悬索桥成桥状态静力毕业设计Word文件下载.docx
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326.
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595.690
1.2设计依据
（1）《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）
（2）《公路桥涵设计通用规》（JTJD60-2004）
（3）《公路桥涵钢结构及木结构设计规》（JTJ025-86）
（4）《公路悬索桥设计规条文说明》（JTJ2002）
（5）《公路桥涵施工技术规》（JTJ041-2000）
（6）《公路工程抗震规》（JTJ044-89）
（7）《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规》（JTGD62-2004）
（8）《公路桥梁抗风设计规》（JTG-TD60-01-2004）
（9）《公路桥涵地基及基础设计规》（JTJ024-85）
（10）《桥梁工程（上册）——立础编》
（11）《桥梁工程（下册）——顾安邦编》
（12）《桥梁毕业设计指导书》
第2章方案比选
2.1初拟方案
根据桥址地形、地质、水文条件和技术标准的要求,拟订出不同体系、不同材料且各具特色，并可能实现的六个桥型方案图式：
1.86+158+86m三跨连续梁桥
2.88+154+88m三跨连续刚构桥
3.净跨183m的上承式箱板拱桥
4.净跨220m的中承式钢管混凝土拱桥
5.跨径264m的独塔单跨隧道锚混凝土加劲梁悬索桥
6.跨径90m+180m的独塔双索面斜拉桥
2.2方案初选
从总体布局、环境协调、通航要求、技术先进性、施工可能性、景观要求、技术经济等多方面考虑后，选出以下三个图式来进行方案比选。
1）第一方案——三跨连续刚构桥（图1.1）
图1.1三跨连续刚构
（1）总体布置和结构体系：
此方案的桥跨布置为88+154+88m三跨变截面单箱单室连续刚构体系,边中跨比为0.54。
该桥采用三向预应力体系,桥面宽度11.5m，桥面纵坡1%，对称设置，桥面横桥向设1.5%的双向横坡。
（2）主梁截面：
箱梁根部梁高8.7m，跨中及端部梁高均为2.7m，从根部到跨中（两端）箱梁底缘按二次抛物线变化，箱梁顶板宽11.5m，底板宽6m，翼缘板悬臂长为2.75m，底板厚度由根部向跨中从0.8m变化到0.3m,0号块距墩中心4m围箱梁顶板、底板厚度分别为0.3m、1m，腹板厚度由根部向跨中从0.6m变化到0.3m，采用C50混凝土浇筑。
（3）下部构造：
连续刚构由于墩梁固结，即使在正常使用条件下，由于温度变化、混凝土收缩徐变、预应力及行车制动力等因素的存在，使得桥墩基础一直有水平力作用，若墩的抗推刚度大，则以上几项因素引起的次力将相当大。
本桥采用双薄壁墩身，壁厚2m.主墩墩高分别为44m、55m，具有较好的柔性，能够很好的适应连续结构的变形，从而减少了连续结构因温度变化、混凝土收缩徐变等因素在墩身中产生的次力。
主墩墩身外形尺寸为2m×
6m，净间距5m，由于地质条件良好，故采用刚性扩大基础，基础高3m，每层台阶厚1m。
桥台采用重力式U型桥台。
（4）施工方案：
本桥采用挂篮悬臂施工法，0号块和1号块采用搭支架现浇，然后挂篮悬臂浇筑施工，先边跨合龙再中跨合龙，墩身采用翻模法施工。
2）第二方案——上承式箱板拱桥（图2.2）
图2.2上承式箱板拱
（1）总体布局和结构体系：
此方案的桥跨布置为3×
30m+183m+2×
30m，其中主桥为净跨183m的上承式箱板拱，两边引桥均为标准跨径预应力混凝土简支T梁。
桥面宽11.5m，桥面纵坡1%，对称设置，桥面横桥向设1.5%的双向横坡。
（2）主拱圈：
主拱圈采用上承式板拱悬链线无铰拱，净跨径183m，净矢高36.6m，矢跨比1/5，拱圈高度为2.9m。
拱圈由2个1.5m的边拱箱和5个1.4m的中拱箱组成，拱圈采用节段预制，现浇拱接缝与拱圈形成整体并受力。
为增大拱箱的整体性，除了在吊装点和立柱下设置横隔板外，在每隔3m的拱肋弧长处设置一横隔板。
（3）拱上建筑：
拱上立柱为柱形，平面尺寸分为1m×
0.9m和1m×
1m两种。
在立柱与拱圈相接的地方设置有与拱圈同宽的垫墙，保证上部荷载能比较均匀的传递到每个拱箱，对于高立柱为避免应力集中，在此间还设有一定高度的底座。
对高度超过15m的立柱，还设有横系梁。
立柱上为高0.75m的盖梁，悬臂长为1.95m。
其上是19孔10m跨标准预应力混凝土空心板，板高0.5m，中板宽1.0m，边板宽1.25m,桥宽方向需布置11块空心板，盖梁顶设横坡。
桥面板现浇上0.1m的防水混凝土桥面铺装。
（4）引桥设计：
主桥一边为3×
30m预应力混凝土简支T梁，另一边为2×
30m预应力混凝土简支T梁。
T梁梁高2m，每跨采用7片预制T梁，盖梁顶设横坡，桥面板现浇上0.1m的防水混凝土桥面铺装。
（5）下部构造：
拱座为长18m，宽11.5m，高15m的台阶形大体积混凝土工程。
主桥与引桥交接墩为直径1.8m的双柱式墩，其余引桥桥墩直径均为1.5m，基础采用刚性扩大基础，高2m，每层台阶厚1m，桥台采用重力式U型桥台。
（6）施工方案：
主桥拱圈采用缆索吊装施工，主拱圈由工厂分段预制，试拼合格后通过运至现场缆索吊装。
主拱圈合龙后，开始修建拱上立柱，现浇盖梁，吊装预应力空心板桥面板，最后进行桥面系的施工。
引桥采用预制吊装预应力混凝土简支T梁。
3）第三方案——独塔单跨岩孔锚钢箱加劲梁悬索桥（图1.3）
图1.3独塔单跨岩孔锚钢箱加劲梁悬索桥
此方案的桥跨布置为2×
30m+272m，其中主跨为272m的独塔单跨岩孔锚钢箱加劲梁悬索桥，由于边跨较短，并且地形较好，于是采用标准跨径预应力混凝土简支T梁。
桥面宽11.5m，桥面纵坡1%，对称设置，桥面横桥向设1.5%的双向横坡。
（2）主缆：
主缆采用PPWS法施工的平行钢丝束股钢缆，全截面共33根束股，每股由127根直径
5.1mm的镀锌高强钢丝编成。
主跨主缆垂跨比约为1/10，直径为0.0856m2。
（3）吊索：
主桥主跨的竖直吊索间距为9+32×
8+16m，边跨不设吊索。
吊索为销接式,为方便取材与施工也采用镀锌高强钢丝，其材料与规格与主缆相同。
（4）加劲梁：
本桥加劲梁采用扁平钢箱梁截面型式，箱梁中部梁高2.25m，端部梁高，顶板厚14mm，底板厚12mm，顶板形成双向横坡1.5%，箱梁全宽16.3m。
（5）索塔：
采用预应力混凝土门式框架结构，索塔桥面以上为56m，全高82m，塔柱为带倒角的空心箱形截面，顺桥向宽4.5m，横桥向宽3.2m，每边壁厚为0.8m，基础采用刚性扩大基础，高6m，每层台阶厚2m。
（6）锚碇：
为提高经济效益，减小对山体的扰动，两锚碇充分利用地形，均采用岩孔锚。
（7）施工方案：
先缆后梁，钢箱梁刚结后再桥面二期施工。
钢箱梁从东向西依次吊装，两边的端节段最后合龙。
江中采用浮运吊装，荡移曲外结合钢栈桥施工。
边跨预应力混凝土简支T梁采用工厂预制现场吊装。
2.3各方案的技术经济比较
表2.1方案比选表
方案类别
第一方案
第二方案
第三方案
工程项目
主桥跨桥型结构
三跨连续刚构桥88+154+88m
上承式箱板拱桥
183m
独塔单跨悬索桥
272m
主跨梁高
2.7～8.7m
2.9m
2.25m
主桥跨结构特点
高速行车平顺，可减少大型支座的费用
充分发挥混凝土材料受压性能，结构刚度大，变形小，动力性能好
结构新颖，受力明确，避免传统悬索桥反对称特性的不利影响
建筑造型
主桥线条简洁明快，外型朴素大方，线形流畅，视野开阔
气势宏伟，外观优美，典雅朴素且与地形极为相称
造型美观新颖，线条简洁
养护维修工作量
很少
少
一般
设计经验技术水平
经验丰富，技术成熟，
国际先进水平。
有成熟的经验，
国际领先水平
经验很少。
但可参照典型悬索桥的设计及施工技术进行设计
施工方法和难易程度
挂篮平衡悬臂现浇施工，悬臂施工经验足，进度快技术经济合理。
缆索吊装施工经验已经基本成熟，没有通航要求，施工方便，成拱后施工进度快，简单，安全，便于控制。
节段吊装施工，较易，但施工监控很重要。
工期
短
较长
工程数量
混凝土
7913.3
10122.2
3625.1
（）
高强钢丝（t）
1335.1
钢绞线（t）
237.9
53.7
37.4
钢材（t）
1133
621.6
2596.7
方案比较结果
比较方案
推荐方案
2.4推荐桥型方案
经过以上技术、经济比较，并结合桥梁设计的几大原则，推荐第三方案独塔悬索桥作为推荐桥型方案。
安全性：
对于建成后使用的拱桥和悬索桥是十分安全的，如果说拱桥在施工阶段有一定危险，但也很少听闻悬索桥在施工及运营中出现过事故，故其安全性是有保证的；
适用性：
三个方案均具有适用性；
经济性：
三个方案中除推荐方案造价比较高外，另两个比较方案均比较经济，故经济性是推荐方案的一个软肋；
美观方面：
拱桥和悬索桥相对连续刚构桥来说更加美观，都是我国的传统桥型，拱桥古典优雅，和环境十分协调，而此悬索桥由于造型奇特，尤其是力学结构上比较新颖，受力明确，散发一种生机勃勃的朝气，十分有活力；
环保方面：
三者对环境的影响均不大，可能推荐方案的锚碇施工对地质有些影响，不过也是机械方面的小扰动，不存在环保问题；
耐久性：
推荐方案悬索桥的吊索需要更换，另外两个比较方案耐久性均可以，其中拱桥应该是最好的。
总的来说，如果没有第三个方案，也就是推荐桥型方案，根据以上分析比较，应该是要选择第二方案。
虽然推荐桥型方案在经济性方面很不占优，但是，桥梁设计也要尽可能地采用新结构，新工艺，由此才能促进桥梁事业的不断发展，相信在此对该桥型做出比较浅显的涉及后，将来会对其有更深入的研究，以解决一些技术和经济上的问题，使得该桥型更加具有实际性和可操作意义。
2.5设计荷载及其组合
2.5.1主要设计荷载
恒载（永久荷载）：
一期恒载，二期恒载
活载（基本可变荷载）：
公路一级
风（其他可变荷载）：
设计风速24.2m/s
温度（其他可变荷载）：
初始温度20℃
最高温度39.6℃
最低温度-3.5℃
地震（偶然荷载）：
未给（根据需要设计）
2.5.2主要荷载组合
表2.2主要荷载组合
荷载组合
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
恒载
√
人群
温升
温降
风
地震
2.6设计基本参数
（1）跨径：
60+272m；
（2）主塔高度：
索塔桥面以上为58.0m，全高82.0m；
（3）加劲梁型式为扁平钢箱梁，正交异性板桥面。
加劲梁桥轴中心处高为2.25m，高跨比为1/121；
加劲梁全宽为16.3m，宽跨比为1/16.7；
（4）吊索间距：
9+32×
8.0+16m；
（5）本桥单根主缆由33束预制索股组成，单根主缆设计面积为0.085571209m2，每根主缆断面直径为36.0cm，空隙率19%；
（6）恒载：
加劲梁5.0381t/m
二期荷载2.8t/m，（8cm沥青混凝土桥面铺装，容重取25kN/m3，人行道板取4kN/m2）
（7）风荷载：
由规可知，设计基准风速为24.2m/s，计算得加劲梁横向风荷载为0.155t/m，主缆横向风荷载为0.031t/m，主塔顶部横向风荷载为0.48t/m，底部横向风荷载为0.237t/m。
第3章结构分析理论及成桥计算
在睿江大桥悬索桥的结构总体计算分析中，考虑到悬索桥受力特点及其几何非线性而采用了有限位移理论，运用空间分析程序MIDAS进行结构的静动力分析。
3.1结构计算理论简介
对于悬索桥的结构分析，一般采用二维平面分析法和空间分析法，所谓二维计算法就是忽略悬索桥的空间特性，将悬索桥按荷载作用情况分为竖向荷载作用平面，横向荷载作用平面及扭转荷载作用平面，然后分别对各个平面进行受力分析。
空间计算法就是将悬索桥离散为空间结构，建立空间有限位移分析理论及计算程序，直接将竖向、横向及偏载作用与结构上求结构力及变形的方法。
3.1.1竖向荷载作用下的结构分析
竖向荷载作用下的结构分析可分为弹性理论、挠度理论和有限位移理论，三者在考虑非线型的程度上有较大的区别。
睿江大桥悬索桥跨度为272米，加劲梁桥宽16.3米，总体分析时采用有限位移理论。
对于悬索桥的非线性问题，主要是两个方面：
荷载作用下的大位移和结构的初始力。
线性结构分析时，力的平衡方程是以结构的初始几何位置来建立，结构力大小与结构变形无关；
当结构的变形较大时，真实的平衡状态应是以变形后的结构几何位置来建立，这时力的大小与结构变形相关，力与变形是非线性关系。
大跨度悬索桥的特点是恒载集度远大于活载值，恒载引起的巨大的主缆索力提供比加劲梁自身刚度大的多的重力刚度。
3.1.2横向荷载作用下的结构分析
在横向荷载作用下，主缆将其所受荷载通过横向挠曲传给桥塔，加劲梁的横向荷载则传给两端风支座和通过吊索传给主缆。
3.1.3扭转及偏心荷载作用下的结构分析
二维分析理论假定悬索桥加劲梁的弯曲与扭转的复合效应薄弱，因此弯曲和扭转的计算可分开进行。
3.1.4空间分析法
采用有限元法对悬索桥作空间分析，应根据单元受力特性，采用多种单元组合形成悬索桥空间分析的力学模型。
这些单元是：
（1）非线性空间索单元，用于模拟主缆、吊索；
（2）非线性空间梁单元，分为考虑和不考虑翘曲位移两种情况，用于模拟变截面索塔和加劲梁。
如同斜拉桥的建模情况一样，将悬索桥的加劲梁用“鱼骨梁”模拟。
吊索可用带刚臂的索单元模拟。
该模型称为单主梁模型（见图3.1），其中间轴线通过主梁截面的扭转中心。
主梁的抗拉刚度EA、竖向抗弯刚度EIx、横向抗弯刚度EIy和自由扭转刚度EId以及分布质量M和质量惯性矩Im都集中在中间轴线上。
悬索桥的主梁则通过短刚臂和吊索连接形成“鱼骨式”模型。
这种模型的优点是主梁的刚度系统和质量系统都是正确的，缺点是无法考虑主梁的约束扭转刚度的贡献，对于自由扭转刚度较小的开口截面（例如叠合梁截面），这种模型会直接影响起重要作用的桥面扭转频率的精度。
单主梁模型适合于主梁为自由扭转刚度很大的闭口（单室或多室）箱梁截面。
图3.1鱼骨梁模型
3.2睿江大桥结构分析理论
睿江大桥结构体系为独塔单跨地锚式悬索桥，由于该结构体系不多，一些经典传统悬索桥的基本理论，结构参数不能直接套用。
因此，需要在结构分析之前一些说明，在此过程中会引入一个新概念，以方便结构设计与模型建立，详见下文。
悬索桥初期设计中的一个参数就是矢跨比，大跨度悬索桥的矢跨比一般为1/8～1/12,睿江大桥初步设计思想就是矢跨比为1/10的双塔单跨悬索桥在主跨跨中切开，取一半进行分析。
根据
，通过理论计算，在线形保持不变的前提下，独塔单跨地锚式悬索桥的矢跨任比为1/10，当然水平分力也相等，但是这样无法精确给出大桥的矢跨比。
在后来接触到
2011悬索桥建模助手时，发现该助手可以模拟不对称结构体系的悬索桥。
结合地锚式悬索桥成桥状态下主缆水平分力处处相等这一基本定理。
因此，引入一个参数：
当独塔悬索桥产生的水平分力与两倍于独塔悬索桥主跨加劲梁跨径的双塔悬索桥在相同荷载集度
作用下产生的水平分力相等时，把双塔悬索桥的矢跨比叫做“独塔悬索桥的等量矢跨比”简称为“等量矢跨比”。
用参数DS表示。
睿江大桥的等量矢跨比DS=1/10。
基本原理详见图3.2睿江大桥结构分析。
图3.2睿江大桥结构分析
3.3睿江大桥有限元模型
3.3.1材料参数
通过初步计算拟定睿江大桥的各细部尺寸：
首先可通过加劲梁的截面计算出加劲梁的重量，在此过程中，不再精确考虑横隔板，纵横加劲肋等的重量。
加劲梁总重为顶底板以及腹板的重量乘以一个1.5的增大系数，做近似计算。
加劲梁横截面面积通过
2011自带的的截面特性计算器进行计算得出带有梯形加劲纵肋的面积（将来作为结构计算）与不带加劲纵肋的截面面积（此时用来估算重量）分别为0.607093
和0.428896
。
加劲梁总重为不带加劲纵肋的截面面积乘以1.5。
取加劲梁的容重7.85t/m3,则加劲梁重量：
0.428896×
7.85×
1.5=5.0502504t/m
铺装层为8cm的沥青混凝土，取沥青混凝土的容重为2.5t/m3，则：
9×
0.08×
2.5=1.8t/m
人行道、栏杆等附属结构根据规取值，即：
1.25×
2×
0.4t/m2=1t/m
取一半的桥梁宽度，拟定主缆的尺寸：
0.5×
5.0502504t/m=2.5251252t/m
（1.8+1）=1.4t/m
1.主缆
由以上数据可知：
2.5251252+1.4=3.9251252t/m
1.05+0.25×
1=1.30t/m
1.2
1.4
=6.53t/m
主缆的水平拉力：
其中：
为桥梁的等量跨径，为544m；
为桥梁的等量垂度，为54.4m。
主缆的拉力为：
依据规公式：
为安全系数，取2.5；
为高强钢丝的公称抗拉强度，取1670MPa。
则主缆的横截面面积：
取单丝直径为
5.10mm,断面积为20.42mm2,单股丝数为127丝，净截面积为25.93cm2。
单缆股数为33股，净截面积0.080385075m2,主缆外径为0.36m,空隙率为19%。
2.吊杆
对于标准梁段的标准吊杆：
为安全系数，取4.0；
则吊杆的横截面面积：
5.10mm,断面积为20.42mm2,吊杆的丝数为2×
31丝，净截面积为0.0012659067m2，采用双吊杆形式。
建立模型时简化为单吊杆，吊杆外径取为0.05m。
对于端梁段的边吊杆，适当予以加大，采用2×
37丝，材料与规格同上。
3.主塔
主塔截面为带圆弧倒角的箱型截面，采用等截面形式，顺桥向4.5m，横桥向3.2m，壁厚0.8m，材料选用C50混凝土。
4.横系梁
上下横系梁截面为箱型截面。
上横系梁高4.0m，宽2.5m，壁厚0.5m，下横系梁高5.0m，宽4.0m，壁厚0.6m，材料均选用C50混凝土。
5.加劲梁
截面形式为扁平流线型钢箱梁，顶板厚14mm，底板和斜腹板厚12mm，材料选用Q345D。
全桥主要构件材料参数见表3.1所示：
表3.1材料参数
名称
材料类型
弹性模量E（1011N/m2）
面积A（m2）
惯性矩I（m4）
容重W（kN/m3）
主缆
镀锌钢丝
2.09
0.08557
80.05
吊杆
0.0013/0.0015
加劲梁
Q345D
2.1
0.607（带纵肋）
0.585
83
主塔
C50砼
0.35
9.76
10.3735
25
3.3.2模型结构的组成
一般将悬索桥模型简化为空间杆系结构模式。
主梁由于采用了钢箱梁截面，故截面形式选择单主梁模式较合理。
当然，也可以用实体单元、壳单元等来仿真实际的结构，但这种方法工作量太大，往往导致过于注重细节而忽视大局。
无论采用怎样的计算模型，与实际结构都有一定的差异，由此带来模型误差。
建模时应抓住主要矛盾，忽略次要因素的影响，尽量减少模型误差。
全桥有限元模型包含4个桁架单元,136个索单元，65个梁单元，211个节点。
结构各构件的模型特点描述如下：
（1）钢箱梁：
考虑到钢箱梁的截面比较复杂，故根据受力特点进行简化模拟。
箱梁的顶板、底板以及顶底板纵向加劲肋（沿桥纵向是贯通的）提供了主要的抗弯刚度。
抗剪主要由腹板承担。
考虑到横隔板的布置特点（沿桥纵向不是贯通的）和功能（改善局部受力），认为它不参与结构整体受力，但需计入自身重量，这可以通过相应修改钢材容重得以实现（表3.1中的加劲梁的容重取83kN/m3就是为了模型建立的需要，因为程序是根据输入的面积和容重自动计算出自重，由于导入的界面面积介于拟定面积的1.0～1.5，故需要通过计算求出与输入面积匹配的容重，使其乘积等于钢箱梁的总重，这也是建模中利用建模助手得出大致线形修改后，运行悬索桥精确分析找到精确线形的需要）。
所以，钢箱梁的整体受力考虑了面板、底板、纵向加劲肋以及腹板，不计入横隔板的刚度贡献，但它自身的总量不可忽略。
为了较准确的计算钢箱梁的截面特性，使用
自带的截面特性计算器，该工具具有自定义任意界面的功能，可以自动计算抗弯惯性矩、净截面积、质心等截面参数。
这里需要注意是，钢箱梁为薄壁闭口结构，故在
的截面特性计算中对闭合部分一定使用
—
先在
中用线段画出钢箱梁各部分，此时不用画出厚度，将它保存为
文件，再从
的
中导入该文件，最后指定各个部件的厚度并计算截面几何特性（图3.3）。
考虑到结构受力，空间布缆以及后期施工阶段吊装和模拟的方便，钢箱梁的分段为4m（端节段）+16×
16m（标准段）+12m（端节段）一段。
箱梁的尺寸为：
桥轴线处箱净高2.25m，桥面板做成1.5%的双向横坡，满足排水的要求，梁全宽16.3mm。
桥面板厚14mm，底板与斜腹板厚度为12mm。
图3.3钢箱梁截面特性计算
（2）主缆及吊索：
采用
的只受拉索单元。
吊索间距为9,328，12m，吊索与主缆连接处共用节点。
吊索与钢箱梁通过梁两端伸出的刚臂相连接。
（3）门字形索塔：
由于混凝土索塔是等截面的箱型，故采用等截面里的箱型截面自定义索塔截面即可。
3.3.3模型边界条件的模拟
睿江大桥的结构体系是独塔单跨地锚式悬索桥，加劲梁一端是支承在桥塔横梁上，另一端是支承在陆地上。
建模过程中，在桥塔与钢箱梁的连接处，除了竖向支座，还考虑了加劲梁横向抗风的需要设置了抗风支座。
抗风支座及竖向支座采用弹性连
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