竞赛培训之04：大跨桥梁结构选型思路解说

1、PRODUCED BY：Wenxiong Huang 1 大跨度桥梁结构选型思路解说大跨度桥梁结构选型思路解说 结构设计大赛竞赛培训之结构设计大赛竞赛培训之04： 长江大学长江大学结构设计竞赛培训课件（黄文雄）结构设计竞赛培训课件（黄文雄） 关键词：关键词： 知识培训知识培训 抛砖引玉抛砖引玉 拨云见日拨云见日 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 2 讲座内容讲座内容 桥梁结构设计原则的回顾桥梁结构设计原则的回顾 1 桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2 桥梁构思实现上的控制环节桥梁构思实现上的控制环节 3 PRODUCED BY：Wenxiong Huang

2、 3 讲座目的讲座目的 目的目的 抛砖引玉抛砖引玉 拨云见日拨云见日 备战大赛备战大赛 形成专业思维素养形成专业思维素养 v围绕围绕“桥梁桥梁”结构知识，从概念设计角度上对结构知识，从概念设计角度上对 设计构思方面的原则和方法进行轮廓性介绍。设计构思方面的原则和方法进行轮廓性介绍。 TOC PRODUCED BY：Wenxiong Huang 4 1.桥梁结构设计原则的回顾桥梁结构设计原则的回顾 桥梁是供汽车、桥梁是供汽车、 火车、行人、特殊构筑物等火车、行人、特殊构筑物等跨越跨越障碍（河流、山谷障碍（河流、山谷 或其它线路）的建筑工程物。或其它线路）的建筑工程物。 跨越跨越 PRODUCED

3、 BY：Wenxiong Huang 5 1.桥梁定义和设计原则的回顾桥梁定义和设计原则的回顾 1.21.2桥梁设计的基本原则桥梁设计的基本原则 安全安全 适用适用 经济经济 美观美观 有利环保有利环保 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 6 1.桥梁定义和设计原则的回顾桥梁定义和设计原则的回顾 v 桥上车辆、行人及施工机具的安全，也包括桥梁本身的安全。结构在桥上车辆、行人及施工机具的安全，也包括桥梁本身的安全。结构在 使用年限内，在各种自然情况和荷载作用下，具有足够的承载能力和使用年限内，在各种自然情况和荷载作用下，具有足够的承载能力和 足够的安全度，是对每一座桥梁的基本要

4、求。足够的安全度，是对每一座桥梁的基本要求。 安全要求安全要求 核心要求核心要求 结构结构 安全安全 交通交通 安全安全 人员人员 安全安全 结构安全结构安全 体系安全（整体）体系安全（整体） 构件安全（局部）构件安全（局部） 构造安全（细节）构造安全（细节） PRODUCED BY：Wenxiong Huang 7 1.桥梁定义和设计原则的回顾桥梁定义和设计原则的回顾 v 能保证行车的通畅、舒适和安全；桥梁运量既能满足当前需要，也可能保证行车的通畅、舒适和安全；桥梁运量既能满足当前需要，也可 适当照顾今后发展；对跨越线路或河流的桥梁，要求不妨碍桥下交通适当照顾今后发展；对跨越线路或河流的桥梁

5、，要求不妨碍桥下交通 或通航；靠近城市、村镇等的桥梁，还当综合考虑桥头和引桥地区的或通航；靠近城市、村镇等的桥梁，还当综合考虑桥头和引桥地区的 环境和发展；在使用年限内，桥梁一般只需常规养护维修就可保证日环境和发展；在使用年限内，桥梁一般只需常规养护维修就可保证日 常使用。常使用。 适用要求适用要求 桥梁适用性桥梁适用性 运营荷载的需求运营荷载的需求 结构的适用性结构的适用性 主要由其功能所决定主要由其功能所决定 大赛中的体现大赛中的体现移动加载的体现移动加载的体现 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 8 1.桥梁定义和设计原则的回顾桥梁定义和设计原则的回顾 v 在在安全、适

6、用安全、适用的前提下，经济是衡量技术水平和作出方案选择的主要的前提下，经济是衡量技术水平和作出方案选择的主要 因素。桥梁设计应体现出经济特性。对于重大的桥梁工程，必须进行因素。桥梁设计应体现出经济特性。对于重大的桥梁工程，必须进行 多方案的比较，详细研究技术上的可行性和先进性以及经济上的合理多方案的比较，详细研究技术上的可行性和先进性以及经济上的合理 性。这样，才能对桥梁的建造消耗、施工、技术发展和今后使用等因性。这样，才能对桥梁的建造消耗、施工、技术发展和今后使用等因 素进行统筹考虑，得出合理的经济结论。素进行统筹考虑，得出合理的经济结论。 经济要求经济要求 大赛中的体现大赛中的体现参赛模型

7、结构质量最小化参赛模型结构质量最小化 桥梁经济性桥梁经济性 需按结构全寿命周期考虑需按结构全寿命周期考虑 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 9 1.桥梁定义和设计原则的回顾桥梁定义和设计原则的回顾 v 在在安全安全、适用适用和和经济经济的前提下，尽可能使桥梁具有优美的外形，并与的前提下，尽可能使桥梁具有优美的外形，并与 周围的环境相协调，这就是对桥梁美观的基本要求。合理的轮廓造型周围的环境相协调，这就是对桥梁美观的基本要求。合理的轮廓造型 和布局、正确的表现力传递、以及结构风格和色彩与周围环境的和谐和布局、正确的表现力传递、以及结构风格和色彩与周围环境的和谐 一致，是体现美

8、观的主要因素。在城市和游览地区，可适当考虑桥梁一致，是体现美观的主要因素。在城市和游览地区，可适当考虑桥梁 建筑的艺术处理，但不应当追求浮华和繁琐的细部装饰。建筑的艺术处理，但不应当追求浮华和繁琐的细部装饰。 美观要求美观要求 大赛中的体现大赛中的体现 体现受力特点的体系造型体现受力特点的体系造型 TOC PRODUCED BY：Wenxiong Huang 10 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.12.1桥梁设计上的总体把握层次和环节桥梁设计上的总体把握层次和环节 对对 桥桥 梁梁 工工 程程 的的 总总 体体 把把 握握 和和 认认 识识 砼砼 组合组合其他其他 木

9、木 钢钢 材料材料 拱拱 组合组合 索索 梁梁 体系体系 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 11 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.22.2桥梁设计构思上的实用原则桥梁设计构思上的实用原则 v 桥梁设计构思需要在对结构整体行为认识深化下总结提炼出一桥梁设计构思需要在对结构整体行为认识深化下总结提炼出一 些指导实际工作的思维方法。些指导实际工作的思维方法。 草木草木 皆兵皆兵 以柔以柔 克刚克刚 欲擒欲擒 故纵故纵 取长取长 补短补短 移花移花 接木接木 TOC PRODUCED BY：Wenxiong Huang 12 2.桥梁设计构思上的一些原则桥

10、梁设计构思上的一些原则 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原则原则 v 结构设计中实现结构设计中实现 “物尽其用物尽其用”。 拱拱 组合组合 索索 梁梁 体系体系 结构级结构级 构件级构件级 构造级构造级 体系分类体系分类 A.A.组成结构的构件充分发挥作用组成结构的构件充分发挥作用 B.B.构件的断面组成能充分发挥强度性能构件的断面组成能充分发挥强度性能 结构层次结构层次 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 13 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原则原则 2.3.12.3.1梁与桁梁与桁 PRODUCED BY：Wenxi

11、ong Huang 14 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原则原则 2.3.22.3.2桁的更多应用桁的更多应用 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 15 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原则原则 2.3.32.3.3拱与梁拱与梁 拱桥拱桥梁桥梁桥 VS 拱桥与梁桥的截面应力分布对比拱桥与梁桥的截面应力分布对比 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 16 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原则原则 2.

12、3.42.3.4超强的索超强的索 单根（镀锌）单根（镀锌） 高强钢高强钢“丝丝” 多根钢丝多根钢丝 平行成平行成“股股” 多股钢束多股钢束 夹紧成夹紧成“缆缆” 悬索桥的传力途径悬索桥的传力途径 大缆的断面形成大缆的断面形成 TOC2 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 17 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.42.4“以柔克刚以柔克刚”原则原则 2.4.12.4.1“柔性柔性”的桥梁的桥梁 斜拉桥传力分析示意斜拉桥传力分析示意 对比对比 悬索桥传力分析示意悬索桥传力分析示意 v 结构设计中采用柔性的结构、构件、构造来实现其特定的功结构设计中采用柔性的

13、结构、构件、构造来实现其特定的功 能预期。能预期。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 18 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.42.4“以柔克刚以柔克刚”原则原则 2.4.22.4.2“柔性柔性”的构件的构件 连续刚构桥中需要采取减小墩柱连续刚构桥中需要采取减小墩柱“抗推刚度抗推刚度”的措施，以释放收缩、降温等因素对结构的措施，以释放收缩、降温等因素对结构 的不利影响。的不利影响。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 19 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.42.4“以柔克刚以柔克刚”原则原则 2.4.22.

14、4.2“柔性柔性”的（隔振）措施的（隔振）措施 希腊里翁里翁-安蒂雷翁大桥安蒂雷翁大桥主梁为钢和混凝土面板的叠合图梁，主梁在纵向和横向都有位 移阻尼系统。在90m直径的圆形扩大基础下，有更大范围的钢管桩群来加固地基，两 者之间为砾石垫层，在有地震或位移时可以产生滑动和缓冲，起了隔震的作用。如 果主塔基础不滑动，那么桥上就会作用很大的地震力，使结构难以抵抗，而现在的 处理方法，能消解巨大的地震力，而且也不会发生成为问题的塑性变形。 TOC2 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 20 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.52.5“欲擒故纵欲擒故纵”原则原则反

15、向措施反向措施 2.5.12.5.1“预应力预应力”的应用的应用 预应力作用对截面预应力作用对截面 产生了两个效果：产生了两个效果： A.NyA.Ny作用下截面受压作用下截面受压 B.My=NyB.My=Ny* *eyey作用下截面受弯作用下截面受弯 v 结构设计中采用预先施加的结构设计中采用预先施加的“反向措施反向措施”来提高结构的承载来提高结构的承载 能力。能力。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 21 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 p按抵消弯矩为目标，按弯矩图形态布置预应力钢筋形态。按抵消弯矩为目标，按弯矩图形态布置预应力钢筋形态。 荷载产生的

16、弯矩荷载产生的弯矩 预应力产生的弯矩预应力产生的弯矩 预应力产生的轴力预应力产生的轴力 荷载产生的应力荷载产生的应力 预应力产生的应力预应力产生的应力 叠加应力叠加应力 截面均匀截面均匀 受压的目受压的目 标标 从等效荷载的角度，预应力产生的效果弯全抵消荷载弯矩，截面只受到轴力从等效荷载的角度，预应力产生的效果弯全抵消荷载弯矩，截面只受到轴力 作用。因此，预应力布置形状可参考弯矩图的形态。作用。因此，预应力布置形状可参考弯矩图的形态。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 22 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.52.5“欲擒故纵欲擒故纵”原则原则 2.

17、5.22.5.2斜拉桥中斜拉桥中“体系预应力体系预应力”的应的应 用用 跨越能力大跨越能力大 建筑高度小建筑高度小 以弯为主的压弯构件以弯为主的压弯构件 恒载内力可调整恒载内力可调整 主梁在斜拉索支承下，就象多跨弹性支承主梁在斜拉索支承下，就象多跨弹性支承 连续梁那样工作，使连续梁那样工作，使“局部跨度局部跨度”显著减显著减 小，让小，让“整体跨度整体跨度”能显著提高，主梁高能显著提高，主梁高 度度“相对相对”降低。降低。 主梁把斜拉索索力的水平分力作为轴力传主梁把斜拉索索力的水平分力作为轴力传 递，形成自锚体系结构。递，形成自锚体系结构。 借助斜拉索的预拉力，可以对主梁的内力借助斜拉索的预拉

18、力，可以对主梁的内力 进行调整。进行调整。 TOC2 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 23 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.62.6“取长补短取长补短”原则原则 2.6.12.6.1结合梁结合梁的使用的使用 v 结构设计中合理搭配构件或材料组合，以使得不同构结构设计中合理搭配构件或材料组合，以使得不同构 件或材料发挥其优势特点。件或材料发挥其优势特点。 混凝土梁混凝土梁 钢梁钢梁 p如果二者无连接，受荷弯曲时各自变形，如果二者无连接，受荷弯曲时各自变形， 结合面存在相对滑移。结合面存在相对滑移。 p二者通过剪力键连接，受荷弯曲时协调变二者通过剪力

19、键连接，受荷弯曲时协调变 形，结合面仅存在微小相对滑移。剪力键通形，结合面仅存在微小相对滑移。剪力键通 过承担水平剪力来抵抗相对滑移，使得钢、过承担水平剪力来抵抗相对滑移，使得钢、 混凝土协同受力，截面整体抗弯刚度大大提混凝土协同受力，截面整体抗弯刚度大大提 高。高。 结合梁工作原理示意性图解结合梁工作原理示意性图解 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 24 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 混凝土混凝土钢钢 养护容易养护容易 养护困难养护困难 造价高造价高 抗拉强度低抗拉强度低 抗压强度高抗压强度高 造价低造价低 拉压强度高拉压强度高 压板易失稳压板易失

20、稳 混凝土翼缘板混凝土翼缘板 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 25 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.62.6“取长补短取长补短”原则原则 2.6.22.6.2混合梁混合梁的使用的使用 自重小自重小 钢梁钢梁混凝土梁混凝土梁 轻轻 柔柔 贵贵 刚刚 重重 贱贱 强度低强度低 强度高强度高 强强弱弱 造价低造价低 造价高造价高 刚度大刚度大 自重大自重大 刚度小刚度小 v 在连续梁和斜拉桥的主梁中，部分采用混凝土主梁，部分采用钢主梁，在连续梁和斜拉桥的主梁中，部分采用混凝土主梁，部分采用钢主梁， 这种布置方式称为混合式主梁布置，简称这种布置方式称为混

21、合式主梁布置，简称“混合梁混合梁”。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 26 钢梁钢梁 砼梁砼梁 混凝土梁混凝土梁 诺曼底桥，钢梁伸入主跨诺曼底桥，钢梁伸入主跨116米。米。 多多罗桥，边跨末端设置混凝土梁。多多罗桥，边跨末端设置混凝土梁。 砼梁砼梁 钢梁钢梁 混凝土梁混凝土梁 重庆石板坡桥，主跨 330m PRODUCED BY：Wenxiong Huang 27 结合面结合面 混凝土梁混凝土梁 钢梁钢梁 PC梁过渡段梁过渡段 钢加劲段钢加劲段 PC梁标准段梁标准段 钢梁标准段钢梁标准段 钢混结合段钢混结合段 钢混结合段立面过渡示意钢混结合段立面过渡示意 TOC2 PRO

22、DUCED BY：Wenxiong Huang 28 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.72.7“移花接木移花接木”原则原则 v 结构设计中使用不同的受力体系相搭配，形成纷繁变结构设计中使用不同的受力体系相搭配，形成纷繁变 化的组合受力体系。化的组合受力体系。 2.7.12.7.1拱梁（刚构）组合体系桥梁拱梁（刚构）组合体系桥梁 柔性系杆刚性拱柔性系杆刚性拱 刚性系杆柔性拱刚性系杆柔性拱 刚性系杆刚性拱刚性系杆刚性拱 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 29 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.72.7“移花接木移花接木”原则原则

23、 2.7.22.7.2连续刚构体系桥梁连续刚构体系桥梁 连续梁桥连续梁桥连续刚构桥连续刚构桥 VS 连续梁桥均布荷载q均布荷载q 对长大桥梁，连续对长大桥梁，连续 刚构体系往往是刚构主体与连续梁的组合。刚构体系往往是刚构主体与连续梁的组合。 连续刚构体系桥连续刚构体系桥 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 30 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.72.7“移花接木移花接木”原则原则 2.7.32.7.3斜拉悬索体系桥梁斜拉悬索体系桥梁 土耳其土耳其 伊兹米特海湾（伊兹米特海湾（Izmit BayIzmit Bay）大桥）大桥 设计方案设计方案 PROD

24、UCED BY：Wenxiong Huang 31 直布罗陀海峡大桥（直布罗陀海峡大桥（Gibraltar bridge） 设计方案设计方案 斜拉悬索体系桥梁，主斜拉悬索体系桥梁，主 跨约跨约5000m（方案构思）。（方案构思）。 林同炎设计。林同炎设计。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 跨越墨西拿海峡（跨越墨西拿海峡（The Messina Straits) 桥梁史上跨时 代的桥梁 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 33 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.72.7“移花接木移花接木”原则原则 2.7.42.7.4斜拉刚构组合体

25、系桥梁斜拉刚构组合体系桥梁 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 34 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.72.7“移花接木移花接木”原则原则 2.7.52.7.5拱斜拉组合体系桥梁拱斜拉组合体系桥梁 马来西亚的马来西亚的Seri Saujana斜拉拱桥组合体系斜拉拱桥组合体系斜拉拱桥，斜拉拱桥，主跨主跨300m PRODUCED BY：Wenxiong Huang 35 2.桥梁设计构思上的一些原则桥梁设计构思上的一些原则 2.72.7“移花接木移花接木”原则原则 2.7.62.7.6其它建筑结构的组合？其它建筑结构的组合？ TOCTOC2 膜结膜结

26、构构 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 36 3.桥梁构思实现上的控制环节桥梁构思实现上的控制环节 结构体系确定结构体系确定材料体系确定材料体系确定 设计及优化设计及优化 细节工艺方案细节工艺方案 结构级结构级 构件级构件级 构造级构造级 3.13.1桥梁结构的设计流程桥梁结构的设计流程 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 37 3.桥梁构思实现上的控制环节桥梁构思实现上的控制环节 3.2PC3.2PC简支梁桥设计的关键环节简支梁桥设计的关键环节 混凝土简支梁的设计关键：混凝土简支梁的设计关键： p混凝土简支梁的设计关键是截面的拟定、（预应力）钢筋面积和位置设计。混凝土简支梁的设计关键是截面的拟定、（预应力）钢筋面积和位置设计。 p二者又是相互关联的。二者又是相互关联的。 截面尺寸设计拟定截面尺寸设计拟定预应力设计预应力设计/ /钢筋设计钢筋设计 力钢筋面积力钢筋面积力钢筋布置力钢筋布置 受力计算受力计算 是纽带是纽带 参照经验数据参照经验数据 参照已有图纸参照已有图纸 估算估算布置设计布置设计 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 38 3.桥梁构思实现上的控制环节桥梁构思实现上的控制环节 3.3PC3.3PC连续梁桥设计的关键环节连续梁桥设计的关键环节 PC连续梁桥设