【桥涵工程(第三版)—郭发忠】第一章 总论.ppt

1、,桥涵工程,第一章 总论,内容概要 本章主要介绍桥梁在公路交通设施中的地位和国内外桥梁的发展概况；桥梁的组成部分、主要类型和各种结构体系；桥梁的设计程序、一般原则和主要内容； 公路桥梁和城市桥梁的设计作用（荷载）及作用组合；桥面系构造与布置。 教学目标 1.会描述桥梁的组成部分、主要类型和各种结构体系； 2.知道桥梁的设计程序、一般原则和主要内容； 3.会定义桥梁的设计作用（荷载）； 4.会描述桥面系构造与布置。,桥梁的基本组成与分类,重点学习任务 认知桥梁的组成部分、主要类型和各种结构体系； 认知桥梁的设计作用（荷载）和作用效应组合的内涵。 主要学习活动设计 结合课堂教学，组织学生观看当今国

2、内外桥梁建设成就的影像片； 利用桥梁模型或工程实体或工地现场对桥梁的组成、类型和结构体系进行认识，完成一座桥梁的总体布置立面草图； 阅读桥梁设计文件。,一、桥梁的组成,梁式桥概貌,一、桥梁的组成,四大部分： 上部结构superstructure（桥跨结构） 直接承担使用荷载,跨越障碍的主要承重结构 下部结构substructure（桥墩、桥台、基础） 桥墩和桥台：支撑上部结构，将其传来荷载传递到基础中去 桥台连接两岸接线，挡住路堤土，抵抗路堤土压力 基础：承担桥墩和桥台传来的全部荷载，施工难度大，受外界影响大 支座bearing 设于墩台顶部，支撑上部结构，并传递力到下部结构，满足结构设计要求

3、的变形，保证结构体系 附属设施accessory 桥面系、伸缩缝、桥台搭板、锥坡、调治构造物等,一、桥梁的组成,计算矢高（f）：从拱顶截面形心至相邻两拱脚截面形心之连线的垂直距离。 净矢高（f0）：拱桥从拱顶截面下缘至相邻两拱脚截面下缘最低点连线的垂 直距离。 矢跨比（拱矢）：拱桥中拱圈(或拱肋)的计算矢高与计算跨径之比。,二、桥梁的分类,1、按跨径大小分类 我国公路工程技术标准桥梁分类,二、桥梁的分类,2、按受力体系分类 桥梁有梁式桥、拱式桥、 刚架桥、悬索桥（吊桥） 4种基本体系。由上述4 种基本体系组合派生出 具有组合特征的多种桥型， 如梁拱组合桥、斜拉桥等。 1）梁桥,2)拱桥,3）刚

4、架桥,4）悬索桥（吊桥）,4）悬索桥（吊桥）,5）组合体系桥,斜拉桥,二、桥梁的分类,3、其它分类 按用途分： 公路、铁路、公铁两用、农用、人行、水运或渡槽、管线桥 按主要承重结构所用材料分: 圬工桥、木桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥、钢混凝土组合桥 按跨越障碍的性质： 跨河桥、立交桥、高架桥、栈桥 按桥跨结构的平面布置： 正交桥、斜交桥、弯桥 按上部结构行车道位置： 上承式（视野好、建筑高度大）、中承式、下承式（建筑高度小、视野差）,三、桥梁建筑发展的动态,世界十大斜拉桥 序号 桥名 主跨跨经（m） 所在国家 建成时间 1苏通长江公路大桥 1088 中国 2008年 2香港昂船洲大桥

5、 1018 中国 2009年 3多多罗桥 890 日本 1999年 4诺曼底桥 856 法国 1995年 5南京第三长江大桥 648 中国 2005年 6南京第二长江大桥 628 中国 2001年 7武汉第三长江大桥 618 中国 2001年 8青州闽江大桥 605 中国 2001年 9杨浦大桥 602 中国 1993年 10徐浦大桥 590 中国 1997年,桥梁建筑发展的动态,世界十大悬索桥 序号 桥名 主跨跨经（m）所在国家建成时间 1明石海峡大桥 1991 日本 1998年 2舟山西堠门大桥 1650 中国 2009年 3大伯尔特桥 1624 丹麦 1996年 4润扬长江公路大桥 14

6、90 中国 2005年 5亨伯尔桥 1410 英国 1981年 6江阴长江公路大桥 1385 中国 1999年 7香港青马大桥 1377 中国 1997年 8维拉扎诺桥 1298 美国 1964年 9金门大桥 1280 美国 1937年 10武汉阳逻长江公路大桥 1280 中国 2007年,桥梁的总体规划和设计程序,一、桥梁设计基本原则 桥梁设计应遵循:安全、适用、经济、美观和有利环保的原则，同时应考虑因地制宜、便于施工、就地取材和养护等因素。,桥梁的总体规划和设计程序,二、桥梁平纵横断面设计 1设计资料的调查收集 桥梁设计首先要确定桥位，按照公路工程技术标准的规定，小桥和涵洞的位置与线形，一

7、般应符合路线的走向，为满足水文、线路弯道等要求，根据实际情况可设计斜桥和弯桥。对于公路上的特大桥、大桥、中桥桥位，原则上应服从路线走向，一般应桥、路综合考虑，尽量选择在河道顺直、水流稳定、地质良好的河段上。 设计资料的调查收集是因地制宜设计桥梁的基础性工作，只有资料收集完整了，才能做出合理的设计方案。 (1)交通要求情况调查。 (2)桥位处地形、地质和水文情况调查。 (3)气象资料调查。包括气温、雨量和风速等情况。,桥梁的总体规划和设计程序,2桥梁立面总体设计 桥梁立面总体设计包括确定桥梁的总跨径、分孔、各种标高、桥上和桥两侧的纵坡以及基础的埋置深度等。 1）桥梁总跨径的确定 桥梁的总跨径长度

8、必须保证桥下有足够的排洪面积，可通过水文计算确定。 2）桥梁分孔 桥梁的跨径越大，上部结构的造价就越高，而墩台的造价就减少，反之亦然。经济的方案应使上、下部结构的总造价最低。一般对于水深流急的河床，桥跨宜增大，对于基础埋深较浅、墩身又不是很高的情形，跨径过大将是不经济的。 对于通航的河流，分孔时首先要考虑桥下通航的要求。 在平原地区的宽阔河流上修建多孔桥时，通常在主槽部分按需要布置较大的通航孔，而在两旁浅滩部分按经济跨径分孔。 在山区和深谷上，应加大跨径，甚至可考虑一孔跨越。 当标准设计或新建桥涵跨径在50m及以下时，一般均应尽量采用标准跨径。,桥梁的总体规划和设计程序,3）桥梁各种标高的确定

9、 标高的确定包括应保证桥下排洪和通航的要求(跨河桥梁)及桥下安全行车(跨线桥)，同时也须保证排洪、通航、行车过程中桥梁自身的安全。 为了保证支座的安全和正常工作，对于设支座的桥梁，支座底面应高出计算水位(即设计洪水位加壅水和浪高)不小于0.25m，并高出最高流冰面不小于0.50m，如图所示。,桥梁的总体规划和设计程序,无铰拱的拱脚允许被洪水淹没，但淹没深度不宜超过拱圈高度的2/3，且拱顶底面应高出计算水位1.0m，拱脚的起拱线应高出最高流冰面不小于0.25m，如图所示。,桥梁的总体规划和设计程序,在通航及通行木筏的河流上，必须设置保证桥下安全通航的通航孔，并留出符合规范要求的通航净空，如下图所

10、示。任何桥梁构件或标志物均不得伸入其内。,桥梁的总体规划和设计程序,对于跨线桥，桥下应按公路(或铁路、城市道路)建筑限界的规定，预留出桥下净空。对于公路所需的净空尺寸，按桥梁横断面要求设计；对于铁路或城市道路净空尺寸可查阅相应的设计规范。 桥面标高确定后，就可根据两端桥头的地形和线路要求来设计桥梁的纵断面线型，为了利于桥面排水和降低引道高度，往往设置中间高两端低的双向纵坡，桥上纵坡不宜大于4，桥头引道纵坡不宜大于5；位于市镇混合交通繁忙处，桥上纵坡和桥头引道纵坡均不得大于3%，桥上或引道纵坡变更处均应按规定设置竖曲线。,桥梁的总体规划和设计程序,3桥梁横断面设计 桥梁的横断面设计，就是确定桥梁

11、为满足使用功能所需的桥面宽度以及桥梁的截面型式。在桥面净空限界内，不得有任何物体侵入。 设计行车速度大于等于80km/h时，单个行车道宽度应为3.75m；大于等于40km/h时，单个行车道宽度为3.5m。高速公路和一级公路行车道两侧一般设防撞护栏，宽度为0.5m，防撞护栏与行车道之间应设0.5m左右宽的左侧路缘带，以策安全；对于高速公路和一级公路，还需在行车方向的右侧设应急停车带。 高速公路、一级公路一般宜设计为上、下行的两座独立桥。 桥上人行道的宽度一般为0.75m或l.0m，大于1.0m时，按0.5m的倍数增加。不设人行道的桥梁应设置栏杆和安全带。小桥、涵洞可仅设缘石或栏杆，路缘石的高度可

12、取用0.250.35m。,桥梁的总体规划和设计程序,三、桥梁的设计步骤 设计工作是桥梁建设的重要工作之一。对于小桥涵的设计，除了满足线路走向外，同时充分考虑桥下泄洪、通航或通车的要求。小桥涵应尽可能采用标准跨径设计，以提高效率和减小风险。 对于大、中桥梁，特别是跨度大或技术复杂的桥梁设计，为了能在错综复杂的客观条件基础上遴选出经济适用又美观的设计方案，就需按照国家基本建设程序的要求，循序渐进、逐步深入地开展工作。一座大型桥梁的完整设计工作，分前期工作阶段和设计工作阶段进行。前者又分为：预工程可行性研究(简称“预可”)阶段和工程可行性研究(简称“工可”)阶段。后者则分为：初步设计、技术设计和施工

13、图设计三个阶段。,桥梁的总体规划和设计程序,前期工作阶段 1.“预可”阶段 “预可”阶段着重研究建桥的必要性以及宏观经济上的合理性。 “预可”阶段的主要工作目标是解决建设项目的上报立项问题，因而，在“预可报告”中，应编制几个可能的桥型方案，并对工程造价、资金来源、投资回报等问题也应有初步估算和设想。 2.“工可”阶段 在“项目建议书”被审批确认后，就可着手“工可”阶段的工作。在这一阶段，着重研究和制定桥梁的技术标准，与河道、航运、规划等部门共同研究，以共同协商确定相关的技术标准。 设计工作阶段 1.初步设计 初步设计应根据批复的可行性研究报告、测设合同和初测、初勘或定测、详勘资料编制。初步设计

14、的目的是确定设计方案，桥型方案的比选，推荐最优方案报上级审批。 2.技术设计 对于技术上复杂的特大桥、互通式立交或新型桥梁结构，需进行技术设计。 3.施工图设计 两阶段(或三阶段)施工图设计应根据初步设计(或技术设计)批复意见、测设合同，对桥梁各种构件进行详细的结构计算，绘制施工详图，提出文字说明及施工组织计划，并编制施工图预算。 一般的(常规的)桥梁采用两阶段设计，即初步设计和施工图设计，对于技术简单、方案明确的小桥，也可采用一阶段设计，即施工图设计。,桥梁的总体规划和设计程序,四、桥梁方案比选 桥梁设计方案的比选和确定可按以下步骤进行： (1)明确各种标高的要求。在桥位纵断面图上，先按比例

15、绘出设计洪水位、通航水位、堤顶标高、桥面标高、通航净空、堤顶行车净空位置图。 (2)桥梁分孔和初拟桥型方案草图。在上述确定了各种标高的纵断面图上，根据泄洪总跨径的要求，做桥梁分孔和桥型方案草图，做草图时思路要宽广，只要基本可行，尽可能多绘一些草图，以免遗漏可能的桥型方案。 (3)方案初筛。对草图方案作技术和经济上的初步分析和判断，筛去弱势方案，从中选出24个构思好、各具特点的方案，作进一步详细研究和比较。 (4)详绘桥型方案。根据不同桥型、不同跨度、宽度和施工方法，拟定主要尺寸并尽可能细致地绘制各个桥型方案的尺寸详图。对于新结构，应作初步的力学分析，以准确拟定各方案的主要尺寸。,桥梁的总体规划

16、和设计程序,(5)编制估算或概算。依据编制方案的详图，可以计算出上、下部结构的主要工程数量，然后依据各省、市或行业的“估算定额”或“概算定额”，编制出各方案的主要材料(钢、木、混凝土等)用量、劳动力数量、全桥总造价。 (6)方案选定和文件汇总。全面考虑建设造价、养护费用、建设工期、营运适用性、美观等因素，综合分析，阐述每个方案的优缺点，最后选定一个最佳的推荐方案。在深入比较过程中，应当及时发现并调整方案中的不尽合理之处，确保最后选定的方案是强中选强的方案。 上述工作全部完成之后，着手编写方案说明。说明书中应阐明方案编制的依据和标准、各方案的主要特色、施工方法、设计概算以及方案比较的综合性评述。

17、对于推荐方案应作较详细的说明。各种测量资料、地质勘察和地震烈度复核资料、水文调查与计算资料等应按附件列入。,桥梁设计作用（荷载）及其组合,作用（荷载）： 施加在结构上的一组集中力或分布力，或引起结构外加变形或约束变形的原因。前者称直接作用，亦称荷载，后者称间接作用。 我国桥涵通规(JTG D60-2004)将公路桥梁上的各种作用分为永久作用、可变作用和偶然作用三类。 一、 永久作用： 在结构使用期间，其量值不随时间而变化，或其变化值与平均值比较可忽略不计的作用。,桥梁设计作用（荷载）及其组合,二、可变作用：在结构使用期间，其量值随时间变化，且其变化值与平均值比较不可忽略的作用。 1.汽车荷载

18、1）汽车荷载分为公路级和公路级两个等级。 2）汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。 桥梁结构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。 3）各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合下表的规定。,桥梁设计作用（荷载）及其组合,4）车道荷载的计算图式 （1）公路级车道荷载的均布荷载标准值为 10.5kN/m；集中荷载标准值按以下规定选取： a）桥梁计算跨径小于或等于5m时， 270kN； b）桥梁计算跨径等于或大于50m时， =360kN； c）桥梁计算跨径在5m50m之间时， 值采用直线

19、内插求得。 计算剪力效应时，上述集中荷载标准值应乘以1.2的系数。 （2）公路级车道荷载的均布荷载标准值和集中荷载标准值按公路级车道荷载的0.75倍采用。 （3）车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。,桥梁设计作用（荷载）及其组合,5）车辆荷载 车辆荷载的立面、平面尺寸如图所示。公路级和公路级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。,桥梁设计作用（荷载）及其组合,车道荷载横向分布系数应按设计车道数如图布置车辆荷载进行计算。,桥梁设计作用（荷载）及其组合,2.汽车冲击力 汽车以较高速度行驶通过桥梁时，由于桥面不平整、

20、发动机振动等原因，会引起桥梁结构振动，从而造成结构内力增大，这种动力效应称为冲击作用。 3.汽车离心力 当弯道桥的曲线半径等于或小于250m时，需考虑汽车荷载引起的离心力。 4.汽车引起的土侧压力 车辆荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上将引起土侧压力,桥梁设计作用（荷载）及其组合,5.人群荷载 1）当桥梁计算跨径小于或等于50m时，人群荷载标准值为3.0kN/m2；当桥梁计算跨径等于或大于150m时，人群荷载标准值为2.5kN/m2；当桥梁计算跨径在50m150m之间时，可由线性内插得到人群荷载标准值。对跨径不等的连续结构，以最大计算跨径为准。 城镇郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值

21、取上述规定值的1.15倍。 专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5kN/m2。 2）人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内。 3）人行道板（局部构件）可以一块板为单元，按标准值4.0kN/m2的均布荷载计算。 4）计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准值取0.75kN/m；作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1.0kN/m。,桥梁设计作用（荷载）及其组合,三、偶然作用 偶然作用是指在结构使用期间出现的概率很小，一旦出现，其值很大且持续时间很短的作用。它包括地震作用、船舶或漂流物的撞击作用和汽车撞击作用。 偶然作用取其标准值作为代表值。偶然作用

22、标准值应根据调查、试验资料，结合工程经验来确定。 1.地震作用 2.船舶或漂流物的撞击作用 3.汽车撞击作用 四、极限状态设计法 1.承载能力极限状态 2.正常使用极限状态,桥梁设计作用（荷载）及其组合,五、作用效应组合 公路桥涵结构设计应考虑结构上可能同时出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计。作用效应组合原则如下： 只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其效应的组合，当结构或结构构件需做不同受力方向的验算时，则应以不同方向的最不利的作用效应进行组合。 当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利影响时，该作用不应参与组合。 施工阶段作用效应

23、的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷载加以考虑。组合式桥梁，当把底梁作为施工支撑时，作用效应宜分两个阶段组合，底梁受荷为第一个阶段，组合梁受荷为第二个阶段。 多个偶然作用不同时参与组合。,桥面系构造,桥面部分通常包括桥面铺装、防水和排水设施、伸缩装置、人行道(或安全带)、缘石、栏杆和灯柱等构造,如图所示。,桥面系构造,一、桥面布置 桥面布置应根据道路的等级、桥面设计宽度、行车要求等条件确定，主要有以下几种： (1)双向车道布置。即行车道的上下行交通布置在同一桥面上，它们之间用标线分隔。 (2)分车道布置。即桥面上设置分隔带（见图a）所示）或分离式

24、主梁布置（见图b）所示），使上下行交通分隔，甚至机动车道与非机动车道分隔、行车道与人行道分隔设置。,桥面系构造,(3)双层桥面布置。即桥梁结构在空间上提供两个不在同一平面上的桥面构造，如图所示。双层桥面布置可以使不同的交通严格分道行驶，提高了车辆和行人的通行能力，便于交通管理。同时，在满足同样交通要求时，可以充分利用桥梁净空，减小桥梁宽度，缩短引桥长度，达到较好的经济效益。,桥面系构造,二、桥面铺装 桥面铺装的功能是保护桥面板不受车辆轮胎的直接磨耗，防止主梁遭受雨水的侵蚀，并能对车辆轮重的集中荷载起一定的分散作用。因此，桥面铺装应具有抗车辙、行车舒适、抗滑、不渗水和与桥面行车道板结合良好等要求

25、。,类型：（宜与所在公路路面协调） 水泥混凝土 特点：耐磨性能好，适合重载交通。 设置：层厚不小于80mm，不大于120mm；强度等级不低于C40； 钢筋网直径不小于8mm，间距不宜大于100mm。 沥青混凝土（钢桥，高速一级特大桥、大桥宜） 特点：养护维修方便、通车快、易老化、变形。 设置：粘层、防水层、保护层、沥青面层组成 层厚：高速、一级70mm，二级以下50mm 沥青表面处治（耐久性差，中低级公路） 泥结碎石混合型,桥面系构造,三、桥面防水和排水设施 为了保障桥面行车通畅、安全，防止桥面结构受降水侵蚀，应设置完善的桥面防水和排水设施。 1.防水层的设置 对于防水程度要求高或桥面板位于结

26、构受拉区而可能出现裂纹的混凝土梁式桥上，应在铺装层内设置防水层。 常见防水层有三种类型：沥青涂胶下封层，即洒布薄层沥青或改性沥青，其上布一层砂，经碾压形成；高分子聚合物涂胶，例如聚氨酯胶泥、环氧树脂、阳离子乳化沥青、氯丁胶乳等；沥青或改性沥青防水卷材，以及浸渍沥青的无纺土工布等。 桥梁不设专门防水层时，应采用防水混凝土铺装或加强排水和养护。,桥面系构造,2泄水管和排水管的设置 梁式桥上常用的泄水管宜设置在桥面行车道边缘处，距离缘石100500mm，如图所示，沿行车道两侧可以对称排列，也可交错排列。,桥面系构造,3桥面横坡的设置 桥面横坡的形成通常有三种方法： 对于板桥(矩形板梁或空心板梁)或就

27、地浇筑的肋板式梁桥，将墩台顶部做成倾斜的，再在其上盖桥面板（图a所示），可节省铺装材料并减轻永久荷载作用。 对于装配式肋板式梁桥，可采用不等厚的铺装层（包括混凝土的三角垫层和等厚的路面铺装层（图b所示），方便施工。 桥宽较大时，直接将行车道板做成双向倾斜（图c所示)，可减轻永久荷载作用，但主梁构造、制作均较复杂。桥面不很宽时，第二种方式较常用。,桥面系构造,四、桥面伸缩装置 桥梁伸缩装置的主要作用是适应桥梁上部结构在气温变化、可变作用、混凝土收缩徐变等因素的影响下变形的需要，并保证车辆通过桥面时平稳，一般设在两梁端之间以及梁端与桥台背墙之间。特别要注意，在伸缩缝附近的栏杆、人行道结构也应断开，以满足梁体的自由变形。 常用桥梁伸缩装置按照伸缩体结构不同可分为：模