斜拉桥教案资料

第1章绪论

1.1概述

斜拉桥是一种桥面体系受压、支承体系受拉的结构，其桥面体系由加劲梁构

成，其支承体系由钢索组成。

上世纪70年代后，混凝土斜拉桥的发展可分成三个阶段：

第一阶段：稀索，主梁基本上为弹性支承连续梁；

第二阶段：中密索，主梁既是弹性支承连续梁，又承受较大的轴向力；第三

阶段：密索，主梁主要承受强大的轴向力，又是一个受弯构件。

近年来，结构分析的进步、高强材料的施工方法以及防腐技术的发展对大跨

斜拉桥的发展起到了关键性的作用。斜拉桥除了跨径不断增加外，主梁梁高不断减

小，索距减少到10m以下，截面从梁式桥截面发展到板式梁截面。混凝土斜拉桥

已是跨径200m-500m范围内最具竞争力的桥梁结构。

1.1.1结构体系

斜拉桥的基本承载构件由梁（桥面）、塔和索三部分组成，且三者以不同的

方式影响总体结构的性能。实际设计时三者是密不可分的。塔、梁及索的不同变

化和相互组合，可以构成具有各自结构性能且力学特点和美学效果的突出的斜拉

桥。正因为如此，斜拉桥基本体系可按力学性能分为漂浮体系、支承体系、塔梁

固结体系和刚构体系：

漂浮体系为塔墩固结、塔梁分离，主梁除两端有支承外，其余全部用拉索悬

吊，是具有多点弹性支承的连续梁。

支承体系即墩梁固结、塔梁分离，在塔墩上设置竖向支承，为具有多点弹性

支撑的三跨连续梁。

塔梁固结体系即塔梁固结并支承在墩上，梁的内力和挠度同主梁与塔柱的弯

曲刚度比值有关。其支座至少有一个为纵向固定。

刚构体系为梁塔墩互为固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。这种体

系的优点是既免除了大型支座又满足悬臂施工的稳定要求，结构整体刚度较好，

主梁挠度小；缺点是主梁固结处负弯矩较大，较适合于单塔斜拉桥。在塔墩很高

的双塔斜拉桥中，若采用薄壁柔性墩来适应温度和活载等对结构产生的水平变

形，形成连续刚构，能保持刚构体系的优点，并使行车平顺。采用这种体系的有

美国的DamesPoint桥和我国的广东崖门大桥等。

在边跨加辅助墩，对梁和塔的内力和变形都很有利。实践表明，无论采用以

上何种体系，设一个辅助墩后，塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔根弯矩和边跨

主梁弯矩均急剧降低，一般约为原来的40%65%

1.1.2主梁

斜拉桥主梁直接承受车辆荷载，是斜拉桥主要承重构件之一。由于受拉索的

支承作用，与其它体系桥梁相比，斜拉桥主梁具有跨越能力大、建筑高度小和能

够借助拉索的预应力对主梁内力进行调整等特点。

斜拉桥的跨径比应考虑全桥刚度、拉索疲劳强度、锚固墩承载能力等多种因

素确定。双塔斜拉桥的边跨与主跨比一般为0.250.50，从经济角度

考虑，宜取0.4。

斜拉桥主梁自重应尽量减小，梁高与主跨比h/L变化范围一般在

1/501/100，对密索体系大跨径斜拉桥，高跨比可小于1/200;单索面要

按抗扭刚度确定。

主梁截面形式应根据跨径、索距、桥宽等不同需要，综合考虑结构的力学要

求、抗风稳定、施工方法等选用。如对于单索面斜拉桥，主梁断面宜采用抗风性

能优越的近似三角形断面。

主梁按材料可分为混凝土梁、钢梁、结合梁和混合梁，其中混凝土梁的主要

优点是：

(1)造价低。但当主跨大于500m时，混凝土主梁的低造价难以抵销由于

混凝土自重大而导致拉索和基础费用的额外增值。

(2)刚度大挠度小。在汽车作用下，产生的主要挠度约为类似钢结构的

60%左右。

(3)抗风稳定性好。这是由于混凝土结构振动衰减系数约为钢结构的两

倍。

(4)后期养护比钢桥简单便宜。缺点是跨越能力不如钢结构大，施工速度

不如钢结构快。

1.1.3索塔

作用于斜拉桥主梁的恒活载通过拉索传递给索塔，因而索塔是通过拉索对主

梁起弹性支承作用的重要构件。索塔上的作用力除本身的自重引起的轴力外，还

有拉索索力的垂直分力引起的轴向力、水平分力引起的弯矩和剪力。索塔设计应

满足强度、刚度、稳定等使用要求，并充分考虑施工方便、造价低及造型美观等

要求。

斜拉桥索塔的型式有柱式、门式、A型、倒丫型、菱型和钻石型等。

塔柱截面型式可分成矩形和非矩形两种基本型式。柱式塔柱构造简单，但承受横

向水平荷载的能力较差。对于单索面斜拉桥，由于索塔塔柱常设在桥面中央分隔

带上，增加了桥面宽度，因此多采用单柱型索塔。

双塔斜拉桥索塔高与主跨比宜选用0.180.25，并宜使边索与水平线

的夹角控制在25°45。左右。

1.1.4拉索

斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，并显示了斜拉桥的特点。斜拉桥桥跨结构

的重量和桥上荷载，绝大部分或全部通过斜拉索传递到塔柱上。拉索布置不仅影

响桥梁的结构性能，而且影响到施工方法和经济性。

斜拉索横桥向布置可分为中心挂索（单面索）、侧挂索（双面索）和三索面

三种体系。现有桥梁大部分采用双面索，即把斜拉索设于桥面结构两侧；然而，

现已成功修建了数座单面索斜拉桥，单索面体系避免了拉索交叉的视觉，给人以

美观开阔的视感，结构轻巧，但要求主梁具有必要的横向抗弯和抗扭刚度；较少

采用三面索。

在桥梁纵向，拉索布置可选择扇形、竖琴形（平行）、辐射形和不对称形。

平行索从力学和经济的观点考虑不是最佳的形式；辐射形索的索塔锚固区应力集

中、构造复杂、造价昂贵且外观较笨重；不对称形索适用于单跨斜拉桥；扇形索

综合了平行索和辐射形索的优点，是一种理想的索形。目前大部分斜拉桥采用扇

形索。

目前，斜拉桥已从大索距的稀索发展到小索距的稀索，绝大多数斜拉桥

采用密索布置。一般密索体系布置时，对于混凝土主梁，索距宜采用4m

12m.为使拉索材料经济，边索倾角宜控制在25°75。左右。

1.1.5桥型确定

本设计为墩、塔、梁固结的，双塔单索面预应力混凝土斜拉桥。

1.2目的与意义

1.2.1立题目的

通过本次有关斜拉桥的毕业设计，可使自己初步了解有关斜拉桥的基本知识

和结构设计计算的基本理论，并具备相当程度的大跨度桥梁的设计计算能力，为

今后的学习和工作打下良好的基础，同时使自己能够熟练运用计算机程序或软件

进行桥梁结构设计计算，并熟悉计算机绘图。

122立题意义

毕业设计是大学四年来最重要的一项学习内容，是对四年所学知识的总结与

运用；运用学过的基础理论和专业知识，结合工程实际，参考国家有关规范、标

准、工程设计图集及其他参考资料，独立地完成斜拉桥部分构件的设计；同时初

步掌握斜拉桥的设计步骤、方法，培养分析问题、解决问题的能力，为以后的继

续学习和工作奠定基础。

1.3主要内容

由于时间有限，未对斜拉桥进行全面设计，主要的内容有：

（1）XXX混凝土斜拉桥的构造尺寸、结构形式及其结构静力计算，包括

计算恒载内力、活载内力、温度内力、支座沉降引起的内力，并进行索塔控制截

面的作用效应组合；

（2）确定成桥状态的合理索力，即斜拉桥的恒载受力优化；

（3）拉索设计，包括拉索应力验算与拉索的构造和下料长度；

（4）桥塔锚固区的局部受力分析，对桥塔锚固区配置水平预应力筋。

第2章技术指标及设计资料

2.1设计依据

2.1.1技术指标

(1)公路等级：高速公路

(2)设计速度：120km/h

(3)设计荷载

汽车荷载：公路一I级温度作用：均匀温度取土15C，梁、塔与斜拉

索的温差取土10C,

主梁的日照温差按桥面板升温5C计

(4)桥面宽度：2X11m+4X0.45m(防撞栏)+3(分隔带)=26.8m

桥面横坡2%

(5)通航标准：通航水位：2.27m(黄海高程)

通航净高：48m通航净宽：底宽》300m,顶宽》220m

(6)基础变位：主墩沉降3.0cm，边、辅助墩沉降2.0cm

(7)主桥竖曲线：凸曲线半径R=16700m；纵坡：土2%

2.1.2设计规范

(1)《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-

2004)

(2)《公路斜拉桥设计规范》(试行)

(JTJ027-96)

(3)《公路钢筋混凝

土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)

2.1.3航运净空

根据《全国内河通航标准》有关规定及交通部广州航道局提供的有关船舶资

料，结合地形、地质条件，考虑特种船舶运营的需要，经审批后的通航净空要求

为：

通航净空高48m。航道净宽300m。

2.2材料参数

221混凝土

预应力混凝土主梁的混凝土强度等级为C50，索塔为C60，主墩墩身为

C50，承台、桩基、边墩和辅助墩墩柱均采用钢筋混凝土结构，混凝土强度等级

为C40。

2.2.2预应力钢材

桥塔锚索区的环向预应力钢筋为32的精轧螺纹粗钢筋，强度标准值

=930MPa弹性模量为=2.0X5MPa预应力管道均采用预埋金属波纹管成

fpkEsl0

型。

2.2.3斜拉索

该桥采用扭绞型平行钢丝斜拉索，由7mm高强平行钢丝组成，规格为

PES7-109PES7-187,抗拉强度标准值=1670MPa弹性模量为=2.05

fpkEp

X105MPa为PE、PU双层防护体系。锚具为冷铸墩头锚。

2.2.4桥面铺装

8cm厚防水混凝土，容重23KN/m3。

2.2.5支座

GPZ抗震型盆式橡胶支座。

2.2.6伸缩缝

SSFB240型伸缩装置。

2.3设计荷载与组合

2.3.1主要设计荷载

(1)永久作用：结构重力、基础变位作用

(2)可变作用：汽车荷载(含汽车冲击力)、温度(均匀温度和梯度

温度)作用

232索塔的作用效应组合

根据《公路桥涵设计通用规范》第4.1.6条规定：公路桥涵结构按承载能力

极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合：

基本组合一永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组

合表达式为：

mn

0Sud0（GiSGikQ1SQ1kcQjSQjk）

i1j2

式中—承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；

Sud

—第i个永久作用效应的分项系数，按表4.1.6的规定采用；

Gi

—第i个永久作用效应的标准值和设计值；

SGik

—汽车荷载效应（含汽车冲击力）的分项系数，取=1.4；

Q1Q1

S—汽车荷载效应（含汽车冲击力）的标准值和设计值；

Q1

—在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）、风荷载

Qj

外的其他第个可变作用效应的分项系数，取；

jQj=1.4

—在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）、风荷载

SQjk

外的其他第j个可变作用效应的标准值和设计值；

—在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）外的其他可变作

c

用效应的组合系数，当只有一种其他可变作用（温度）参

与组合时，取。

c=0.8

公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以

下两种效应组合：

1.作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其

效应组合表达式为：

mn

SsdSGik1jSQjk

i1j1

式中—作用短期效应组合设计值；

Ssd

—第j个可变作用效应的频遇值系数，汽车荷载（不计冲击力）

1j

=0.7；

1

—第j个可变作用效应的频遇值。

1jSQjk

2.作用长期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应

相组合，其效应组合表达式为：

mn

SldSGik2jSQjk

i1j1

式中—作用短期效应组合设计值；

Ssd

—第j个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击

2j

力）；

1=0.4

—第j个可变作用效应的准永久值。

2jSQjk

索塔设计中考虑的主要作用效应组合见表2-1:

表2-1作用效应组合表

组合种类组合内容

基本组合1.2恒载+0.5基础变位+1.4汽车（含冲击力）+1.12温度

作用短期效应组合恒载+基础变位+0.7汽车（不计冲击力）+均匀温度+0.8梯度温度

作用长期效应组合恒载+基础变位+0.4汽车（不计冲击力）+均匀温度+0.8梯度温度

标准组合恒载+基础变位+汽车（含冲击力）+温度

2.3.3拉索的内力组合

根据《公路斜拉桥设计规范》第4.2.1条规定：公路斜拉桥设计荷载的计

算，应遵照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—89）执行。

当结构重力产生的效应与汽车荷载产生的效应同号时：

S（G;Q）1.2S1.4S（组合I）

dgqG'Q1

=1.1S+1.3S+1.3S（组合III）

GQ1Q2

式中：S—永久荷载中结构重力产生的效应；

G

S—基本可变荷载中汽车产生的效应；

Q1

S—其他可变荷载中的温度影响力和永久荷载中的基础变位影响力的

Q2

一种或几种产生的效应。

拉索设计中考虑的主要荷载组合见表2-2:

表2-2荷载组合表

组合种类组合内容

组合I1.2恒载+1.4汽车（含冲击力）

组合川1.1恒载+1.3汽车（含冲击力）+1.3（温度+基础变位）

第3章桥型与结构形式

3.1桥型总体布置

该斜拉桥的桥跨组合为（165+338+165）m=668m主桥为墩、塔、梁固

结，双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，每侧边跨均设一个辅助墩，跨径组合为

50m+115m+338m+115m+50m斜拉桥设置50m端跨，其目的是：

（1）解决边墩负反力问题；

（2）降低边跨弯矩变化幅度，改善结构受力状态；

（3）布索较合理。

索面布置在中央分隔带上，给人以美观开阔的视感。本桥箱梁采用抗风性能

优越的近似三角形断面，并采用下承式牵索挂篮悬浇施工。在支承体系上，本桥

采用塔、梁、墩固结，这种体系取消了悬臂体系在施工中必须设置的临时固结结

构，提高了施工中结构的抗风稳定性，有利于0号块施工,

有利于地震力的分布。为配合这种体系，本桥设计采取下列措施来减少由于温

度、混凝土收缩徐变及合龙索张拉产生的很大推（拉）力：

（1）采用柔性较大的双壁墩，加之本桥桥墩很高，也为降低桥墩的纵向刚

度提供了极为有利的条件；

（2）为克服收缩徐变影响，在中跨合龙时，合龙处设置千斤顶向塔侧施以

推力。

该斜拉桥方案有如下优缺点：

优点：由于索面布置在中央分隔带上，整个结构较双索面斜拉桥美观且造价

较低。

缺点：通航净宽较双索面斜拉桥小，抗震性能较双索面斜拉桥差。

该桥总体布置如图3-1:

気Fi

一20亠

-------1------------------1-------------------------------------------------------1------------------1------

图3-1斜拉桥总体布置图

3.2结构形式及尺寸

321下部结构构造

主墩采用双薄壁矩形柔性墩，平面几何尺寸为12.4mK2.4m，两墩柱内侧净

距3.6m，双壁之间中心距6m,墩高47.6m。主墩基础采用18根3.0m的大直径钻

孔灌注桩，为摩擦桩，成梅花型布置。主墩承台为高桩承台，长30.60m,宽

21.80m,高6.50m（包括1.5m封底），承台棱角均处理为圆弧倒角。承台底面标

高为-2.5m，而通常河床最低潮水位为-0.35m，高潮时水位达+2.30mo承台采用有

底套箱施工。主墩基础构造如图3-2:

辅墩采用柔性薄壁空心墩，墩厚2m,横向宽10m。基础采用6根1.8m钻孔灌

注桩。

边墩为悬臂式盖梁配双柱式墩身，以适应引桥的过渡。边墩基础为8根

1.8m钻孔灌注桩。桩基均按嵌岩桩设计。

立面

图3-2王墩基础构造

3.2.2主塔

索塔为空心直塔，平面几何尺寸为6.6mX3.6m。桥面以上塔柱高77m，高跨

比1:4.4,塔柱采用矩形空心截面，断面360（横桥向）X（660