三跨(140+300+140)连续双塔钢箱梁斜拉桥设计全套().doc

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1、摘要桥面系为钢结构，桥塔为钢筋混凝土结构。斜拉桥很早以前就有了，到了近代发展速度十分迅猛，在现代桥梁工程实践中开始广泛应用，其特点是受力性能好、跨越能力大、轻型美观、抗震性能好。是跨越大江大河、海峡港湾等交通障碍的首选桥型。本设计以斜拉桥设计基本理论和静动力分析为理论基础，以成功修建的斜拉桥为例，根据桥梁的位置、布置形式，拟定桥梁的跨度、矢高、锚索倾角、桥塔高度和截面、塔基形式、锚碇构造等，说明选择相关参数的过程、依据、和考虑的主要因素，然后进行桥面系、拉索、桥塔、锚碇等具体尺寸设计、配筋和验算。由于斜拉桥是超静定结构，计算较为烦琐，故在该设计中，结构单元划分和内力计算采用专业设计软件MAID

2、AS进行，计算方法为有限元法，使设计工作量大大的简化，内力求出后，根据桥梁规范进行结构内力组合。最后，按容许应力法和极限状态法来验算主要截面，以判定设计的合理性。本设计的步骤为：根据设计任务要求，依据现行公路桥梁设计规范,综合考虑桥位的地质、地形条件，经初选后提出了斜拉桥方案、悬索桥、拱桥三个比选桥型。按“实用、经济、安全、美观”的桥梁设计原则，比较三个方案的优缺点。比选后把斜拉桥作为主推荐设计方案，进行了结构细部尺寸拟定、静活载内力计算、钢主梁应力强度、疲劳验算、斜拉桥整体稳定验算、斜拉桥整体强度应力验算、拉索应力及疲劳验算、钢主梁细部结构设计。经分析比较及验算表明该设计计算方法正确，内力分

3、布合理，符合设计任务的要求。关键词：方案;斜拉桥；拱桥；悬索桥；主推荐设计方案；结构分析；验算。AbstractThe subject is performed in according with the basic theory of Cable stayed bridge dynamic and stationary analysis theory. The span, main cables tower and cables are designed in line with the arrangement of span. The way choose the parameters a

4、nd decisive elements are illustrated. Thereafter, the sizes of deck system, main cables, end link, cable bands, storm system and anchorages are designed.As a highly redundant system, it is inevitably brings us much difficult in the analysis of the internal forces by hand. The computer program, which

5、 named MAIDAS are used in course of calculation in order to simply the work. When the internal stress is carried out, the arrangement of internal stress is implemented in light of bridge specification. After checking the items required in the code for the across-sections, we can know the feasibility

6、 of the design.the process of designment：According to the design assignment and thepresent Highway Bridge Specifications, Take the geological and the landform of the bridge site for further analysis, after preliminary selection, three bridge type schemas are presented, they are Cable-stayed bridge,

7、Suspension bridge and Arch bridge. Comparing their characters comprehensively, the Cable stayed bridge is selected as the main design scheme by the philosophy of bridge design as “Practicability, Economy, Security, Beauty”.Through drawing up of structures dimension, internal force calculation of dea

8、d and living load, steel beam stress and strength calculation, fatigue stress calculation, the whole bridge strength calculation, checking computation of cable stress and fatigue stress, living load distortion, drawing up of steel beams dimension. The conclusion can be drawn that the design is up to

9、 the assignment.Key word: Design ; cable-stayed bridge; Arch bridge;Suspension Bridge; Steel beam;Fitague stress; the main design scheme for further analysis ; Structure analysis and checking computation.目录第一章 概 述11.1、设计依据11.2、技术标准11.3、地质条件11.4、设计参数31.5、设计规范：3第二章 水文计算52.1原始资料52.2 水文计算5第三章 桥型方案比选83.1

10、、构思宗旨83.2、比选标准：83.3、比选方案83.4、方案点评103.5、方案确定：10第四章 斜拉桥构造设计114.1 总体设计114.2 主梁设计114.3 索塔设计234.4 基础设计244.5 斜拉索设计244.6 辅助墩基础设计254.7 边跨临时压重设计254.8 附属设施设计254.9、桥面铺装、排水和防水层26第五章 模型建立275.1 荷载275.2 计算方法概述285.3 模型建立295.4 模型分块295.5 主梁及索塔截面特性315.6 初索力计算31第六章 内力分析336.1 主梁和索塔控制断面内力和应力值336.3 主塔主要内力图356.4斜拉索索力386.5桥

11、梁影响线43第七章：桥梁下部结构计算457.1 辅助墩墩柱设计计算457.2 桥墩钻孔灌注桩设计48第八章 施工阶段内力分析518.1 施工方法介绍518.3 主要施工阶段图示：528.4 施工阶段主梁内力计算图55第九章 强度验算619.1 钢主梁强度验算619.2 主塔单元强度验算：70第十章 拉索强度与疲劳验算7710.1、验算原理77第十一章 主梁的疲劳验算8111.1主梁疲劳验算81第十二章容许变形验算9312.1容许变形93第十三章 施工组织设计9713.1工程概述9713.2临时工程9713.3施工准备9713.4主要工程项目的施工方案99第十四章 施工预算10914.1工程预算

12、编制的定义及作用10914.2预算编制的依据10914.3预算编制项目表10914.4预算编制说明109致谢110参考文献111附录一i附录二ii附录三iiiVI沈阳建筑大学毕业设计XX大桥第一章 概 述本桥位位于XX旧桥处，桥跨方向由南至北，桥宽23.2m，采用四车道设置，桥梁总长580m，连接南北高速主干道，不设人行道。此桥被列为XX市规划的“三纵三横”公路主骨架的重要组成部分，北连杭宁高速公路，南同时连接XX市和宁波市两个历史名城。1.1、设计依据1、XX市环线道路工程建设指挥部“XX市XX大桥方案设计招标书”。2、XX市建委会议纪要长建纪字【2010】222 号关于研究XX市XX大桥设

13、计要点的会议纪要。3、XX市勘测设计研究院提供的XX大桥桥位工程地质初步勘察报告及桥轴线工程地质剖面图。4、XX市环线道路工程建设指挥部“关于XX市XX大桥优化设计方案有关事项的通知”。1.2、技术标准（1）路线道路等级：城市 II 级主干道（2）设计行车速度：100km/h（3）桥上纵坡，平、竖曲线半径等按城市道路设计规范（CJJ3790）及规划所给的标高综合考虑。（4）设计洪水频率：百年一遇1.3、地质条件一、自然地理本桥址区地处冲击平原，地势较平阔。河水为季节性河流，主要受底下径流或大气降水所补给。汛期每年七月下旬至八月下旬，近几年，尤其是2000年河水位历史少见的下降，以致影响工农业、

14、甚至民众生活用水。本区于北寒温带气候类型，为类型冻土区，冻结深度1.401.45米。冬季漫长，气候比较干燥；春秋较短，稍较温湿，宜植被生长。二、大地构造桥地区正位于走向东西、倾向东西二界沟断裂上，此断裂西至长兴，东至XX40公里，走向北东、倾向北西的煤山长兴断裂相交。这兩断裂均属郯城大断裂带系统。二界沟断裂最后一次活动时期为白垩纪。三、地层及岩性桥址区地层，上部为第四纪厚611米的圆砾层，d2mm为7080；d20mm为3237，为卵石层。但通过桥位附近采砾场，从河底下67米深挖采处的砂砾中最大可达2535cm，个别甚至达40cm左右。从实际使用地址资料出发，d80-100mm颗粒，一般未予计

15、入百分含量内，且无代表性。砾石颗粒，尤其稍大颗粒，岩石强度较高，无棱角，磨圆程度良好。其岩性或矿物成份由花岗岩类或砂页岩、石灰岩以及其他暗色矿物构成。砾石层底或风化岩顶面标高自南而北为2.8米4.9米，由低而高坡形上升，高差2.1米左右，但由于钻孔间距较远，不知其间有无起伏。砾石层下部为前震旦纪花岗岩，上部为全风化，下部为强风化或局部全风化。上部为散体状，下部为碎石状且散装体。1、圆砾：褐黄色或褐灰色，d2mm为7380，松散，其间含粗砾砂薄层。砂砾颗粒强度较高，软弱颗粒含量较少。drp15.5mm，d9573.1mm，d100.77mm，CU=73.1,，。 2、圆砾：褐黄色或褐灰色，d2m

16、m为7380，中密，其间夹含粗砾砂薄层。砂砾颗粒强度较高，磨圆或磨光程度良好。drp15.5mm，d9574mm，d100.77mm，CU=67.1,，。3混和岩：全风化，散体状，砂砾状或土状。，。4、混和岩：褐黄色，全风化或含强风化，碎石状或局部为散体装，砂砾状。，。5、混和岩：褐黄色，强风化，碎石状。，。6、混和岩：强风化，碎石状。，。7、混和岩：褐黄色，强风化或全风化，碎石状或散体状。，。 8、混和岩：褐黄色，强风化，节理裂缝发育，岩石破碎，碎石状。，。9、混和岩：褐黄色，强风化，节理裂缝发育，岩石破碎，碎石状，不能提取岩芯。，。10、混和岩：褐黄色，强风化，节理裂缝发育，岩石破碎，碎石

17、状，不能提取岩芯。，。11、混和岩：褐黄色，强风化，节理裂缝发育，岩石较比破碎，碎石状，不能提取岩芯。四、工程地质评价1、工程地质条件良好，无不良工程地质现象或地段。2、地下水位深0.775.40米，砂砾颗粒较大，地下水较丰富。钻孔过程中于标高36米左右地段常常孔壁塌落，有时越发严重，以致钻孔无法继续钻进，成为废孔。由于采用膨润土同聚丙乙烯胺混和成浆糊流体护壁，才能得到有效控制。1.4、设计参数管道摩阻系数：0.25管道偏差系数：K0.0012，一端锚具变形引起的钢束回缩量：6mm；钢绞线松驰率3.5%；风 荷 载： 设计风速30m/s，地震荷载：地震基本烈度度，按度设防；支座不均匀沉降：1.

18、0cm.1.5、设计规范：1、采用规范 公路工程技术标准（JTJ001-97） 公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89） 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ023-85） 公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）公路斜拉桥设计规范（试行）（JTJ027-96） 公路桥涵地基与基础技术规范（JTJ024-85） 公路工程抗震设计规范（JTJ004-89） 公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000） 高速公路交通安全设施设计与施工技术规范（JTJ074-94） 公路桥位勘测设计规范（JTJ062-91） 2、参考规范 British Standard BS5400

19、Standard Specifications for Highway BridgesU.S.A，1996. 日本高等级桥梁设计规范第二册，1990.第二章 水文计算2.1原始资料根据1998年XX年鉴，XX1998年最大洪峰流量4900立方米/秒（XX水文站）为百年一遇大洪水。1998年洪水距今较近，现场洪痕清晰可见，根据实测洪水位，采用形态断面计算1998年洪峰流量为6095立方米/秒，与年鉴资料相差在5之内。故1995年洪峰流量可作为百年一遇流量，洪水比降采用XX洪水比降0.0528。经计算确定设计流量为Qs5900.00立方米/秒，设计水位70.273米。2.2 水文计算2.2.1桥孔

20、长度确定：a.单宽流量公式水流压缩系数次稳定河段 0.92则河槽平均单宽流量最小桥孔净长mb过水面积法冲刷前桥下毛过水面积Wq式中：冲刷系数P取1.3 设计流速VS=Vc1.84因桥墩阻水而引起的桥下过水面积折减系数6050 压缩系数Wq净过水面积Wj（1-桥孔净长m2.2.2壅水计算桥前最大壅水高度河滩路堤阻断流量与设计流量的比值572+129-45.9655.1m系数桥下平均流速Vm断面平均流速V0=m桥下壅水高度波浪高度hb10.4728m VW=15m/s平均水深，良程D8102m本桥设计水位：70.273+0.075+上部结构底标高为100.273m1 冲刷深度A 河槽的一般冲刷一般

21、冲刷后的最大水深hpQ1=Q2=4275m3,B1=B2=533.43m,k=1.04,1.0，0.0625，hmax10.1mA单宽流量集中系数，AhpmB 河槽处桥墩的局部冲刷桥位处的冲止流速h=13.73m,d=3m,查表得：V00.9648m/s，V00.31V0VzV0 ，1.0，B4m，（1.3919+0.0409）1/21.19700.8588hbkB0.6（V0- V0）（V/ V0）n =1.01.197040.6（0.9648-0.31）（1.84/0.9648）0.8588 3.1349m 总冲刷深度hshp+ hb13.73+3.1316.86m2.2.3结论百年一遇底

22、设计流量为Qs5900立方米/秒，设计水位70.273米。计算最小桥孔净长Lj米，实际最小桥孔净长为538.3米。桥前最大壅水高度，桥下壅水高度米。本桥设计水位：70.273，上部结构标高为98.134米。计算水位距上部结构底面最小距离27.861米（按桥规最小距离为0.50米）。以上标高均为假定标高系统。第三章 桥型方案比选3.1、构思宗旨（1）符合XX市发展规划，满足当地快速发展的经济的交通需要，分孔分跨与原桥位错开。（2）桥梁结构造型简洁、轻巧，不与原桥型相似，形成当地一道新的风景线，以体现当地的经济发展实力，和现代建桥风格，国家的建桥水平。（3）设计方案力求结构新颖，尽量采用新式桥型，

23、既要满足美观要求，又要是受力合理，结构力线鲜明，轻盈可靠且施工方便。3.2、比选标准：主要依据安全、功能、经济和美观。其中以安全和经济为重。至于桥梁美观，要视经济与环境条件而定。3.3、比选方案3.3.1 比选方案一：双塔斜拉桥方案（1）孔径布置：跨径140+300+140（米），全长580 米。此桥面较宽，采用1.5横坡；护栏采用混凝土制桥梁护栏（D30cm）；（2）结构构造：1）主梁：采用单箱六室钢主箱梁，主梁高2m，为主跨的0.00667，顶板厚度45mm，腹板厚度30mm，底板厚度45mm，四车道桥面布置。2）索塔：为双塔混凝土结构，桥面以上塔高56.5m，横桥向宽4m，纵向4m，塔墩

24、固结，塔梁分离，采用漂浮体系。3）斜拉索：索塔采用扇形布置，每个索面张拉13对拉索，索距1米与10米，采用密索布置全桥共4 个索面。所有拉索一端锚固在钢主梁内部，另一端锚固在主塔塔壁。4）承台：采用钢筋混凝土结构。辅助墩承台：尺寸：2400600200（厘米）；主塔承台：尺寸：2400600500（厘米）；承台内布置构造钢筋和局部承压钢筋。5）群桩基础：采用圆柱形摩擦桩（锤击，静压锤撞），主塔群桩基础单桩尺寸：150 辅助墩群桩基础单桩尺寸100 ；群桩采用矩形对称形。其中中距符合公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）规定：摩擦桩：锤击桩、静压沉桩，在桩端处的中距不应小于桩径（或

25、边长）的3 倍，对于软土地基宜适当增大；振动沉入砂土内的桩，在桩端处的中距不应小于桩径（或边长）的4倍。桩在承台处的中距不应小于桩径（或边长）的1.5 倍。主塔处桩基础桩径中距：横向450cm、纵向450cm。辅助墩承台处桩基础桩径中距：横向300cm、纵向200cm。主塔处桩基础群桩设置：5 排5 列矩形对称陈列桩。辅助墩处桩基础群桩设置：3排4列矩形对称陈列桩。6）施工方案：采用脚手架设置边跨施工，后采用对称张拉方法，从边跨向中跨悬臂施工，悬臂施工阶段采用移动模架施工。两边钢主箱梁采用同时拼装，后再中跨合拢。3.3.2 比选方案二：预应力混凝土连续刚构桥1）孔径布置本方案为三跨连续梁桥，孔

26、径布置为 ：140m+300m+140m，全长580m，该桥是“XX骨干航道网整治工程”的组成部分，设计时必须考虑满足通航净空的要求，还要考虑与两岸接线道路的衔接。采用预应力连续梁桥可以很好的满足上述空间限制的要求，而且施工方便，经济实用。2）桥跨结构构造桥跨采用三跨预应力混凝土连续刚构桥，中跨Lmax=300m，边跨L1=410m。为了便于施工，主梁采用变截面箱梁，做成单箱双室，两边各悬出2.5m，总宽19m，箱梁底宽12m，腹板采用斜腹式。3) 下部结构桥台采用肋式桥台；桥墩采用双柱式；基础采用钻孔灌注桩，桩长4050m。4)施工方案本方案采用满堂支架法施工。首先浇筑桩基础；待混凝土达到强

27、度后，搭设支架、模板，浇筑桥台和桥墩；然后沿桥的纵向搭设支架、模板，浇筑主梁，当主梁混凝土达到设计强度后，张拉预应力筋；最后进行桥面铺装。3.3.3 比选方案三：下承式拱桥方案（1）、孔径布置：跨径35m+526m+200m+526m+35m，全长530 米。此桥面较宽，采用3横坡；护栏采用金属制桥梁护栏（D25cm）；矢跨比1/5，类型：混凝土；梁高2.25m ；梁高/跨径1/89，高宽比1/10；主墩数2 个。（2）结构构造：1）主梁：采用单箱四室混凝土主箱梁，主梁高2.25m，为主跨的1/116，顶板厚度30cm，腹板厚度30cm，底板厚度30cm，四车道桥面布置，桥梁宽度、桥面横坡与方

28、案一一致。2）主墩：为混凝土结构，横桥向宽43.5m，纵向4m。3）主拱圈：钢管混凝土结构，钢管壁厚1cm，外直径1m，内充C50 混凝土。4）下部结构：同方案一，两个主墩基础均采用群桩基础，分别以基岩为持力层。边墩亦采用群桩基础。5) 主梁施工：主梁采用加劲骨架下的挂篮现浇施工。6）群桩基础：与方案一一致。7）施工方案：岸跨及边跨采用有支架施工，主拱圈建成后，进行进行骨架下吊篮现浇施工。3.4、方案点评（1）根据设计构思宗旨，桥型方案应满足结构新颖、受力合理、技术可靠、施工方便、造价合理的原则。以上三个方案都基本满足这一要求。（2）从结构外形上看，三个方案分为拱式、斜拉桥、预应力混凝土连续刚

29、构桥三种桥式。从受力上看，都是组合体系桥梁，各具特点。但是方案一力线更加鲜明，且基础工程量较少，外形明朗。斜拉桥方案体现了设计构思的基本思想，符合高速公路地区规划的要求，并与周围景致相协调。此方案满足城市长远规划，技术先进、结构合理、工艺成熟。（3）受力方面，斜拉桥300m 跨，塔高适中，采用钢主梁，大为减轻自重，提高了使用性能。采用塔墩固结、塔梁分离的漂浮体系，使结构受力明确，提高了抗震性能。主梁采用箱梁结构，提高了抗扭和抗风性能。（4）从材料用量上，第一方案虽然在钢材使用上较多，不过混凝土用量仅为第二、第三方案的一半。充分发挥了，钢主梁混凝土斜拉桥，钢混合用的良好结合。节省了工程量和工程代

30、价。（5）从施工难度上，XX大桥水位较低，不适宜用起吊机起吊拼装，但采用钢主梁的斜拉桥可依靠挂篮在桥头拼装的办法施工。3.5、方案确定：总结：经过反复思索和比较，方案一表现突出，符合安全、功能、美观要求，体现了当前的建桥技术水平，能够胜任XX市的交通建设规划要求。因此确定方案一为推荐方案。第四章 斜拉桥构造设计4.1 总体设计XX大桥为140300140 三跨连续双塔钢箱梁斜拉桥。采用门形双立柱混凝土塔，截面采用44m 矩形空心截面。南北双塔均高92m，两个索塔均为群桩基础。主梁采用全焊扁平封闭钢箱梁，其上缘采用正交异性板结构设，不等间距纵横加劲肋。钢主梁高2m，宽23.2m。横隔板间距为5m

31、，内不设纵向横隔板。斜拉索采用平行钢铰线拉索，标准索距为10m与1米，为密索结构。索塔下不设竖向支撑，采用全飘浮体系。斜拉索下端锚固于钢箱梁内部边室的斜拉索锚固梁上。上端对称锚固于索塔上部塔柱矩形断面的锚固块上。拉索索面采用沿塔中心线完全对称布置，索面为扇形布置，在边跨桥墩处，设定施工阶段临时压重200，以消除辅助墩在施工阶段的负反力，使用阶段不设压重。4.2 主梁设计4.2.1、总体布置：设计依据：1.图4-12.特大、大桥上部构造宜设置检查平台、通道、扶梯、箱内照明、人口井盖等专门供检查和养护用的设施，保证工作人员的正常工作和安全。条件许可时，特大、大桥应设置检修通道。对于本设计，主梁为扁

32、平封闭钢箱梁，其上翼缘为正交异性板结构。桥面布置按7.52m 四车道布置，车道宽3.75m，两侧各设2.7m 路缘带，护栏外侧布置1m护索区，桥面总宽23.2m。4.2.2、设计材料的要求：1、混凝土桥塔： 50号混凝土 桥面调平层： 40号混凝土墩柱、主塔承台： 30号混凝土桥面防撞护栏： 30号混凝土耳背墙、牛腿、搭板： 30号混凝土台身、系梁、承台： 25号混凝土钻孔灌注桩： 25号水下混凝土拌制混凝土用的砂石和水的质量要求应符合公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）的有关规定。2、钢 材 普通钢筋：采用级和级钢筋。带肋钢筋的技术标准应符合钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（GB1499-

33、91）的规定，光圆钢筋应符合钢筋混凝土用热轧光圆钢筋（GB13013-91）的规定。凡钢筋直径12毫米者，均采用级（20MnSi）热轧螺纹钢；凡钢筋直径=tb/(56fn)b/(48fn)b/(46fn)b/(40fn)40t=75b/(58fn)b/(50fn)b/(46fn)b/(40fn)75tl*,说明初步设计结果满足规范要求纵向加劲肋参数确定：纵向加劲肋采用设计值表4-8 纵向顶底板加劲肋参数纵向顶底板加劲肋参数(米)类型HB矩形截面0.20.012横向顶底板加劲肋设计：采用保守设计表4-9顶底板横向加劲肋参数类型HB矩形截面0.40.013）横隔板间距设计：对于横隔板间距 ，这里参

34、照日本经验公式：表4-10横隔板设置L50日本经验公式LD60.14L-1且小于20注：式中：L桥梁等效跨径。本桥采用拉索间距10m 的密索设置，采用多支点弹性支撑的连续梁调索。最终内力基本符合连续梁内力分布，因此等效跨径取10m。钢箱梁的横隔板标准间距采用5m。该间距能充分保证钢箱梁的横向刚度、抗扭刚度，满足支承其上的正交异性板的局部变形要求。为减小钢箱梁的加工制作难度，除支座处外，横隔板上下与顶底板相焊。横隔板板厚30mm。4）腹板加劲肋设计与验算：1、腹板高厚比表4-11横向和纵向加劲肋设置与最大腹板高厚比Hw/Tw规范钢材种类不设竖向和纵向加劲肋仅设横向加劲肋横向加劲肋和一段纵向加劲肋横向加劲肋和二段纵向加劲肋中国公路钢桥Q23570160280-Q34560140240-注：单位（米、千牛）；规范：公路钢桥规范