桥梁工程概论之桥梁设计(1)

桥梁工程概论之桥梁设计计算跨径桥跨结构两支点间的距离l,称为计算跨径。桥跨结构的力学计算是以计算跨径为准的。桥梁全长对于梁式桥而言，桥梁两个桥台侧墙或八字尾端间的距离L，称为桥梁全长（无桥台的桥梁为桥面系行车道长度）。桥梁总长通常把两桥台台背前缘间距离L1称为桥梁总长。净跨径设计洪水位线上相邻两桥墩（或桥台）的水平净距l0称为桥梁的净跨径。总跨径各孔净跨径的总和，称为桥梁的总跨径。桥梁的总跨径反映它排泄洪水的能力。设计水位相应于设计洪水频率的洪峰流量水位，即设计流量的水位，用标高表示设计水位的高低。桥下净空高度设计洪水位或设计通航水位对桥跨结构最下缘的高差H，称桥下净空高度。它不得小于因排洪所要求的，以及对该河流通航所规定的净空高度。建筑高度桥面对桥跨结构最低边缘的高差h,称桥梁的建筑高度。桥梁的建筑高度不得大于它的容许建筑高度，否则不能保证桥下的通航或排洪要求。我国桥梁设计程序，分为前期工作及设计阶段。前期工作包括编制预可行性研究报告和可行性研究报告。设计阶段按三阶段设计进行,即初步设计、技术设计与施工设计。桥梁规划设计包括桥梁纵断面设计，横断面设计和平面布置。一、桥梁纵断面设计桥梁纵断面设计包括确定桥梁的总跨径、桥梁的分孔、桥梁的标高、桥上和桥头引道的纵坡以及基础的埋置深度等。（一）桥梁总跨径的确定桥梁的总跨径一般根据水文计算确定，必须保证桥下有足够的排洪面积，使河床不致遭受过大的冲刷。在安全前提下，设计者应适当缩短桥梁的总长度，以节约总投资。由此可见，桥梁的总跨径应根据具体情况经过全面分析后加以确定。（二）桥梁的分孔根据通航要求、地理和地质情况，水文情况以及技术经济和美观的条件加以确定。但有时各矛盾互相冲突，使其成为设计中最基本、最复杂的问题。跨径越大、孔数越少，上部结构的造价就很高，墩台的造价就减少；反之，则上部结构的造价降低，而墩台的造价将提高。最经济的分孔方式就是使上、下部结构的总造价趋于最低。（三）桥道标高的确定对于跨河桥梁，桥道的标高应保证桥下排洪和通航的需要；对于跨线桥，则应确保桥下安全行车。因此必须根据设计洪水位、桥下通航（或通车）净空等需要，结合桥型、跨径等一起考虑，以确定合理的桥道标高。二、桥梁横断面设计桥梁横断面的设计取决于桥上交通需求，主要内容是决定桥面的宽度和桥跨结构横截面的布置。桥面宽度决定于行车和行人的交通需要。各级公路的桥面行车道净宽标准的一般规定见((公路工程技术标准))第6.0.4条。桥上人行道和自行车道的设置，应根据实际需要而定。人行道的宽度0.75m或1m，一条自行车道的宽度为一米，当单独设置自行车道时，一般不应少于两条自行车道的宽度。下图所示为对于相同桥面净宽的上承式桥和下承式桥的横截面布置。由于结构布置上的需要，下承式桥承重结构的宽度B要比上承式桥的大，而其建筑高度h却比上承式桥的为小。三、平面布置桥梁的线形及桥头引道要保持平顺，使车辆能平稳的通过。高速公路和一级公路上的大、中桥，以及各级公路上的小桥的线形及其与公路的衔接，应符合路线布设的规定。二、三、四级公路上的大、中桥线形，一般为直线，如必须设成曲线时，其各项指标应符合路线布设规定。从桥梁本身的经济性和施工方便来说，应尽可能避免桥梁与河流或与桥下路线斜交，但对于一般小桥，为了改善路线线型，或城市桥梁受原由街道的制约时，也允许修建斜交桥，斜度通常不宜大于45度，在通航河流上则不宜大于5度。我国的桥梁设计必须遵照适用、经济、安全和美观的基本原则。一、适用即要有足够的承载能力，能保证行车的畅通、舒适和安全；既满足当前的需要，又考虑今后的发展；既满足交通运输本身的需要也要考虑到支援农业，满足农田排灌的需要；通航河流上的桥梁，应满足航运的要求；靠近城市、村镇、铁路及水利设施的桥梁还应结合各有关方面的要求，考虑综合利用。桥梁还应考虑在战时适应国防的要求。在特定地区，桥梁还应满足特定条件下的特殊要求（如地震等）。二、安全即桥梁的设计应满足施工和使用阶段的安全要求。三、经济桥梁设计必须经过技术经济比较，使桥梁在建造时消耗最少量的材料、工具和劳动力，在使用期间养护维修费用最省，并且经久耐用。另一方面，桥梁设计还应满足快速施工的要求，缩短工期不仅能降低施工费用，而且提早通车，在运输上带来很大的经济效益。因此结构形式要便于施工和制造，能够采用先进的施工技术和施工机械，以便于加快施工速度，保证工程质量和施工安全。四、美观在适用、经济和安全的前提下，尽可能使桥梁具有优美的外形，并与周围的环境相协调，这就是美观的要求。合理的轮廓是美观的主要因素。在城市和游览地区，要注意环保问题，较多地考虑桥梁的建筑艺术。确定结构计算模式、选定荷载和结构分析计算是桥梁计算工作中的三个主要部分。其中荷载的种类、型式和大小选择是否恰当，关系到桥梁结构在它的有限寿命期限内的安全，也关系到桥梁建设费用的合理投资。荷载可以根据不同的观点分类，可以分为主要荷载、次要荷载及特殊荷载，前者为结构设计中必须考虑的经常起作用的荷载；次要荷载为设计结构主要部分时虽非经常起作用，但在荷载组合时必须考虑的荷载；特殊荷载则根据桥梁结构特性，建桥地点具体情况和施工方法等，是要特别加以考虑的荷载。在我国现行的公路桥梁设计规范中（1985年）荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。一、永久荷载（恒载）永久荷载（恒载）是指结构在设计使用期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的荷载。作用在桥梁上部结构的恒载，主要是结构物的重力及附属设备等外加重力；作用在墩台的恒载，主要是上部结构的恒载支座作用力、墩台本身重力、土压力及其引起的土侧压力或水浮力（水中墩台）。预应力在结构使用极限状态设计时应作为永久荷载计算其效应，在承载能力极限状态设计时，作为结构抗力的一部分，而非永久荷载。二、可变荷载可变荷载是指结构在设计使用期内其值随时间变化,且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。按其对桥涵结构的影响程度，又分为基本可变荷载（活载）和其它可变荷载。1、基本可变荷载（活载）包括车辆荷载及其影响力，人群荷载和汽车冲击力，离心力，汽车、平板挂车或履带车引起的土侧压力，即是这些车辆荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力。2、其它可变荷载包括自然和人为产生的各种变化力，如风力（风荷载），汽车制动力，温度影响力，支座摩阻力、流水压力及冰压力等。三、偶然荷载偶然荷载是指结构在设计使用期内不一定出现，但一旦出现，其值很大，且持续时间很短的荷载。主要是指地震荷载和船只或漂流物的撞击力一、前期工作--预可行性研究报告和工程可行性研究报告的编制预可行性研究报告与可行性研究报告均属建设的前期工作。预可行性研究报告是在工程可行的基础上，着重研究建设上的必要性和经济上的合理性；可行性研究报告则是在预可行性研究报告审批后，在必要性和合理性得到确认的基础上，着重研究工程上的和投资上的可行性。这两个阶段的研究都是为科学地进行项目决策提供依据，避免盲目性及带来的严重后果。这两个阶段的文件应包括以下主要内容：1、工程必要性论证，评估桥梁建设在国民经济中的作用。2、工程可行性论证，首先是选择好桥位，其次是确定桥梁的建设规模，同时还要解决好桥梁与河道、航运、城市规划以及已有设施(通称外部条件)的关系。3、经济可行性论证，主要包括造价及回报问题和资金来源及偿还问题。二、设计阶段--初步设计、技术设计和施工设计（三阶段设计）（1）初步设计按照基本建设程序为使工程取得预期的经济效益或目的而编制的第一阶段设计工作文件。该设计文件应阐明拟建工程技术上的可行性和经济上的合理性，要对建设中的一切基本问题作出初步确定。内容一般应包括：设计依据、设计指导思想、建设规模、技术标准、设计方案、主要工程数量和材料设备供应、征地拆迁面积、主要技术经济指标、建设程序和期限、总概算等方面的图纸和文字说明。该设计根据批准的计划任务书编制。（2）技术设计技术设计是基本建设工程设计分为三阶段设计时的中间阶段的设计文件。它是在已批准的初步设计的基础上，通过详细的调查、测量和计算而进行的。其内容主要为协调编制拟建工程中有关工程项目的图纸、说明书和概算等。经过审批的技术设计文件，是进行施工图设计及订购各种主要材料、设备的依据，且为基本建设拨款（或贷款）和对拨款的使用情况进行监督的基本文件。（3）施工设计又称为施工图设计，是设计部门根据鉴定批准的三阶段设计的的技术设计，或两阶段设计的扩大初步设计或一阶段设计的设计任务书，所编制的设计文件。此文件应提供为施工所必须的图纸、材料数量表及有关说明。与前一设计阶段比较，设计图的设计和绘制应有更加详细的、具体的细部构造和尺寸、用料和设备等图纸的设计和计算工作，其主要内容有平面图、立面图、剖面图及结构、构造的详图，工程设计计算书，工程数量表等。施工图设计一般应全面贯彻技术设计或扩大初步设计的各项技术要求。除上级指定需要审查者外，一般均不需再审批，可直接交付施工部门据以施工，设计部门必须保证设计文件质量。同时施工图文件也是安排材料和设备、加工制造非标准设备、编制施工图预算和决算的依据。三、三阶段设计、两阶段设计和一阶段设计（1）三阶段设计一般用于大型、复杂的工程。铁路建设项目的设计工作，一般常采用三阶段设计。（2）两阶段设计分为初步设计和施工设计两个阶段。其中初步设计又称为扩大初步设计。公路、工业与民用房屋、独立桥涵和隧道等建设项目的设计工作，通常采用这种设计步骤。（3）一阶段设计仅包括施工图设计一个阶段，一般实用于技术简单的中、小桥。确定结构计算模式、选定荷载和结构分析计算是桥梁计算工作中的三个主要部分。其中荷载的种类、型式和大小选择是否恰当，关系到桥梁结构在它的有限寿命期限内的安全，也关系到桥梁建设费用的合理投资。荷载可以根据不同的观点分类，可以分为主要荷载、次要荷载及特殊荷载，前者为结构设计中必须考虑的经常起作用的荷载；次要荷载为设计结构主要部分时虽非经常起作用，但在荷载组合时必须考虑的荷载；特殊荷载则根据桥梁结构特性，建桥地点具体情况和施工方法等，是要特别加以考虑的荷载。在我国现行的公路桥梁设计规范中（1985年）荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。一、永久荷载（恒载）永久荷载（恒载）是指结构在设计使用期内其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的荷载。作用在桥梁上部结构的恒载，主要是结构物的重力及附属设备等外加重力；作用在墩台的恒载，主要是上部结构的恒载支座作用力、墩台本身重力、土压力及其引起的土侧压力或水浮力（水中墩台）。预应力在结构使用极限状态设计时应作为永久荷载计算其效应，在承载能力极限状态设计时，作为结构抗力的一部分，而非永久荷载。二、可变荷载可变荷载是指结构在设计使用期内其值随时间变化,且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。按其对桥涵结构的影响程度，又分为基本可变荷载（活载）和其它可变荷载。1、基本可变荷载（活载）包括车辆荷载及其影响力，人群荷载和汽车冲击力，离心力，汽车、平板挂车或履带车引起的土侧压力，即是这些车辆荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力。2、其它可变荷载包括自然和人为产生的各种变化力，如风力（风荷载），汽车制动力，温度影响力，支座摩阻力、流水压力及冰压力等。三、偶然荷载偶然荷载是指结构在设计使用期内不一定出现，但一旦出现，其值很大，且持续时间很短的荷载。主要是指地震荷载和船只或漂流物的撞击力编号荷载分类荷载名称1永久荷载（恒载）结构重力2预加应力3土的重力及土侧压力4混凝土收缩及徐变影响力5基础变位影响力6水的浮力7可变荷载基本可变荷载（活载）汽车8汽车冲击力9离心力10汽车引起的土侧压力11人群12平板挂车或履带车13其他可变荷载平板挂车或履带车引起的土侧压力14风力15汽车制动力16流水压力17冰压力18温度影响力19支座摩阻力20偶然荷载地震力21船只或漂流物撞击力荷载组合是荷载效应组合的简称。指各类构件设计时不同极限状态所应取用的各种荷载及其相应的代表值的组合。应根据使用过程中可能同时出现的荷载进行统计组合，取其最不利情况进行设计。根据各种荷载的重要性，荷载的组合分为