第二章 桥梁设计一般原则和程序

第二章桥梁设计一般原则和程序2.1桥梁设计的基本原则2.2桥梁平面布置和纵断面、横断面设计2.3桥梁设计与建设程序2.4桥梁设计方案的比选二、桥梁工程的科学依据三、桥梁技术规范、工作细则2.1桥梁设计的基本原则一、桥梁设计原则和科学依据主要内容：1.结构都是用当时的建筑材料建成的，具有特定的形式和构造，能满足一定的功能，具有一定的安全性。一、桥梁设计原则和科学依据桥梁结构是土木工程结构的一种，它具备土木工程的基本属性：2.结构的功能对社会的稳定、有效运行具有很大的作用，结构的建设必须是当时社会的财力物力所能承受的。3.结构的功能不同、构造各异、形体庞大，其设计施工需因时因地而异。4.结构的功能与人类的活动密切相关，故其使用寿命与美观性必须给予足够重视。3.经济1.适用2.安全4.美观综上所述,桥梁工程的设计应该遵循四个基本原则：安全、适用、经济、美观。5.技术先进6.环境保护和可持续发展（1）桥面宽度能满足当前及今后规划年限内的交通流量。（2）桥梁结构在通过设计荷载时不出现过大的裂缝和变形。（3）桥跨结构的下面有利于泄洪通航或车辆和行人的通行。（4）桥梁的两端方便车辆的进入和疏散，不致交通堵塞。（5）考虑综合利用，方便各种管线的铺设搭接。1.适用2.安全（1）桥梁结构在强度、稳定和耐久性等方面有足够的安全储备。（2）防撞栏杆应具有足够的高度和强度，人与车辆之间应做好防护栏。（3）交通繁忙的桥梁应做好照明设施并有明确的交通标志。引桥坡度不宜太大。（4）对河床变迁的河道应设计好导流设施，防止桥梁基础冲刷。对通航桥应做好防撞构筑物。（5）对地震区的桥梁采取抗震措施。对于大跨柔性桥梁，应考虑风振效应；对于车速较高的铁路桥梁还应考虑车辆耦合振动问题。3.经济（1）桥梁的设计应遵循因地制宜、就地取材和方便施工的原则。（2）桥梁的造价应考虑养护维修的费用。（3）桥位的选择应是地质、水文、条件好，并使桥长较短的位置。（4）桥位的选择应考虑缩短河道两岸的运距，以发挥最大的经济效益。在适用、安全和经济的前提下尽量做到美观并与周围的环境相协调。建筑艺术的基本原则在桥梁工程中的应用，主要有以下方面：1.桥梁与周围环境融合，成为自然整体中的一个协调部分。2.桥梁本身的造型须比例适当，匀称和谐。4.桥梁建筑处理应当表现清新雅洁的风格。3.桥梁造型应当注意结构简单，力线明快，线条流畅。4.美观5.技术先进桥梁设计和建造应尽可能采用先进成熟的新结构、新技术、新设备、新材料、新工艺。6.环境保护和可持续发展桥梁设计应考虑环境保护和可持续发展。数学力学电算技术工程材料工程地质水力学水文学混凝土结构工程钢结构工程基础工程铁路、公路工程二、桥梁工程的科学依据三、桥梁技术规范、工作细则桥梁技术规范补充性文件常用手册以科学的工程知识和成熟的工程经验为基础，全面系统地整理有关设计、施工、养护的技术要求，形成统一的标准规范，并以此作为各项桥梁工作必须遵循的准则，这种成册的注册条文就称之为桥梁技术规范。在设计方面就是桥梁设计规范。桥梁技术规范铁路桥梁设计规范公路桥梁设计规范《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-99)《铁路桥涵钢结构设计规范》《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》《铁路桥涵地基和基础设计规范》铁路桥梁设计规范公路桥梁设计规范：《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG2004D62）《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》《公路桥涵地基与基础设计规范》《公路桥涵施工技术设计规范》《公路工程抗震设计规范》《公路桥梁设计规范》在70年代和80年代经历两次大的修改，在1985~1989年先后颁布执行，在2004年做了比较大的修改，为新桥规。《公路桥涵设计通用规范》（JTG2004D60)其它规范单列，如：补充性文件对内容广泛或技术复杂而在规范条文中不便一一纳入的技术文件，通常采用工作细则的形式加以补充。如：设计文件、施工组织和预算编制方法、施工技术规程质量验收标准等。常用手册为了工作上的方便，有关部门常将一些与桥梁设计有关的原始资料、规范规定、应用公式，参考数据、常用的结构计算方法、参数、图表、施工组织的各项定额、主要机具材料的规格性能等汇编成册。形成各种手册。如：桥梁设计通用资料、桥梁施工手册等。以便设计、施工中随时利用。铁路设计常用手册有：《铁路桥梁设计通用资料》《铁路桥梁设计通用资料》《梁桥》《墩台基础》公路设计常用手册有：《公路桥梁设计基本资料》《拱桥（上、下）》《梁桥（上、下）》《墩台基础》一、桥梁平面布置二、桥梁纵断面布置三、桥梁横断面布置2.2桥梁平面布置和纵断面、横断面设计主要内容：一、桥梁平面布置目的：确定桥位。一般情况，桥梁的平面布置与线路、河道处的地形地物情况有关。通常的布置方式有：正交、斜交。特大、大桥桥位应选择河道顺直稳定、河床地质良好、河槽能通过大部分设计流量的河段。桥位不宜选择在不良地质的河段。桥梁纵轴线宜与洪水主流流向正交。对通航河流上的桥梁，其墩台沿水流方向的轴线应与最高通航水位时的主流方向一致。当斜交不能避免时，交角不宜大于5度；当交角大于5度时，宜增加通航孔净宽。一、桥梁平面布置目的：确定桥位。一般情况，桥梁的平面布置与线路、河道处的地形地物情况有关。通常的布置方式有：正交、斜交。对于小桥、涵洞，其平面位置要符合道路线路的走向，因为其设计和施工的难度相对较低，可以设计成斜桥和弯桥。对于特大桥、大桥、中桥，一般设计为直线，线路走向要符合和服从于桥位，尽量避免把特大桥、大桥设计成斜桥和弯桥。二、桥梁纵断面设计纵断面设计包括：（4）解决桥梁总跨径、分孔和高程之间矛盾问题（1）确定桥梁总跨径（2）桥梁的分孔（3）桥面高程的确定（1）确定桥梁总跨径桥梁总长的确定一般依据水文计算。桥梁墩台和桥头路堤会侵入并压缩河床，使桥下的过水断面减小，水流流速加大，引起河床冲刷，故桥梁总长必须保证桥下有足够的排洪面积，以减小或避免桥梁基础受到过大冲刷；但也不能因为冲刷过度增加桥梁总长，导致工程投资增大。在确定桥梁总长时，既要依据计算结果，也要结合基础类型、埋置深度等因素来考虑（1）确定桥梁总跨径确定原则是满足泄洪能力和通航要求；保证对河床不产生过大的冲刷。总跨径越大，对河床冲刷越小；总跨径越小，对河床冲刷越大。在允许冲刷的范围内，尽量减小总跨径，以节省总造价（1）确定桥梁总跨径对于总跨径的确定，应该具体问题具体分析例如：浅埋基础，抗冲刷力小，总跨径要大些深埋基础，抗冲刷力大些，总跨径可以小一些山区河流，冲刷力大，总跨径要大些平原区河流，冲刷力小，总跨径可以小一些要解决的问题：孔径与孔数之间的矛盾，孔径越大孔数越少，孔径越小孔数越多桥梁分孔是一个非常复杂的问题，各种条件和要求互相矛盾。需经过反复比较来确定：孔径大，孔数少，上部结构造价增大，基础数量少，下部结构造价降低孔径小，孔数多，上部结构造价减小，基础数量多，下部结构造价增大（2）桥梁的分孔分孔原则有二：1.合理分孔，使得上、下部结构总造价趋于最低，即采用经济跨径2.在通航河流，当通航净宽大于经济跨径时通常将通航桥孔的跨径按通航净宽（B，b）来确定，其余孔径可采用经济跨径。（2）桥梁的分孔（3）桥面高程的确定1）流水净空的要求2）通航净空的要求3）跨线桥桥下的交通要求（3）桥面高程的确定1）流水净空的要求保证洪水期不致淹没桥梁的支座，梁式桥支座底面应高出计算水位（设计洪水位+雍水高、浪高）不小于0.25m；高出最高流冰面0.5m。（3）桥面高程的确定2）通航净空的要求（H，h）通航净空在桥梁等水上过河建筑物处，为保证船舶安全通过必须保留的无障碍空间。包括净空高度H和净空宽度B，侧高h和上底宽b。（3）桥面高程的确定3）跨线桥桥下的交通要求保证桥下火车，汽车的顺利通行。桥跨结构底缘高程应高出交叉线路（公路、铁路、城市道路等）建筑限界的规定。桥梁的建筑限界：是指桥上建筑物、车辆设备不得超过或侵入的规定的轮廓尺寸线。在《公路工程技术标准》中规定了相关尺寸。桥梁孔径布置的影响因素很多，主要与经济、技术、结构体系、桥式、地形、通航要求、水文等有关。对具体的桥梁设计应详细分析反复比较，才能确定出最理想的方案。（4）桥梁总跨径、分孔和高程关系问题总之，桥梁纵断面设计要解决的主要问题是桥梁纵断面布置与工程造价之间的矛盾（4）桥梁总跨径、分孔和高程之间矛盾关系总跨径桥梁基础埋置深度分孔及分孔跨径工程总造价桥面高程桥下净空桥上及引桥纵坡工程总造价二、桥梁横断面设计桥梁断面设计：桥面净空、桥面宽度（行车道宽度、机动车道布置和人行道、自行道）、横断面形式。桥面宽度＝行车道宽度+（自行车道1m）+人行道宽度+路缘+中央分车带公路等级一般公路高速公路一级二级二级三级四级地形平原微丘重丘山岭平原微丘山岭重丘平原微丘山岭重丘平原微丘山岭重丘平原微丘山岭重丘平原微丘山岭重丘行车道宽度2×7.52×7.52×7.52×7.52×7.52×7.52×7.52×7.58.07.57.06.03.53.5硬路肩宽度≥2.50≥2.50（2.25）≥2.50（1.75）≥2.50（1.50）≥2.50（2.25）≥2.50（1.50）土路肩宽度≥0.75≥0.75≥0.50≥0.50≥0.75≥0.501.500.751.500.750.750.750.5或1.5表2-1各级公路行车道宽度及路肩宽度单位：m二、桥梁横断面设计桥梁断面设计：桥面净空、桥面宽度（行车道宽度、机动车道布置和人行道、自行道）、横断面形式。横断面形式：（1）高速公路、一级公路桥梁的横断面整体式布置，桥面宽度在满足行车要求和行人要求前提下，还应满足桥梁的建筑限界的规定（2）在可能的情况下，高速公路、一级公路上的桥梁宜设计为分离的独立桥梁，即分离式布置，其横断面布置应满足桥梁的建筑限界的规定图2-4公路桥梁的建筑限界图2-4公路桥梁的建筑限界图2-4公路桥梁的建筑限界W——行车道宽度C——当计算行车速度≥100km/h时为0.5m，计算行车速度＜100km/h时为0.25m。图2-4公路桥梁的建筑限界S1——行车道左侧路缘带宽度，按《公路桥涵设计通用规范》表1.4.1-2取值S2——行车道右侧路缘带宽度，一般为0.5m。图2-4公路桥梁的建筑限界E——建筑高度限界顶角宽度当L≤1m时，E=L；当L＞1m时E=1m。H——净高，汽车专用公路和一、二级公路为5.0m，三四级公路为4.5m，一条公路应采用一个净高。图2-4公路桥梁的建筑限界L1——左侧硬路肩宽度，L2——右侧硬路肩宽度，L——侧向宽度，高速公路、一级公路的侧向宽度为硬路肩宽度（L1，L2），其它各级公路的侧向宽度为路肩宽度减去0.25m。2.3桥梁设计与建设程序一、基本程序二、设计程序（1）初步设计（2）技术设计（3）施工图设计主要内容：一、基本程序桥梁工程建设参与单位行政管理部门：（省市建委、发改委）职能是对项目进行审批立项建设单位：也就是出资方，公路桥梁工程一般为政府设计单位：设计院监理单位：监理公司、工程技术咨询公司施工单位：工程总承包、分包、施工队一、基本程序大型桥梁的设计工作可分为前期工作及设计两个阶段。前期工作包括编制预可行性研究报告和工程可行性研究报告。（1）预可行性研究阶段的主要工作主要是研究和讨论建设桥梁的必要性和重要性（为什么建桥），这需要做交通流量调查；初步探讨技术上的可行性；并进行水文、地质调查。（2）工程可行性研究阶段的主要工作确定桥梁规模（建什么样的桥），确定桥梁的技术标准，研究设计和施工的技术难度，如果难点不能独立解决的，需要科研立项。一、基本程序大型桥梁的设计工作可分为前期工作及设计两个阶段。设计阶段：对大桥特大桥按“三阶段设计”进行，即初步设计、技术设计与施工设计图。对常规桥梁，通常采用两阶段设计，即初步设计和施工图设计。一、基本程序设计阶段：详细的设计与建设过程见下图所示。预可行性研究前期工作阶段工程可行性研究大型桥梁设计初步