合肥市南淝河大桥设计(斜拉桥方案)土木工程专业毕业设计毕业论文.doc

土木与水利工程学院07级土木工程专业（交通土建方向） 毕业设计计算书合肥市南淝河大桥设计(斜拉桥方案六)摘要：本设计根据设计任务要求,依据现行公路桥梁设计规范,经过初步分析，提出了预应力混凝土矮塔斜拉桥、预应力混凝土连续梁桥两个比选桥型。综合各方案的优缺点，把预应力混凝土矮塔斜拉桥作为推荐设计方案。进行结构细部尺寸拟定，并利用Midas civil 2010建模，进行静活载内力计算、配筋设计及控制截面应力验算、变形验算等。经计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：预应力混凝土 矮塔斜拉桥 结构分析 819836684Abstract：According to the design assignment and the present Highway Bridge Specifications, after preliminary analysis, two types of bridge are presented, they are Prestressed concrete Low tower cable-stayed bridge and prestressed concrete continuous beam bridge. After comparing their characters comprehensively, the Prestressed concrete Low tower cable-stayed bridge are selected as the main design scheme for further analysis. Through create model and run structural analysis, get the effect in the action of dead load, live load,and then calculate the effect in the beam for designing prestressed steel and the checking computation of key section intension, stress, living load distortion, The conclusion can be drawn that the design is up to the assignment.Key word: prestressed concrete；Prestressed concrete Low tower cable-stayed bridge； structure analysis .1 绪论1.1设计资料1.1.1工程背景（概况）：本项目位于规划中的环巢湖道路跨南淝河处，是滨湖新区、巢湖之间连接的重要通道，它的建设对于“合肥经济圈”环湖路发展以及合肥滨湖新城具有重要意义。1.1.2技术标准1）道路等级：公路级2）计算行车速度：60km/h3）设计荷载：汽车：公路-级，人群：2.5kN/m4）桥梁设计基准期：100年5）桥面宽度布置为：主桥：全宽20米，半幅布置：0.25米（护栏）+2米（人行道）+7.5米（机动车道）+0.25米（黄线分隔带）；6）环境类别：除桩基础采用类环境外，其余均采用类环境；7）桥面铺装：10cm厚C40防水混凝土+防水层+10cm厚沥青混凝土8）防洪等级：河道内采用300年一遇洪水位12.61米（即规划大堤堤顶高程），河道外引桥采用百年一遇洪水位10.85米；9）通航标准：航道等级：限制性航道级；通航净空：通航净宽60米，净高：8米；通航水位：10.62米（20年一遇）；最低通航水位：5.4米（98%保证率）；10）地震基本烈度7度，地震动峰值加速度0.1g，本桥按8度设防；11）高程系统：黄海高程基准（地形图中标高为吴淞高程系统与黄海高程系统高程差常数-1.888米）；坐标系统：北京54坐标系统，中央子午线117度。1.1.3气象水文1）气候桥位区气候属于亚热带湿润气候区，冬冷夏热，春秋温和，季节变化显著。区内年平均气温15C，极端最高温度41.0C（1959年8月26日），极端最低温度-20C（1955年1月6日）；多年平均降雨量989.3mm，降水在全年中分配不均。58月降水量较大，约占全年降水量的5560%，1112月降水量最少。多年平均蒸发量1459.44mm，68月蒸发量最强，122月蒸发量最弱。桥位区内降水具有降水量较大， 降水延续时间长，短时间降水强度大等特征。本区暴雨和夏季高温炎热气候对公路建设和营运带来不利影响。2）河流流域情况南淝河古称施水，源于江淮分水岭大潜山余脉长岗（地面高程72米）南麓。东南向流，至夏大郢进入董铺水库，于大杨店南出库后，穿亳州路桥，经合肥市区左纳四里河、板桥河来水，穿屯溪路桥至河上口左纳二十埠河来水，至三汊河左纳店埠河来水，折西南流，于施口注入巢湖，全长70公里，流域面积1464平方公里。桥址处常年平均枯水位为6.31米。设计中采用7.31米为施工水位。3）航运、航道桥址处南淝河河道，航道等级为限制性航道级（高8米，宽60米），河底标高3.5米。底宽45米，设计边坡1：3。本桥在桥跨布置，承台标高的设置上均充分考虑了通航要求。船舶撞击力为：横桥向800kN、顺桥向650kN。1.1.4工程地质1）地质构造桥位区位于我国东部一个颇为特殊的构造部位，从结构上看，处于新华夏第二隆起带和秦岭 纬向构造带，淮阳山字形东翼前弧的复合部位；从组成看处于华北、扬子两个地史发展特点不同的地块交接部位。本区包括滁巢隆起的南段，淮阳地盾的北缘及合肥凹陷的东南部分。2）底层桥位区底层属于华北底层区鲁西地层分区的长丰小区，底层较为简单，构成基底最古老的为太古界霍邱群，其上为巨厚的第三系覆盖。由于进入第四纪晚更新世以后，区内接受沉积为主，致使工程区内大部分为第四系全新统所覆盖。本次钻探所揭露上覆地层为第四系全新统冲击层（Q4a1），岩性主要为流塑软塑状态软土，可塑硬塑状态粉质粘土、粘土，稍密密实状态粉土，松散中密状态粉细砂和中粗砂层。下层基岩大部分隐伏于地表以下，岩性主要为第三系定远群（Eldn）泥质粉砂层。3）断裂区内主要断裂有：肥中断裂、六安合肥断裂、肥西韩摆渡断裂、合肥千人桥隐伏断裂、西山驿白石山断裂、清水涧塔子山断裂及古河散兵断裂。桥位附近无断裂经过，区域构造稳定性良好。4）地震本区属于地震中等活动区。有史记载以来，区内发生5.0级的地震有三次，据2001年8月1日实施的中华人民共和国国家标准中国地震动参数区划图（GB18306-2001），本场地地震峰值加速度分区属于0.10g（相当于原地震基本烈度度），对应抗震设防烈度7度。本桥按8度设防。1.1.5主要材料1）混凝土混凝土标号采用部位不低于C50混凝土主梁、主塔不低于C40混凝土桥墩、台盖梁；敦柱不低于C30混凝土桥墩、台承台、系梁不低于C30水下混凝土桥墩桩基混凝土技术标准应符合公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）以及公路桥梁施工技术规范（JTJ0412000）的规定。2）普通钢材采用R235、HRB335、HRB400级钢筋及钢筋焊接网，其技术标准应分别符合钢筋混凝土热轧光圆钢筋（GB1499.12008）、钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（GB1499.22007）、钢筋混凝土用焊接钢筋网（YB/T0761997）的规定。3）预应力钢绞线纵、横向预应力钢绞线应符合预应力混凝土用钢绞线（GB/T52242003）的规定，单根钢绞线直径为15.2mm，公称面积Ay=140，标准强度fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.951MPa。4）斜拉索斜拉索采用高强度低松弛镀锌钢绞线，钢绞线的标准强度fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95105MPa；斜拉索在主塔内通过矩形鞍座来实现在其塔内锚固，为实现单根更换斜拉索内钢绞线目的。锚具必须采用与钢绞线对应厂家配套产品，斜拉索张拉端在主梁内。5）其它所有材料必须具有国家技术质量监督部门确认的产品质量认证，出厂合格证明。钢材焊接应采用符合要求的焊条或焊丝。支座预埋钢板采用Q235C钢板，应符合碳素结构钢（GB/T7002006）的规定。支座采用球形钢支座，建议优先采用减震型球形钢支座，应符合球形支座技术条件（GB/T179552000）的规定，同时应满足设计有关要求，伸缩装置应符合公路桥梁伸缩装置行业标准，防水层应采用可靠的高性能防水材料。1.1.6附件（图）1）南淝河大桥桥位平面图2）南淝河大桥桥位地质纵断面图3）南淝河大桥总体布置图（仅作参考）1.2 收集的资料及主要参考文献1.2.1设计规范1）公路工程技术标准（JTG B01-2003）. 人民交通出版社，2003.2）公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）. 人民交通出版社，2004.3）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）. 人民交通出版社，2004.4）公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）.人民交通出版社，2005.5）公路桥梁抗震设计细则（JTGTB02-01-2008）6）公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D40-2004）7）冷轧带肋钢筋（GB 137882008）8）预应力混凝土用钢绞线（GB/T 52242003）9）公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范（JTG/T B07012006）10）公路交通安全设计规范（JTG D812006）11）公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ 02586）12）钢结构设计规范（GB50017-2003）13）公路桥涵施工技术规范（JTJ0412000）14）城市桥梁养护技术规范（CJJ992003 J2812003）15）城市桥梁设计准则（CJJ11-93）16）内河通航标准（GB501392004）17）公路斜拉桥设计细则（JTGT D65012007）18）公路桥梁抗风设计规范（JTG/T D60012004）1.2.2参考书1）桥梁工程 教材2）结构设计原理 教材3）路基路面工程 教材4）公路勘测设计 教材5）公路桥涵设计手册 拱桥（上、下），梁桥（上、下），墩台与基础，人民交通出版社1994。6）斜拉桥设计1.2.3参考图集公路桥涵设计标准图；2 比选方案2.1方案构思根据地形地质情况、交通量和排洪要求以及通航要求，本设计除了要考虑公路桥涵设计要求的技术先进，安全可靠，适用耐久，经济合理外，还要充分考虑景观要求。拟定了以下两个比选方案：1）连续梁桥方案 图2.1 连续梁桥方案a) 主跨径的拟定：主跨拟定为100m,边跨采用0.6倍的中跨径，即60m。桥梁全长为60+100+60=220m,如图1 所示b) 顺桥向梁的尺寸拟定墩顶处梁高取L/20，即5.0m。跨中梁高取L/40，即2.5m。梁底采用线性过渡。c) 截面尺寸如下图2所示图2.2 连续梁桥截面1）矮塔斜拉桥方案 图2.3矮塔斜拉桥方案a) 主跨径的拟定：主跨拟定为130m,边跨采用0.58倍的中跨径，即75m。桥梁全长为75+130+75=280m,如图3 所示b) 顺桥向梁的尺寸拟定墩顶处梁高取L/20，即5.0m。跨中梁高取L/40，即2.5m。梁底采用线性过渡。c) 截面尺寸如下图2所示图2.4 斜拉桥截面2.2 方案比选2.2.1连续梁桥方案 连续体系由于支点负弯矩的存在，使跨中正弯矩显著减少。与简支体系相比较，连续体系可以减小主梁的高度，从而降低结构自重，并且这本身又减小了恒载内力；另外，连续体系在桥墩上只需设置一排支座，这也相应减小了桥墩的尺寸；连续尺寸在运营条件上更是一大优势。然而由于连续梁桥是超静定体系，墩台基础的不均匀沉降会使梁内产生不利的附加内力，因而连续梁桥适合建在地基条件较好的地方；另外，连续梁桥在支点有负弯矩区段，梁上翼缘受拉，可能出现裂缝，若防水处理不好，雨水容易侵入。2.2.2矮塔斜拉桥方案兼有连续梁桥与斜拉桥的优点。与连续梁桥相比, 它有如下优点: ( 1)跨越能力较连续梁桥大。当中支点梁高相同时, 矮塔斜拉桥的跨度可比连续梁桥大1倍以上;( 2 ) 对于大跨度梁而言, 相同跨度的矮塔斜拉桥比连续梁桥经济。与斜拉桥相比, 它有如下优点: ( 1) 塔高较矮, 塔身结构简单, 施工方便; ( 2 ) 斜拉索应力变化幅度小, 可采用较高的应力, 一般情况下, 斜拉桥拉索的应力为标准强度的0.4 0.45 倍, 而部分斜拉桥可用至0.5 0. 6倍, 从而减少钢材用量; ( 3) 主梁抗弯刚度大, 可采用梁式桥施工方法, 无需象斜拉桥那样采用大型牵索挂篮, 极大地方便了施工; ( 4) 整体刚度大, 变形小, 尤其适用于荷载大、标准高的铁路桥梁。由于部分斜拉桥的这些优点, 就决定了其有独特的特点。2.3推荐方案综合考虑各方面因素 ，根据公路桥涵的设计要求：技术先进，安全可靠，适用耐久，经济合理，并考虑本桥与周围环境协调，选用预应力混凝土矮塔斜拉桥方案为推荐方案。图2.5 矮塔斜拉桥立面图3 主要材料3.1混凝土斜拉桥主梁C60混凝土索塔C50混凝土引桥预制箱梁、现浇接头、湿接缝C50混凝土混凝土调平层C40混凝土防护栏杆C40 混凝土墩冒、墩身、台帽、背墙、台身C50 混凝土桥头搭板C40 混凝土引桥承台、系梁及主引桥基桩C40混凝土表3.1 各部分所采用混凝土3.2斜拉索斜拉索采用250型系列钢绞线拉索及相应配套的模具，钢绞线应力幅不小于200MPa，钢绞线复合GB/T 5224-2003低松弛钢绞线的规定。3.3钢材预应力钢材：预应力钢绞线采用符合GB/T 5224-2003的规定，单根钢绞线公称直径为15.2mm，公称面积A=140mm2 ，标准强度fpk=1860Mpa，弹性模量Ep=1.95105Mpa。锚具采用钢绞线群锚。普通钢筋采用R235、HRB335钢筋，其技术标准应符合钢筋混凝土用焊接钢筋网（YB/T076-1997）、钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（GB1499.2-2007）和钢筋混凝土用热轧光圆钢筋（GB 1499.1-2008）的规定。3.4桥梁支座支座采用减震型球形钢支座，其标准应符合球形支座技术条件（GB/T17955-2000）的规定。3.5伸缩缝采用毛勒系列的组合式伸缩缝，其主要技术要求应符合公路桥梁伸缩缝装置（JT/T 327-2004）的标准规定。3.6桥面铺装桥面采用10cm厚C40防水混凝土+防水层+10cm厚沥青混凝土。4 斜拉桥的主体结构设计4.1设计步骤及结构体系4.1.1设计步骤（1） 拟定斜拉桥跨径组合，根据通航条件、地质条件等确定斜拉桥桥位。（2）参照以往成桥实例，依据规范要求，确定主梁、桥塔尺寸、拉索间距倾角等。 （3）设计比选方案。主要从力学性能、运营条件等方面分别进行比较。（4）成桥分析。通过Midas建模，计算拉索初拉力，以达到成桥阶段受力均匀，变形满足。（5）施工阶段分析。要求每一阶段都满足受力要求，变形要求。（6）PSC设计及复核。4.1.2结构体系斜拉桥是一个由索、塔、梁三种基本构件组成的组合结构，根据梁的支撑方式可分为连续梁、单悬臂梁、T形刚架及连续刚构等。按梁、塔、索三者结合方式，可组成四种不同的结构体系，即漂浮体系、支承体系、塔梁固结体系和刚构体系。本桥设计采用塔梁固结体系这种体系的优点是，减少塔墩弯曲和主梁中央段的轴向拉力。缺点是中孔满载时，主梁在墩顶处转角位移导致塔柱倾斜，显著增大主梁跨中挠度和边跨负弯矩；上部结构重力和活荷载反力都需由支座传给桥礅，这就需要设置很大吨位的支座。在中小跨径斜拉桥中，随着大吨位盆式橡胶支座的出现，简化了支座构造，为设计施工提供了很大的方便。在大跨径斜拉桥中，这种结构体系可能要设置上万吨级的支座，支座的设计制造及日后的养护、更换均较困难。4.2桥跨布置桥梁分跨及纵向布置一般遵循以下准则：桥梁孔跨的布置，除满足桥梁功能及其他条件的要求外，应使其总造价最低（当然，对于不同的桥长，应结合路基一起比较）。一般来说，地质越差则下部结构投资越大，就越采用较大的跨度，以减少支撑结构的工程量，从而节省投资，反之亦然。因此，桥梁孔跨布置往往表现为：引桥小于主桥，边跨小于中跨。斜拉桥边跨和中跨之比应注意满足其在悬臂施工其跨度应满足施工时对称T构对跨度的要求。同一区段内，桥梁的孔径和式样应力求统一；同一座桥梁，除通航和其他要求外，应尽量采用相同的结构并且等跨；对于跨度不超过50m的简支梁桥，其跨度应采用标准跨度。以达到标准施工，以达到经济效益。通航河流上，桥梁中线应与航线正交。当不能避免斜交时，应适当加大通航孔径。通航孔桥跨结构应高出桥下通航净空建筑限界。当然，桥跨结构不能伸进桥面行车/人建筑限界。通过设计洪水流量、桥跨结构高出设计洪水水位并有足够的富裕、其产生的冲刷系数小于容许值是桥梁孔径必须满足的条件之一，这是水文对桥梁的基本要求。由于不良地质的影响，墩台布置应遵循以下几点：墩台不应设在软硬不均匀的地基土上；墩台位置应避免断层、滑坡、挤压破碎带、石灰岩溶洞及溶沟、黄土陷穴与暗洞或局部软弱地基等不良地质处。根据以上准则，主桥布采用跨径75m+130m+75m预应力混凝土双塔双索面矮塔斜拉桥，塔梁固结体系，边中跨之比为0.5769，满足要求，桥塔采用双柱式。4.3主梁设计4.3.1矮塔斜拉桥主梁特点及分类4.3.1.1.矮塔斜拉桥主梁的设计特点主梁直接承受车辆荷载，是矮塔斜拉桥主要承重构件之一。由于受斜拉索的支撑作用，其受力性能不仅取决于自身的结构体系，同时与塔的刚度、梁塔连接方式、索的刚度和索形等密切相关，所以主梁设计必须综合考虑梁、塔、索三者之间的关系。4.3.1.2主梁的截面形式比较典型的截面形式有六种：（1） 板式截面形式：高跨比可以做的很小，比较适合双索面。（2） 双边肋式：构造简单，抗扭刚度小，但施工方便，仅适用于双索面，桥宽在30m以下。（3） 双边箱：比较适合双索面，此结构有效减轻了结构的自重，抗风性能好，外形美观，宜于双索面。（4） 单箱加斜撑式：适合于单索面，此结构采用斜腹板，可减少墩台尺寸，抗风性能好，结构抗弯扭性能优异，外观轻巧美观。（5） 单箱多室截面：适合于单、双索面。（6） 三角形箱形截面：抗扭刚度大，对抗风比较有利，适合于单双索面。4.3.2主梁形式本桥采用混凝土箱形主梁。4.3.2.1采用混凝土主梁的主要原因1）造价低，一般轻型的正交各向异性钢梁的重量（400kg/m2）约为混凝土上部构造（1600kg/m2 ）的1/4，但前者的造价比后者约大23倍。但对于跨径较大的斜拉桥当主跨大于500m时，混凝土主梁造价难以抵消由于混凝土自重大而导致拉索和基础费用的额外增值。由于本桥主跨仅130m，故采用混凝土主梁。2）刚度大挠度小。在汽车荷载作用下，产生的主要挠度约为类似结构的60左右。3）抗风稳定性好。这是由于混凝土结构振动衰减系数约为钢结构的两倍。4）后期养护比钢桥简单便宜。缺点是跨越能力不如钢结构大，施工速度不如钢结构快。但是本桥对跨越能力要求并不高，而且对施工进度方面并没有太苛刻的要求，故采用混凝土主梁。4.3.2.2采用箱梁的主要原因1） 抗扭刚度大，对抗风比较有利。2） 箱梁有效的减轻了结构的自重，抗风性能好，外形美观。4.3.3具体设计参数 图4.1 跨中截面 图4.2 支点截面主梁横断面采用抗扭刚度较大的箱型截面，为单箱双室截面，支点梁高5m，跨中梁高2.5m。梁高按线性过渡变化，箱梁顶宽24m，悬臂长2.65m，箱底宽18.7m。主梁顶板厚0.3m，底板厚0.31.0m。边腹板厚0.5m，中腹板厚0.6m。4.4 索塔设计索塔是通过斜拉索将上部结构的永久荷载、汽车荷载和人群荷载传递给墩、台及基础。索塔是承受并传递温度、风、水、冰、地震等自然外力的核心构件。索塔是突出显示斜拉桥景观效果的主体，对斜拉桥的整体美学效果起到至关重要的影响。索塔上的作用力除本身的自重引起的轴力外，还有拉索索力的垂直分力引起的轴向力、水平分力引起的弯矩和剪力。索塔设计应满足强度、刚度、稳定等使用要求，并充分考虑施工方便、造价低及造型美观等要求。4.4.1索塔基本型式从桥梁立面看，索塔有独柱式、A形和倒Y形等。从横桥向看，斜拉桥索塔形式有独柱式、双柱式、门式、斜腿门式、倒V式、宝石式、倒Y式等。4.4.2尺寸拟定4.4.2.1索塔选型本桥索塔采用单柱式。索塔的整体造型既需考虑受力需要，又要考虑景观设计的要求，并尽可能的方便施工。综合考虑各方面因素，本设计采用双塔双索面。4.4.2.2尺寸拟定和构造要求1、尺寸由规范的矮塔斜拉桥桥面以上塔高与跨径比易选用1/7.41/14，故得塔高H介于9.2917.57之间，本桥取塔高16m。桥塔采用矩形截面，顺桥向宽2.0m，横桥向2.0m，布置在人行道与机动车道之间。2、塔钢筋设计根据塔柱断面的受力情况，塔柱各部分采用不同配筋率配置竖向钢筋。塔柱竖向配置32的钢筋，水平向布置16的箍筋和拉结筋。为防止混凝土表面出现收缩裂缝，所有塔柱、横梁外侧面设置一层6的带肋防裂钢筋焊网。3、索锚固区锚固区位于塔柱中间部分，一个索塔上共有8对拉索，共四个索塔。为了提高结构的耐久性，增加预应力管道灌浆的密实度，所有的预应力管道均采用塑料波纹管成型，并采用真空辅助吸浆工艺进行压浆。塔身上部设有鞍座，以便拉索通过。每根拉索对应一个鞍座。主塔及鞍座构造见图纸。 4.5斜拉索设计4.5.1拉索纵向布置图4.3 拉索的纵向布置：a）竖琴形索.b）辐射形索.c）扇形索本桥为双塔双索面斜拉桥，斜拉索采用扇形布置，两索面相互平行，在主梁上的基本索距为6m，索塔上的基本索距为1m。4.5.2索的选择钢索作为斜拉索的主体，必须用高强度的钢筋、钢丝或钢绞线制作。其主要形有如下几种。 图4.4 a)钢筋索；b)钢丝索；c)钢绞线索； d）单股钢绞线； e)封闭式钢缆拉索体系由稀索向密索演变，拉索多采用镀锌高强钢丝平行索，也有 采用钢绞线斜拉索，国内外已有多个具有相当规模的斜拉索专门生产商，从下料编束、锚头制造、检测安装测试到斜拉索防护套制作的整个工艺已经流程化，给设计、施工带来了方便。目前，国内外斜拉桥的斜拉索多采用平行钢丝束拉索和平行钢绞线束拉索。钢丝束拉索由工厂制作，在工地安装，质量可靠，但跨径较大时，斜拉索质量较大，需要较大的吊装设备。钢绞线拉索在工地组装，可单根穿束，单根张拉，方便灵活。本桥斜拉索采用高强度低松弛镀锌钢绞线。钢绞线标准强度fpk=1670MPa，弹性模量Ep=1.95X105MPa。4.5.3拉索的下料长度斜拉索的下料长度是指拉索在设计温度下无应力状态的下料长度。下料长度的确定首先应计算每根拉索的长度基数L0，再对之进行若干项修正，如初拉力作用下的弹性伸长修正、初拉力作用下的垂度修正、锚具位置修正等。当下料时的温度与设计温度不一致时，还应考虑温度修正值。拉索在设计温度时的无应力下料长度计算公式（适用于冷铸锚具）为：式中，每根拉索的长度基数，是指该拉索上下两个索孔出口处在拉索完成后锚固面的空间距离；初拉力作用下的弹性伸长修正；初拉力作用下的拉索垂度修正；张拉端锚具位置修正，最终位置可设定螺母定位于锚杯前1/3处；锚固端锚具位置修正，可设定螺母定位于锚杯的1/2处；锚固板厚度；3为拉索两端所需要的钢丝镦头长度；为钢丝直径。4.5.4拉索的防护拉索是斜拉桥长期暴露的结构构件，因此必须针对侵蚀性环境的影响，特别是对腐蚀加以防护。工程实践中由于拉索的腐蚀而导致索修复和更换的例子并不鲜见。近年来，现代斜拉桥广泛采用了一些更为有效的防护措施，例如，钢丝镀锌，将钢丝或钢绞线用塑料材料（油脂、石蜡、弹性环氧产品等）包裹，每根绞线均设置管道等等。实际上常采用上述的综合防护措施，且都在工厂进行，既保证质量，又便于安装。1拉索管道除了封闭式拉索外，一般拉索均设置于钢制或塑料管道中，这在一定程度上防止了侵蚀性环境的影响。这种措施的有效性主要取决于拉索的类型和附加的防护措施，特别是灌入材料和包裹材料。2镀锌将钢丝浸入镀锌池，自动控制完成。3锚具防护管道和锚具之间连结构造必须防止水的流入或汇集，在关键部位的防水有不同的设施布置，见下图所示。4事故防护拉索设计必须考虑事故造成的危险，例如车辆撞击、火灾、爆炸和破坏等防护。为此应考虑：1）拉索下部2m范围内用钢管防护，生根于桥面并和拉索管道相接。2）钢管的尺寸（厚度、间距）和锚固区的加强要足以抵抗火灾和破坏的危险。3）锚固区要予以加强以抵抗车辆撞击。4）防护构件的替换不影响拉索本身，并尽可能的不影响交通。5. 拉索的减振暴露于大气中的拉索在风雨天会出现振动。原因与对策：气流在拉索的背风面生成卡门涡流，涡流激振的频率正好和拉索的自身的某一阶自振频率合拍，于是拉索受激产生上下振动，并形成驻波。由于不是所有拉索都同时出现风激频率和自振频率同步的情况，因此，同一座桥上的拉索有的振动，有的不振动。斜拉桥的桥面受风激出现上下振动，从而迫使全桥拉索振动。振动导致拉索根部出现反复挠曲，索中钢丝产生附加挠曲应力，加速了钢丝的疲劳，因此拉索的风振应加以防护。针对拉索的起振条件，只要将拉索自身的结构阻尼增加到某一程度，就可以使拉索不具备起振条件，从而防止拉索出现振动。常用方法是在拉索上设置阻尼支点。这种阻尼支点可以采用高阻尼粘弹性材料或粘性剪切型阻尼器来实施，也可以用油膜阻尼器实施。5 斜拉桥的附属工程设计5.1 桥面铺装桥面铺装是车轮直接作用的部分，主要有三项功能：一是防止车轮和履带直接磨耗桥面板，并保证桥面的平整度；二是保护主梁免受雨水侵蚀；三是分布车轮的集中荷载。为此，桥面铺装要满足抗车辙、抗滑、行车舒适、不透水等要求。就斜拉桥而言，桥面板有两种结构形式，即混凝土桥面板和钢桥面板。混凝土桥面板的桥面铺装可采用水泥混凝土和沥青混凝土等类型，并且在桥面板和铺装层之间设置有防水层。本桥所用铺装材料10cm厚C40防水混凝土+防水层+10cm厚沥青混凝土。5.2 桥梁护栏5.2.1桥梁护栏等级 为了保证行人和行车安全、保证道路的畅通、高速，在大桥上湿重护栏是极其必要的。而且在一般情况下，桥梁的外侧的危险程度明显高于道路。设置在桥梁上的护栏按防撞等级划分为PL1 、PL2、PL3 三级。每一防撞等级的桥梁护栏应避免在相应条件下的失控车辆越出，防撞等级及相应的设计条件见表5.1 。式中Z代表护栏的容许变形量。桥梁护栏与桥梁栏杆在功能上的区别在于，护栏是防止车辆突破、下穿、翻越桥梁而设；桥梁栏杆在于防止行人和非机动车辆掉入桥下，是一种不具有防止失控车辆越出桥外的装饰性结构。由于本桥是城市桥梁，车流量很大，是城市的重要构造物，故采用PL2的桥梁护栏。5.2.2桥梁护栏的结构构造在选择桥梁护栏时，首先确定防撞等级，然后再根据公路等级、美观、经济以及主梁的结构形式进行护栏形式的选择。构造形式还要综合考虑道路等级、美观、经济、桥梁外侧危险物特征及养护等影响因素。除此之外，尚应考虑以下条件：（1） 对桥梁美观要求高，宜采用梁柱式或组合式桥梁护栏；（2） 梁跨越大片水域，桥下净空较高时，宜采用组合式或钢筋混凝土墙式护栏；（3） 积雪严重的地区宜采用梁柱式或组合式桥梁护栏；（4） 为了减轻桥梁自重和减轻碰撞荷载对桥面板的作用，可采用金属制护栏；设置地点防撞等级适用范围设计条件车辆碰撞速度（km/h）车辆重量(t)碰撞角度(。)碰撞力(kN)Z=0Z=0.30.6路侧、中央分隔带PL1一般公路跨越高速公路，一级公路802.02012085705010.015PL2高速公路、一级公路7010.015200160125PL3桥外特别危险、需要重点保护的特大桥8014.015360280230表5.1 桥梁护栏5.3 桥面排水为了迅速排除桥面积水，除设置桥面纵横坡外，常常需要沿桥面两侧设置一定数量的排水设施，即泄水管。通常当桥面纵坡大于2%而桥长小于50m时，一般能保证雨水从桥头引道上排入排水沟，桥上可不设置泄水管。但对于本桥而言，桥梁的长度大于100m，在桥梁范围内纵坡较缓，故510m设置一个泄水管。泄水管的过水面积通常按排泄3倍设计径流量计算，设计径流量可根据公路排水设计规范中推荐的方法计算。由于本毕业设计的重点在主桥结构计算，故过水面积参考其他案例得出。5.4 桥梁伸缩缝为使车辆平稳通过桥面并满足桥面变形需要，应在梁端设置伸缩缝，这种装置称为桥面伸缩缝装置。和一般桥梁一样，由于温度变化、混凝土收缩和徐变、活荷载等因素，斜拉桥的端部会产生水平变位和转角。此外，墩台位移，地震以及纵坡等也会导致梁端部的变位。纵桥向的水平变位靠伸缩缝来适应，因此，主梁的伸缩量和转角是伸缩缝选型的主要参数。5.4.1伸缩量的计算伸缩量的确定应考虑温度变化、混凝土收缩徐变、活载、风荷载等作用，在主梁上产生的顺桥向的位移量以及施工安装误差，另外还应考虑一定的伸缩安全富裕量。5.4.2伸缩缝的类型伸缩缝的类型很多，如钢板伸缩缝装置、橡胶板伸缩缝装置、组合伸缩装置等。斜拉桥的跨度一般较大，联长较长，在温度、混凝土收缩徐变、可变荷载作用等下主梁的收缩量较大，因此矮塔斜拉桥采用伸缩量较大的伸缩装置。5.5 支座及其它附属设施5.5.1支座支座的主要作用是将桥跨结构上的恒载、活载传递到桥墩上，同时保证桥跨结构所要求的位移和转角，以便于设计受力状态与计算时采用的理论图示相吻合。5.5.2避雷系统对于矮塔斜拉桥，仅在桥塔上设置避雷针，避雷针的截面面积不小于100mm2 。为了防止锈蚀，避雷针采用镀锌或其他有效的防腐防锈措施。5.5.3航道航标灯当桥梁跨越有通航要求的河流或海域时，应设置航道航标灯。航道航标灯一般由相关单位设计安装，施工时要注意预埋相应的连接件。5.54过桥管线过桥管线包括：照明电缆、移动通信、有线电视等。管线均在人行道下通过。6 主体结构分析计算6.1计算荷载6.1.1永久作用：6.1.1.1一期恒载：包括混凝土主梁、主塔和斜拉索自重6.1.1.2二期恒载：二期恒载是结构体系施工完成之后，进行桥面铺装和防撞护栏的施工时对桥面系施加的恒载，这里桥面铺装采用10cm沥青混凝土制成，其等效均布荷载值为2*(（12-0.25-2）*0.1*24+（12-0.25-2）*0.1*25)=95.55KN/m。模型建立过程中，将人行道自重算入二期恒载，将其扩大为110kN/m。6.1.1.3收缩徐变：主塔及混凝土主梁的收缩、徐变按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范附录四计算。6.1.1.4主梁预应力：钢绞线直径为15.2mm，标准强度为1860MPa，张拉控制力为1395MPa。钢束松弛率为0.03。6.1.1.5支座沉陷：边墩沉降1.0cm,主墩沉降2.0cm,取最不利组合。6.1.2可变作用6.1.2.1活载：车道为四车道，设计荷载为公路-I级。冲击系数：冲击影响一般都是用静力学的方法，即将车辆作用的动力影响用车辆的重力乘以冲击系数来表达。参照公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）可知：双塔斜拉桥的竖向弯曲基频： 无辅助墩的斜拉桥 有辅助墩的斜拉桥 式中竖向弯曲基频（Hz）； 斜拉桥主跨跨径（m）。冲击系数可按下式计算：当1.5Hz时，0.05当1.5Hz14Hz时，0.1767lnf-0.0157当14Hz时，0.45式中 -结构基频（Hz）本桥为无辅助墩的情况，采用f1式计算基频，再计算冲击系数。6.1.2.2温度作用：均匀温度取15，系统升温25，系统降温30。主梁的日照温差按桥面板升温5计。6.1.3作用组合根据公路桥涵设计通用规范第4.1.6条规定：公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合：6.1.3.1基本组合永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为：式中承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；第个永久作用效应的分项系数，按表4.1.6的规定采用；第个永久作用效应的标准值和设计值；汽车荷载效应（含汽车冲击力）的分项系数，取=1.4；汽车荷载效应（含汽车冲击力）的标准值和设计值；在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）、风荷载外的其他第个可变作用效应的分项系数，取=1.4；在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）、风荷载外的其他第个可变作用效应的标准值和设计值；在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力）外的其他可变作用效应的组合系数，当只有一种其他可变作用（温度）参与组合时，取=0.8。6.1.3.2公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合：1) 作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：式中 作用短期效应组合设计值； 第个可变作用效应的频遇值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.7；第个可变作用效应的频遇值。2) 作用长期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：式中 作用短期效应组合设计值； 第个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.4； 第个可变作用效应的准永久值。表6.1 作用效应组合6.2 成桥阶段分析全桥采用MIDAS/Civil有限元专用程序进行全面结构分析计算。全桥共划分为911个节点，408个单元。结构计算离散图见图6-1所示（图6-2为消隐图）。图6-1 结构离散图图6-2 结构消隐图建立矮塔斜拉桥成桥阶段模型的详细步骤：设定建模环境定义材料和截面特性值 建立主梁、主塔、拉索模型生成主塔上的支座输入边界条件利用未知荷载系数功能进行拉索初拉力计算输入荷载工况以及运行结构分析、计算未知荷载系数用未知荷载系数法求解索拉力时，首先只加重力、二期荷载和支座强制位移荷载，熟悉其使用过程，然后再把系统温度荷载、梯度温度荷载加上去，求得最终索拉力，注意索拉力要均匀。6.2.1模型的建立模型的建立通常有三种方法：1）通过建模助手来建立斜拉桥的模型 2）从其它已建模型中导入 3）手动输入节点、单元，以完成建模。这里采用手动输入的方法。1定义材料和截面特性（1）定义材料本模型中采用两类材料：混凝土和钢材。混凝土： 主梁和塔墩主要材料是混凝土，主梁采用C60混凝土，索塔采用C50混凝土。钢绞线（Strand1860）： 斜拉索和预应力筋采用（2）截面特性及与材料连接主要是混凝土随时间的收缩徐变函数和强度函数，定义好后将它们赋给混凝土材料。1）主梁截面采用变截面，梁高线性变化。支座处梁高2.5m。主梁截面采用单箱双室大箱梁。2）索塔截面索塔截面采用矩形截面。3）拉索截面斜拉索截面采用实心圆截面。半径预采用0.08m。2建立节点、单元主梁和索塔为一般梁单元（或变截面梁单元），斜拉索为桁架单元。主梁和索塔上每1m划分一个单元。保证斜拉索在主梁上和索塔的锚固点处均应设置节点。3边界条件边墩处 限制沿Y、Z方向的位移和X、Z轴的转角位移，对称布置。塔墩处 左侧塔墩处限制沿X、Y、Z方向的位移和X、Z轴的转角位移，右侧塔墩处限制沿Y、Z方向的位移和X、Z轴的转角位移。6.2.2索力调整6.2.2.1索力调整理论矮塔斜拉桥在索力调整上可以参照斜拉桥的索力调整理论，不同之处在于由于梁较刚，因此在施工过程中可不进行索力调整。他们的主要优点在于，恒载作用下斜拉索的索力是可以调整的。斜拉桥可以认为是大跨径桥梁的体外预应力结构。在力学性能方面，当在荷载作用时，斜拉索的作用仅仅是弹性支承，更重要的是它能通过千斤顶主动地施加平衡外荷载的初张力，正是因为斜拉索的索力是可以调整的，斜拉索才可以改变主梁的受力条件。活载作用下，斜拉索对主梁提供了弹性支承，使主梁相当于弹性支承的连续梁。斜拉桥的调索方法比较多，目前比较流行的主要有刚性支承连续梁法、零位移法、倒拆和正装法、无应力状态控制法、内力平衡法和影响矩阵法等。6.2.2.1.1刚性支承连续梁法刚性支承连续梁法是指在成桥状态下，斜拉桥主梁的弯曲内力和刚性支承的连续梁的内力状态一致。因此，可以非常容易的根据连续梁的支承反力确定斜拉索的初张力。按照刚性支承连续梁法确定的主梁弯矩对整个斜拉桥来说是微不足道的，然而在具体的施工过程中如何才能达到这样理想的斜拉索索力分布？显然，如果悬拼过程中一次张拉，则不可能达到刚性支承连续梁的弯矩分布，因为合拢段的弯矩将与一次张拉索力无关。跨中合拢段自重和二期恒载作用下必然产生比较大的正弯矩，要消除这一正弯矩就需要进行二次调索。6.2.2.1.2零位移法零位移法的出发点是通过索力调整，是成桥状态下主梁和斜拉索交点的位移为零。对于采用满堂支架一次落架的斜拉桥体系，其结果与刚性支承连续梁法的结果一致。应当指出的是，以上这两种方法用于确定主跨和边跨对称的单塔斜拉桥的索力是最为有效的，对于主跨和边跨几乎对称的三跨斜拉桥次之，对于主跨和边跨的不对称性较大的斜拉桥，几乎失去了作用。因为这两种方法必然导致比较大的塔跟弯矩，失去了索力优化的意义。6.2.2.1.3倒拆和正装法倒拆法是斜拉桥安装计算广泛采用的一种方法，通过倒拆、正装交替计算，确定各施工阶段的安装参数，是结构逐步达到预定的线型和内力状态。由于斜拉索的非线性和混凝土收缩徐变的影响，倒拆和正装计算中，两者不闭合，即按照倒拆的数据正装，结构偏离预定成桥状态的线型和内力状态。倒拆法和正装法闭合的关键是混凝土收缩徐变的处理。混凝土的徐变与结构的形成过程有密切的关系，原则上倒拆法无法进行徐变计算。为了解决倒拆和正装计算徐变迭代问题，第一轮倒拆计算，不计混凝土的收缩徐变，然后用上次倒拆的结果进行正装分析，逐阶段考虑混凝土的收缩徐变的影响，并将各施工阶段的收缩徐变值存盘，再次进行到差计算时，采用上一次正装计算阶段的混凝土收缩徐变值，如此反复，直到正装和倒拆的计算结果收敛到允许的精度。6.2.2.1.4无应力状态控制法无应力状态法分析的基本思路是：不计斜拉索的非线性和混凝土收缩徐变的影响，采用完全线性理论对斜拉桥解体，只要保证单元长度和曲率不变，则无论按照何种程序恢复还原后的结构内力和线形将与原结构一致。应用这一原理，建立斜拉桥施工阶段和成桥分析状态的联系。实际结构是非线性的，实施起来需要作迭代，可按照以下步骤进行：（1）计算成桥状态各斜拉索无应力状态的长度和主梁无应力状态下的预拱度。用成桥状态的桥面线型扣除自重、斜拉索初张力、预应力索效应和混凝土的收缩徐变等产生的变位，即可求得，第一轮计算暂不包括混凝土收缩徐变的影响。（2）以作为安装过程控制量进行正装计算。根据结构受力的需要，斜拉索可以进行一次或多次张拉，在最后一次张拉时，将索由当前的长度，通过张拉调整到预定的无应力长度，主梁各节点的初始标高按预拱度