桥梁设计(研究)现状和发展趋势

设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）2.1桥梁设计的现状2.1.1梁式桥1.简支体系梁桥实心板桥，空心板桥，T梁桥,工字型梁桥,箱型梁桥等特点:受力简单;标准设计;预制吊装;20~50m;中小桥;引桥组合式梁桥有两种型式：Ι形组合梁桥____适用于钢筋混凝土简支梁桥箱形组合梁桥____适用于预应力混凝土梁桥。优点：显著减轻预制构件的重量,便于集中制造和运输吊装。2.简支变连续体系梁桥T梁桥,工字型梁桥,箱型梁桥等特点:先简支(预制吊装),后连续;连续体系受力;预应力20~50m;中小桥;引桥3.连续梁桥箱型截面,连续体系受力,支座20~30m:普通钢筋混凝土,中小桥;引桥;高架桥;立交桥;支架现浇较多40~60m:预应力混凝土,大中桥;次主桥;等截面,顶推施工60m:大桥,特大桥;变截面,悬臂施工(现浇或拼装)4.刚构桥门式刚架桥T型刚构桥（带挂孔的或不带挂孔的）连续刚构桥刚构-连续组合体系桥斜腿刚构桥刚构桥特点：箱型截面,连续体系受力,墩梁刚接（不需支座）60m,大桥,特大桥;变截面,悬臂施工(现浇或拼装)-不需体系转换2.1.2拱桥简单体系拱桥(上承式拱)组合体系拱桥(中承式拱、下承式拱、系杆拱等)1.石拱桥我国现存的石拱桥最早已有1500多年历史，常用跨度:8~60m;1991年,120m,湖南凤凰县乌巢河桥2001年,146m,山西晋城丹河大桥,世界最大跨度。2.混凝土拱桥分箱形拱、肋拱、桁架拱常用跨度:30~200m世界已建成跨径超过240M拱桥共15座，中国4座跨径大于300m的拱桥共5座，中国占3座1997年,重庆万县长江大桥(主跨420m)，为世界最大跨度。钢管混凝土劲性骨架混凝土箱形拱：以钢管混凝土作为劲性骨架，再外包混凝土形成箱形拱，是修建大跨径拱桥十分好的构思，除了方便施工外，还避免了钢管防护问题。3.钢管混凝土拱桥钢管混凝土是一种钢-混凝土复合材料具有支架、模板二大作用，自架设能力强极限状态下发挥套箍作用,极限承载能力高常用跨度:100~300m。4.钢拱桥•适用于大跨径•我国钢拱桥修建正在较快增加2.1.3斜拉桥特点：组合体系，比梁式桥有更大的跨越能力200~800m的跨径范围内占据着优势由于拉索的自锚特性而不需要悬索桥那样巨大锚碇在800~1100m的跨径范围内，斜拉桥也扮演重要角色1600m跨径都是可行的斜拉桥主要由主梁、索塔和斜拉索三大部分成：主梁一般采用混凝土结构、钢－混凝土组合结构、钢结构或钢和混凝土混合结构；索塔－采用混凝土、钢－混凝土组合或钢结构；大部分采用混凝土结构；斜拉索－则采用高强材料（高强钢丝或钢绞线）制成。2.1.4悬索桥世界已建成跨径大于1000米的悬索桥17座；日本于1998年建成了世界最大跨径的明石海峡大桥，是世界建桥史上的一座丰碑。特点：悬索桥是特大跨径桥梁的主要形式之一受力明确，造型优美，规模宏伟，“桥梁皇后”跨径大于800m的桥梁，悬索桥具有很大的竞争力400~800m也有可比性抗风稳定性问题突出2.2桥梁设计的发展趋势随着我国经济发展，材料、机械、设备工业相应发展，这为我国修建大跨径斜拉桥和悬索桥提供了有力保障。再加上广大桥梁建设者的精心设计和施工，使我国建桥水平已跃身于世界先进行列。以下是桥梁发展得趋势：1、跨径不断增大目前，钢梁、钢拱的最大跨径已超过500m，钢斜拉桥为890m，而钢悬索桥达1990m。随着跨江跨海的需要，钢斜拉桥的跨径将突破1000m，钢悬索桥将超过3000m。至于混凝土桥，梁桥的最大跨径为270m，拱桥已达420m，斜拉桥为530m。2、桥型不断丰富本世纪50～60年代，桥梁技术经历了一次飞跃：混凝土梁桥悬臂平衡施工法、顶推法和拱桥无支架方法的出现，极大地提高了混凝土桥梁的竞争能力；斜拉桥的涌现和崛起，展示了丰富多彩的内容和极大的生命力；悬索桥采用钢箱加劲梁，技术上出现新的突破。所有这一切，使桥梁技术得到空前的发展。3、结构不断轻型化悬索桥采用钢箱加劲梁，斜拉桥在密索体系的基础上采用开口截面甚至是板，使梁的高跨比大大减少，非常轻颖；拱桥采用少箱甚至拱肋或桁架体系；梁桥采用长悬臂、板件减薄等，这些都使桥梁上部结构越来越轻型化。4、预应力应用更加丰富和灵活部分预应力在公路桥梁中得到较广泛的采用。不仅允许出现拉应力，而且允许在极端荷载时出现开裂。其优点是，可以避免全预应力时易出现的沿钢束纵向开裂及拱度过大；刚度较全预应力为小，有利于抗震；并可充分利用钢筋骨架，减少钢束，节省用钢量。体外预应力得到了应用与发展。体外预应力早在本世界20年代末就开始应用，70年代后应用多了起来。体外配索，可以减小截面尺寸，减轻结构恒载，提高构件的施工质量；力筋的线型更适合设计要求，其更换维修也较方便。加固桥梁时用体外索更是方便。著名的美国Longkey桥，跨径36m，即是采用了体外索。大吨位预应力应用增加。现在不少桥梁中已采用每束500t的预应力索。预应力索一般平弯，锚固于箱梁腋上，可以减小板件的厚度，减轻自重，局部应力也易于解决。无粘结预应力得到了应用与发展。无粘结预应力在国外50年代中期广泛用于建筑业，美国目前楼板中，99%采用现浇无粘结预应力。无粘结预应力结构施工方便，无需孔道压浆，修复容易，可以减小截面高度；荷载作用下应力幅度比有粘结的预应力小，有利于抗疲劳和耐久性能。双预应力，即除用预张拉预应力外，还采用了预压力筋，使梁的载面在预拉及预压力筋作用下工作。简支梁双预应力梁端部的局部应力较大，后来日本将预压力筋设在离端部一定距离的上缘预留槽中，而不是锚在梁端部，使局部应力问题趋于缓和。国外还较多应用预弯预应力梁。预弯预应力梁是在钢工字梁上，对称加两集中力，浇筑混凝土底板，卸除集中力，这样底板混凝土受到预压，然后再浇筑腹板和顶板混凝土。有的国家如日本已有浇筑好底板的梁体作为商品供应。5、箱梁内力计算更切合实际对于箱梁，必要时需考虑约束扭转、翘曲、畸度、剪滞的内力。由于剪滞的影响，箱梁顶底板在受弯情况下，其纵向应力是不均匀的，靠箱肋处大，横向跨中处小。配筋时要用有效宽度。目前已按试验结果，将纵向应力按多次抛物线分布，得出实用结果。箱梁温差应力的计算。箱梁由于架设方向及环境的不同，会承受不同的温差。温差应力必须考虑，在特定的情况下，温差应力很大，甚至超过荷载应力。因此，必须按照现场可能出现的温差，计算内力，加以组合，进行配筋。按施工步骤计算恒载内力。按结构的最终体系计算恒载内力，往往并不是实际的内力。必须按照施工顺序，逐阶段地进行计算，在计算中考虑混凝土龄期不同的徐变收缩影响。这样，既得到了各施工阶段的控制内力，又得到了结构形成时的内力和将来的内力。同样，也必须考虑施工顺序步骤计算挠度，并反算得到预拱度。6、施工方法丰富先进近年来悬臂施工法中悬拼的应用有所增加。各节段间带有齿槛，涂环氧，使连接良好，并增大抗剪能力。可以缩短工期，特别是利用吊装能力大的浮吊时，可加大节段长度，则更能加快施工进度。国外悬拼最大的桥为跨径182.9m的澳CaptainCook桥。顶推施工法也处在不断发展过程，一开始是集中顶推，两则各用一个千斤顶推动，而且用竖向千斤顶以使水平千斤顶回程。以后发展成为多点顶推，使顶推力与摩阻力平衡，使顶推法可用于柔性墩，同时也不使用竖向千斤顶。在这以后，又有下列发展：(1)用环形滑道，不必喂氟板。(2)支座设在梁上，不需顶推后重行设置。(3)拉索锚具可自动开启或闭锁。梁前进时锚定，千斤回程时自动开启。(4)在横向中央设一个滑道，避免两侧滑道时必须两侧同步，特别适用于平曲线梁的顶推。目前，顶推施工法不仅用于直线梁，而且用于竖曲线上的梁，以及平曲线上的梁。香港曾把顶推法成功地使用在处在切线、缓和曲线和R=430m圆曲线的梁上，把线形用最接近的圆曲线来模拟，其差值藉调整箱顶板的悬臂长度来补偿。同时因为超高的不同，箱梁腹板的高度也是变化的；在处于3%纵坡和竖曲线的梁，则使板底保持同一个纵坡而改变箱高。附、比选标准及方案比选1、比选方案的主要标准：1、安全安全标准可从行车安全、通航安全、基础地质条件的安全与施工安全等几个方面考虑。行车安全主要通过桥面设施的布置来实现。如根据公路等级和车流具体情况决定是否需设置中央分隔带、分车带或护栏以保证行车安全。通航安全虽然有通航净空保证，但应注意是否有拖船组成的船队通过，另外桥下水流方向是否与桥梁垂直，如遇到这些情况均应适当加大桥梁跨径。基础的安全一方面应该满足规范中规定的基础埋深与河流的冲刷深度和冰冻深度的关系，另一方面应检查基础附近是否有裂缝、断层、溶洞等不良地质现象存在，由此检查桥梁分孔是否合理。施工期间结构的安全也是应考虑的重要因素，如果设计要求编制施工组织计划，则要注意洪水和飓风对桥梁施工的不利影响，一般要求在洪水来临之前桥墩的施工面要超出设计洪水位。2、功能桥梁的功能包括两个方面：一是跨越障碍（河流、山谷或线路），二是承受/荷载。在比选方案时，应选择传力路线直接、简捷的结构形式，以保证结构受力的合理性。此外，还应考虑非正常运营条件下（如地震、风载）能保证结构功能的实施。在地震区修建桥梁要考虑抗震性能好的桥型。梁式体系比拱失体系好，无铰拱比有铰拱要好，整体式的比组合式的好，扩大基础比桩基础好，低桩比高桩好等。再从突发的因素破坏桥梁后的修复难易考虑，梁式体系比拱式体系易修复。从该方面考虑，小跨能满足的就不做大跨；能用标准设计或通用设计的就优先考虑。3、经济经济性主要从造价、工期及养护维修方面考虑。⑴造价：主要包括材料费、人工费及机具设备费。1)材料费的估价因受价格影响比较大，因暂按材料用量来衡量。①用标准设计与通用设计时，可按所附材料查用。②考同类体系、同荷载标准、相近跨度的已建桥梁的工程数量。③根据参考书中提出的构造尺寸以及经验尺寸，定出总体设计的轮廓尺寸，然后对主要结构的少数控制截面进行粗略的验算。2)人工费和机具设备费的标准各地区有很大差别，可根据概预算定额标准进行估算。⑵工期：工期与造价有很大的关系，桥梁作为线路的一部分，应该要求做到“线路修到那里，桥也通到那里”，以保证机具、材料、人员的输送，线路早日交付运营，可以使国民经济早一天受益。影响工期的因素很多，在资金有保障的前提下，主要受基础工程量的大小、结构形式、施工方法等影响。上下部结构类型多的桥梁，要求特种机具设备的或新体系的工期也长，非就地取材的桥型，不仅造价高，而且工期长；采用脚手施工才工期长，而且有水毁的可能，需要慎重考虑。⑶养护及维修：桥梁在规定使用期限内经常维修费用的多少需要考虑，混泥土桥的养护和维修费用比刚桥要低得多，当遭受军事或自然因素破坏后的修复，梁式桥比拱式桥方便。4、美观我国基本建设的方针是“经济、适用和在可能条件下注意美观”，大量的公路桥和铁路桥设计时应遵守这一要求，但在特大桥‘城市桥以及位于风景区的桥梁，应注意选择美观的桥型方案。此外，施工设备及能力和环保也是必须考虑的两个方面。每个比选方案都应初步考虑采用什么施工方法，根据所给的施工设备和现场条件制订施工方案；桥梁设计必须考虑环境保护和可持续发展的要求，包括生态、水、空气、噪声等几个方面全面考虑。