毕业设计辅导2-斜拉桥的总体布置

2020/3/151桥梁工程斜拉桥组毕业设计辅导v2008P02关于斜拉桥的总体布置2020/3/152第二章斜拉桥的设计构思第一节设计构思总思路第二节布跨决择第三节构件及其连接关系的决择第四节设计构思的简单示例第五节毕业设计中的桥跨布置2020/3/153第一节设计构思的总思路把握总体的重要性了解局部的重要性由于斜拉桥的变量很多，且它们又互相关连，相互制约，不可能单独孤立地分别设计主梁、塔和索，因此，一开始就应该总体考虑进行全桥的综合设计。设计构思必须对具体桥梁的经济性、安全性、设计、施工、材料、机具、时间进度、空间布置等各方面问题，经过深入、综合分析后才能得出。设计构思过程设计构思是一项极为重要的决策性工作。为了作好这一工作，首先要全面了解斜拉桥结构各组成部分的特点，然后对影响斜拉桥总体桥型设计的各个变量参数作深入的分析。2020/3/154一、结构特点回顾－－主梁与斜拉索关联后的特点第一节设计总思路—结构特点回顾跨越能力大建筑高度小以弯为主的压弯构件恒载内力可调整施工方法灵活方便主梁在斜拉索支承下，就象多跨弹性支承连续梁那样工作，使“局部跨度”显著减小，让“整体跨度”能显著提高，主梁高度“相对”降低。主梁把斜拉索索力的水平分力作为轴力传递，形成自锚体系结构。借助斜拉索的预拉力，可以对主梁的内力进行调整。用于大跨度桥梁施工的传统施工方法，不仅可用，而且还能借助斜拉索的联合作用来减轻施工机具对结构的影响。2020/3/155第一节设计总思路—结构特点回顾塔是以压为主的压弯构件斜拉索是受拉构件自重与斜拉索张力的竖向分力表现为轴力两侧索力纵向不平衡的水平力产生弯矩顺桥向的刚度与后锚索的关系很大斜拉索是容易振动拉力来源于（1）施工时的主动张拉拉力来源于（2）外荷载下的被动受力一、结构特点回顾－－桥塔与斜拉索关联后的特点2020/3/156二、总体构思框架第一节设计总思路—总体构思斜拉桥桥型总体设计中，影响因素多，变量参数也复杂，交叉组合的方案更是千变万化。但为了抓住主要矛盾，其总体构思时，首先要考虑如下五个问题：跨度划分索塔类型和结构型式主梁类型和结构型式梁、塔、墩连结型式斜拉索布置类型（索面）塔墩位置主跨大小边跨大小主梁材料桥面宽度索面数量主梁截面索塔形式索塔高度索塔截面2020/3/1571.准备工作及材料选择桥位处的条件（气候、水文、地形地质、通航、交通要求等）情况的掌握。2a.跨径布置－确定主跨跨度根据地形、地质、河床水文和通航要求，结合经济性和适用性原则决定斜拉桥主跨大小。2b.跨径布置－确定边中跨比独塔和双塔的比值是不同的。3.确定桥面宽度按交通量、列车通过量确定了车行道和人行道数目和宽度等，也就确定了桥面总宽。4.确定索面形式－索面数量和索型选择决定索面数量（一个、两个或三个索面）以及索面内索型（辐射型、扇型或竖琴型），考虑整个斜拉桥结构的锚固方式。塔的结构型式、高度、断面积会随着斜缆的布置型式差异。三、斜拉桥（总体）设计构思的实现步骤第一节设计总思路—总体构思2020/3/1585.体系选择－梁、塔、墩相互连接型式6.塔型选择7.主梁施工工艺选择8.主梁材料及截面选定（1）材料（钢、砼、结合、混合）选择（2）截面设计：截面形式及主要设计参数a.梁高、梁宽、各板板厚（顶板、底板、腹板）形成截面的主要受力性能（抗压刚度、抗弯刚度、抗扭刚度）；b.横隔板的设置（构造、板厚、设置间距）；C.梁段重量d.截面的抗风性能9.斜拉索索距确定和拉索断面的初步匡算拉索在塔和主梁上的索距应配合塔和梁的高度、刚度、材料以及整个斜拉桥的桥型综合考虑，同时应考虑施工能力。主梁上的索距－标准索距、边跨加密索距。10.桥塔的高度和断面11.锚固墩和辅助墩的考虑三、斜拉桥（总体）设计构思的实现步骤第一节设计总思路—总体构思2020/3/15912.结构整体计算斜拉桥活载等级一般是由设计条件给定的，活载计算相对简单。斜拉桥的整体计算主要是恒载计算，特别是斜拉索张拉索力的确定，以实现合理的恒载内力状态。13.根据总体计算情况完善设计构思（1）确定各拉索的内力，设计拉索的断面（2）优化主梁、索塔的断面（3）协调塔、梁、索间因设计造成内力和刚度关系14.根据上述工作的结果进行斜拉桥的细化设计和计算(1)进行考虑施工过程的结构整体计算；(2)为下部结构设计计算提供数据；(3)进行主梁结构的专项计算：钢结构的第二、三体系和空间受力计算；砼结构的有效宽度计算；PC梁的预应力布置和计算；梁体结构的受压稳定计算等；(4)进行索塔结构的专项计算：横向受力计算、抗压稳定计算；(5)进行斜拉索的专项计算：斜拉索的疲劳；(6)进行连接细节的设计和空间分析计算；(7)进行抗风和抗震研究；三、斜拉桥（总体）设计构思的实现步骤第一节设计总思路—总体构思2020/3/1510第二节布跨的决择斜拉桥的跨度划分是很重要的问题。应在全桥经济和施工方便的前提下，配合以往国内、外已建成斜拉桥的实践经验综合加以分析比较。一般应作如下考虑:2020/3/1511第二节跨度的决择决择一单塔还是双塔应尽量选取较短的主跨长度，并尽量先考虑独塔方案，只有在独塔方案不能满足通航、排洪或流冰等的要求时，才考虑用双塔方案。决择二多大的主跨（1）根据地形、地质、河床水文和通航要求，（2)结合经济性和适用性原则决定斜拉桥主跨大小。如无（1）的限制，可以先确定总斜拉桥长度，再根据合理边中跨比确定主跨跨度。决择三多大的边跨采用双塔三跨时，边主跨比约0.35～0.5较合理。采用独塔两跨时，边主跨比约0.5～1.0较合理。LcLs1Ls22020/3/1512第二节跨度的决择决择四是否采用协作跨如有引桥，可让引桥与主跨或边跨连在一起，使得主梁连续延长，协同受力，利用引桥主梁的跨越能力提高斜拉桥的跨越能力。是否设置辅助墩决择五当边跨离地面不高时，若在边跨内加设若干辅助墩，将边跨再分成若干小跨，则可使桥塔的弯矩大大减小，并能提高整个桥跨的结构刚度。此外，加设辅助墩，也便于采用顶推法施工。2020/3/1513第三节构件形式和关系上的决择主梁索塔斜拉索索梁锚固索塔锚固塔梁关系2020/3/1514第三节构件及其关系的决择—主梁一、主梁类型的选择钢梁混凝土梁轻柔贵刚重贱强度低强度高造价低造价高刚度大自重大自重小刚度小材料上的决择混合梁混凝土钢结合梁养护容易养护困难强弱造价高抗拉强度低抗压强度高造价低拉压强度高压板易失稳2020/3/1515第三节构件及其关系的决择—主梁结合梁结合梁双塔斜拉桥适宜跨度约300~600米。混合梁体系跨度在600米以上，且有条件设置边跨辅助墩时，有较强竞争优势。混凝土主梁双塔斜拉桥适宜跨度约300~500米（采用PC梁）。混凝土梁钢箱梁双塔斜拉桥适宜跨度约400~1000米。钢（箱）梁一、主梁类型的选择主梁材料主梁材料合理跨度2020/3/1516主梁是采用钢结构还是混凝土结构，或是钢与混凝土的组合梁结构，以及混合结构，主要取决一特定时期，特定地区和特定桥位的有效性、可能性和经济性。1．钢主梁其主要优点是跨越力能大，结构较轻，结构可在工厂制作，质量可靠、施工速度快。缺点是价格昂贵，后期养护工作量大及抗风稳定性较差。近几年我国修建了多座大跨度钢主梁斜拉桥。2．混凝土主梁其主要优点是：①造价相对低。②刚度大挠度小，在汽车荷载作用下，产生的主要挠度约为类似钢结构的60％左右：③由于混凝土结构具有约两倍于钢结构的振动衰减系数，所以抗风稳定性好；④抗潮湿性能好，后期养护工作比钢桥简单和便宜。⑤斜拉索拉力的水平分力在桥面结构内产生压力，而混凝土抗压性能是最好的。其缺点是：跨越能力不如钢结构大，施工安装速度不如钢结构快。第三节构件及其关系的决择—主梁一、主梁类型的选择2020/3/15173．钢、混凝土叠合梁在钢主梁上用预制混凝土桥面板代替常用的正交异性钢桥面板。它除具有钢主梁相同的优缺点外，能节省钢材用量且其刚度及抗风稳定性均优于钢主梁。叠合梁使用在斜拉桥中，未能充分发挥钢和混凝土的材料特性，所以需在构造和施工上采取措施，解决混凝土桥面板开裂问题。加拿大的Annacis桥和我国上海的南浦大桥和杨浦大桥，均采用叠合梁结构。4．钢混凝土混合式主梁在中孔大跨采用钢主梁，两侧边跨采用多跨预应力混凝土梁，这种结构型式的主要优点是：①由于加大了侧跨主梁的刚度和重量，大大减少了主跨内力及变形，②能减少或避免边跨端支点出现负反力：③P．C梁容易架设，主跨钢梁也可较容易地从主塔开始用悬伸法连续架设；④减少全桥钢梁长度，节约造价。它特别适合于边跨与主跨比值较小的情况，但采用这种结构型式，必须处理好钢与混凝土连接处的构造细节。第三节构件及其关系的决择—主梁一、主梁类型的选择2020/3/1518第三节构件及其关系的决择—主梁一、主梁类型的选择截面上的决择钢主梁Π型双主梁独立单箱截面分离双箱截面钢桁架混凝土主梁板式边主梁纯板式梁板、箱板梁箱梁板、箱、桁箱梁板梁桁梁独立单箱截面分离双箱截面Π型双主梁单索面适用双索面适用双索面适用双索面适用2020/3/1519主梁高度一般根据施工要求确定，与施工方法有关，拟定时可参考已建成桥资料。第三节构件及其关系的决择—主梁一、主梁类型的选择主梁宽度根据桥面车道情况布置，考虑拉索保护区宽度。Wh2020/3/1520第三节构件及其关系的决择—索塔二、索塔形式的决择单索面还是双索面造型是要点单索面双索面独柱形双柱形门形H形倒V形A形梯形倒Y形单双均可造型是要点2020/3/1521第三节构件及其关系的决择—索塔二、索塔形式的决择桥塔有效高度(桥面以上塔高)H1：三跨：塔高/主跨=1/4～1/7，两跨桥：塔高/主跨＝1/2.7～1/4.7塔高，对主梁结构受力有利，索力小。一般控制最外索与水平线的夹角不小于25°。桥面以下塔高H2:根据通航条件、接线条件、河床断面确定桥塔总高H＝H1+H2LcH1H22020/3/1522第三节构件及其关系的决择—斜拉索三、斜拉索类型的选择半平行钢丝斜拉索（冷铸镦头锚）平行钢绞线斜拉索（配夹片式群锚）极限强度弹性模量松弛性能防腐性能运输安装难易张拉难易性略低（1670MPa）略高（1860MPa）略高（2.0×105MPa）略低（1.95×105MPa）抗疲劳性能更换难易性不易松弛低或动应力下夹片易松弛锚头抗疲劳性能强锚头抗疲劳性能略弱PE可能老化开裂夹片处钢丝可能易锈蚀长大索运输、吊装困难运输安装容易，但工序多整体大吨位张拉困难可小吨位单根张拉钢绞线相对困难相对容易各有千秋2020/3/1523第三节构件及其关系的决择—索塔与主梁关系四、索塔与主梁关系除斜拉索外塔和梁有无直接联系无全漂浮体系有半漂浮体系有塔对梁有竖向约束；无水平约束塔对梁有竖向约束、水平约束、转动约束塔梁固结体系塔和墩有无固结关系无塔墩梁固结体系暂不论及塔梁横向联系关系2020/3/1524A飘浮体系：塔墩固结、塔梁分离，索塔处设置垂直索悬挂索塔处主梁。主梁除两端有支承外，其余全部用拉索悬吊，是多点弹性支承的单跨梁。优点：塔柱处主梁无负弯矩峰值，受桥塔压缩、温度、收缩和徐变影响小。地震时由于周期长，起消能作用。缺点：悬臂施工要进行先临时固结B支承体系（半漂浮体系）:塔墩固结、塔梁分离，索塔处横梁上设置竖向支座支撑索塔处主梁。双塔斜拉桥中主梁除两端有刚性支承外，双塔处也存在刚性支撑，形成具有多点弹性支承的三跨连续梁。一般均设活动支座，以避免由于不对称约束而导致不均衡的温度变位，水平位移将由斜拉索制约。支承体系若用一般支座来处理则无明显优点，因为当二跨满载时，塔柱处仍有负弯矩尖峰。温度、收缩、徐变内力较大。与飘浮体系相比，在经济和美观方面将会有一定好处。第三节构件及其关系的决择—索塔与主梁关系2020/3/1525C塔梁固结体系塔梁固结并支承在墩上，斜拉索为弹性支承。这种体系的连续梁支座之一必须纵向固定，一般是一个塔柱支座固定，而另一个在纵向可以活动。优点：减少塔墩弯矩和主梁中央段的轴向拉力。缺点：是中孔满载时，主梁在墩顶处转角位移导致塔柱倾斜