畢業(yè)設計---永定河橋設計

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永定河斜拉橋設計 中文摘要 斜拉橋作為一種橋面體系受壓，支撐體系受拉的橋型因其外形挺拔、受力明確和施工工序簡單受到越來越大的關注。不僅如此斜拉橋對于抗風和抗震穩(wěn)定性都具有明顯優(yōu)勢。 對此，正致力于大力完善交通網絡建設的發(fā)展中國家更迫切需要一些既能從外觀上改善交通風貌，又能達到節(jié)約資金和人力的合適橋型，斜拉橋更是不二之選。 本文以鋼箱主梁斜拉橋為例，根據具體的實例完成從橋梁總體布置、主梁橋塔選型、拉索和錨固到主梁預應力體系和輔助墩的設計。對于斜拉橋這種高次超靜定的結構體系采用結構有限元軟件MIDAS CIVIL計算。 利用軟件分析永久作用和可變作用。永久作用考慮體系自重恒載、鋪裝等二期恒載、預應力荷載、混凝土收縮徐變和地基不均勻沉降。利用非線性施工階段分析方法正裝得到斜拉橋成橋狀態(tài)。 可變作用考慮車輛荷載人群荷載、溫度作用、風荷載作用等。模型中的活載計算前要將車載按照規(guī)范計算出橫向分布系數、多車道折減系數和跨徑影響系數等。溫度作用按梁塔及拉索整體升溫考慮。風荷載按照規(guī)范在梁塔索分別施加橫橋風荷載。 利用恒活荷載承載極限狀態(tài)下的兩種組 合校核主梁各個截面。荷載組合后的拉索力進行手工校核后滿足安全系數2.5的規(guī)范要求。 最后對斜拉橋的行車道板和橫隔梁進行局部應力驗算和預應力、普通鋼筋設計。 關鍵詞：預應力混凝土斜拉橋 索力調整 材料非線性 結構靜力電算 外文摘要 Design of a Cable-stayed Bridge Abstract Cable-stayed bridge, a special kind of bridge which has pigeonholed bridge floor system and drawn support system is receiving more and more loud concern for its tall and straight appearance, clear structure and simple process of construction. Furthermore cable-stayed bridge even has more advantage over other sorts of bridge when it comes to the stability in wind and earthquake. Since this kind of bridge could do help to improve the impression of the traffic system and lower the cost of money and labor, cable-stayed bridge is second to none for the developing countries struggling to complete their traffic nets. This article is based on an example of steel deck cable stayed bridge. The process of design includes layout of bridge, main girder, tower, cable, girder prestressing force system and the assist mound. Since the bridge is a hyperstatic structure the structural finite element software MIDAS CIVIL is utilized for calculation. Permanent and variable actions are calculated by soft ware. Permanent action includes System permanent gravity, the second stage of permanent decorating etc., prestressing force load, concrete shrinkage and the subsidy of foundation. Spend the analytical method of stage of non-linear construction installing and getting cable-stayed bridge into the state of the bridge. Variable action includes vehicle loads, crowds’ loads, the temperature function, wind load function etc. Two-dimensional model needs car-mounted to calculate according to norm horizontal to distribute coefficient, lane roll coefficient of reducing etc. Temperature function consider about the whole bridge. Wind load is valued as vertical wind separately at roof beam and tower. All the sections of the main beam are checked under the two kinds of associations at the terminal state. The cable strength loaded is checked by hand to make sure they all meet the requirement of standardizing of safety coefficient 2.5. In the end the runway board and prestressing force of reinforcing bar through the roof beam are checked and designed separately. Key words: Prestressing Concrete Cable-stayed Bridge cable strength adjustment non-linear material static analysis 132 目錄 中文摘要 1 外文摘要 3 1.緒論 4 1.1課題背景……………………………………………………………………4 1.1.1國外斜拉橋梁近代創(chuàng)新設計理論及實例 4 1.1.2國內斜拉橋結構設計研究進展 6 2.設計基本資料 7 2.1橋位…………………………………………………………………………7 2.2水文地質條件………………………………………………………………8 2.2.1水文 8 2.2.2氣象 8 2.2.3地質條件 9 2.3設計技術標準及設計規(guī)范…………………………………………………10 2.3.1技術標準 10 2.3.2設計采用的標準、規(guī)范及參考規(guī)范 11 2.4橋型方案總體設計……………………………………………………….11 2.4.1橋跨布置設計過程 11 2.4.2根據斜拉橋的特點確定索塔的形式和塔高 14 2.4.3橋塔的形式 14 2.4.4橋塔的橫向形式 15 2.5主要材料…………………………………………………………………...18 2.5.1鋼材 18 2.5.2高強螺栓 18 2.5.3焊接材料 19 2.5.4斜拉索 19 2.5.5混凝土 20 2.5.6普通鋼筋 20 2.5.7預應力鋼筋 20 3.主體結構設計 21 3.1橋跨布置設計………………………………………………………………21 3.2主梁設計……………………………………………………………………22 3.2.1主梁橫斷面形式及斷面尺寸擬定 22 3.2.2主梁梁段的劃分 23 3.2.3主梁斷面尺寸的擬定 24 3.2.4主梁的預應力體系 24 3.3索塔設計…………………………………………………………………....25 3.3.1索塔構造形式及斷面尺寸 25 3.3.2索塔基礎 27 3.4斜拉索設計…………………………………………………………………28 3.4.1斜拉索構造 29 3.4.2錨具 29 3.4.3錨固區(qū)構造 30 3.4.4拉索的下料長度 31 3.5附屬構造物設計 31 3.5.1橋面鋪裝 31 3.5.2伸縮縫 32 4.結構靜力計算分析 33 4.1計算方法概述………………………………………………………………33 4.2模型建立……………………………………………………………………33 4.3加載需要的基本參數………………………………………………………34 4.3.1永久作用基本參數 35 4.3.2可變作用基本參數 36 4.4結構靜力分析與尺寸校核…………………………………………………39 4.5索力確定與調整方案………………………………………………………39 4.5.1索力優(yōu)化概念與控制因素 40 4.5.2斜拉索預施初拉力計算 41 4.5.3剛性支座（如圖） 42 4.5.4斜拉索的預張拉力初擬計算結果 43 4.6永久作用……………………………………………………………………45 4.6.1體系自重恒載模擬 46 4.6.2主梁預應力設計 47 4.6.3混凝土收縮徐變 48 4.6.4地基沉降作用 52 4.7可變作用……………………………………………………………………54 4.7.1汽車荷載加載分析 54 4.7.2溫度荷載計算 57 4.7.3風荷載驗算 58 4.8荷載組合……………………………………………………………………60 5.局部構件應力計算 97 5.1主梁行車道板應力計算……………………………………………………97 5.1.1整體單向板恒載計算 98 5.1.2橋面板配筋計算 98 6.結構動力分析 100 6.1反應譜法抗震計算綜述…………………………………………………..100 6.2預應力混凝土斜拉橋抗震分析…………………………………………..101 6.2.1反應譜工況定義 101 6.2.2輸入反應譜函數 101 6.2.3定義反應譜荷載工況 103 6.2.4反應譜分析結果 103 結論 108 致謝 109 參 考 文 獻 110 外文資料翻譯(附原文) 112 1.緒論 斜拉橋又稱斜張橋，這種橋型在國外的具體應用是從20實際70年代開始的，在90年代發(fā)展迅猛。可以說大跨徑斜拉橋的誕生顛覆了人們的固有觀念——即只有懸索橋才適用于大跨徑的范圍。 斜拉橋特點:優(yōu)點：比懸索橋重量輕，經濟（相對于懸索橋）；跨度大；較好的抗風穩(wěn)定性；缺點：多次超靜定結構，設計計算復雜；索與梁或塔的連接構造比較復雜；施工中高空作業(yè)比較多，且施工控制等技術要求嚴格 畢業(yè)設計是大學本科教育培養(yǎng)目標實現的重要階段，是畢業(yè)前的綜合學習階段,是深化、拓寬、綜合教和學的重要過程,是對大學期間所學專業(yè)知識的全面總結。本組畢業(yè)設計題目為《永定河橋梁設計》。在畢業(yè)設計前期，我溫習了《結構力學》、《鋼筋混凝土》、《建筑結構抗震設計》等知識，并查閱了《公路工程技術標準》、《公路橋涵設計通用規(guī)范》、《公路斜拉橋設計規(guī)范（試行）》等規(guī)范。在畢業(yè)設計中期，我們通過所學的基本理論、專業(yè)知識和基本技能進行建筑、結構設計。本組全體成員齊心協力、互助合作，發(fā)揮了積極合作的團隊精神。在畢業(yè)設計后期，主要進行設計手稿的電子排版整理，并得到張宏濤老師的審批和指正，使我圓滿地完成了設計任務，在此我表示衷心的感謝 1.1課題背景 1.1.1國外斜拉橋梁近代創(chuàng)新設計理論及實例 在18世紀德國人就提出過用木質斜張橋的方案。1817年英國加成了一座跨徑34m的人行木質斜張橋，橋塔是鑄鐵的，纜索實用鋼絲。以后英法德等國均曾修建過一些木制斜張橋，但這些結構都經不住時間的考驗。主要原因是限于當時的工業(yè)水平，纜索只能用鐵絲或鐵絲繩。1824年英國在Nieburg跨越sale河修建了一座用鐵鏈條河鑄鐵桿做拉索的斜拉橋，跨徑78m但在竣工一年后倒坍，造成50人喪生。 1930年一位法國著名工程師Navier在研究了過去這些橋梁的事故之后，聲稱斜拉橋的概念是模糊不清的，并宣布斜拉橋的死刑。Navier認為毀壞的原因是由于沒有精確計算力的變化過程。他構思的過程是用懸索橋和斜拉橋相互結合的方案其中最著名的就是紐約的Brooklyn橋。 1938年，德國的Dischinger采用了Navier的意見設計了在漢堡跨易北河的一座鐵路橋，該橋懸索部分與斜拉部分清楚的分開。 實際上在十八十九世紀的斜拉橋毀壞的原因主要是應為鏈條難于拉緊，這導致鏈條產生較大的垂度，當橋梁承擔荷載時發(fā)生很大變形，主梁出現二次應力重分布，當應力超過承載極限時橋梁必然毀壞。 二次世界大戰(zhàn)后，Dischinger設計了世界上第一座現代化的大跨斜拉橋，瑞典的Stromsund橋，主跨182.6m。這里放棄了他原先提出的懸索加斜拉的體系。真正意義上的斜拉橋開始萌生與世界各地 圖1.1 瑞典的Stromsund橋 1.1.2國內斜拉橋結構設計研究進展 我國古代用藤和竹子建成的吊橋形式，還未發(fā)現斜拉形式，但在我國古代戰(zhàn)爭期間在城墻外面的護城河上架設的可以開啟的橋梁應該屬于斜拉式。 斜拉橋正式在我國起步開始于1975年重慶市云陽縣跨徑76m的預應力混凝土斜拉橋。1982年我國山東省建成濟南黃河大橋，其主跨220m，為雙塔雙鎖面扇形布置拉索的混凝土斜拉橋，采用懸臂現澆混凝土的施工工藝。 1991年上海建成的南浦大橋主跨423m，為雙塔雙索面扇形拉索不值得組合梁斜拉橋。主梁采用箱型和工字型橫梁以及混凝土橋面板組成的復合式斷面；為提供結構的抗風能力采用了鉆石型的索塔。 自九十年代開始我國斜拉橋設計技術日漸上升，截止到2006年，我國跨徑大于200m的斜拉橋已有70余座，跨徑超過400m的有30座，這充分表明我國斜拉橋建設水平已經進入世界先進水平。 自我國獨立建成若干大跨度跨江、跨海斜拉橋后，設計和施工水準迅猛提高。在基于科技水平和綜合國力日益上升的前提下，創(chuàng)新美觀的橋型供不應求。斜拉橋橋型優(yōu)美，施工耗材少，隨著設計的優(yōu)化性和經濟性，斜拉橋正向著中小跨度普及。城市立交橋、高速公路橋、公鐵兩用橋甚至人行橋都大量出現斜拉橋的身影。斜拉橋索面、塔形、梁的設計比其他橋型選擇性更強，這種其他橋型難以取代的優(yōu)勢不斷的提高斜拉橋的競爭力。 修建大量美觀的斜拉橋不但能創(chuàng)造更多的城市地標，代言城市形象，更能將我國的交通整體外觀風貌帶入現代化，高科技化的國際發(fā)達國家水平。 2.設計基本資料 2.1橋位 永定河位于北京的西南部。全河流經山西、內蒙古、河北、北京、天津五省市，入渤海，全長 740 多公里（含永定新河），是海河水系北系的最大河流，流域面積為 47016 平方公里。 永定河發(fā)源于山西省寧武縣管涔山，流經內蒙古、河北，經北京轉入河北，在天津匯于海河至塘沽注入渤海。永定河全長548公里，自門頭溝區(qū)三家店流入石景山區(qū)后，流經五里坨、麻峪、龐村、水屯等地，經衙門口村南流入豐臺區(qū) 上游有兩大支流，南為桑干河，發(fā)源于山西省寧武縣 管涔山；北為洋河，發(fā)源于內蒙古興和縣，匯合于河北省朱官屯，開始稱永定河。發(fā)源于北京延慶縣的媯水河也流入永定河。 上游處在太行山、陰山、燕山余脈、內蒙古黃土高原，海拔 1500 米 以上，植被、地形、氣候條件差，有八個產沙區(qū)，土壤侵蝕嚴重是永定河水泥沙含量極大的主要來源。 官廳山峽及下游上段是北京段，流經門頭溝區(qū)、石景山區(qū)、豐臺區(qū)、房山區(qū)、大興區(qū)五個區(qū)。由官廳水庫至門頭溝三家店，長度 108.7 公里 ，平均海拔 500 － 100 米 ，短距離內落差從 450 米 降至 100 米 ，山巒重疊，溝谷曲曲彎彎，坡度變化大，水流湍急。 下游從三家店出山，入京津平原到渤?？?，形成古道洪沖積扇面，海拔在 25 米 至 100 米 之間，在近 80 公里 的流程中水流相對平緩，泥沙大量沉積，至河床高于地面，歷史上改道多次，極易發(fā)生漫溢決口。1985 年永定河被國務院列入全國四大防汛重點江河之一。 2009年，北京市政府決心整治已斷流多年的永定河，其目標是使這條因人類過度使用而斷流的河流重新有水，并在170公里北京段恢復流水，尤其是在37公里城市段形成六大湖面和十大公園，再輔以河道內外園林生態(tài)綠化，使河流重新成為景觀。 2.2水文地質條件 2.2.1水文 基本干枯。 此處橋址為典型長年干枯河谷地質條件 圖2.1 永定河橋地質剖面圖 2.2.2氣象 橋位區(qū)地勢平坦，橋址地區(qū)位于大陸性季風氣候區(qū) 氣溫：年極端最高氣溫45攝氏度，極端最低氣溫為零下20.6攝氏度，年平均氣溫為13.3攝氏度， 風：(10年一遇)設計風速 2.2.3地質條件 橋位處現況：地面高75.81～88.71米。 根據現場鉆探、取樣及原位測試成果，按地層沉積年代、成因類型，將擬建場地地面以下59米勘探深度范圍內的地層劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀沉積層、第四紀坡殘積層和太古代巖層。從空間分布規(guī)律上，按地層巖性及土的物理力學性質進一步劃分為11個大層，各巖土層的基本巖性特征如下： 表層為人工堆積的卵石填土①層，填土總厚度0.30～6.00米； 于標高61.27～62.82米以下為新近沉積的卵石②層，夾細砂②1層； 于標高57.74～59.42米以下為新近沉積的卵石③層； 于標高53.88～55.42米以下為第四紀沉積的卵石④層； 于標高48.46～49.42米以下為第四紀沉積的卵石⑤層，夾漂石⑤1層； 于標高42.08～43.92米以下為第四紀沉積的卵石⑥層，夾粗砂⑥1層； 于標高34.42～37.29米以下為第四紀坡殘積的碎石、角礫⑦層； 于標高20.61～30.07米以下為太古代的全～強風化角閃片麻巖⑧層； 于標高18.01～21.87米以下為太古代的強風化角閃片麻巖⑨層； 于標高13.61～18.89米以下為太古代的中等風化角閃片麻巖⑩層； 于標高11.61～14.89米以下為太古代的微風化角閃片麻巖⑾層。 地下水為上層滯水和承壓水，上層滯水標高為72.71～85.41（埋深3.1～3.3米），承壓水標高為58.81～70.01（埋深17.0～18.7米），地下水對混凝土無侵蝕作用，但在干濕交替情況下，地下水中的介質氯離子對鋼筋混凝土結構中的鋼筋有弱腐蝕性。 場地屬于III類場地土,場區(qū)地震基本烈度為8度。根據勘察成果資料判定，場地內各層土在地震烈度達到8度且地下水位達到歷史最高水位時均無液化現象 2.3設計技術標準及設計規(guī)范 2.3.1技術標準 橋梁結構形式：獨塔雙索面鋼箱梁斜拉橋 設計荷載：公路I 級，無人群荷載 道路等級：四車道高速公路 計算行車速度：100km/h 設計車道：雙向四車道，行車道寬度2×4m 設計荷載：公路-1級 橋面布置：橋面凈空2×10.75m：0.75m檢修便道+1m拉索錨固區(qū)+0.5m防撞護欄+2×4m車道+1m中央分隔帶+2×4m車道+0.5防撞護欄+1m拉索錨固區(qū)+0.75m檢修便道 橋面坡度：橋面縱向按平坡設計；車行道設雙向 1.5％橫坡 橋面鋪裝：橋面鋪裝 30cm 厚的混凝土面板，采用 C60 混凝土；行車道橋面鋪裝采用 10cm 厚瀝青混凝土鋪裝 施工方法：邊跨密索段采用支架施工，其余梁段采用懸臂吊裝施工 地震烈度：地震動峰值加速度0.2g 氣溫：最高有效溫度45℃，最低有效溫度-20.6℃ 2.3.2設計采用的標準、規(guī)范及參考規(guī)范 《公路工程技術標準》（JTG B01-2003） 《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2004) 《公路斜拉橋設計規(guī)范（試行）》(JTJ 027-96) 《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTJ 024-85) 《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》(JTJ 025-86) 《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ 041-2000） 《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTJ C30-2002) 《公路橋梁抗風設計規(guī)范》(JTJ/T D60-01-2004) 《建筑鋼結構焊接技術規(guī)程》（JTJ 81-2002） Standard Specification for Highway Bridges-AASHTO 1996 2.4橋型方案總體設計 2.4.1橋跨布置設計過程 橋型方案的設計構思，是橋梁設計的綱。由于斜拉橋的變量很多，且它們又互相關 連，相互制約，不可能單獨孤立的分別設計主梁、塔和索。因此，一開始就應該總體考 慮進行全橋的綜合設計。為了作好這一工作，首先要對影響斜拉橋總體橋型設計的各個 變量參數作認真研究。 根據經濟性和使用性決定斜拉橋主跨后，繼之就是要考慮主跨與邊跨的比例問題。 獨塔和雙塔的比值是不同的，尤應注意。隨后．就是按交通量、列車通過量確定了車行 道和人行道數目和寬度等，也就確定了橋面總寬；接著就是決定一個、兩個或三個索 面．以及整個斜拉橋結構的錨固方式。塔的結構形式、高度、斷面面積會隨著斜纜的布 置形式而大有不同。這時尤其是要認真考慮其剛度的增加對整個橋跨結構變形的影響： 主梁的高度不僅與主跨有關，還隨著橋寬、主梁截面積、主梁截面形式而變化，同時它 在結構上還必須滿足風動力穩(wěn)定的要求。主梁的剛度對主跨的彎短影響很大，要配合索、 塔的剛度進行多層次比選。拉索在塔和主梁上的索距應配合塔和梁的高度、剛度、材料 以及整個斜拉橋的橋型綜合考慮。每根斜纜的面積應隨其傾斜角度以及所處位置有所不 同。另外，斜纜索的非線性彈性模量，除決定它本身的剛度外，還影響全橋的剛度，計 算時要注意。梁、塔、墩相互連接形式．主梁是否懸浮，支點如何設置，這一方面要從 靜、動力分析考慮，另一方面也要考慮結構整體的安全和穩(wěn)定度。活載等級一般是由設 計條件給定的，但也要注意加載長度中等代荷載的情況及其與恒載間的比例。由此可知， 斜拉橋橋型總體設計中，影響因素多，變量參數也復雜，交叉組合的方案是千變萬化的，但為了抓住主要矛盾，其總體構思時，首先?？紤]如下四個問題：跨度劃分；主梁結構形式；梁、塔、墩連結形式；斜纜類型。 根據河床斷面和橋面位置確定分跨過程（索塔位置、邊跨、主跨的確定）； 現代斜拉橋最典型的孔跨布置形式為雙塔三跨式與獨塔雙跨式。無論是雙塔三跨式或獨塔雙跨式，在邊跨內如有需要都可以設置輔助用的中間墩。本論文為獨塔斜拉橋設計，獨塔斜拉橋是一種常見的斜拉橋孔跨布置方式。由于它的主孔跨徑一般比雙塔三跨式的主孔跨徑小，故特別適用于跨越中小河流，谷地及交通道路；當然也可用于跨越大河流的主航道部分。采用該種形式時，可以兩跨可對稱和不對稱布置，如圖為雙索面獨塔斜拉橋布置圖（autoCAD） 圖2.2 雙索面獨塔斜拉橋布置圖 斜拉橋提供的主跨主要是為了跨越寬闊的主槽和通航的需要，有時也由于地質條件 的限制。邊跨則主要是平衡主跨的內力而設之的。由于斜拉橋的單位造價較高（主要是 因為梁體造價和拉索造價高），獨塔斜拉橋能壓縮甚至取消雙塔方案的邊跨長度（壓縮 部分由造價遠較低的引橋取代），因而工程造價得以降低，所以一般說來分邊跨與主跨 更合理。兩等跨形式由于一般沒有端錨索的關系，不能有效地約束塔頂的位移，故在受 力與變形方面不能充分發(fā)揮斜拉橋的優(yōu)勢，如采用加大橋塔剛度的方法來減小塔頂變 位，則會變得非常不經濟。因為對減小塔頂變位來說，加大橋塔剛度不如增設端錨索有 效。兩跨比（邊中跨比）Ls/Lc=0.5～1。 橋塔可以設在河道中；也可以用主跨跨越河流，將橋塔及邊跨設在河流的一岸。本論文設計考慮如將橋塔設置在河道中不能體現該種橋型的跨越能力以及橋塔基礎工程 量及造價的因素，將橋塔置于河灘處，盡量減少工程量。 橋塔可以設在河道中；也可以用主跨跨越河流，將橋塔及邊跨設在河流的一岸。本論文設計考慮如將橋塔設置在河道中不能體現該種橋型的跨越能力以及橋塔基礎工程 量及造價的因素，將橋塔置于河灘處，盡量減少工程量。 2.4.2根據斜拉橋的特點確定索塔的形式和塔高 獨塔斜拉橋塔高與主跨比宜選用 0.30~0.45，尾索控制角度在 25-45 度左右，在實 際應用中為 25-27 度最為適宜。（注：尾索傾角太大會增加橋塔高度，導致設計和施工 困難，并增加造價） 索塔的造型是斜拉橋景觀效果的主要核心。斜拉橋的柔細感與直線感雖基本上來自 于梁體與斜索，但橋塔的形狀對全橋的景觀也至關重要，它在美學上幾乎起決定性的作 用。因此，必須非常慎重地選擇橋塔的形狀，精心定出優(yōu)美的尺寸比例。 2.4.3橋塔的形式 1.橋塔的縱向形式： 橋塔的縱向形式一般為單柱式。在需要將橋塔的縱向剛度作的較大時，或者需要有4 根塔柱來分散塔架的內力時，常常做成倒 Y 形與倒 V 形。倒 V 形也可增設一道中間橫梁變?yōu)?A 形，但只適用于放射形索面。 圖2.3 橋塔的縱向形式 2.4.4橋塔的橫向形式 單索面橋塔形式有單柱形、倒 V 形（或 A 形）、倒 Y 形；雙索面橋塔形式有雙柱式、 門式（兩根塔柱可以豎直，也可以略帶傾斜）、H 形（兩根塔柱可以是如圖所示的折線 形，也可以布置成豎直形或傾斜形）、倒 V 形（用于斜向雙索面）、倒 Y 形（也用于斜 向雙索面）；另外，獨柱形、A 形、菱形、門形、梯形，它們都適用于梁體位置高出墩 頂甚多時，也就是梁下通航凈高尺寸很大時的適用形式。其中菱形的兩根斜柱在橋面梁 體以下反向內縮，這樣既可以減小下部結構的尺寸，在造型上也比較美觀，被稱為菱形。 梯形也可將梁體以下部分的兩根塔柱向內收進，形成花瓶形。還有鉆石形塔架，其各部 分的比例勻稱和諧，外形最為美觀。雙柱形及門形塔架的面內剛度較差，但結構構造最 為簡單，施工也比較方便，適用于中小跨徑的斜拉橋。有時，當塔柱的橫向間距較?。?較窄）時，雙柱形及門形可增設一些橫向連接桿來提高其面內的剛度，但這洋做的結果 常帶來景觀上的受損以及施工困難。在菱形等形式的斜柱轉折點處必須有一根受拉的橫 桿來平衡塔柱的水平分力。 圖2.4（a） 單索面的塔架形式 圖2.4（b）雙索面的塔架形式 圖2.5 梁體高出塔基甚多時的塔架形式 橋塔的橫向形式 早期斜拉橋的橋塔都是仿照懸索橋采用門式．為的是使橋塔有較好的剛度來杭風力。 后來的實踐證明由斜索傳給主塔的水平風力并不太大，可以采用單根或雙根獨立的塔柱 形式，當塔柱頂部在橋的橫向產生移動時．斜索由于伸長的關系會產生索力的增值而迫 使塔頂回到原來的位置，因此對塔的穩(wěn)定起到約束作用。但現代斜拉橋的跨徑越來越大， 再加上考慮地震等因素，橋塔的面內剛度還是要加以注意。因此，對較大跨徑的斜拉橋， 特別是從改善扭振的角度出發(fā)，單柱式及雙柱式的橋塔采用時必須非常慎重。各種橋塔 形式的特點具備不同的適應性要求和美學效果。本設計力求結構簡單、受力合力，選用A型橋塔。 拉索橫向形式有單面索，雙面索和三面索三種，其中雙索面應用最為廣泛。本設計 采用雙索面密索段的設計考慮及確定輔助墩的布置 邊跨密索段及輔助墩的設置是考慮為了減小塔頂位移增大橋塔剛度，邊跨尾索段（邊墩上梁段）可采用比標準索距離小的索距布置，以提高邊跨對索塔變形和中跨主梁 的貢獻。該區(qū)域主梁可稱為密索區(qū)域（段）主梁，索距可以為 2.5～5m。主梁上除布置 拉索的標準段和密索段外，沒有布置斜拉索的區(qū)域稱為無索區(qū)。斜拉橋主要的主梁無索 區(qū)為索塔兩側（0 號塊）、跨中區(qū)域（合龍段）、邊跨末端（尾索段） 斜索與水平面的交角最大，塔的彎矩最小，塔高可相應減小，但塔上集中錨固困難；從外形上看，豎琴形較優(yōu)，且錨固構造統一，但受力性能較差；扇形體系介于兩者之間， 故推薦使用扇形拉索體系。除尾索段外，主梁上的拉索水平距離一般均等布置；根據規(guī)范，在 PC 梁斜拉橋中 一般為 4-12m；在鋼箱梁斜拉橋中一般為 8～24m；結合梁斜拉橋則比鋼梁斜拉橋略小， 如楊浦大橋為和加拿大安那西斯橋為 9m，可以根據自己的橋梁跨度來選取。該部分主梁 一般稱為標準段，索距稱為標準索距。至于拉索在塔上的索距，在確定索面的形式和梁上索距離后確定。如本例扇型布置， 則在確定塔高和尾索角度后，確定出第一根索的角度，然后在塔上均勻布置。橋塔左右的第一根索，傾角在 60-70 度，索在塔上間距不小于 2m，塔的 0 號塊（無 索區(qū)）長度不應太大宜為 20m，可以參考相關圖紙。 拉索橫向形式有單面索，雙面索和三面索三種，其中雙索面應用最為廣泛。 本設計采用雙索面。 密索段的設計考慮及確定輔助墩的布置 邊跨密索段及輔助墩的設置（邊墩上梁段）可采用比標準索距離小的索距布置，以提高邊跨對索塔變形和中跨主梁 的貢獻。該區(qū)域主梁可稱為密索區(qū)域（段）主梁，索距可以為 2.5～5m。主梁上除布置 拉索的標準段和密索段外，沒有布置斜拉索的區(qū)域稱為無索區(qū)。斜拉橋主要的主梁無索 區(qū)為索塔兩側（0 號塊） 、跨中區(qū)域（合龍段） 、邊跨末端（尾索段） 2.5主要材料 2.5.1鋼材 鋼箱主體結構吉林市匹配件均采用低合金鋼Q345C，鋼錨箱采用低合金鋼Q345D,其技術指標應符合《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591-94）的相關規(guī)定。 鋼箱梁側腹板因錨箱受力要求，采用抗層狀撕裂鋼材-Q345D-Z25，即Z向鋼板，切應做Z向超聲波探傷。磷硫含量均應小于0.0.1%，其他力學及化學成分應符合《厚度方向性能鋼板》（GB 5315- 85）的相關規(guī)定。 2.5.2高強螺栓 鋼箱梁連接用高強螺栓、螺母、墊圈、應符合GB/T 1228~1231-91(鋼結構用高強度大六角頭螺栓，大六角螺母、墊圈)的要求 2.5.3焊接材料 焊接材料采用與母材相匹配的的焊絲焊劑與手工焊條，并應符合相應的國標要求。二氧化碳（CO2）氣體保護焊的氣體純度應大于99.5%，并符合《焊接用二氧化碳》（HG/T 2537）的規(guī)定。 2.5.4斜拉索 斜拉索采用低松弛高強度預應力鋼絞線索，規(guī)格為一股 7 絲，公稱直徑為φ15.24，標準強度=1860Mpa，護套采用雙層，內層為黑色高密度聚乙烯，外層為天藍色高密度聚乙烯 HDPE 套管。 表2.1 斜拉索高強鋼絲技術要求 序號 項目 技術指標 1 公稱直徑 φ7.0（+0.08，-0.02）mm 2 圓度 ≤0.04 mm 3 橫截面積 38.48 4 抗拉強度 ≥1670Mpa 5 屈服強度 ≥1410Mpa 6 延伸率 ≥4.0%(L=250mm) 7 彈性模量 (1.95~2.15)×105Mpa 8 反復彎曲 ≥(R=20mm) 9 卷繞 3d×8圈 10 松弛 ≤2.5%（0.7G.U.T.S,1000h,200C） 11 疲勞應力 360Mpa(上限應力0.45,N=2×106次 12 鋅層單位質量 ≥300g/㎡ 13 鋅層附著性 5d×2圈，不起層，不剝離 14 硫酸銅試驗 ＞5次（每次1min） 15 伸直型：弦與弧的最大自然矢高 ≤15mm(弦長1000mm) 16 自由圈升高度 ≤0.15m 2.5.5混凝土 斜拉橋索塔、引橋主梁采用C50混凝土，墩身、承臺C30混凝土，主橋樁基采用C30水下混凝土，引橋樁基采用C25混凝土 2.5.6普通鋼筋 普通鋼筋采用R235型和HRB335型鋼筋，鋼筋應符合GB 1449-98和GB13013-91有關規(guī)定。且焊接鋼筋應滿足可焊要求。在索塔外側鋼筋保護層內布置防裂鋼筋網，采用公稱直徑為5mm的帶肋鋼筋焊接網（D5），網格間距為10㎝×10㎝。產品應符合《鋼筋混凝土用焊接鋼筋網》（YB/T 076）的有關規(guī)定。 2.5.7預應力鋼筋 預應力鋼筋采用高強低松弛鋼絞線，技術標準應符合GB/T 5224-2003，公稱直徑15.2㎜，標準強度1860Mpa,彈性模量為1.95×105Mpa.錨具采用與預應力鋼絞線相匹配的成套產品，包括錨墊板、錨頭、夾片和螺旋筋等，其技術標準應符合GB/T 14370-2000 3.主體結構設計 3.1橋跨布置設計 該橋是一座城市橋梁，為了提高跨越能力，并與周圍的景觀相協調，采用單塔雙索鋼箱梁梁斜拉橋，全跨為 60m+100m 不對稱布置，主邊跨比為1：0.6，兩邊分別布置有簡支引橋。主梁截面采用單箱四室鋼箱主梁，塔高為45米（橋面以上索塔的高度），塔高與主跨的高跨比為45/100=0.45，梁頂鋪設 30 ㎝厚混凝土橋面板，混凝土橋面板與鋼構架通過鋼梁頂板上的抗剪栓釘形成有效的整體——疊合梁，梁頂板設置成帶有橋面所需的 1.5%的雙向橫坡。 該橋橋軸線與河道正交，橋主塔基礎設于河岸處，避開百年一遇洪水的影響，避免了水中船舶撞擊的危險，不影響正常的通航要求。兩端的邊墩均處于河岸上，便于施工。 橋塔設計為單柱形（順橋向）、A形（橫橋向）橋塔，其特點是全橋外觀簡潔，橋塔結構 簡單。采用A形橋塔，拉索為雙索面平面布置，在距橋面以上25.8m處設置一道橫梁，連接兩邊單塔柱，提高了橋梁整體剛度和抗風、抗扭效果，結構輕盈美觀。塔墩的寬度逐漸加大。主塔自橋面算起高度為45m，其與主跨的高跨比為0.45。在距主跨橋墩19m 處設置一輔助墩，可以提高斜拉橋的總體剛度和抗風穩(wěn)定性。經MIDAS CIVIL建模計算表明，設置輔助墩后，在主梁上的負彎矩有明顯的減小，在跨中區(qū)，尤其是在尾端梁段，主梁的正負彎矩均比無輔助墩時小。因此，該橋設置有輔助墩。 橋面布置，橋面凈空2×10.75m：0.75m檢修便道+1m拉索錨固區(qū)+0.5m防撞護欄+2×4m車道+1m中央分隔帶+2×4m車道+0.5防撞護欄+1m拉索錨固區(qū)+0.75m檢修便道，由于 橋全長不足 500m，故未設緊急停車帶，斜拉索位于橋面兩側。 為降低主梁的建筑高度，減小主梁彎矩，斜拉橋采用密索體系，拉索扇形布置， 梁上主跨索距為5m，邊跨密索區(qū)索距為3m，塔上的索距為1.25m 等距布置，橋塔左右的第一根索，傾角為度，塔的 0 號塊（無索區(qū)）長度為8m（參考相關圖紙）。斜拉 索上端錨固在位于橋軸中心線上的橋塔豎直柱段上，下端錨固在主梁梁面上的錨固塊 中，兩索面在豎向是平行的。全橋共有80根斜索，不設 0#索。該斜拉橋屬于梁、墩、塔固結的懸臂體系 3.2主梁設計 圖3.1主梁建模 3.2.1主梁橫斷面形式及斷面尺寸擬定 單室多箱流線型扁平鋼箱梁由頂板、底板、斜腹板及橫隔板等組成。為了提高主梁的抗風性能，增加主梁的景觀效果一般在箱梁外帶有三角形風嘴。頂板及斜腹板均為正交異形構件，鋼箱梁內設置縱腹板，兩條邊縱腹板一般設置成板式腹板。雙索面斜拉索一般均錨固在邊縱腹板上，邊縱腹板由于要將斜拉索的錨固力傳到橫隔板和整個鋼箱梁斷面上，一般其板厚較厚。 橋面全寬 21.5m，標準段縱向每隔 4m 設一道橫隔梁(在斜拉索錨固處),采用鋼箱梁結構。主梁中心高 3.0m，高跨比為 3/100。橋面板厚 30cm，頂面做 成帶有橋面所需的 1.5%的雙向橫坡。在梁、塔、墩三者固結處箱梁內設有一道橫隔梁。 主塔塔柱下至墩頂處節(jié)段截面與塔相同，與箱形截面段的橋墩固結。橫梁的設置主要考慮活載的橫向分布以及橋面板的受力、斜拉索的錨固，以及增強橋梁的橫向剛度，橫梁的位置與斜拉索的錨點相對應。 圖3.2(a) 主梁材料 圖3.2（b）主梁截面，單室四箱 3.2.2主梁梁段的劃分 為與施工方法相對應，主梁分為 0 號段、標準段 、密索段 3 種類型，全橋 23 個梁段，其中有一個 0 號段，長度為 8米；有 20個標準段，標準段長5m，分兩個施工單元（每個施工單元長 6 米），標準段長度與索距的間距相一致，橫隔梁的間距為 4 米； 有 20個密索段，橫隔梁的間距長為3m，單元長度與索距及橫隔梁的間距相一致。由于本設計為不等跨布置，故邊跨設置加密索段，即：將塔后斜拉索比較集中地錨 固在邊跨梁端附近，并在邊跨內增設中間輔助墩以限制橋塔頂端位移，增大橋塔的剛度， 還可以減少端錨索的應力集中，緩和端支點的負反力問題。為了滿足內力要求，也可在 邊跨處將梁體設置為實心段,起到壓重作用,防止邊墩處出現拉應力,同時增加結構的整 體剛度,減小跨中的撓度。 3.2.3主梁斷面尺寸的擬定 根據總體動靜、動力計算、局部受力計算以及鋼箱梁的構造要求，確定鋼箱梁各部結構尺寸和板厚如下： 圖3.3 鋼箱梁結構尺寸和板厚 3.2.4主梁的預應力體系 本設計中，經過調索計算，結果導致在邊跨邊墩至輔助墩梁段的上翼緣處，梁體上 翼緣存在拉應力，數值沒有超過 5Mpa（對于 B 類預應力構件，混凝土的受拉應力達到 5Mpa 時，混凝土開裂，但裂縫寬度<0.1mm），可在該區(qū)域布置局部預應力鋼筋抵抗拉應 力。在第四章介紹對于預應力鋼筋的簡單匡算過程 3.3索塔設計 索塔選型與景觀設計 索塔作為斜拉橋的主要承重結構，同時又是體現斜拉橋整體景觀的標志性結構，索塔設計不僅要注重索塔類型及索塔受力的設計，同時還應重視索塔結構幾何形狀、索塔塔柱斷面類型、索塔外觀色彩等景觀設計。 圖3.4 MIDAS左視圖建模 3.3.1索塔構造形式及斷面尺寸 斜拉橋索塔設計一般為半柔性半剛性結構（鋼筋混凝土結構），以減少在活載等不平衡力作用下索塔塔底的彎矩，節(jié)省索塔工程數量，同時又避免因塔頂位移過大而影響全橋剛度。 本橋采用雙索面斜拉橋，與我國雙索面斜拉橋一樣，本設索塔也采用單柱形A形橋塔，鋼筋混凝土結構。其特點是全橋外觀簡潔，橋塔結構簡單， 受力明確，施工比較方便。橋塔一般有翻模、滑模、爬模三種主要工 法，本設計橋塔采用爬模法施工，爬模施工技術是在滑模及翻模的基礎上發(fā)展起來的一 項新工藝，兼?zhèn)浠：头５膬?yōu)勢；適合懸索橋和斜拉橋一般索塔的施工，施工安全，質量可靠，修補方便。 圖3.5（a）索塔材料 圖3.5（b） 索塔截面 主塔自承臺頂至塔頂高45m，自橋面算起索塔的高度為45m，其與跨徑的高跨比 為 0.464，圍索傾角為 25.30（以塔高與主跨比確定，塔的高度在 42m～63m 之間；以圍 索傾角確定，塔的高度在 62.5m～68.3m 之間，選取一個合適的高度 65m），距橋面上方21m 處在塔內設一道橫梁，以增強索塔的抗扭穩(wěn)定性。 索塔在梁底以下部分為下塔柱，斜拉索錨固區(qū)部分為上塔柱，中間部分為中塔柱。上、中塔柱截面采用矩形等截面形式，采用 C50 號的混凝土，Q345鋼筋，其輪廓尺寸為 2.8×3.5m（橫 橋向×順橋向），塔柱斜拉索錨固側壁壁厚 1.0m,其余兩側壁厚也為 1.0m，塔柱的空心 尺寸為 2.0×3.0m，塔頂設 3.0m 高的修飾段。斜拉索錨固區(qū)的上塔柱部分，高度為 34m， 中塔柱高度為 33.5m。下塔柱高度為 30.0m，采用箱形截面，C50 號混凝土。塔墩的寬度 向下線形增加，墩底的尺寸為：順橋向 7m 長，橫向橋 4m 長。 圖3.6 截面特性 上、中塔柱間設有上橫梁，中、下塔柱連接處設有下橫梁，均采用矩形斷面， 上下橫梁寬度均為 6.00m，頂底頂和腹板壁厚均為 1.0m。為了方便橋塔及拉索的施工及使用階段的維修，橫隔板要預留一個能夠通過人的孔 3.3.2索塔基礎 根據地址條件，主橋輔助墩采用分離的雙柱式實體墩，單柱平面尺寸為(3×2)m， 承臺厚度為 2.5m，單個承臺平面尺寸為(7.2×7.2)m，單個承臺基礎采用 4 根Φ1.7m 的 鉆孔灌注樁，按照摩擦樁設計，樁長為 50m。設計要求樁基成樁合格率 100%。 3.4斜拉索設計 圖3.7 拉索與主梁之間設置剛性錨固 斜拉索構造 圖3.8（a） 拉索材料 圖3.8(b) 拉索截面 本橋為單塔雙索面斜拉橋，斜拉索采用扇形布置, 主塔兩側各有40 根，在主跨索距為5m，加密段索距為3m。索塔上采用1.25m 等索距布置，斜拉索水平夾角 25.7°～67.0°。為減小斜拉索的風震、雨震及其他天然或認為災害，在圍 索上都設了減震器。 3.4.1斜拉索構造 橋采用低松弛高強度預應力鋼絞線索，規(guī)格為一股 7 絲，公稱直徑為φ15.24，標準強度=1860Mpa，護套采用雙層，內層為黑色高密度聚乙烯，外層為天藍色高密度聚乙烯 HDPE 套管。鋼絲排列密實，同心絞合，最外層鋼絲絞合角 3±0.5°，左旋。扭絞后的裸索外加纏包帶，帶寬 30～40mm，單層重疊寬度不小于帶寬的 1/3，雙層纏包。纏包帶右旋。纏包帶采用高強度復合帶。在纏包帶的鋼絲束外擠包高密度聚乙烯護套雙層護套一次成型。成品索有冷鑄索具、斜拉索等組成，見下圖 圖3.9 拉索細部 根據《公路斜拉橋設計規(guī)范（試行） 》規(guī)定，斜拉索的應力應滿足下式要求： [б]≤0.4Rb 3.4.2錨具 本橋采用冷鑄錨具，冷鑄錨具由錨杯、螺母、錨板、連接筒、擋圈、后蓋、密封蓋 及冷鑄錨填料等幾部分組成。錨杯及螺母所用鍛件材質應符合 YB/T036.7-92 中 35CrMo 牌號的有關規(guī)定。其他各部件的材料符合相應國家或部頒標準。鍛件須進行超聲波探傷 檢驗，評定質量按 GB/T4162-91 中 A 級要求執(zhí)行；表面進行磁粉探傷，其應符合 JB3965 中 201 條與 202 條中Ⅱ級的要求。同一規(guī)格錨具的相同部件應具有互換性。錨具表面鍍 鋅處理，鍍鋅厚度為 10～40μm 進行鍍鋅處理，鍍鋅后須脫氫處理 3.4.3錨固區(qū)構造 錨固區(qū)是主梁結構的關鍵部位。拉索在鋼梁錨固區(qū)的錨固方式大致上有以下五種型 式：散索鞍座+錨固梁；錨固梁加錨固塊；支架或牛腿；鋼管；節(jié)點板。考慮到以下幾個因素：確保連接可靠；能簡捷地把索力傳遞到全截面；如在梁端張拉，應具有足夠的 操作空間；要有防銹蝕能力和避免拉索產生顫震應力腐蝕；便于拉索的養(yǎng)護和更換等因 素，拉索在錨固區(qū)的錨固方式采用主梁頂板加錨固塊，此種構造一般應用于雙索面拉索 在鋼梁處的錨固情況 其構造圖如下圖所示。 圖3.10 構造圖 錨固構造位于主梁腹板一側，并與頂板、腹板固結在一起。拉索的水平分力由錨固 塊以軸壓力方式傳遞給頂板再擴散到主梁全截面，垂直分力則由錨固塊傳遞給腹板。因 此，在錨固塊與腹板連接處需設置承托外，在腹板內還需設置豎向預應力筋束加強 3.4.4拉索的下料長度 拉索的下料長度是指拉索在設計溫度下無應力狀態(tài)的下料長度。下料長度的確定首 先應確定計算每根拉索的長度基數 L 0 ，再對只進行若干項修正，計算公式為： L= L 0 -ΔL e +ΔL f +ΔL ML +ΔL MD +2L D +3d 其中，L 0 為每根拉索的長度基數，ΔL e 為初拉力作用下的彈性伸長修正；ΔL f 為 初拉力作用下的拉索垂度修正；ΔL ML 為張拉端錨具位置修正；ΔL MD 為錨固端錨具位 置修正；L D 為錨固板厚度；3d 為拉索兩端所需的鋼絲鐓頭長度，d 為鋼絲直徑。 計算C20拉索(型號為LZM--187)的下料長度:鋼絲直徑d=7mm,單位長度重量W=0.565kN/m,,設計應力б=486.1Mpa,設計張力T=3500kN,錨板厚度L D =0.02m 則拉力作用下彈性伸長修正：ΔLe = L0× б/E =0.343m 拉索垂度修正： ΔLf= W2 LX2/24T2=0.0189m 由于本橋兩端采用張拉端錨具，故僅考慮張拉端錨具位置修正，根據錨具的構造特點,位置修正: ΔLML為 0.23m,由此可得C20號拉索下料長度為： L= L0 –ΔLe +ΔLf +ΔLML +ΔLMD +2LD +3d =141.139m 3.5附屬構造物設計 橋梁附屬構造物包括橋面鋪裝、伸縮縫、行車道護欄、照明燈柱、排水設施、防拋網、 支座、主梁懸臂施工過程中的縱、橫向的臨時約束等。本節(jié)主要對橋面鋪裝、伸縮縫及主 梁懸臂施工過程中的縱、橫向的臨時約束進行設計。 3.5.1橋面鋪裝 為防止雨水等透過橋面鋪裝浸入橋面板及主梁，引起鋼筋和預應力鋼材的銹蝕，降低 結構的強度,主橋面采用 M30 瀝青混凝土，厚 10cm。在施工時，將混凝土橋面鋪裝層頂面 沖洗干凈，保證無油污等不利于混凝土之間粘接的雜物。 3.5.2伸縮縫 根據計算伸縮縫的大小及伸縮縫的性能，本橋的伸縮縫選擇采用仿毛勒式 SSFB240 伸 縮縫。伸縮量可根據主梁的橫向變形設定,經 BSAS 軟件的計算得到，主梁的橫向變形為 284mm，即伸縮量為 284mm。 三、主梁懸臂施工豎向、縱向臨時約束 在懸臂施工過程中，為保證梁體及整個結構的穩(wěn)定性（為不可變體系）和安全，防止 4.結構靜力計算分析 4.1計算方法概述 整體靜力計算采用空間有限元分析，分析軟件采用 MIDAS CIVIL?？傮w結構根據結構形成過程進行施工階段計算，成橋分析根據荷載組合要求的內容進行內力、應力計算，通過對索力的調整使結構在施工階段和使用階段的內力、應力及剛度均符合規(guī)范要求 這里在計算分析斜拉橋，采用的一些基本假定如下：視斜拉橋為線性空間框架結構。斜拉索的自重垂度及受力后垂度發(fā)生變化時，對其變形計算的影響不予考慮，即視鋼索為一直線。塔的抗彎剛度取常值。在斜拉橋跨度不大的情況下，斜纜的非線性影響可以通過修正彈性模量的辦法加以考慮。彈性模量的取值按厄恩斯特（Ernst）公式計算： 式中：r——拉索材料比重；L——斜纜水平投影長度；σ ——斜鋼纜索中應力。 4.2模型建立 橋模型的邊界條件為：橋塔固定于承臺頂，主梁與塔之間設豎向支座（半漂浮體系模型的需要），邊墩與輔助墩處設置縱向活動支座。 選擇分析手段和建立模型的主要目的是用結構的位移構件的內力與變形應力狀態(tài)等方面的要求對橋梁的靜力荷載效應進行定量化的分析，然后根據計算就夠修改、優(yōu)化結構的斷面與尺寸、調整斜拉索的索力以確定最終的出拉力。優(yōu)化預應力的布置 圖4.1 斜拉橋整體布置 選用單箱四室鋼箱主梁，索塔采用Q345鋼筋C50混凝土索塔 4.3加載需要的基本參數 靜力計算