四跨连续刚构结构设计.docx
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四跨连续刚构结构设计
四跨连续刚构结构设计
第一章方案比选
§1.1概述
1.1.1方案比选原则
1•认真贯彻国家的各项政策、法规，以及国家和部颁标准、规范、规定和办法；
2.使用安全耐久，保养维护方便，行车舒适；
3.技术先进可靠，施工方便、快捷，便于工厂化，标准化施工，确保施工工期；
4.经济上合理适度，上、下部工程投资适当，节省投资；
5.充分考虑堤防要求，满足江堤防洪和跨线的净空的需要；
6.尽量减少拆迁、改线的工程数量、降低投资；
1.1.2考虑因素
1•地形地貌
桥位位于长江两侧，属斜坡浅丘及河流阶地地貌。
长江两侧为冲洪积河流阶地，阶面高程189〜220m,向西侧延伸为斜坡浅丘。
地形总体南北两侧高，地面坡度较大，坡角约30〜55°,中间为较平缓的长江阶地。
2.气象
本区位于亚热带温湿季风气候区，常年平均气温18.4C,极端最高气温41.3,极端最低气温-2.3,最冷月（一月）平均气温7.5,常年平均降雨量1185mm,多年平均相对湿度79%o
3.风况
桥位位于长江上游，年平均主导风向以北风为主，平均风速l.lm/s,最大风速28.4m/s。
按交通部《公路桥涵设计规范》（JTJ021-89）中全国风压分布图,桥址位于500Pa等压线上，按《公路桥梁抗风设计指南》，桥梁设计风速考虑如下：
桥址区100年一遇lOmin设计基本风速为V10=24.052m/s,施工期间采用10年一遇基本风速19.79m,/So
4.地层岩性
拟建场地的地层主要为第四系全新统残坡积低液限粘土Q.eW\冲洪积低液
毕业设计（论文）报告纸限粘土、砂土及卵石土长江北岸陡坡处笫四系崩坡积Q晋的块石土，在
两岸斜坡部位有少量基岩出露地表，基岩为侏罗系中统沙溪庙组上砂岩、泥岩及泥质粉砂岩、粉沙质泥岩。
5.规划道路
该路为双向六车道，桥梁为直线桥梁，规划路宽33m。
通航净空要求为20mX200mo
§1.2比选方案简介
根据桥位区水文，气象、地质，通航，防洪等建设条件，结合桥梁建设工期,施工条件，桥面宽度，景观要求等实际惜况，适宜的桥型为斜拉桥、连续钢构或悬索桥。
在方案设计时，就双塔斜拉桥、连续钢构及悬索桥进行多方案比较。
1.2.1方案一：
双塔斜拉桥
1.桥跨布置
该方案为双塔三跨双索面斜拉桥，主桥跨布置为40+160+370+160+40二770m,边主跨比为0.43,塔高92.5,高跨比1/4,采用半漂浮体系，桥面设双向横坡为2%。
2.主梁
主梁断面采用钢主梁与混凝土板共同受力的结合梁，拉索锚固处高3m,跨中高3.422m,桥面宽35m,顺桥向每隔5m设置一道横隔梁。
3.索塔
索塔包括索塔顶部锚固段、上塔柱、中塔柱、下塔柱和三道横梁。
索塔顶部锚固段、上塔柱和两道上横梁采用Q370钢，中塔柱为钢-混组合结构，中横梁及下塔柱为预应力钢筋混凝土结构。
索塔高92.5m。
4.斜拉索
该方案采用双索面扇形体系，全桥共设136组斜拉索。
拉索最大倾角71°,最小倾角为25°,斜拉索采用
>7mm镀锌高强度低松弛钢丝，匹配相应冷铸徹头锚具。
顺桥向标准索距为10m,对靠近边跨端头附近的尾索进行加密，索距为7.5m,2X3.5mo
5.基础
承台厚6.5m,顺桥向32m,横桥向32m。
采用钻孔灌注桩群桩基础，桩径2.施。
6.施工方法
毕业设计（论文）报告纸主桥釆用悬臂拼装法施工，引桥为预制拼装法。
1.2.2方案二：
四跨连续刚构
1.桥跨布置
主跨跨径：
150+270+270+130二740米，边主跨比：
150/270=0.56。
2.主梁
采用单箱单室箱形截面，桥面采用双幅桥面，单幅桥面宽17米，中央分隔带宽2米。
3.基础
基础采用大直径钻孔灌注桩群桩基础。
桩径2.5m,桩中心距5.75m。
承台为矩形承台，厚为5m,承台尺寸为26.6X16m,采用C40混凝土。
桥墩釆用双薄壁空心墩，外部尺寸4X9m,壁厚0.5m。
4.施工要点
1.桥梁上部采用挂篮悬臂浇注施工，施工时要对称浇注，应注意立摸高程的合理设置，准确控制悬浇高程，主梁边中跨合拢高差应控制在Icm以内。
2.施工后的主梁备用预应力束孔处理如下：
顶板束孔灌浆封填，底板束孔留下备用，但不穿预应力束。
3.箱梁悬浇施工时在底板上的施工孔不封堵，作为箱梁的通气孔。
采用悬臂拚装法施工。
1.2.3方案三：
地锚式悬索桥
1.桥跨布置
跨径布置为：
200+600+200二1000m；
边跨与主跨跨度比为200/600二0.33,垂跨比f/L二60/600二1/10。
2.主塔
主塔采用门式型混凝土桥塔，桥面以上塔高66.25m,桥面下设一道横梁。
塔柱为变截面矩形混凝土塔，外形轮廓尺寸为4.8〜6.4m（顺桥向）X5mo
3.加劲梁：
主梁断面采用扁平钢箱梁的形式，桥面净宽33m,钢横梁桥中线处iS2.80m,顺桥向每隔5n）设置一道。
4.吊杆:
毕业设计（论文）报告纸全桥共设长短吊杆81根，吊杆间距12m,由镀锌高强低松弛钢丝束构成。
5.锚碇：
采用重力式锚碇。
6.基础：
采用钻孔灌桩基础，承台厚6.00m,矩形为24mX24m,有16根桩，桩径2.5m。
.
7.施工：
采用满堂支架施工，先架设主梁，再搭设主缆，悬挂吊杆，成桥。
§1.3方案评价
根据桥梁设讣的原则“适用、经济、安全、美观”及桥型方案应满足结构新颖、受力合理、技术可靠、施工方便的原则对以上三个方案进行评价。
方案一：
双塔斜拉桥是斜拉桥体系中采用最为广泛的形式，索面为双索面倾斜布置，具有很好的抗扭、抗风性能。
索塔顶部拉索锚固区采用钢塔段可以减小基础工程量，提高抗震性。
桥面体系主梁受轴力和弯矩，支撑体系以拉索受拉和索塔受压为主。
拉索的作用相当于在主梁跨内增加了若干弹性支撑，从而大大减小了梁内弯矩、使主梁内力分布更加均匀合理，桥梁跨越能力显著增大，。
斜拉桥是超静定结构，使用性能好。
主桥桥面连续，无伸缩缝，行车条件好。
方案二：
预应力混凝土连续刚构桥结构线条明快流畅，与周圉景观搭配协调。
此桥采用平衡悬臂施工法，山于结构上墩梁固结，为多次超静定，次内力较大。
为减小次内力的敬感性，必须选择抗压刚度较大，抗推刚度较小的单壁或双壁的薄壁墩，使墩适应梁结构的变形。
通过加大梁根部梁高，可以使正弯矩减小，主梁大部分承受负弯矩，施工较简单。
修建时须采用高墩大跨，当墩的高度较矮时将受到限制，对基础要求较严格。
对连续钢构方案进行了详细的分析计算，分析表明：
由于边主墩较矮，在恒载、活载及温降工况组合下，虽然釆取了边跨配重措施，边跨主墩仍产生巨大的偏心弯矩，边主墩不能满足受力要求。
若抬高桥面标高加大边主墩高度以改善受力，势必增加引桥长度，经济上无可比性。
方案三：
地锚式悬索桥跨越能力大，轻型美观，抗震性能好，但该桥位处受地质条件限制需要巨大的重力式锚碇，占用桥端空间多，而且对施工要求高，满堂支架架设主梁时，影响通航，另外，需建造较高的桥塔，施工难度较大，否则桥塔的景观性差。
近年来，我国在斜拉桥建设方面取得了突出的成绩，积累了丰富的设计•和施
毕业设计（论文）报告纸工建设经验。
我国已建和在建的斜拉桥多以混凝土材料为主，钢材选用较少，桥塔材料除南京三桥外基本上也都为混凝土塔，从长远来看，山于混凝土材料拆除后不可再用，对环境污染大，且混凝土材料的延性差，抗震性能指标较差。
综上所述，根据LI前的社会经济水平和技术水平，考虑桥梁是技艺结合的产物，与周围环境景观协调的要求，故最终决定采用双塔斜拉桥方案。
第一章总体设计
§2.1技术标准
1）道路等级
2）桥面宽度
3）设计荷载
4）桥面横坡：
5）设计年限
高速公路
2X15m+2.0m（中央分隔带）+2X0.5m（防撞栏杆）=33m公路I级
2%
100年
§2.2设计规范及标准
依据的规范有：
1）中华人民共和国行业标准（交通部发布）《公路工程技术标准》
（JTJ001-1997）
2）中华人民共和国行业标准（交通部发布）《公路桥涵设计通用规范》（JTJD60-2004）
3）中华人民共和国行业标准（交通部发布）《斜拉索PE热挤拉索技术标准》（征求意见稿）
4）中华人民共和国行业标准（交通部发布）《公路斜拉桥设汁规范》（试行1966-12-01）
§2.3桥梁总体结构形式
2.3.1.结构设计材料参数
1.普通钢筋
采用I级和II级钢筋，其技术标准符合国家GB13013-91和GB1499-91的规定。
2.预应力钢较线
采用山15钢钱线，公称直径15.24mm,标准强度1860Mpa,弹性模量为
毕业设计（论文）报告纸1.95*105MPA,锚具釆用OVM15-22型群锚系列及相应钢狡线匹配的成套产品，包括锚垫板、锚头、夹片和螺旋筋等。
4.钢材
钢板梁横梁及防撞护栏立柱采用符合GB.T1591-94要求的低合金钢Q345-D,纵梁采用Q370,防撞护栏横梁采用符合GB/T1591-94要求的低合金钢Q390-D。
高强度螺栓应符合GB3077-88的要求，螺母及垫圈应符合GB699-88的要求。
普通螺栓应符合GB700-88或GB3077-88的要求。
5.焊接材料
焊接材料应结合焊接工艺，通过焊接工艺评定试验进行选择，保证焊缝性能不低于母材，工艺简单，焊接变形小，所选焊条，焊剂，焊丝均应符合相应国家标准的要求。
CO2气体保护焊的气体纯度应大于99.5%。
6斜拉索钢丝及锚具
斜拉索采用直径为7mm的镀锌高强度低松弛钢丝，应符合GB5223-85的要求。
冷铸锚锚杯及螺母采用40Cr,坯件为锻件，符合YB/T036.7要求。
2.3.2.结构形式
根据桥位区水文，气象、地质，通航，防洪等建设条件，结合桥梁建设工期,施丄条件，桥面宽度，景观要求等实际情况，跨径布置为40（端锚跨）+160（设辅助墩51+109）+370+160+40=770mo
方案总体结构形式为采用半飘浮体系。
主跨Ll=370m,边跨L2=160m,L2/Ll=0.43,且距边跨51m处设一辅助墩，以改善梁的受力性能。
主桥在索塔处设置12.5MN的盆式橡胶支座，上游侧为单向支座，下游侧为双向支座，在横向设置6MN的单向支座作为侧向抗风支座，在辅助墩及过渡墩处设置了抗拉400吨、抗压1300吨拉压盆式橡胶支座。
1.索塔
桥面以上索塔高92.5米，塔顶拉锁锚固区为钢塔段，采用Q370。
上塔段采用钢一混凝土的组合材料。
下塔段釆用预应力混凝土，桥面以下承台以上索塔高58米。
索塔共设三个横梁。
钢塔段与普通的混凝土索塔相比，体积小，自重轻，抗震性能好；施工方面,采用工厂化加工，易于保证精度，机械化程度高，工期快。
由于钢截面刚度小，且以受压为_________
图2・1钢塔段示意图
主，设计上必须考虑结构局部屈曲和失稳。
虽HH
毕业设计（论文）报告纸然钢索塔本身造价较混凝土索塔高，但其与基础相结合的总造价反而较低，这是因为钢索塔自重轻使基础尺寸较小。
为了方便索塔的施工放样、立模、钢筋绑扎，保证索塔线形及拉索的精确定位，在索塔塔柱中应设置劲性骨架，特别对倾斜塔柱更是必不可少。
劲性骨架由等边角钢焊接而成。
斜拉桥的索塔一般较高，一般为主跨的1/2~1/5左右，本斜拉桥索塔高92.5m（桥面以上），为主跨的1/4,桥塔上部采用等截面全钢结构，桥塔下部采用变截面预应力混凝土结构，塔中部采用钢一混凝土组合材料。
上塔柱的截面为矩形空心截面，截面为5000mmX3400mm（纵X横），切角为490X450mm桥塔壁厚纵桥向36mm,横桥向30mm,桥塔顺桥向设两道壁板,如图2-1所示。
2.斜拉索
斜拉桥上部结构的自重和活载通过斜拉索传递到塔柱上。
斜拉索山钢索和锚具组成。
斜拉索主要承担拉力，其技术经济指标为：
强度、刚度、耐疲劳性能、耐腐蚀性能、施工难易及价格。
斜拉索钢丝采用部颁行业标准《斜拉桥热挤聚乙烯拉索技术条件》（JT/T6-94）直径为7mm镀低松弛钢丝，其抗拉强度不低于1670MPao锚具采用冷铸锚。
全桥共采用了134组拉索。
拉索布置形式为双索面扇形体系。
拉索在索塔上的锚固形式为内侧对称锚固。
塔上拉索间距从上到下依次为2mX13+2.5mX2,3.5m。
顺桥向标准索距为10m,对鼎近边跨端头附近的尾索进行加密，索距为7.5m,2X3.5m。
拉索全桥共计104根，成对称形式布置，具体参见全桥布置图。
斜拉索在风力作用下，气流在拉索的背面主成卡门涡流，涡流脱落的频率正好与斜拉索自身的某一阶频率合拍，使斜拉索受激产生震动。
另外，主梁与索塔的震动也会引起斜拉索的震动。
斜拉索的震动使其在根部出现反复绕曲，索中的钢丝产生附加的绕曲应力。
这种绕曲应力的反复作用，将加速钢丝的疲劳。
另外,斜拉索的持续震动会使人们对桥梁结构的可靠性和稳定性产生怀疑。
因此，斜拉索必须进行防震设计。
本方案采用气动控制法。
将斜拉索原来的光滑表面做成带螺纹的非光滑表面。
通过提高斜拉索表面的粗槌度，使气流经过拉索时在表面边界层形成湍流，从而防止涡激共震的产生，防止斜拉索的风振。
拉索表面的条纹还能防止雨振的发生。
3.主梁：
由于桥面宽度较宽，工期较紧，若主梁采用预应力混凝土结构，抗裂性及综
图2-2组合梁截而示意图
毕业设计（论文）报告纸
合施工质量难以保证，施工中不可预见的因素较多，施工风险性较大；若采用钢箱主梁，则用钢量过大，经济性难以保证。
综上，本方案釆用钢主梁与混凝土板共同受力的结合梁形式，同时保证了施工质量和经济性。
主梁断面如图2-2所示。
丄图2-2主梁断而图
主梁采用钢梁与混凝土板共同受力的结合梁，主梁为Q370,横隔梁是Q345,混凝土板采用C60混凝土。
下部结构基础均为桩基础。
主桥桥面铺装采用0.8cm序的沥青混凝土铺装
桥梁支座采用盆式橡胶支座。
§2.4设计荷载及荷载组合
2.4.1设计荷载
恒载（永久荷载）：
结构自重，二期恒载。
活载（基本可变荷载）：
公路I级。
温度影响力（其他可变荷载）：
结构整体升温20°C；
结构整体降温20°Co
支座沉降：
设三个支座沉降组，每个支座可能沉降取-0.01m,取沉降组合的最大效应。
2.4.2主要荷载组合
根据结构各部分对强度、刚度、稳定性的验算需要，设讣中考虑的主要荷载组合见表2-1。
组合种类
荷载组合内容
组合1
自重+二期荷载+汽车荷载+支座位移
组合2
自重+二期荷载+汽车荷载+支座位移+系统升温+风荷载
组合3
自重+二期荷载+汽车荷载+支座位移+系统降温+风荷载
表2・1荷载组合
§2.5计算模型
2.5.1.建立几何模型
模型采用韩国大型土木工程软件MidasCivil6.71版建立。
该模型共有309个节点，310个单元。
主梁和塔柱釆用梁单元，拉索采用桁架单元，在做施工阶段分析时，把桁架单元全部替换为索单元进行分析，最后再将索单元转换为桁架单元进行成桥阶段分析。
材料特性表如表2-2o
表2-2材料特性表
名称
类型
弹性模量（kN/mc）
泊松比
热膨胀系数
1/ETJ
比重（kN/nf）
主梁
Q390
2.0600e+008
0.3
1.2OOOe-OO5
7.6980e+001
横梁
Q345
2.0600e+008
0.3
1.2000e-005
7.6980e+001
斜拉索
C50
3.4554e+007
0.2
1.0000C-005
2.5000e+001
桥而板
C60
3.5992e+007
0.2
1.OOOOe-005
2.5000e+001
拉索
镀锌髙强钢丝
2.0500e+002
03
1.2000e-005
7.85OOe-OO8
2.5.2.边界条件
索塔的底端采用固端约束，辅助墩和边跨采用一般支撑条件。
辅助墩和边跨的边支撑约束竖向（即约束Dz）,塔梁处采用弹性支撑进行竖向和横向限位。
2.5.3.荷载定义
恒荷载
自重：
为施工阶段程序自动加上，且考虑到梁的加劲肋、横隔板及灯柱等的影响，及等效后钢与混凝土自重换算的原因，自重取本身的0.501倍。
二期恒载：
二期恒载的集度q=61kN/m
活载等依据设计要求及《公路桥涵设讣通用规范》取值。
2.5.4.定义施工阶段
全桥共定义了21个施工阶段，采用正装分析的方法。
施工阶段分别定义如下：
CS0：
建造桥墩，施工桥塔，塔梁处为临时固结；
CS1：
施加挂篮荷载，吊装桥面板，挂斜拉索17及18；
CS2：
挂篮前移，吊装桥面板，挂斜拉索16及19；
CS3：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索15及20
CS4：
挂篮前移,
吊装桥面板，挂斜拉索14及21
CS5：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索13及22
CS6：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索12及23
CS7：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索11及24
CS8：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索10及25
CS9：
挂篮前移,
吊装桥面板，挂斜拉索9及26；
CS10：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索8及27
CS11：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索7及28
CS12：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索6及29
CS13：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索5及30
CS14：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索4及31
CS15：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索3及32
CS16：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索2及33
CS17：
挂篮前移,
吊装桥面板,
挂斜拉索1及34
CS18：
挂篮前移,
吊装桥面板，主跨和龙;
CS19：
拆除挂篮，体系转换。
CS20：
施加二期恒载，成桥。
2.5.5.模型单元与节点表
冇限兀模型如图2-3示:
图2・3结构模型图
当索与梁间的倾角增大，则索力减小，虽然由于索力的减小，索塔的截面可以相应减小但塔的高度与索的长度都要增加，。
拉索倾角为45度时，拉索材料最经济。
根据资料统计，拉索的倾角宜控制在25°至45°左右。
模型拉索单元信息如下表2-3o
拉索名称
单元号
长度（m）
水平倾角（°）
拉索1
183217,251268
179.75
27
拉索2
18421&252,269
175.94
27
拉索3
185,219,253,270
171.93
27
拉索4
186220,254271
164.37
27
拉索5
187,221,255,272
154.62
28
拉索6
18&222,256,273
144.93
29
拉索7
189,223,257,274
135.31
31
拉索8
190.224,258.275
125.78
32
拉索9
191,225,259.276
116.66
34
拉索10
192226,260.277
107.45
36
拉索11
193,227,261,278
97.99
39
拉索12
194,22&262,279
89.12
42
拉索13
195,229263,280
80.56
45
拉索14
196,230,264,281
72.43
50
拉索15
197,231,265,282
64.46
56
拉索16
19&232,266.283
57.23
62
拉索17
199,233.267,284
51.07
71
拉索18
234,200302,285
51.43
71
拉索19
235,201303,286
57.66
62
拉索20
236.202304287
65.10
56
拉索21
237,203305,288
73.18
50
拉索22
23&204,306,289
81.41
45
拉索23
239.205,307290
90.04
42
拉索24
240.206308291
98.98
39
拉索25
24L207309.292
108.15
36
拉索26
242,208,310,293
117.48
34
拉索27
243,209.311,294
126.96
32
拉索28
244,210,312,295
136.54
31
拉索29
245,211,313,296
146.21
29
拉索30
246,212,314,297
155.95
28
拉索31
247,213,315,298
165.74
27
拉索32
24&214,316,299
175.59
27
拉索33
249,215,317,300
185.47
26
拉索34
250,216,31&301
195.39
25
表2・3拉索单元信息
§2.6计算理论
2.6.1•总体概述
斜拉桥是一种高次超静定结构，其力学结构行为和一般桥梁有所不同。
对于
毕业设计（论文）报告纸梁式桥梁结构，如果结构尺寸、材料、二期恒载都确定以后，结构的恒载内里随之基本确定，无法进行较大的调整；而对于斜拉桥，首先是确定其合理的成桥状态，即合理的线性和内力状态，其中最主要的是斜拉索的初张力。
斜拉桥静力分析的基本过程大致可以分为以下三步：
（1）确定成桥的理想状态，即确定成桥阶段的索力、主梁的内力、位移和桥塔的内力。
（2）按照施工过程、方法和计算的需要划分施工阶段。
（3）计算确定施工阶段的理想状态，经过多次反复才可以达到成桥阶段的理想状态。
2.6.2.斜拉桥索力调整理论
斜拉桥不仅具有优美的外形，而且具有良好的力学性能，其主要优点在于，恒载作用下斜拉索的索力是可以调整的。
斜拉桥可以认为是大跨径的体外预应力结构。
在力学性能方面，当在恒载作用时，斜拉索的作用并不仅仅是弹性支撑，更重要的是它能通过千斤顶主动地施加平衡外荷载的初张力，正是因为斜拉索的索力是可以调整的，斜拉索才可以改变主梁的受力条件。
活载作用下斜拉索对主梁提供了弹性支撑，使主梁相当于弹性支撑的连续梁。
山此可见，对于斜拉桥而言，斜拉索的初张力分析是非常重要的。
张拉斜拉索时，实际上已经将该斜拉索脱离出来单独工作，因为斜拉索的张力和结构的其它部分无关，而只与千斤顶有关，因此在张拉斜拉索时，其初张力效应必须采用隔离体分析。
设在
某个阶段张拉笫5号和6号索时,其初张力分别为P5和P6o首先将斜拉索从结构中隔离出来，其内力为初张力P5和P6,而斜拉索对结构的影响可以采用一对反向的集中力作用在桥塔和主梁上，如图2-4所示。
将主梁和桥塔上的集中力等效为节点荷载，
图2-4调索说明图
迭加进入右端的荷载向量中，求解结构平衡方程得到结构的位移。
斜拉桥的调索方法较多，LI前较为常用的主要有刚性支撑连续梁法、零位移法、倒拆和正装法、无应力状态控制法、内力平衡法等。
（1）刚性支承连续梁法
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