金塘大桥设计指南大桥院外.docx
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金塘大桥设计指南大桥院外
舟山大陆连岛工程金塘大桥
第二合同段设计指南
中铁大桥勘测设计院
二○○四年五月
1.总则…………………………………………………………………2
2.设计规范及主要技术标准…………………………………………4
3．荷载…………………………………………………………………7
4．材料…………………………………………………………………16
5．预应力混凝土箱梁设计……………………………………………18
6．下部结构设计………………………………………………………19
7．耐久性设计…………………………………………………………21
1.总则
1.1编制目的
金塘大桥自金塘岛沥港镇，横跨灰鳖洋，至镇海新洪口，连接金塘岛与宁波市，是舟山大陆连岛工程中规模最大、至关重要的一座跨海大桥，它的建设将有利于浙江省公路主骨架和宁波～舟山港口一体化的尽早形成。
本桥工程规模浩大、自然条件复杂、施工组织要求严密系统、结构耐久性要求标准高。
第二设计合同段设计范围为主通航孔桥终点至镇海侧跨海大桥终点，包括西通航孔桥、非通航孔桥、浅滩区引桥、镇海侧引桥，全长约15.7km。
基于金塘大桥的技术难度和工程规模，受现有规范和标准的局限性、适用性限制，为保证设计切合实际，并做到安全合理，在执行现行规范和标准的基础上，参考国内外有关规范和标准，借鉴目前国内正在兴建的两座跨海大桥（东海大桥和杭州湾大桥）的经验，结合本项目有关专题和科研成果，在设计过程中逐步形成本合同段的设计指南，作为本合同段设计中最直接的技术指导性文件和设计依据。
1.2适用范围
本设计指南仅描述与本工程特点或有特殊要求的有关技术条款，其通用性的技术条款按照现行规范执行。
本设计指南仅适用于金塘大桥第二合同段施工图设计，在施工过程中如个别参数难以达到设计要求，经多方论证后可适当调整。
1.3总体设计原则
本合同段的总体设计原则如下：
⑴全面贯彻“实用、经济、安全、美观”的技术方针，结合金塘大桥特定的自然条件充分体现当今世界现代化桥梁建设的新理念、新技术、新水平，选用技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理、施工可行的桥型和结构方案，在此前提下力求有所创新，做到因地制宜。
⑵针对自然条件复杂的特点，有针对性地深入开展相应的专题研究工作，充分理解建设条件和工程特点，掌握可靠的基础资料，为设计、施工服务。
根据本桥特点，将大型化、工厂化的预制装配方案作为研究、确定大桥桥型方案的指导思想，有针对性地开发或引进海上作业的大型运输、起吊及安装设备。
⑶综合考虑航运、港口规划等条件，桥型方案选择和桥孔布置既要满足通航要求，又要考虑尽量减小船舶撞击桥梁的概率和降低建桥对有关方面的影响，处理好规模和投资、经济效益和社会效益、工程建设投资和工程养护投资等关系。
⑷重视景观设计，力求造型美观，总体上与周围环境协调，并体现金塘大桥特有的文化内涵。
⑸针对金塘大桥的特点，重视结构耐久性设计，并充分重视施工方案研究和施工组织设计。
2.设计规范及主要技术标准
2.1设计规范
2.1.1设计遵守的主要规范
（1）《公路工程技术标准》（JTJ001-97）（暂执行）
（2）《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）
（3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-89）
（4）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）
（5）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）
（6）《公路斜拉桥设计规范》（JTJ027-96）
（7）《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）
（8）《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ012-94）
（9）《公路路基设计规范》（JTJ013-95）
（10）《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97）
（11）《公路排水设计规范》（JTJ018-97）
（12）《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）
（13）《高速公路交通安全设施及施工技术规范》（JTJ074-94）
（14）《港口工程预应力混凝土大直径管桩设计与施工规程》（JTJ261-97）
（15）《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）
（16）《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）局部修订（桩的水平承载力计算）
2.1.2设计参考的主要规范
（1）英国BS5400《钢桥、混凝土桥及结合桥》
（2）美国AASHTO《美国公路桥梁设计规范》1994
（3）《公路桥梁抗风设计指南》（人民交通出版社）
（4）《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规定》（JTJ275-2000）
（5）《海港工程钢结构防腐蚀技术规定》（JTJ230-89）
2.2主要技术标准
⑴道路等级：
高速公路
⑵行车道数：
双向四车道
⑶计算行车速度：
80km/h
⑷行车道宽度：
2×2×3.75m
⑸路线宽度：
路基宽度为23.5m，路桥同宽，见图2-1。
图2-1桥梁标准横断面
⑹最大纵坡：
跨海大桥≤3%，接线≤5%
⑺桥面横坡：
2%
⑻设计荷载：
汽车—超20级，挂车—120
⑼地震基本烈度为Ⅶ度
⑽跨海大桥设计水位，见表2-1：
（1985国家高程基准）
表2-1跨海大桥设计水位
项目
重现期（a.）
20
50
100
300
设计年极值高水位（m）
3.32
3.62
3.87
4.33
设计年极值低水位（m）
-2.21
-2.31
-2.38
-2.53
⑾设计通航水位，见表2-2：
（1985国家高程基准）
表2-2设计通航水位
潮位站
设计最高通航水位（m）
（历史实测最高水位）
设计最低通航水位（m）
（理论最低潮面）
镇海
3.28
-1.59
⑿跨海大桥设计高潮位频率：
1/300
⒀通航净空，见表2-3：
表2-3通航净空
通航孔名称
代表船型
航道类型
通航净空尺度（m）
净宽
净高
主通航孔
3万吨级散货船
双向
544
51
主通航孔边孔
1千吨级海轮
单向
109
25.5
东通航孔
3000吨级油船
单向
121
28.5
西通航孔
500吨级杂货船
双向
126
17
⒁船撞力，见表2-4：
表2-4船撞力
通航孔类别
代表船型（t）
桥墩
建议桥墩防撞力
（MN）
消能设施后防撞力（MN）
横桥向
顺桥向
横桥向
顺桥向
西通航孔
500
主墩
10.15
5.08
7.11
3.56
西通航孔
500
边墩
4.3
2.15
非通航孔
小型船舶
桥墩
2
1
3.荷载
3.1荷载取值
3.1.1设计荷载类型
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-1989）的规定，设计中应充分考虑表3-1所列荷载，施工荷载和需要考虑的特殊荷载在有关部分另行规定。
表3-1设计应考虑的荷载
编号
分类
名称
代号
1
永久荷载（恒载）
结构重力
2
预加应力
3
土的重力及土侧压力
4
混凝土收缩、徐变影响力
5
水浮力
6
基础变位
7
可变荷载
基本可变荷载
（活载）
汽车
8
汽车冲击力
9
汽车引起的土侧压力
10
人群
11
挂车
12
挂车引起的土侧压力
13
其他可
变荷载
风力
14
汽车制动力
15
流水压力
16
波浪力
17
温度影响力
18
支座摩阻力
19
偶然荷载
船舶撞击力
20
地震力
21
施工荷载
3.1.2永久荷载
⑴结构重力
结构重力包括结构物自重及附着于结构物的附属部分，其计算方法根据现行规范。
①主体结构：
预应力混凝土容重：
26.25kN/m3、钢筋混凝土容重：
25kN/m3、沥青混凝土容重：
23kN/m3、钢材容重：
78.5kN/m3、特殊材料的密度通过试验或根据材料供应商提供的数据确定。
②二期恒载：
考虑铺装方案在进一步研究中，混凝土结构的桥面铺装暂按6cm混凝土＋8cm沥青混凝土厚度计算重量，荷载集度按58kN/m计算（单幅桥）。
二期恒载集度均已考虑护栏及过桥管线重量，护栏采用混凝土护栏。
⑵预加应力
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-1989）的第2.2.2条的规定计算。
其中预应力钢束与管道的摩阻系数：
0.155（可根据不同管道按实际试验取值）；
预应力管道偏差系数：
0.0015；
预应力钢束松弛率：
0.035；
一端锚具变形、钢束回缩及垫板压密值：
6mm；
⑶土的重力及土侧压力
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-1989）的第2.2.3条的规定计算。
⑷混凝土收缩、徐变影响力
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-1989）的第2.2.4条的规定计算，或按其他可靠的方法进行计算。
⑸水浮力
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-1989）的第2.2.6条的规定计算。
⑹基础变位
①西通航孔桥
按主墩和边墩出现1.5cm不均匀沉降考虑。
②引桥
50m及以上跨度引桥按每联有两墩出现1.0cm不均匀沉降计算，50m以下跨度引桥按每联有两墩出现0.5cm不均匀沉降计算。
3.1.3基本可变荷载
⑴汽车
汽车荷载采用汽—超20级，其主要技术指标、排列及其折减系数按照《公路工程技术标准》（JTJ001—1997）进行。
桥梁单幅宽11.5m，为二车道+紧急停车带，横向按三车道布置，横向折减系数0.78，偏载系数1.10。
⑵汽车冲击力
汽车荷载的冲击力为汽车荷载乘以冲击系数。
总体静力计算的冲击系数按照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—1989）的规定计算。
⑶汽车引起的土侧压力
按照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—1989）的规定计算。
⑷挂车
挂车荷载采用挂—120，其主要技术指标、排列按照《公路工程技术标准》（JTJ001—1997）进行。
⑸挂车引起的土侧压力
按照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—1989）的规定计算。
3.1.4其他可变荷载
⑴风荷载计算
风力遵照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021－89）执行，基本风压按W0=V2/1.6计算，设计风速按以下情况取值：
①与运营活载组合时，设计风速V=30.0m/s；
②成桥状态，只与恒载组合，按1%频率取值，其基本风速V10=42.3m/s；
③施工状态，根据规范，基本风速采用10年重现期的风速V10=42.3×0.84=35.53m/s。
⑵汽车制动力
汽车制动力按下式计算：
FZ＝0.05ηnW
式中：
η：
汽车荷载的纵向折减系数
n：
设计车道数
W：
桥梁计算长度内一个设计车道内车道荷载的总重力
汽车制动力的着力点、分配按照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—1989）的规定计算。
⑶流水压力
按照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—1989）第2.3.10条的规定计算。
设计流速是桥梁结构安全设计参数，桥址区水域水流主要为潮流，此外，风生流、波流对水流也有影响。
工程可行性研究阶段，桥址区水域不同重现期设计流速采用实测最大潮流、余流、风生流和波流线性叠加进行计算。
本阶段，又运用实测流速与潮差相关分析及数模计算的方法，计算结果表明：
三种方法计算成果较为接近，考虑到数模计算同时反映了大范围流场与局部地形的影响，建议本阶段采用数模计算成果。
计算成果详见下表3-2。
表3-2桥位断面各水文测点涨、落垂线平均最大流速（单位：
m/s）
重现期（年）
镇海潮差
垂线平均最大流速
断面平均
1
2
3
4
5
6
7
8
流速和潮差相关分析
300年
4
涨潮
1.84
2.43
2.03
2.71
1.90
2.21
1.51
1.82
2.05
落潮
3.50
3.15
2.96
3.17
2.77
2.49
2.53
2.11
2.84
100年
3.91
涨潮
1.81
2.38
2.00
2.65
1.88
2.17
1.49
1.80
2.02
落潮
3.41
3.08
2.90
3.10
2.72
2.44
2.48
2.07
2.77
50年
3.84
涨潮
1.79
2.35
1.97
2.60
1.86
2.15
1.47
1.78
2.00
落潮
3.35
3.02
2.85
3.04
2.68
2.40
2.43
2.04
2.73
20年
3.75
涨潮
1.77
2.30
1.95
2.54
1.84
2.11
1.45
1.76
1.96
落潮
3.26
2.95
2.79
2.97
2.62
2.36
2.38
2.01
2.67
10年
3.67
涨潮
1.75
2.26
1.92
2.48
1.82
2.08
1.43
1.74
1.94
落潮
3.18
2.88
2.73
2.91
2.58
2.31
2.33
1.98
2.61
调和分析
300年
涨潮
2.39
2.40
2.64
2.59
2.65
2.49
2.10
2.35
2.45
落潮
2.96
2.70
2.73
2.59
3.00
2.42
2.31
2.35
2.63
100年
涨潮
2.33
2.33
2.58
2.53
2.58
2.43
2.03
2.28
2.39
落潮
2.91
2.65
2.68
2.54
2.95
2.37
2.26
2.30
2.58
50年
涨潮
2.27
2.27
2.52
2.47
2.52
2.37
1.97
2.22
2.33
落潮
2.88
2.61
2.65
2.51
2.92
2.34
2.23
2.27
2.55
20年
涨潮
2.19
2.20
2.44
2.39
2.45
2.29
1.90
2.15
2.25
落潮
2.83
2.57
2.60
2.46
2.87
2.29
2.18
2.22
2.50
数模计算
300年
涨潮
2.29
2.54
2.45
2.34
2.12
1.97
2.00
2.10
2.23
落潮
3.06
3.12
2.94
2.84
2.72
2.57
2.41
2.24
2.74
100年
涨潮
2.35
2.55
2.42
2.29
2.09
1.94
1.96
2.05
2.21
落潮
3.06
3.03
2.86
2.76
2.63
2.47
2.31
2.13
2.66
50年
涨潮
2.31
2.50
2.38
2.24
2.04
1.89
1.92
2.01
2.16
落潮
2.98
2.96
2.79
2.70
2.57
2.41
2.25
2.08
2.59
10年
涨潮
2.25
2.43
2.31
2.19
2.01
1.87
1.90
1.99
2.12
落潮
2.90
2.87
2.72
2.64
2.51
2.35
2.20
2.04
2.53
结构分析时，施工阶段取10%频率、成桥阶段取1%频率的流速。
⑷波浪力
波浪力按《海港水文规范》（JTJ213－98）第8.3条计算。
外海波要素主要采用大戢山海洋站实测波浪资料，局地风成浪根据滩浒海洋站的设计风速，分别按交通部“海港水文规范”规定的方法进行计算。
计算成果详见下表3-3。
表3-3桥区偏N向设计波浪要素成果表
站号
重现期（年）
H1%（m）
T（s）
L（m）
1
100
5.16
7.34
80.94
4
100
6.26
7.34
68.81
8
100
6.11
7.29
66.38
注：
设计波浪要素推算时采用的计算水位的重现期与波浪相同。
桥墩基础设计波浪力可按照《海港水文规范》以及相关规范进行计算。
设计标准：
与风荷载组合计算时采用100年一遇；与活载及温度力组合时采用20年一遇。
图3-1桥址区水文测点及大潮流矢图
⑸桥墩冲刷
按“公路工程水文勘测设计规范（JTGC30-2002）”有关冲刷公式进行分析计算，并采用美国运输部联邦公路管理局《桥梁冲刷评价手册》第四版（2001年5月）检算，计算中未计潮流双向流的影响。
其结果详见表3-4：
表3-4金塘大桥冲刷计算成果表
编号
墩号
位置
跨径
流速
床面高程（m）
一般冲刷后高程（m）
局部冲刷后高程（m）（规范）
局部冲刷后高程（m）（美）
1
E1~E10
水中非通航孔
60
3.12
-10.80
-12.10
-25.79
-22.43
2
E11~E20
水中非通航孔
60
3.12
-10.80
-12.10
-19.27
-20.95
3
E21~E50
水中非通航孔
60
2.94
-10.20
-11.50
-20.20
-19.62
4
E51~E90
水中非通航孔
60
2.84
-10.13
-11.80
-19.06
-19.40
5
E91~E125
水中非通航孔
60
3.00
-9.89
-11.30
-16.89
-19.35
6
E126~E144
水中非通航孔
60
2.57
-9.74
-11.00
-19.24
-18.58
7
E145~E149
水中非通航孔
60
2.57
-8.00
-9.30
-14.93
-17.74
8
F1、F4
西通航孔（500吨级）
87
2.57
-7.46
-8.60
-16.50
-19.40
9
F2、F3
西通航孔（500吨级）
156
2.57
-7.46
-8.46
-16.31
-22.45
10
G1~G5
水中非通航孔
60
2.57
-7.46
-8.46
-14.20
-17.12
11
G6~G40
水中非通航孔
60
2.41
-6.87
-7.87
-14.98
-17.67
12
G41~G70
水中非通航孔
60
2.35
-5.38
-7.10
-12.89
-15.76
13
H1~H8
水中非通航孔
48
1.20
-4.71
-5.50
-10.71
-9.62
⑹温度影响力
①材料的线膨胀系数按照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—1989）的规定取用。
②体系温差
当地最高气温38.5℃，最低气温-6.6℃，1月份平均气温5.3℃，7月份平均气温27.8℃，设计合拢温度为15±5℃。
混凝土结构体系升温为18℃；降温为15℃。
③日照温差
参照有关规范取值。
⑹支座摩阻力
支座摩阻力按作用于支座上的竖向力乘以支座的摩擦系数计算；盆式活动支座的摩擦系数为0.05，板式活动支座（聚四氟乙烯板与不锈钢板）摩擦系数为0.06；特殊支座的摩擦系数参考供应商根据可靠试验提供的数据确定。
支座摩阻力应与墩顶的温度力与制动力之和进行比较，取小值控制设计。
3.1.5偶然荷载
⑴船舶撞击力，见表3-5
表3-5船撞力
通航孔类别
代表船型（t）
桥墩
建议桥墩防撞力
（MN）
消能设施后防撞力（MN）
横桥向
顺桥向
横桥向
顺桥向
西通航孔
500
主墩
10.15
5.08
7.11
3.56
西通航孔
500
边墩
4.3
2.15
非通航孔
小型船舶
桥墩
2
1
⑵地震作用（荷载）
桥梁结构地震响应采用反应谱理论进行分析，反应谱法采用《舟山大陆连岛工程工程场地地震安全性评价》（2003年12月）中提供的该桥场址基岩规准水平加速度反应谱：
计算结构的地震响应（内力）时，水平地震系数Kh=0.082，竖向地震系数Kv=0.055，并考虑两种组合：
①水平纵向0.082g+竖直向0.055g
②水平横向0.082g+竖直向0.055g
计算结构的地震响应（位移）时，水平地震系数Kh=0.166，竖向地震系数Kv=0.11，并考虑两种组合：
①水平纵向0.166g+竖直向0.11g
②水平横向0.166g+竖直向0.11g
在地震响应反应谱分析中，取前50阶反应组合，组合方法采用SRSS法。
3.1.6施工荷载
根据不同的施工验算另行确定。
3.2荷载组合
荷载组合原则上根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-1989）进行，并应根据不同的验算状态和荷载组合确定匹配的荷载系数。
3.2.1上部结构计算荷载组合
⑴纵向计算荷载组合：
Ⅰ．恒载＋汽－超20＋支座沉降
Ⅱ．恒载＋汽－超20＋支座沉降＋体系正温差＋顶板升温＋制动力
Ⅲ．恒载＋汽－超20＋支座沉降＋体系正温差＋顶板降温＋制动力
Ⅳ．恒载＋汽－超20＋支座沉降＋体系负温差＋顶板升温＋制动力
Ⅴ．恒载＋汽－超20＋支座沉降＋体系负温差＋顶板降温＋制动力
Ⅵ．恒载＋挂－120＋支座沉降
注：
其中组合Ⅰ为主力组合；组合Ⅱ～Ⅴ为主力+附加力组合；组合Ⅵ为验算组合。
⑵横向计算荷载组合：
箱梁桥面板横向按部分预应力混凝土构件设计,箱梁腹板及底板横向按混凝土构件设计。
主梁横向计算工况组合如下:
Ⅰ．恒载+汽-超20
Ⅱ．恒载+汽-超20+箱内外温差+日照温差
Ⅲ．恒载+挂-120
注：
其中组合Ⅰ、Ⅲ为主力组合；组合Ⅱ为主力+附加力组合。
3.2.2下部结构计算荷载组合
Ⅰ．恒载＋基础沉降＋汽－超20
Ⅱ．恒载＋基础沉降＋汽－超20＋支座摩阻力（温度力＋制动力）＋有车风力
Ⅲ．恒载＋基础沉降＋无车风力＋100年一遇波流力（横向）
Ⅳ．恒载＋基础沉降＋汽－超20＋有车风力＋100年一遇波流力（横向）
Ⅴ．恒载＋基础沉降＋汽－超20＋有车风力＋100年一遇波流力（与桥轴线45度夹角）
Ⅵ．恒载+活载+基础沉降+船撞力
Ⅶ．恒载+基础沉降+地震力
4.材料
4.1混凝土
混凝土的技术指标按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-1985）和《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）的规定采用，各部位混凝土采用的等级及主要力学性能指标摘录于表4-1。
表4-1混凝土材料性能表
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