三跨140+300+140连续双塔钢箱梁斜拉桥设计全套毕业设计.docx
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三跨140+300+140连续双塔钢箱梁斜拉桥设计全套毕业设计
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MAIDAS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。
Abstract
ThesubjectisperformedinaccordingwiththebasictheoryofCablestayedbridgedynamicandstationaryanalysistheory.Thespan,maincablestowerandcablesaredesignedinlinewiththearrangementofspan.Thewaychoosetheparametersanddecisiveelementsareillustrated.Thereafter,thesizesofdecksystem,maincables,endlink,cablebands,stormsystemandanchoragesaredesigned.
Asahighlyredundantsystem,itisinevitablybringsusmuchdifficultintheanalysisoftheinternalforcesbyhand.Thecomputerprogram,whichnamedMAIDASareusedincourseofcalculationinordertosimplythework.Whentheinternalstressiscarriedout,thearrangementofinternalstressisimplementedinlightofbridgespecification.Aftercheckingtheitemsrequiredinthecodefortheacross-sections,wecanknowthefeasibilityofthedesign.
theprocessofdesignment：
AccordingtothedesignassignmentandthepresentHighwayBridgeSpecifications,Takethegeologicalandthelandformofthebridgesiteforfurtheranalysis,afterpreliminaryselection,threebridgetypeschemasarepresented,theyareCable-stayedbridge,SuspensionbridgeandArchbridge.Comparingtheircharacterscomprehensively,theCablestayedbridgeisselectedasthemaindesignschemebythephilosophyofbridgedesignas“Practicability,Economy,Security,Beauty”.Throughdrawingupofstructure’sdimension,internalforcecalculationofdeadandlivingload,steelbeamstressandstrengthcalculation,fatiguestresscalculation,thewholebridgestrengthcalculation,checkingcomputationofcablestressandfatiguestress,livingloaddistortion,drawingupofsteelbeam’sdimension.Theconclusioncanbedrawnthatthedesignisuptotheassignment.
Keyword:
Design;cable-stayedbridge;Archbridge;SuspensionBridge;Steelbeam;Fitaguestress;themaindesignschemeforfurtheranalysis;Structureanalysisandcheckingcomputation.
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》（CJJ37－90）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、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1.40－1.45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6－11米的圆砾层，d>2mm为70－80％；d>20mm为32－37％，为卵石层。
但通过桥位附近采砾场，从河底下6－7米深挖采处的砂砾中最大可达25－35cm，个别甚至达40cm左右。
从实际使用地址资料出发，d>80-100mm颗粒，一般未予计入百分含量内，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，d>2mm为73－80％，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。
drp＝15.5mm，d95＝73.1mm，d10＝0.77mm，CU=73.1,
，
。
2、圆砾：
褐黄色或褐灰色，d>2mm为73－80％，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。
drp＝15.5mm，d95＝74mm，d10＝0.77mm，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0.77－5.40米，砂砾颗粒较大，地下水较丰富。
钻孔过程中于标高3－6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：
μ＝0.25管道偏差系数：
K＝0.0012，一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Ⅶ度，按Ⅷ度设防；支座不均匀沉降：
1.0cm.
1.5、设计规范：
1、采用规范
⑴《公路工程技术标准》（JTJ001-97）
⑵《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）
⑶《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）
⑷《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）
⑸《公路斜拉桥设计规范（试行）》（JTJ027-96）
⑹《公路桥涵地基与基础技术规范》（JTJ024-85）
⑺《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）
⑻《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）
⑼《高速公路交通安全设施设计与施工技术规范》（JTJ074-94）
⑽《公路桥位勘测设计规范》（JTJ062-91）
2、参考规范
⑴《BritishStandardBS5400》
⑵《StandardSpecificationsforHighwayBridges》U.S.A，1996.
⑶《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Qs＝5900.00立方米/秒，设计水位70.273米。
2.2水文计算
2.2.1桥孔长度确定：
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
＝
m
b．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=Vc＝1.84
因桥墩阻水而引起的桥下过水面积折减系数
＝60>50压缩系数
Wq
净过水面积Wj＝（1-
桥孔净长
m
2.2.2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+129-45.9＝655.1m
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hb1％＝0.4728mVW=15m/s
平均水深
，良程D＝8×102m
本桥设计水位：
70.273+0.075+
上部结构底标高为100.273m
1．冲刷深度
A河槽的一般冲刷
一般冲刷后的最大水深
hp＝
Q1=Q2=4275m3,B1=B2=533.43m,k=1.04,μ＝1.0，λ＝0.0625，hmax＝10.1m
A——单宽流量集中系数，A＝
hp＝
m
B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：
V0＝0.9648m/s，V0′＝0.31
∵V0＝Vz﹥V0，
＝1.0，B＝4m，
＝（1.3919+0.0409）1/2＝1.1970
η＝
＝
＝0.8588
hb＝
kηB0.6（V0-V0′）（V/V0）n
=1.0×1.1970×40.6×（0.9648-0.31）×（1.84/0.9648）0.8588
＝3.1349m
总冲刷深度hs＝hp+hb＝13.73+3.13＝16.86m
2.2.3结论
百年一遇底设计流量为Qs＝5900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，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（D>＝30cm）；
（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：
2400×600×200（厘米）；
主塔承台：
尺寸：
2400×600×500（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：
φ150辅助墩群桩基础单桩尺寸φ100；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（JTGD63－2007）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40~50m。
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+5×26m+200m+5×26m+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（D>＝25cm）；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140＋300＋140三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4×4m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，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4-1
2.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，主梁为扁平封闭钢箱梁，其上翼缘为正交异性板结构。
桥面布置按7.5×2m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
⑴普通钢筋：
采用Ⅰ级和Ⅱ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》（GB1499-91）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Ⅱ级（20MnSi）热轧螺纹钢；凡钢筋直径<12毫米者，均采用Ⅰ级（A3）钢。
⑵A3及16Mn板材、型钢要求符合GB709-65的规定，结构构造用型钢（A3和16Mn）要求符合YB166-85、YB164-63及GB709-65的规定。
⑶主梁预应力钢铰线技术标准应符合美国标准ASTMA416-97（270级）的规定，标准强度为1860MPa，公称直径15.24mm，公称面积140mm2，弹性模量Ey=1.95×105MPa，松弛率为3.5%。
采用OVM系列锚具及其配套设备，管道成孔采用钢波纹管，且要求波纹管钢带厚度不小于0.35mm。
⑷斜拉索采用OVM拉索体系300级（容许应力幅300MPa）钢绞线拉索，标准强度为1860MPa，标准破断荷载1823KN,公称直径15.24mm，公称面积140mm2，计算弹性模量Ey=2.0×105MPa。
（5）箱梁支座均采用橡胶支座GYZ和GYZF4系列产品。
其性能应符合交通行业标准
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