桥涵设计指导书

道路桥梁工程技术专业毕业综合设计《桥涵设计》指导书四川建筑职业技术学院交通与市政工程系道路桥梁教研室编制一、桥梁结构的总体布置和初步方案拟定A立面布置（一）孔径的拟定桥梁孔径的拟定主要根据泄洪的要求。在《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)表5.0.4中规定了不同等级公路的设计洪水频率，如高速公路、一级公路上的大、中、小桥和涵洞的设计洪水频率均规定为1/100：二级公路上的大、中桥规定为1/100，小桥和涵洞为l/50；三级公路上的大、中桥规定为1/50；四级公路的小桥规定为1/25等。在桥位附近的水文站可以调查得到相应这些设计频率的流量和水位，然后在已知桥位的河床断面上可求出桥下顺利宣泄设计洪水所需的最小过水面积，从而确定桥台的台口位置。在有的情况下可将桥台位置适当往河心方向推，以缩短桥长，节省造价。如宽滩河流、深基础桥梁等。应该注意的是总跨径的缩短会引起过水面积减小，流速加大，从而导致冲刷加大以及桥前壅水高度的加大。在确定基础埋置深度及周围建筑、农田的安全时应考虑这一因素。（二）跨径的拟定在求得总的孔径后，还需进一步进行分孔布置，即确定是一跨还是多跨过河(路线)，如果是多跨布置，即是确定桥墩的位置。对于跨河桥梁，分孔的主要依据是通航要求，地形和地质条件、水文状况、技术经济条件和美观的要求。桥梁的分孔和造价有很大的关系，跨径和孔数不同时，上部结构和墩台的总造价是不同的。跨径越大，孔数越少，上部结构的造价就越大，而墩台的造价就越小。反之，墩台的造价可能较上部结构的大。另外，当遇到水深较深或河床地质不良等的河流，其基础的设计和施工均较复杂，造价就高，跨径宜选得大一些；反之，对于宽浅河床，水深不大(如北方的季节性河流)，而且河床地质较均匀的河流，桥墩和基础的造价就低，跨径就可以选得小一些。一般认为最经济的造价就是要使上部结构和下部结构的总造价最低。对于通航河流，则首先应满足通航要求。将通航孔布置在主航道位置，其余的桥孔跨径则选用经济跨径，但对于变迁性河流，考虑航道可能发生变化，则需多设几个通航孔。从结构受力合理和用材经济出发，连续体系的分跨布置要考虑合理的跨径比例，如边跨与中跨的比例。采用的施工方法和跨径布置也有密切的关系，如同样是预应力混凝土连续梁桥，采用支架施工和采用悬臂施工其边跨与中跨的比例就不相同。采用支架施工的，边跨长度可取中跨的0.8倍左右是经济合理的；采用悬臂施工法，考虑到一部分边跨采用悬臂施工外，剩余的边跨部分还需另搭脚手架施工。为使脚手架长度最短，则边跨长度取中跨长度的0.65倍为宜。三跨带挂孔的单悬臂梁桥，边孔也称锚固孔，在自重和荷载作用下锚孔产生的弯矩对中孔有卸载作用，它的跨长一般为中孔的0.6—0.8倍。锚孔太短会使靠近桥台的梁端产生负反力。中孔的挂梁长度约为中孔的0.3～0.4倍。钢筋混凝土悬臂梁桥因承受负弯矩时顶面受拉有裂缝之患，一般不宜将悬臂做得过长，约在0.15～0.3倍中孔跨径。单孔双悬臂梁，当主梁采用T梁截面时，悬臂长度一般为中孔长的0.3～0.4倍。采用箱形截面的钢筋混凝土双悬臂梁桥，为使跨中的最大和最小弯矩的绝对值大致相等，充分发挥跨中部分底板的受压作用，悬臂长度甚至可达中跨长度的0.4～0.6倍。悬臂过长时活载挠度将增大。对于有推力体系，如拱桥，在多跨布置时为避免桥墩承受单向推力，尽量采用等跨布置。桥墩位置的选择还应取决于墩位处的河床地质条件，应置于稳定可靠的地基上，避免设在岩石破碎带或断层等不良地质地基上。跨径的选择还与施工能力有关，有时选用较大的跨径虽然在技术和经济上是合理的，但由于缺乏足够的施工技术能力和机械设备，也不得不放弃而改用较小跨径。桥梁分孔是个非常复杂的问题，各种各样的条件和要求往往互相发生矛盾。例如：跨径l00m以下的公路桥，为了尽可能符合标准跨径，不得不放弃采用按经济要求确定的孔径：从备战要求出发，等跨布置是最佳选择，以便抢修和互换；但有时因工期很紧，为减少水下工程，需要减少桥墩加大跨径。（三）桥面标高的确定桥面标高或在路线纵断面设计中已定，或根据设计洪水位、桥下通航需要的净空来确定。对于非通航河流，梁底一般应高出设计洪水位(包括壅水和浪高)不小于0.5m，高出最高流冰水位0.75m：支座底面高出设计洪水位不小于0.25m，高出最高流冰水位0.50m。对于无铰拱桥，拱脚允许被设计洪水位淹没，但一般不超过拱圈矢高的2／3，拱顶底面至设计洪水位的净高不小于1.Om。对于有漂流物和流冰阻塞以及易淤积的河床，桥下净空应分情况适当加高。在通航及通行木筏的河流上，桥跨结构之下，自设计通航水位算起，应能满足通航净空的要求。当允许建筑高度富裕时，可考虑上、中、下承式的各种桥型；如建筑高度限制很严，多半要采用下承式或超静定体系。（四）基础底面标高的确定基础底面标高主要取决于地基的地质条件和河流的冲刷深度。1．地基的地质条件(1)岩石地基。当覆盖土层较薄(包括风化层)时，通常将基础直接修建在清除风化层后的岩面上；当风化层很厚时，埋深应按风化层的风化程度、冲刷程度及相应的允许承载力来确定；当岩层表面斜倾时，应避免将同一基础的一部分置于岩层，另一部分置于非岩层上，以防止结构物由于不均匀沉降而倾斜或破裂。对于大桥的基础，当冲刷较严重时，除应清除风化层外，尚应视基岩强度将基础嵌入一定深度或采用其他锚固措施，使基础与基岩连成整体。(2)非岩石地基。对均质土层，基础埋深可按荷载大小和地基土的承载力来确定，当多层交错时，为避免不均匀沉降，各基础应放在相同的持力层上。2．河流冲刷深度(1)小桥涵基础。无冲刷时，基础埋深应在地面或河床底以下(岩石地基除外)至少1m；有冲刷时埋深应在局部冲刷线以下不少于lm；如河床上有铺砌层时，埋深宜在铺砌层顶面以下至少1m。(2)大、中桥基础。有冲刷时，其埋深应按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-85)中表3.1.1选用。（五）桥面纵坡的确定桥面设置纵坡首先有利于排水，同时，在平原地区，还可以在满足桥下通航净空要求的前提下降低墩台标高，减少桥头引道土方量，从而节省工程费用。桥面的纵坡，一般都做成双向纵坡，在桥中心设置竖曲线，纵坡一般不超过3％为宜。桥梁当受到两岸地形限制时，允许修建坡桥，但大、中桥和城市桥梁桥面纵坡不宜大于4％，位于市镇混合交通繁忙处桥面纵坡不得大于3％。B横截面布置横截面设计主要包括桥面布置和上部承重结构(如梁式桥中的主梁，拱桥中的主拱圈)的横截面设计。（一）桥面布置桥面的宽度取决于桥上交通的需要，在《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)表6.0.6-1中，给出了不同公路等级的行车道净宽标准，一般在毕业设计资料里作为设计要求已经给出。在可能条件下，在高速公路、一级公路上，一般以建上、下行两座独立桥梁为宜。城市交通的公路桥桥面宽度应考虑到城市交通工程规划要求予以适当加宽。桥上人行道与行车道的设置，应根据需要而定，并与前后线路布置配合。自行车道与行车道之间，必要时应设适当的分隔设施。(二)横截面设计1．设计原则桥跨结构横截面采用什么形式主要与结构体系、跨长、荷载等级、施工方法等因素有关。在某些特定条件下，如城市桥梁，还要满足美观要求。(1)结构体系。不同的体系，其受力特点也各不相同。如梁式桥的主梁是以它的抗弯能力承受荷载的，同时也要保证它的抗剪(或主拉应力)。因此对梁式桥截面的基本要求是用最经济的面积提供最大的抗弯惯矩；即用最小的自重提供最大的承载能力。对于简支体系，它只产生单向正弯矩，在钢筋混凝土和预应力混凝土简支梁中，受拉区主要是钢筋和预应力筋起作用，因此混凝土面积可以减小到只需符合规范的构造要求，对钢筋和预应力筋能起保护作用即可，但受压区应保证有足够的承压面积；所以简支体系一般跨径在30m以上的大多做成—T-梁，30m以下的为施工方便，大多采用板式截面。10m左右的小桥可采用整体浇筑的钢筋混凝土实体板式截面。在连续体系和悬臂体系中，由于有正负弯矩区，因此选择截面时要考虑这一因素。跨度不大的钢筋混凝土连续或悬臂梁桥，如采用T型截面，则应对支点附近截面的腹板加宽，或局部增加底板，以提高截面抗压和抗剪能力。当跨径超过50～60m时，可做成预应力桥，截面可采用箱形。这样不仅保证了正负弯矩区的受力，也保证了施工阶段的强度和稳定性。拱桥的主拱圈是以受压为主的压弯构件，其截面不仅要能够提供抗弯惯矩，而且应提供足够的承压面积。除采用满堂支架施工的拱桥外，在体系转换的各施工阶段截面要承受较大弯矩，这些弯矩对拱圈截面的设计往往起控制作用。但一旦拱圈合拢，推力起作用后，截面上会产生强大的轴力，对改善截面的受力是很有利的。(2)跨长因素。跨度小的桥梁(5～20m)，其截面设计主要考虑要形状简单，施工方便，因此板式截面用得较多。但随着跨长的增大，自重内力所占的比重迅速加大，因此希望截面的尺寸尽量小，材料尽量采用轻质高强。但跨长越大要求截面的抗力也越大，这是一对矛盾。中等跨度的桥梁(20~40m)，采用肋式截面的较多，如T型，I型，冒型等，大跨度桥梁一般都采用箱形截面。近年来，在中等跨度以上的拱桥设计中采用钢管混凝土截面的也不少，其截面形状有圆形的，椭圆形的，哑铃形的，还有把钢管做成劲性骨架，外包混凝土的等。由于钢管混凝土施工方便，受力合理，因此得到迅速推广。(3)施工因素。桥梁的施工方法很多，有整孔安装、支架施工、缆索吊装、顶推法、劲性骨架施工、悬臂施工等。不同的施工方法，截面的受力也不同，因此设计的要求也不相同。如整孔安装和支架施工，没有复杂的体系转换，基本上是一次落架的受力状态，而且采用这些施工方法的桥梁，一般跨度不大，因此大多采用经济，施工方便的板式截面。中等跨度以上的梁式桥绝大多数设计成连续体系或悬臂体系，采用悬臂施工方法。为保证施工中的强度和稳定性，横截面基本采用箱梁。在顶推施工中，每个截面都要经受正负弯矩的作用，箱形截面也是它的首选方案。在拱桥施工中，无支架和少支架施工方法采用较多，首先要将拱圈合拢，然后再施工拱上建筑和桥面系。因此采用肋式截面、箱形截面和钢管混凝土组成的各种形状的截面的较多，便于吊装合拢。当采用劲性骨架施工时，由钢管和外包混凝土组成的箱形截面无疑是一种优选方案。2．截面形式梁式桥的横截面有板式，肋式和箱式等几种形式。拱桥的横截面形式可视上承式、中承式和下承式选用，上承式拱桥主要采用板式，肋式和箱式截面，中等跨度以上的拱桥一般采用无支架、少支架施工方法施工。为便于吊装，合拢，采用钢筋混凝土肋拱和箱形拱的较多。中承式和下承式拱桥则采用矩形，I字形，箱形等肋式截面。近年来钢管混凝土在拱桥中的使用也越来越普遍，其截面形式有圆形，椭圆形，哑铃形。C平面设计大、中桥梁的线型，一般为直线，当桥面受到两岸地形限制时，允许修建曲线桥。也允许修建斜桥，其斜度一般不大于45°，通航河流上不宜大于5°桥墩沿水流方向的轴线与通航水位的主流方向交角)。小桥涵的线型及其与公路的衔接，可按路线的要求布置。D初拟方案根据以上的布置和设计原则可以根据自己的设计条件着手方案的初拟工作。初拟方案时，思路要宽，只要满足孔径要求，暂不管经济、美观与否，都先提出来，但结构体系和地质地形条件要相符。如地质条件差时不宜采用拱式体系和超静定体系，以免产生过大的附加力，如要做拱式体系，可设计成无推力的梁、拱组合体系，在宽浅河床上采用多跨梁式平桥是经济、合理的，在跨越深谷，或水深较深，地质条件较好的桥位，采用拱式体系既能与周围环境很好协调，又可达到经济合理的要求等。在此阶段一般要求提出4～5个方案。初拟方案不要求严格按比例尺画，即在跨度、建筑高度、矢跨比等方面大体上按照比例即可。为了便于比较，每个图式都要徒手画在同样大小的桥址横断面上。为此，可用厘米纸，先画一个桥址断面图，然后复以透明纸随手勾出草图方案即可。如系跨河桥，则要在河床断面图上画出常水位、设计洪水位、通航水位与线路设计标高；如系跨线桥，则应画出桥下净空的范围。考虑方案时，通常先考虑主孔要求，再考虑边孔或引桥。桥长不大时，往往不将正桥和引桥分别考虑，而是统筹全长来设计。二、桥梁结构设计方案比选初拟方案