斜拉桥

哈尔滨工业大学毕业设计（论文）-1-第1章绪论1.1概述斜拉桥是一种桥面体系受压、支承体系受拉的结构，其桥面体系由加劲梁构成，其支承体系由钢索组成。上世纪70年代后，混凝土斜拉桥的发展可分成三个阶段：第一阶段：稀索，主梁基本上为弹性支承连续梁；第二阶段：中密索，主梁既是弹性支承连续梁，又承受较大的轴向力；第三阶段：密索，主梁主要承受强大的轴向力，又是一个受弯构件。近年来，结构分析的进步、高强材料的施工方法以及防腐技术的发展对大跨斜拉桥的发展起到了关键性的作用。斜拉桥除了跨径不断增加外，主梁梁高不断减小，索距减少到10m以下，截面从梁式桥截面发展到板式梁截面。混凝土斜拉桥已是跨径200m～500m范围内最具竞争力的桥梁结构。1.1.1结构体系斜拉桥的基本承载构件由梁（桥面）、塔和索三部分组成，且三者以不同的方式影响总体结构的性能。实际设计时三者是密不可分的。塔、梁及索的不同变化和相互组合，可以构成具有各自结构性能且力学特点和美学效果的突出的斜拉桥。正因为如此，斜拉桥基本体系可按力学性能分为漂浮体系、支承体系、塔梁固结体系和刚构体系：漂浮体系为塔墩固结、塔梁分离，主梁除两端有支承外，其余全部用拉索悬吊，是具有多点弹性支承的连续梁。支承体系即墩梁固结、塔梁分离，在塔墩上设置竖向支承，为具有多点弹性支撑的三跨连续梁。塔梁固结体系即塔梁固结并支承在墩上，梁的内力和挠度同主梁与塔柱的弯曲刚度比值有关。其支座至少有一个为纵向固定。刚构体系为梁塔墩互为固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。这种体系的优点是既免除了大型支座又满足悬臂施工的稳定要求，结构整体刚度较好，主梁挠度小；缺点是主梁固结处负弯矩较大，较适合于单塔斜拉桥。在塔墩很高的双塔斜拉桥中，若采用薄壁柔性墩来适应温度和活载等对结构产生的水平变形，形成连续刚构，能保持刚构体系的优点，并使行车平顺。采用这种体系的有美国的DamesPoint桥和我国的广东崖门大桥等。哈尔滨工业大学毕业设计（论文）-2-在边跨加辅助墩，对梁和塔的内力和变形都很有利。实践表明，无论采用以上何种体系，设一个辅助墩后，塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔根弯矩和边跨主梁弯矩均急剧降低，一般约为原来的40%～65%。1.1.2主梁斜拉桥主梁直接承受车辆荷载，是斜拉桥主要承重构件之一。由于受拉索的支承作用，与其它体系桥梁相比，斜拉桥主梁具有跨越能力大、建筑高度小和能够借助拉索的预应力对主梁内力进行调整等特点。斜拉桥的跨径比应考虑全桥刚度、拉索疲劳强度、锚固墩承载能力等多种因素确定。双塔斜拉桥的边跨与主跨比一般为0.25～0.50，从经济角度考虑，宜取0.4。斜拉桥主梁自重应尽量减小，梁高与主跨比Lh/变化范围一般在1/50～1/100，对密索体系大跨径斜拉桥，高跨比可小于1/200；单索面要按抗扭刚度确定。主梁截面形式应根据跨径、索距、桥宽等不同需要，综合考虑结构的力学要求、抗风稳定、施工方法等选用。如对于单索面斜拉桥，主梁断面宜采用抗风性能优越的近似三角形断面。主梁按材料可分为混凝土梁、钢梁、结合梁和混合梁，其中混凝土梁的主要优点是：（1）造价低。但当主跨大于500m时，混凝土主梁的低造价难以抵销由于混凝土自重大而导致拉索和基础费用的额外增值。（2）刚度大挠度小。在汽车作用下，产生的主要挠度约为类似钢结构的60%左右。（3）抗风稳定性好。这是由于混凝土结构振动衰减系数约为钢结构的两倍。（4）后期养护比钢桥简单便宜。缺点是跨越能力不如钢结构大，施工速度不如钢结构快。1.1.3索塔作用于斜拉桥主梁的恒活载通过拉索传递给索塔，因而索塔是通过拉索对主梁起弹性支承作用的重要构件。索塔上的作用力除本身的自重引起的轴力外，还有拉索索力的垂直分力引起的轴向力、水平分力引起的弯矩和剪力。索塔设计应满足强度、刚度、稳定等使用要求，并充分考虑施工方便、哈尔滨工业大学毕业设计（论文）-3-造价低及造型美观等要求。斜拉桥索塔的型式有柱式、门式、A型、倒Y型、菱型和钻石型等。塔柱截面型式可分成矩形和非矩形两种基本型式。柱式塔柱构造简单，但承受横向水平荷载的能力较差。对于单索面斜拉桥，由于索塔塔柱常设在桥面中央分隔带上，增加了桥面宽度，因此多采用单柱型索塔。双塔斜拉桥索塔高与主跨比宜选用0.18～0.25，并宜使边索与水平线的夹角控制在25°～45°左右。1.1.4拉索斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，并显示了斜拉桥的特点。斜拉桥桥跨结构的重量和桥上荷载，绝大部分或全部通过斜拉索传递到塔柱上。拉索布置不仅影响桥梁的结构性能，而且影响到施工方法和经济性。斜拉索横桥向布置可分为中心挂索（单面索）、侧挂索（双面索）和三索面三种体系。现有桥梁大部分采用双面索，即把斜拉索设于桥面结构两侧；然而，现已成功修建了数座单面索斜拉桥，单索面体系避免了拉索交叉的视觉，给人以美观开阔的视感，结构轻巧，但要求主梁具有必要的横向抗弯和抗扭刚度；较少采用三面索。在桥梁纵向，拉索布置可选择扇形、竖琴形（平行）、辐射形和不对称形。平行索从力学和经济的观点考虑不是最佳的形式；辐射形索的索塔锚固区应力集中、构造复杂、造价昂贵且外观较笨重；不对称形索适用于单跨斜拉桥；扇形索综合了平行索和辐射形索的优点，是一种理想的索形。目前大部分斜拉桥采用扇形索。目前，斜拉桥已从大索距的稀索发展到小索距的稀索，绝大多数斜拉桥采用密索布置。一般密索体系布置时，对于混凝土主梁，索距宜采用4m～12m。为使拉索材料经济，边索倾角宜控制在25°～45°左右。1.1.5桥型确定本设计为墩、塔、梁固结的，双塔单索面预应力混凝土斜拉桥。1.2目的与意义1.2.1立题目的通过本次有关斜拉桥的毕业设计，可使自己初步了解有关斜拉桥的基本哈尔滨工业大学毕业设计（论文）-4-知识和结构设计计算的基本理论，并具备相当程度的大跨度桥梁的设计计算能力，为今后的学习和工作打下良好的基础，同时使自己能够熟练运用计算机程序或软件进行桥梁结构设计计算，并熟悉计算机绘图。1.2.2立题意义毕业设计是大学四年来最重要的一项学习内容，是对四年所学知识的总结与运用；运用学过的基础理论和专业知识，结合工程实际，参考国家有关规范、标准、工程设计图集及其他参考资料，独立地完成斜拉桥部分构件的设计；同时初步掌握斜拉桥的设计步骤、方法，培养分析问题、解决问题的能力，为以后的继续学习和工作奠定基础。1.3主要内容由于时间有限，未对斜拉桥进行全面设计，主要的内容有：（1）XXX混凝土斜拉桥的构造尺寸、结构形式及其结构静力计算，包括计算恒载内力、活载内力、温度内力、支座沉降引起的内力，并进行索塔控制截面的作用效应组合；（2）确定成桥状态的合理索力，即斜拉桥的恒载受力优化；（3）拉索设计，包括拉索应力验算与拉索的构造和下料长度；（4）桥塔锚固区的局部受力分析，对桥塔锚固区配置水平预应力筋。哈尔滨工业大学毕业设计（论文）-5-第2章技术指标及设计资料2.1设计依据2.1.1技术指标（1）公路等级：高速公路（2）设计速度：120km/h（3）设计荷载汽车荷载：公路—I级温度作用：均匀温度取±15℃，梁、塔与斜拉索的温差取±10℃，主梁的日照温差按桥面板升温5℃计（4）桥面宽度：2×11m+4×0.45m（防撞栏）+3（分隔带）=26.8m桥面横坡2%（5）通航标准：通航水位：2.27m(黄海高程)通航净高：48m通航净宽：底宽≥300m,顶宽≥220m（6）基础变位：主墩沉降3.0cm，边、辅助墩沉降2.0cm（7）主桥竖曲线：凸曲线半径R=16700m；纵坡：±2%2.1.2设计规范（1）《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)（2）《公路斜拉桥设计规范》（试行）(JTJ027-96)（3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)2.1.3航运净空根据《全国内河通航标准》有关规定及交通部广州航道局提供的有关船舶资料，结合地形、地质条件，考虑特种船舶运营的需要，经审批后的通航净空要求为：通航净空高48m。航道净宽300m。2.2材料参数哈尔滨工业大学毕业设计（论文）-6-2.2.1混凝土预应力混凝土主梁的混凝土强度等级为C50，索塔为C60，主墩墩身为C50，承台、桩基、边墩和辅助墩墩柱均采用钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C40。2.2.2预应力钢材桥塔锚索区的环向预应力钢筋为32的精轧螺纹粗钢筋，强度标准值pkf=930MPa，弹性模量为sE=2.0×510MPa。预应力管道均采用预埋金属波纹管成型。2.2.3斜拉索该桥采用扭绞型平行钢丝斜拉索，由7mm高强平行钢丝组成，规格为PES7-109～PES7-187,抗拉强度标准值pkf=1670MPa，弹性模量为pE=2.05×510MPa，为PE、PU双层防护体系。锚具为冷铸墩头锚。2.2.4桥面铺装8cm厚防水混凝土，容重23KN/3m。2.2.5支座GPZ抗震型盆式橡胶支座。2.2.6伸缩缝SSFB240型伸缩装置。2.3设计荷载与组合2.3.1主要设计荷载（1）永久作用：结构重力、基础变位作用（2）可变作用：汽车荷载（含汽车冲击力）、温度（均匀温度和梯度温度）作用哈尔滨工业大学毕业设计（论文）-7-2.3.2索塔的作用效应组合根据《公路桥涵设计通用规范》第4.1.6条规定：公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合：基本组合—永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为：0)(21110njQjkQjckQQmiGikGiudSSSS式中udS—承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；Gi—第i个永久作用效应的分项系数，按表4.1.6的规定采用；GikS—第i个永久作用效应的标准值和设计值；1Q—汽车荷载效应（含汽车冲击力）的分项系数，取1Q=1.4；1QS—汽车荷载效应（含汽车冲击力）的标准值和设计值；Qj—在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数，取Qj=1.4；QjkS—在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）、风荷载外的其他第j个可变作用效应的标准值和设计值；c—在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）外的其他可变作用效应的组合系数，当只有一种其他可变作用（温度）参与组合时，取c=0.8。公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合：1.作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相哈尔滨工业大学毕业设计（论文）-8-组合，其效应组合表达式为：njQjkjmiGiksdSSS111式中sdS—作用短期效应组合设计值；j1—第j个可变作用效应的频遇值系数，汽车荷载（不计冲击力）1=0.7；j1QjkS—第j个可变作用效应的频遇值。2.作用长期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：njQjkjmiGikldSSS121式中sdS—作用短期效应组合设计值；j2—第j个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）1=0.4；j2QjkS—第j个可变作用效应的准永久值。索塔设计中考虑的主要作用效应组合见表2-1：表2-1作用效应组合表组合种类组合内容基本组合1.2恒载+0.5基础变位+1.4汽车（含冲击力）+1.12温度作用短期效应组合恒载+基础变位+0.7汽车（不计冲击力）+均匀温度+0.8梯度温度作用长期效应组合恒载+基础变位+0.4汽车（不计冲击力）+均匀温度+0.8梯度温度标准组合恒载+基础变位+汽车（含冲击力）+温度2.3.3拉索的内力组合根据《公路斜拉桥设计规范》第4.2.1条规定：公路斜拉桥设计荷载的计算，应遵照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—89）执行。哈尔滨工业大学毕业设计（论文）-9-当结构重力产生的效应与汽车荷载产生的效应同号时：);(QGSqgd1.2GS4.11'QS（组合I）=1.1GS+1.31'QS+1.32QS(组合III