结构要求外，也越来越注重景观设计，因此，自锚式悬索桥应用前景是很乐观的。表11国内外自锚式悬索桥参数桥名跨度矢跨比加劲梁地点三汊矶湘江大桥1323281281/50钢梁中国苏州竹园大桥3390331/80钢混凝土梁中国日本此花大桥1203001201/60钢梁日本韩国永宗大桥1253001251/50钢梁韩国参考上表设计资料，本桥总体布置为740M（预制预应力混凝土T形梁）75M230M75M（自锚式混凝土悬索桥）50M40M（预制预应力混凝土T形梁）图110自锚式悬索桥方案总体布置图（单位CM）2桥面标高确定本桥桥面标高根据设计水位、桥下通航（通车）净空、桥两端引道标高的需要，并结合桥型跨径等综合考虑。按设计水位计算桥面标高，计算公式如下MINJJOHH式中桥面最低高程（M）；I设计水位（M）（设计水位记入壅水、波浪高度等）；J桥向净空安全值（M）；JH桥梁上部结构建筑高度。O36611528010MINH4101M主桥跨中桥面标高按通航水位计算桥面标高MINTHMOHA式中桥面最低高程（M）I设计最高通航水位（M）TH通航净空高度（M）MH桥梁上部结构建筑高度，包括桥面铺装层高度（M）。OA32051028014495M（主桥跨中桥面标高）MIN按路堤通车处计算桥面标高路堤通车处通车净空45M，上部结构建筑高度21M，设计跨中桥面标高为39052214520547702M。综合上述标高，本方案标高取为47702M（跨中桥面标高）。（2）上部结构设计1加劲梁自锚式悬索桥中的恒载由主缆来承受，而活载还需要由主梁来承受，所以主梁必须有一定的抗弯刚度，主梁的形式以采用具有一定抗弯刚度的箱形断面较为合适。本方案选用钢箱梁，减轻了体系的自重，在一定的跨度允许范围内，使桥梁的安全性指标、适用性指标、经济性指标、美观性指标得到了完美的统一。对结构受力而言，由于采用了自锚体系，将索锚固于主梁上，利用主梁来抵抗水平轴力。图111主梁断面图（单位CM）2桥塔及基础设计本桥索塔塔高42M（主梁底部以上），采用钢筋混凝土门式桥塔，由两根塔柱及一道横梁组成，塔柱在纵向、横向均为等宽度。塔柱底面高程24805M，塔顶高程为95702M。索塔包括塔柱、横梁以及索塔附属设施（索塔内爬梯、除湿系统）。为加强索塔横向连系，提高索塔横向稳定性，索塔设置一道预应力混凝土箱形横梁。（3）下部结构设计塔基采用钻孔群桩基础，塔基采用21根直径20M的钻孔桩，桩底嵌入基岩层152倍桩径；桩长1556M，承台厚度为4M。551引桥设计参见此前引桥设计方案。56桥型方案比选在桥梁方案比选中，要注意下列四项主要标准安全、功能、经济与美观，其中自然以安全与经济为重。下面对四个方案进行简述桥型方案比较表第一方案第二方案第三方案第四方案方案项目预应力混凝土连续钢构桥独塔斜拉桥下承式连续钢管拱桥自锚式混凝土悬索桥1分孔740M100M180M100M50M40M840M160M180M50M40M840M95110M95M40M50M40M740M75M230M75M50M40M2桥长750M750M750M750M3纵坡21114施工难易主桥主跨跨度180M，跨度很大，对于悬臂施工技术以及所采用的材料有较高的要求，引桥预制吊装，质量易保证，工序简单。索力调整控制复杂，主梁悬臂施工，索塔爬模施工技术成熟，工期较短；引桥用预制架设，质量高，工期短。主梁采用移动模架施工，临时墩较多，影响通航；缆索架设拱肋时要修建临时索塔，工程量大；主桥跨度240M，跨度较小，需要先悬臂拼装施工主梁，施工复杂，工序多，技术尚不成熟。5接线标高44902M4490244902M44902M6适用性1双向通航孔，主孔道150M，通航性好；2满足泄洪要求，适用性好；3施工技术成熟，悬臂施工合理。4主桥桥面连续，行车平顺，后期养护费用少。引桥采用简支结1双向通航，主孔道150M，通航性好；2净跨径大，墩台少，对河床压缩小，有利于汛期泄洪；3悬臂施工技术成熟，施工合理。4主桥连续，行车平顺，拉1双向通航孔，主孔道75M，两个同行孔，通航性好；2桥面连续，行车顺畅；3钢管混凝土拱受日照温差影响易脱空1双向通航孔，主孔道150M，通航性好；2净跨径大，有利于汛期泄洪；3先梁后缆的施工方法，施工技术复杂；锚固技术复杂，混凝土容易开裂。4桥型新颖，受力合理，养护费构，伸缩缝多。索张拉复杂，后期养护费用高。用很高。7外形美观外型朴素大方，线形流畅。引桥的跨径和主桥的跨径过渡比例适当，造型美观外形新颖，桥型美观，气势宏伟，与周围环境协调好。拱圈错落有致，具有层次感桥型新颖独特，造型顺畅，线形流畅