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1、2007-06内蒙古工业大学建工学院1桥桥 梁梁 工工 程程内蒙古工业大学建筑工程学院道路交通工程系2007-06内蒙古工业大学建工学院2目目 录录第一章 概述第二章 桥面构造第三章 混凝土简支体系梁式桥的构造与设计第四章 简支梁的计算第五章 悬臂梁桥简介第六章 混凝土连续体系梁桥2007-06内蒙古工业大学建工学院3第七章 梁式桥支座 第八章 混凝土梁桥施工方法简介第九章 混凝土拱桥第十章 斜拉桥第十一章 悬索桥第十二章 组合体系桥2007-06内蒙古工业大学建工学院4第一章第一章 总总 论论v桥梁工程是有关桥梁勘测、设计、施工、养护、维修和检定及与桥梁相关的科学研究和工程技术的总称。它是土
2、木工程的一个重要组成部分。本课程主要介绍桥梁的构造和结构设计及相关概念和基本理论;介绍桥梁工程其他方面的基础知识和相关内容。1.1 桥梁在交通和交通发展中的作用及桥梁工程发展简史 1.1.1 桥梁在交通和交通发展中的作用 1.1.2 桥梁工程发展简史1.2 桥梁的基本组成及分类 1.2.1 桥梁的基本组成部分 1.2.2 桥梁的分类2007-06内蒙古工业大学建工学院51.3 桥梁总体规划与设计程序 1.3.1 桥梁的总体规划 1.3.2 桥梁设计程序简介 1.3.3 桥梁建筑造型与美学1.4 桥梁结构的作用 1.4.1 永久作用 1.4.2 可变作用 1.4.3 偶然作用 1.4.4 作用效
3、应组合2007-06内蒙古工业大学建工学院61.1.1 1.1.1 桥梁在交通和交通发展中的作用桥梁在交通和交通发展中的作用v桥梁是最重要的交通设施之一。它在交通和交通发展中起着非常重要的作用,随着陆路交通的发展,它的这种作用变得越来越明显。v由于自然地理环境的原因,构成交通网的道路常常会遇到各种障碍,如河流、山谷或其它交通线路等,通常跨越这些障碍必须建设各种类型的桥梁。v桥梁是交通网上十分重要的环节,直接影响到当地的社会进步、经济发展和文化交流。良好的交通设施、完善的交通网络是现代文明的重要标志之一。v从古至今交通的发展与桥梁工程的发展相互促进密不可分。v交通的发展与不同历史时期社会发展对交
4、通的需求有十分密切的关系,与当时社会生产力的发展水平、工业制造水平以及道路与桥梁的设计和施工水平也有密不可分的关系。2007-06内蒙古工业大学建工学院71.1.2 1.1.2 桥梁工程发展简史桥梁工程发展简史1.古代桥梁工程的成就2.近代桥梁工程的成就 3.现代桥梁工程的发展 4.桥梁工程未来的发展方向 2007-06内蒙古工业大学建工学院81.1.古代桥梁工程的成就古代桥梁工程的成就v中国是有着悠久历史和灿烂文化的文明古国,造桥的历史同样相当久远。古代的桥梁主要以木材、石料和铁链以及用粘土烧制的砖作为建筑材料。我国历史上记载最早的桥梁有:渭河上的浮桥渭河上的木柱木梁桥樊河铁链桥安澜桥保留至
5、今的古代桥梁主要有石拱桥、石梁桥和铁链桥。v国外古代桥梁木桥示例2007-06内蒙古工业大学建工学院9古代拱桥古代拱桥赵州桥赵州桥又称安济桥,位于河北省赵县境内,建于隋开皇年间(公元595605年),由隋匠李春建造,距今已有近1400年历史,它是世界上现存最早,保存最完整的石拱桥之一,特别是拱上加拱的“敞肩拱”的运用,更为世界桥梁史上的首创。赵州桥全长64.4米,拱顶宽9米,拱脚宽9.6米,跨径37.02米,拱矢7.23米。不仅有高度的科学性,而且具有我国独特的民族艺术风格,是我国古代建筑的伟大作品。2007-06内蒙古工业大学建工学院10古代拱桥古代拱桥苏州宝带桥苏州宝带桥又名小长桥,始建于
6、唐元和十一至十四年(816819年)。全桥有53孔,总长近317m,其中桥孔长249.8m,桥顶宽4.1m,桥端宽6.1m。宝带桥为薄墩联拱桥,墩厚仅0.6m,与最大一孔跨径6.95m相比,接近1/12,使全桥显得轻盈秀丽,还可增大泄水面积减少洪水对桥身的冲击。宝带桥的泄水面积达85%,居古桥之首。2007-06内蒙古工业大学建工学院11古代拱桥古代拱桥卢沟桥卢沟桥卢沟桥在北京广安门外30公里,跨永定河。桥始建于金大定二十八年(公元1188年),完工于金明昌三年(公元1192年)。桥全长212.2m,共11孔,净跨不等,自11.4m至13.45m,桥宽9.3m,墩宽6.5m至7.9m米。拱圈接
7、近半圆形。桥墩迎水面有尖端镶有三角铁柱的分水尖,背水面为削角方形。桥面上石拦杆共269间,各望柱头上,雕刻有石狮485个。 2007-06内蒙古工业大学建工学院12古代拱桥古代拱桥玉带桥玉带桥 玉带桥位于北京颐和园昆明湖长堤上,建于清乾隆年间(公元17361795年)。该桥单孔净跨11.38m,矢高约7.5m,全部用玉石琢成,桥面是双反向曲线,组成波形线桥型,配有精制白石栏板。蛋尖形桥拱,特别高耸,好似玉带。玉带桥的造型具有我国长江三角洲地区石拱桥的风格,以纤秀挺拔,轻巧为其特色。并与周围环境相协调,是湖光山水增色。2007-06内蒙古工业大学建工学院13古代拱桥古代拱桥十七孔桥十七孔桥十七孔
8、桥位于北京市颐和园东堤上。清乾隆年间(公元17361795)建。是一座式样美观的连拱大石桥,桥面呈拱状隆起,形如初月,桥栏柱上雕镂小狮,形态各异。桥中各孔跨径以中孔最大,约8m,向边孔逐渐变小,最小约4.14m。2007-06内蒙古工业大学建工学院14古代梁桥古代梁桥万安桥万安桥泉州万安桥,俗称洛阳桥,建于洛阳江入海口。桥始建于宋皇佑五年,完成于宋嘉裕四年。桥总长约834米,石墩、石梁共有孔,每孔约1117米,桥宽3.7米。采用磐石遍铺桥位江底为桥基,在其上养殖海生牡蛎,使江底磐石胶固成整体,然后在磐石桥基之上垒纵横石条成桥墩,再架设石梁。每孔花岗岩石梁有7根,每根梁高约0.5m,宽0.6m,
9、长约12m。万安桥开现代筏形基础之先河,创世界绝无仅有之造桥方法,成就惊人。 2007-06内蒙古工业大学建工学院15古代梁桥古代梁桥虎渡桥虎渡桥又名江东桥,位于福建省漳州市城东16公里处,跨越九龙江的北溪下游。宋绍熙年间(公元11901194年)始建浮桥,明嘉靖四十四年(公元1565年)建石梁桥,是我国十大古名桥之一。桥全长335m,共25空,桥宽5.6m,跨径长短不一,最大跨径为23.7m,用根宽1.7m,高1.9m,重达207吨的石梁并铺成桥面。据史料记载,如此重的巨大石梁是利用潮水涨落浮运架设,足见我国古代工匠的聪明和智慧。2007-06内蒙古工业大学建工学院16古代梁桥古代梁桥霁玉桥
10、霁玉桥又名金堂桥。相传建于三国时期,石平桥,共6孔,跨径3m。墩宽1.5m,桥长28m,为抗山洪,桥墩迎水面分水尖锐突。虽桥已建数百年,桥面石板也多次更迭,然桥墩依故。桥堍有香樟树三棵,已有八百余年的历史。2007-06内蒙古工业大学建工学院17古代索吊桥古代索吊桥v我国西南地区山高林密,坡陡谷深,早就建有悬索吊桥,迄今至少有三千年左右的历史。早期以竹、藤为悬索和吊索,称为竹索桥或藤索桥。春秋战国时期拥有冶铁、锻铁技术之后,逐渐以铁链作为悬索和吊索,称为铁链桥。这类桥是现代斜索桥和斜拉桥的原始桥型。2007-06内蒙古工业大学建工学院18古代吊桥古代吊桥霁虹桥霁虹桥霁虹桥是我国现存最早的铁链桥
11、之一。位于云南永平的“澜沧古渡”,横跨澜沧江。自汉朝就建有竹索桥,14651487年改建为铁链桥。桥全长为113.4m,桥宽3.7m,净跨径为57.3m,全桥共14条铁链,2条扶栏铁链,每侧各一条,12条承重底铁链,锚固于两岸的桥台上,底铁链上铺设纵横木板,此桥至今仍在使用。此外保留至今的尚有建于1706年的四川泸定横跨大渡河的铁链桥,净跨100m,桥宽2.8m,由13条固定于两岸的铁链组成。2007-06内蒙古工业大学建工学院19古代索桥古代索桥沪定铁索桥沪定铁索桥四川沪定铁索桥,跨越大渡河,位于川、藏要道,是铁索桥中现存制作最精良的一座。桥始建于清康熙四十四年(公元1705年),次年完成。
12、桥净跨100m,桥宽2.8m,上铺木板,底索9根,每根索长约128m,两侧各有两根栏杆索,由四川善于制作铁索桥的全天州修建。两岸石砌桥台,用台身自重来平衡铁索的拉力。2007-06内蒙古工业大学建工学院20国外古代桥梁国外古代桥梁加尔德输水桥加尔德输水桥国外保留至今的古代桥梁大多为石拱桥。最为著名的一座是位于法国南部尼姆(Nimes)附近,建于公元前6313年古罗马时代的加尔德(Pont du Gard)输水桥。全桥由三层圆弧拱组成,底层和二层各有6孔和11孔大拱,顶层为36孔小拱,拱上支承带有盖板的输水槽。2007-06内蒙古工业大学建工学院21国外古代桥梁国外古代桥梁天使桥天使桥意大利罗马
13、台伯河(Tiber)上的天使桥建于公元136年,也是古罗马时代留下的、至今仍在使用的多孔圆弧拱桥。古罗马时代的石拱桥至今尚有许多遗存,其建筑技术和结构造型对拱桥的历史发展有着极为深远的影响。石拱桥示例2007-06内蒙古工业大学建工学院222.2.近代桥梁工程的成就近代桥梁工程的成就 v始于意大利的欧洲文艺复兴运动推动了科学技术的发展,建立和完善了近代科学体系。v十九世纪初发明了水泥,随后又发明了钢材和钢筋混凝土,使桥梁及桥梁工程的发展出现质的飞跃。v新的运输工具火车和汽车的出现对这一发展产生了重大影响。 v近代有代表性的桥梁有:v1855年起法国建造了第一批应用水泥砂浆砌筑的石拱桥 v187
14、0年德国建造了第一批采用硅酸盐水泥的混凝土拱桥 v美国在1874年建成了主跨径为158m的(St.Louis)钢桁架拱桥 v1883年建成了主跨为487m的布鲁克林悬索桥 v1890年英国建成主跨度为512m的福斯湾悬臂钢桁架梁桥 2007-06内蒙古工业大学建工学院23近代有代表性的桥梁近代有代表性的桥梁v加拿大1917年建成主跨为549m,世界上跨径最大的钢悬臂桁架梁桥(第二魁北克桥)v澳大利亚1932年建成主跨为503m的钢桁架拱桥(悉尼海港大桥)v美国1917年建成主跨为219m,当时世界上跨径最大的简支钢桁架梁桥(Metropolis)。v美国1931年建成主跨为504m,当时为世界
15、上跨径最大的Bayonne钢桁架拱桥v美国1937年建成主跨为1280m,当时为世界上跨径最大的悬索桥金门大桥v法国在1930年建成三孔跨径为186m的Plougastel钢筋混凝土拱桥,并用28只液压千斤顶在拱顶处对拱圈内力进行调整。v瑞典在1943年建成主跨为264m,当时为世界上跨径最大的钢筋混凝土拱桥(Sandoe)2007-06内蒙古工业大学建工学院243.3.现代桥梁工程的发展现代桥梁工程的发展(1)(1) v社会发展的需要、计算机的发明和应用、预应力混凝土技术的成熟和广泛使用以及新的大跨度桥梁施工方法的发明和施工机械的进步,使桥梁和桥梁工程进入了现代化高速发展时期。v在桥梁设计理
16、论方面,大多数国家普遍采用极限状态设计法代替了以弹性理论为基础的允许应力法。由于大跨度桥梁结构的出现,使结构振动、稳定、疲劳和结构的非线性理论在桥梁设计中得到广泛运用。v在桥梁结构施工技术方面,德国最早利用预应力技术把悬臂施工技术成功地用于预应力混凝土桥梁的施工,克服了大跨度桥梁施工的难题。创立了现代大跨度桥梁悬臂施工技术。 v20世纪50年代至今是桥梁和桥梁工程发展最为迅速的时期。德国桥梁专家利用悬索桥和拉索桥的受力原理在1952 年设计完成了第一座主跨为260m的现代钢斜拉桥(杜塞尔多夫北桥)。2007-06内蒙古工业大学建工学院253.3.现代桥梁工程的发展现代桥梁工程的发展(2)(2)
17、v悬臂施工技术使刚架桥和大跨径拱桥及其它组合结构桥得到迅速的发展。v现代代表性的桥梁有现代代表性的桥梁有:v挪威采用悬臂施工方法建造的连续刚架桥,位于艾于斯特沃尔的Stomasundet桥,其最大跨径已达301m,1998年建成。1997年我国建成类似的桥梁虎门大桥辅航道桥,跨度已达270m。v1970年美国建成跨度为518米的钢桁架拱桥新河峡谷大桥;前南斯拉夫在1980年采用悬臂施工方法建成了跨度为390m的钢筋混凝土箱型拱桥(KRK-桥)。1995年我国用类似的施工方法建成了跨度为330m的桁式组合箱型拱桥(贵州江界河);在1998年采用刚性骨架施工法建成了跨度为420m的世界第一大的钢筋
18、混凝土箱型拱桥(重庆万州长江大桥)。2003年建成目前世界第一大跨550米钢管混凝土拱桥上海卢浦大桥。2007-06内蒙古工业大学建工学院26现代代表性的桥梁现代代表性的桥梁v最大跨度的预应力混凝土斜拉桥是主跨为530m的挪威斯卡尔桑德大桥。上海于1993年建成的杨浦大桥主跨为602m,是第一座跨越600m的斜拉桥;日本1999年施工完成的多多罗钢斜拉桥,其主跨达890m。其次是法国的诺曼底大桥,其主跨径为856m的钢箱梁。2001年完成的南京长江二桥主跨达到628m。v日本1991年建成主跨为400m、跨径最大的钢桁架连续梁桥;v巴西1974年建成主跨为300m、跨径最大的钢箱梁桥;v美国1
19、973年建成主跨为227m、跨径最大简支钢桁架梁桥;v英国1981年建成主跨为1410m、亨伯尔悬索桥;v日本1998年建成主跨为1991m、跨径最大明石海峡悬索桥;v丹麦1998年建成主跨为1624m、大贝尔特东悬索桥;v我国1999年建成主跨为1385m、江阴长江悬索桥。2007-06内蒙古工业大学建工学院274.4.桥梁工程未来的发展方向桥梁工程未来的发展方向 v中小跨度的桥梁主要向标准化设计和连续化方向发展。 v在桥梁设计的概念和理论方面,不仅要考虑桥梁结构的静力特性,还需从桥梁结构的动力特性、稳定性、耐久性和桥梁振动产生的噪音等多方面给予考虑。v在设计方法和计算手段方面,将会以计算机
20、应用为主,并且朝着设计、计算、绘图一体化的方向发展。 v在桥梁施工方面,对中小跨度桥梁主要向标准化工厂预制、现场安装方向发展,对大跨度桥梁则向无支架施工方法发展。基础施工将普遍采用钻孔灌注桩施工方法。2007-06内蒙古工业大学建工学院281.21.2桥梁的基本组成及分类桥梁的基本组成及分类 v桥梁是供铁路、道路、渠道、管线、行人等跨越河流、山谷或其它交通线路等各种障碍物时所使用的承载结构物。 1.2.1 1.2.1 桥梁的桥梁的基本组成部分基本组成部分v上部结构(也称桥跨结构)是指桥梁结构中直接承受车辆和其它荷载,并跨越各种障碍物的结构部分。一般包括桥面构造、桥梁跨越部分的承载结构和桥梁支座
21、。v桥梁下部结构是指桥梁结构中设置在地基上用以支承桥跨结构,将其荷载传递至地基的结构部分,包括桥墩、桥台及墩台基础。桥墩两侧均为桥跨结构;桥台一侧为桥跨结构,另一侧为路堤,桥台两侧通常设置石砌锥形护坡或护岸;墩台基础是桥梁结构的根基,对桥梁结构的安全使用起着举足轻重的作用。 2007-06内蒙古工业大学建工学院29桥梁桥梁有关技术术语有关技术术语-1-1v有关水位的定义:低水位;高水位;通航水位;最高流冰水位;设计洪水位。v桥长(L):一般把桥梁两端桥台的侧墙或八字墙尾端点之间的距离称为桥梁全长,简称桥长。v桥梁的跨径总长:桥梁两端桥台台背前缘间的距离。v桥梁的标准跨径(l) :指桥墩中线间距
22、离或桥墩中线与桥台背前缘的间距,对于拱式桥是指其净跨径。v桥梁净跨径(l0):对于梁式桥净跨径是指设计洪水位上相邻两个桥墩(或桥台)之间的净距,而拱式桥是指每孔拱跨拱脚截面内边缘之间的距离。v总跨径是多跨桥梁各孔净跨径的总和(l0),也称桥梁孔径。2007-06内蒙古工业大学建工学院30桥梁的桥梁的有关技术术语有关技术术语-2-2v计算跨径(l):对于梁式桥是指桥跨两端相邻支座中心之间的距离。对于拱式桥是指拱轴线两端点之间的距离。v桥梁建筑高度(h):指桥上行车路面(或轨顶)与桥跨结构下边缘之间的高差。 v桥下净空高度(H):设计洪水位或计算通航水位至桥跨结构下边缘之间的距离。v桥梁高度(H1
23、) :低水位至桥面的高差。对于跨线桥是指桥下道路路面至桥面的高差。桥高的不同对桥梁施工的要求也不同,其施工的方法和难度会有很大差异。2007-06内蒙古工业大学建工学院311.2.2 1.2.2 桥梁的分类桥梁的分类(1)(1) 桥梁有许多分类方式,人们通常根据桥梁的结构形式、所用材料、所跨越的障碍以及其用途、跨径大小等对桥梁进行分类: v根据桥梁主跨结构所用材料分为木桥、圬工桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥和钢桥。v根据桥梁所跨越的障碍物,可分为跨河桥、跨海峡桥、立交桥、高架桥等等。 v根据桥梁的用途,可分为公路桥、铁路桥、公铁两用桥、人行桥、运水桥、农桥以及管道桥等等。v根据桥梁跨径总长L
24、和单孔跨径l的不同,桥梁可分为特大桥、大桥、中桥、小桥以及涵洞。v根据桥面在桥跨结构中的位置,桥梁可分为上承式桥梁、中承式和下承式桥。2007-06内蒙古工业大学建工学院321.2.2 1.2.2 桥梁的分类桥梁的分类(2)(2)v根据桥梁的结构形式划分。在桥梁结构设计中,一般按桥梁的结构形式(也称结构体系)将其分为四个基本类型以及这些基本类型的组合形式(图1-9)。其组合形式有多种多样,如斜拉桥,系杆拱桥等。各种结构形式其受力特点、适应范围都有很大差异。按照受力情况划分的桥梁类型为: 梁式桥 拱式桥 刚架桥 悬吊式桥 组合形式桥如系杆拱桥,斜拉桥等2007-06内蒙古工业大学建工学院331.
25、1.梁式桥梁式桥v梁式桥的特点是其桥跨的承载结构由梁组成。在竖向荷载作用下梁的支承处仅产生竖向反力,而无水平反力(推力)。v梁式桥的内力以弯矩和剪力为主,水平轴力和扭矩相对很小。v荷载作用方向通常与梁的轴线相垂直,梁主要通过抗弯来承受荷载,并通过支座将其传递至下部结构。v梁式桥可分为简支梁桥、连续梁桥、悬臂梁桥。 2007-06内蒙古工业大学建工学院342.2.拱式桥拱式桥v拱式桥是桥梁工程中广泛采用的桥型之一。 v拱式桥的特点是其桥跨的承载结构以拱圈或拱肋为主。在竖向荷载作用下,两拱脚处不仅产生竖向反力,还产生水平反力(推力)。v拱式桥是钢筋混凝土桥和圬工桥最合理的结构形式之一。v拱式桥的基
26、本结构体系可分为有铰拱和无铰拱。v拱式桥适建于地质和地基条件良好的桥址。2007-06内蒙古工业大学建工学院353.3.刚架桥刚架桥v刚架桥是由桥跨结构(主梁)与墩台(支柱、板墙)整体相连而形成的结构体系,其梁柱结点为刚结。v在荷载作用下,其结构中梁和柱(支柱、板墙)的截面均作用有弯矩、剪力和轴力。v T形刚架桥属于无推力结构,与其它刚架桥的受力特点根本不同。T形刚架桥的悬臂部分主要承受负弯矩,一般为对称设置。v刚架桥的外形尺寸较小,桥下净空较大,视野开阔,适用于建筑高度受限、需要较大桥下净空的情况。v刚架桥设计必须考虑附加内力。大跨度预应力刚架桥近年来发展迅速。v刚架桥要求桥址有较好的地基条
27、件或采用深基础。2007-06内蒙古工业大学建工学院364.4.悬索桥悬索桥v悬索桥的特点是主要承载结构由桥塔和悬挂在塔上的高强度柔性缆索及吊索、加劲梁和锚锭结构组成。主缆索是主要承重结构,但其仅承受拉力。这种桥型能以较小的建筑高度跨越其它任何桥型无法比拟的特大跨度。v悬索桥在设计计算时,除需考虑其结构的静力特性外,还必须考虑其结构的动力特性,尤其它的抗风稳定性。计算通常采用有限变形理论。2007-06内蒙古工业大学建工学院375.5.组合式桥组合式桥v组合式桥是由几个不同的基本类型结构所组成的桥。各种各样的组合式桥根据其所组合的基本类型结构不同,其受力特点也不同,往往是所组合的基本类型结构的
28、受力特点的综合表现。v常见的这类桥型有梁与拱组合式桥,如系杆拱、桁架拱及多跨拱梁结构等;悬索结构与梁式结构的组合式桥,如斜拉桥等。v系杆拱桥 系杆拱是典型的梁和拱组合的无推力结构体系。这一桥型的实用跨径为30100m,最大跨径已达150m。2007-06内蒙古工业大学建工学院38斜拉桥斜拉桥(独塔斜拉桥独塔斜拉桥、双塔斜拉桥双塔斜拉桥、多塔斜拉桥、多塔斜拉桥)v斜拉桥由主梁、拉索和索塔组成。v在结构体系中,斜拉索中荷载所引起拉力的水平分量,使梁结构承受轴向压力,相当于对梁结构施加预应力;其竖向分量为主梁提供弹性支承。v与悬索桥相比,抗风稳定性明显改善,不需要巨大的锚锭结构。与梁式桥相比,主梁结
29、构的内力分布更均匀合理。v这一桥型的实用跨径为1501000m,最大跨径已达890m。目前在建的苏通长江大桥跨径为1088m,2008年建成。2007-06内蒙古工业大学建工学院391.3 1.3 桥梁总体规划与设计程序桥梁总体规划与设计程序1.1.3.1 3.1 桥梁的桥梁的总体规划总体规划v1 1桥梁设计基本原则桥梁设计基本原则v安全安全v桥梁结构,在制造、运输、安装和使用过程中应有足够的强度、强度、刚度、稳定和耐久性刚度、稳定和耐久性,并有安全储备安全储备。根据桥上交通和行人情况,桥面应考虑设置人行道(或安全带)、缘石、护栏、栏杆等设备,以保证行人和行车安全。桥上还应设有照明设施,引桥纵
30、坡不宜过陡,地震区桥梁,应按抗震要求采取防震措施。v适用适用v桥梁宽度应能满足车辆和人群的交通流量交通流量要求,并应满足今后规划年限内交通量增长的需要。桥下应满足泄洪、通航或通车泄洪、通航或通车 2007-06内蒙古工业大学建工学院40v等要求。桥梁两端方便车辆进出,以防止出现交通堵塞。此外,还要便于今后检查和维修。v经济经济v在桥梁设计中,经济性一般是首要考虑的因素。桥梁设计应遵循因地制宜、就地取材和方便施工的原则,综合考虑发展远景和将来的养护维修,使其造价和养护费用综合最省。v美观美观v一座桥梁,尤其是城市桥梁和游览地区的桥梁,应具有优美的外形,结构布置精炼,空间比例和谐,与周围环境相协调
31、。合理的结构布局和轮廓是美观的主要因素,此外,施工质量也会影响桥梁美观性。v此外,桥梁设计应积极采用新结构、新材料、新工艺和新设备,学习和利用国际上最新科学技术成就,以利于提高我国桥梁建设水平,赶上和超过世界先进水平。2007-06内蒙古工业大学建工学院41v2 2野外勘测与调查研究野外勘测与调查研究v桥梁的规划设计涉及的因素很多,必须充分的调查研究,从客观实际出发,提出合理的设计建议及计划任务书。v调查研究桥梁交通要求调查研究桥梁交通要求v对于公路或城市桥梁,需要调查研究桥上交通种类及其要求,如汽车荷载等级、实际交通量和增长率,需要的车道数目或行车道宽度,以及人行道的要求等等。v选择桥位选择
32、桥位v各级公路上的小桥及其与公路的衔接,一般应符合路线布设的要求,桥中线与洪水流向应尽量正交。各级公路上的特大、大、中桥的桥位,原则上应服从路线上的总方向,路桥综合考虑。对于特大、大、中桥一般选择25个可能的桥位,对每个可能桥位进行相应的调查、勘测工作,包括搜集洪水、地形和地质资料;实地调查历史洪水位;作必要的地形、地貌和地质等测绘工作。经综合分析比较,选择出最合理的桥位。2007-06内蒙古工业大学建工学院42v桥位的详细勘测和调查桥位的详细勘测和调查v对确定的桥位要进一步搜集资料,为设计和施工提供可靠依据。这时的勘测和调查工作包括绘制桥位附近大比例地形图、桥位地质钻探并绘制地质剖面图、实地
33、水文勘测调查等。为使地质资料更接近实际,宜将钻孔布置在拟定的桥孔方案墩台附近。v调查其他有关情况调查其他有关情况v调查了解地震资料、当地建筑材料来源及供应情况、运输条件、是否需要拆迁建筑物或占用农田、桥上是否需要铺设电缆或各种管线等。v3 3桥梁纵、横断面设计和平面布置桥梁纵、横断面设计和平面布置v桥梁纵断面设计桥梁纵断面设计(vertical-sectional design of bridge)(vertical-sectional design of bridge)v桥梁纵断面设计包括桥梁总跨径的确定、桥梁分孔、确定桥面总跨径的确定、桥梁分孔、确定桥面标高和桥下净空、桥梁纵坡及基础埋置深
34、度标高和桥下净空、桥梁纵坡及基础埋置深度等。2007-06内蒙古工业大学建工学院43v1 1)桥梁总跨径的确定)桥梁总跨径的确定v桥梁总跨径一般根据水文计算确定水文计算确定。桥梁墩台和桥头路堤压缩河床,使桥下过水断面减少,流速增大,引起河床冲刷和桥上游壅水,因此,桥梁总跨径必须保证桥下有足够的排洪面积,河床不产生过大的冲刷,并注意壅水可能淹没耕地和建筑物等危害。此外,尚应注意河床地形,不宜过分压缩河道、改变水流的天然状态。v2 2)桥梁分孔)桥梁分孔v桥梁分孔是一个较复杂的问题,需因时因地制宜,综合比较后确定。对于通航河流对于通航河流,首先根据通航净空要求,确定通航孔跨径,并布置在稳定的主河槽
35、位置,对于变迁性河流对于变迁性河流,还需加设通航孔;桥基位置尽量避开复杂的地质和地形区段;分孔布置还要考虑上部结构采用的结构体系类型,有些结构体系各桥孔的跨径应有合宜的比例,以保证结构受力合理;要考虑基础施工因 2007-06内蒙古工业大学建工学院44v素,若基础施工困难,航运繁忙,则宜加大孔径;从经济上考虑,一般来说,采用大跨度时上部结构造价大,而下部结构造价则比小跨度时小。在满足通航前提下,通过经济技术比较,最后确定分孔布置。v跨径选择还与施工能力有关,有时选用较大跨径虽然在技术上和经济上是合理的,但由于缺乏足够的施工技术能力和机械设备,也不得不改用较小跨径。v此外,要注意确定桥梁孔径时应
36、考虑桥位上下游已建或拟建桥涵和水工建筑物的状况及其对河床演变的影响。v3 3)桥面标高的确定)桥面标高的确定v桥面标高的确定主要考虑三个因素:路线纵断面设计要求、排路线纵断面设计要求、排洪要求和通航要求洪要求和通航要求。对于中、小桥梁,桥面标高一般由路线纵断面设计确定;对于跨河桥,为保证结构不受毁坏,桥梁主体结构必须比计算水位或最高流冰水位高出一定距离,满足公路桥 2007-06内蒙古工业大学建工学院45v涵设计通用规范(JTG D602004) (以下简称桥规(JTG D60))对非通航河流桥下净空的要求(见表1.6);对于通航河流,通航孔还必须满足通航净空要求,通航净空尺寸按内河通航标准(
37、GBJ139-90)确定;对于跨越铁路或公路的桥梁,应满足相应的铁路或公路的建筑界限规定。 v4 4)桥梁纵坡布置)桥梁纵坡布置v桥梁标高确定后,就可根据两端桥头的地形和线路要求来设计桥梁的纵断面线形。按照公路工程技术标准(JTG B01-2003)规定,公路桥梁的桥上纵坡不宜大于4%,桥头引道纵坡不宜大于5%;位于市镇混合交通繁忙处,桥上纵坡和桥头引道纵坡均不得大于3%,桥头两端引道线型应与桥上线形相配合。 2007-06内蒙古工业大学建工学院46v桥梁横断面设计桥梁横断面设计(cross-sectional design of bridge)(cross-sectional design
38、of bridge)v桥梁横断面的设计,主要是决定桥面的宽度桥面的宽度和桥跨结构横截面横截面的布置的布置。桥面宽度由行车和行人的交通需要决定。桥面净空应符合桥规(JTG D60)第3.3.1条公路建筑限界的规定,在规定的限界内,不得有任何结构部件等侵入。在选择车道宽度、中间带宽度和路肩宽度及其一般值和最小值时,应首先考虑与桥梁相连的公路路段的路基宽度,保持桥面净宽与路肩同宽,使桥梁与公路更好地衔接,公路上的车辆可维持原速通过桥梁,满足车辆在公路上无障碍地行驶的现代交通最基本的要求。v行车道宽度为车道数乘以车道宽度,车道宽度与设计车速有关,车速越高,车道宽度越大,其值在3.75m3m之间,应满足
39、前述规范的要求。自行车道和人行道的设置,应根据需要而定,与前后路线布置协调。一个自行车道的宽度为1.0m,单独设置自行车道时,一般不宜小于两个自行车道的宽度。人行道的宽度 2007-06内蒙古工业大学建工学院47v一般为0.75m或1.0m,大于1.0m时,按0.5m的级差增加。高速公路上的桥梁,不宜设人行道。漫水桥和过水路面可不设人行道。v高速公路、一级公路上的桥梁必须设置护栏。二、三、四级公路上特大、大、中桥应设护栏或栏杆和安全带,小桥和涵洞可仅设缘石或栏杆。不设人行道的漫水桥和过水路面应设护栏或栏杆。v在弯道上的桥梁应按路线要求予以加宽。v桥梁平面布置桥梁平面布置v桥梁及桥头引道的线形应
40、与路线布设相互协调,各项技术指标应符合路线布设的规定。高速公路和一级公路上行车速度快,桥梁与道路衔接必须舒顺才能满足行车要求,因此,高速公路、一级公路上的各类桥梁除特殊大桥外,其布设应满足路线总体布设的要求。高速公路、一级公路上的特殊大桥,以及二、三、四级公路上的大、中桥线形,一般为直线。2007-06内蒙古工业大学建工学院48v从桥下泄洪要求及桥梁安全角度考虑,桥梁纵轴线应尽可能与洪水主流流向正交。对通航河流上的桥梁,为保证航行安全,通航河道的主流应与桥梁纵轴线正交。当斜交不能避免时,交角不宜大于5;当交角大于5时,应增大通航孔跨径。对于一般小桥,为了改善路线线形,或城市桥梁受原有街道的制约
41、时,也允许修建斜交桥,但从桥梁本身的经济性和施工方便来说,斜交角通常不宜大于45。1.1.3.2 3.2 桥梁桥梁设计程序简介设计程序简介桥梁设计是一个分阶段、循序渐进的工作过程。根据国家基本建设程序要求,我国大型桥梁的桥梁设计程序分为前期工作和设计阶段(见图1.21)。前期工作包括编制预可行性研究报告和可行性研究报告;设计阶段按“三阶段设计”进行,即初步设计、技术设计与施工图设计。各阶段的设计目的、内容、要求和深度均不同。2007-06内蒙古工业大学建工学院49v1 1预可行性研究报告的编制预可行性研究报告的编制v此阶段简称为“预可”阶段。预可行性研究报告是在工程可行的基础上,着重研究建设上
42、的必要性和经济上的合理性,解决要不要修建桥梁的问题。对于区域性桥梁,应通过对准备建桥地点附近的渡口车辆流量调查,并从发展的观点以及桥梁修建后可能引入的车流,科学分析和确定通过桥梁的可能车流量,论证工程的必要性。v在预可行性研究报告中,应编制几个可能的桥型方案,对工程造价、投资回报、社会效益、政治意义和国防意义等进行分析,论述经济上的合理性,并对资金来源有所设想。v设计方将预可行性研究报告交业主后,由业主据此编制“项目建议书”报主管上级审批。v2 2可行性研究报告的编制可行性研究报告的编制2007-06内蒙古工业大学建工学院50v此阶段简称为“工可”阶段。“工可”阶段与“预可”阶段的内容和目的基
43、本一致,只是研究的深度不同,可行性研究报告是在预可行性研究报告审批后,着重研究工程上和投资上的可行性。v在本阶段,要研究和制定桥梁的技术标准,包括设计荷载、允许车速、桥梁坡度和曲线半径等,同时,还应与河道、航运、城市规划等部门共同研究和协商来确定相关技术标准。v在“工可”阶段,应提出多个桥型方案,并按交通部公路建设工程投资估算编制办法估算造价,对资金来源和投资回报等问题应基本落实。v3 3初步设计初步设计v可行性研究报告批复后,即可进行初步设计。在本阶段要进一步开展水文、勘测工作,以获取更详细的水文资料、地形图和工程地质资料。在初步设计阶段,应拟定桥梁结构的主要尺寸、估算工程数量和主要材料的用
44、量、提出施工方案的意见和编制设计概算。初步设计的概算成为控制建设项目投资的依据。 2007-06内蒙古工业大学建工学院51v初步设计的目的是确定设计方案,应拟定几个桥式方案,综合分析每个方案的优缺点,通过对每个方案的主要材料用量、总造价、劳动力数量、工期、施工难易程度、养护费用等各种技术经济指标以及美观性进行比较,选定一个最佳的推荐方案,报建设单位审批。v4 4技术设计技术设计v技术设计的主要内容是对选定的桥式方案中重大、复杂的技术问题通过科学试验、专题研究、加深勘探调查及分析比较,进一步完善批复的桥型方案的总体和细部各种技术问题,提出详尽的设计图纸,包括结构断面、配筋、细节处理、材料清单及工
45、程量等,并修正工程概算。v5 5施工图设计施工图设计v施工图设计是在批复的技术设计(三阶段设计时)或初步设计(二阶段设计时)所有技术文件基础上,进一步进行具体设计。 2007-06内蒙古工业大学建工学院52v此阶段工作包括详细的结构分析计算、配筋计算、验算并确保各构件强度、刚度、稳定和裂缝等各种技术指标满足规范要求、绘制施工详图、编制施工组织设计和施工图预算。v目前,国内一般的(常规的)桥梁采用二阶段设计,即初步设计和施工图设计;对于技术上复杂的特大桥、互通式立交或新型桥梁结构,需增加技术设计,即三阶段设计;对于技术简单、方案明确的小桥,也可采用一阶段设计,即施工图设计。v1.1.3.3 3.
46、3 桥梁桥梁建筑造型与美学建筑造型与美学v1 1概述概述v桥梁作为人类建造的结构物,不仅具有交通功能,而且能满足人们到达彼岸的心理希望,同时也是生活环境中使人印象深刻的标志性结构物,常常成为审美的对象和文化的遗产,因此,对桥梁造型的美学要求即桥梁结构本身的协调和和谐以及桥梁和周围环境的协调,从而给人们美的享受应是桥梁设计中必须考虑的主要因素。2007-06内蒙古工业大学建工学院53v 桥梁建筑空间形态一般称为形体。当人们接近一个卓越的桥梁建筑时,由于其结构形体的引发而使人产生感动和联想,我们把创造具有这种艺术感染力的建筑结构形体称为建筑造型,把获得这种建筑造型的工作过程称为建筑造型设计。v 下
47、面将简要介绍桥梁建筑造型设计有关美的法则。v2 2桥梁建筑造型美的法则桥梁建筑造型美的法则v协调与统一协调与统一v协调与统一,主要指两方面。其一是桥梁与桥位处的自然景观和附近的人工建筑物一起,处在人们的生活空间中,故要求桥梁建筑造型要达到与环境的协调;其二是桥梁建筑本身由若干部分组成,其各自功能和造型不同,这种差异和变化,必然在和谐和秩序中得到有机统一,否则不是呆板单调,便是杂乱无章,唤不起人们的美感。 2007-06内蒙古工业大学建工学院54v桥梁建筑环境设计,不是装饰自然,而是希望桥梁建筑同周围自然景色一起发挥作用。一般采用的手法有,隐蔽法,即尽可能做到藏桥于景中。此法主要用于山区或风景区
48、的小跨径桥梁。融合法,此法是使桥梁构成新环境一个要素,组合于周围总体景观和环境的画面中。融合法是常用的方法。强调法,这是一种突出桥梁建筑,使其成为景观主体的手法,一些城市跨越江河的大桥或特大桥往往属于此类。v桥梁结构造型统一,首先要注意各结构部分的协调统一。一般来说,要避免不同结构体系混杂使用,主桥和引桥应是相一致或相近的体系,下部桥墩造型力求简单划一,以免显得杂乱无章。v主从与重点主从与重点v桥梁建筑从功能特点考虑有主体和附属之分,而从结构受力体系来说,有主要受力构件和次要受力构件之分。主桥与引桥、主孔与边孔、主体与附属存在主从差异,这种差异与对立,使桥梁 2007-06内蒙古工业大学建工学
49、院55v建筑形成一个完整协调的有机整体。v桥梁的主从首先从布孔上考虑。如果一座桥梁有主孔与边孔之分,则主孔不仅跨径大,标高高,而且有时为了适应大跨而采用不同的结构形式,突出了主孔位置和造型,视觉重点突出引人注意,从而获得主从分明的效果。v斜拉桥、悬索桥的结构图形简洁,主塔将竖向及斜向心理引诱线引向塔顶,形成人们瞩目的重要部位,突出了高耸挺拔气势夺人的塔作为主体的主导地位,配以轻柔的拉索、无限延伸的水平加劲梁,视觉上主从分明,构成了索结构桥型所独有的形态和美感。v对称与均衡对称与均衡v对称是指以某一线为中轴线,左右、前后或上下两侧建筑同形同量。对称桥梁建筑造型是最常见的表现形式,以桥梁中线为对称
50、轴,桥梁结构对称,孔数相同,跨度及结构尺度均对称。 2007-06内蒙古工业大学建工学院56v对称的造型统一感好,规律性强,易使人产生庄严、整齐的美感,同时也能照顾到简化施工、降低造价的要求。v均衡则是在非对称的构图中,以不等的距离形成力量(体量)的平衡感。均衡具有变化的美,其结构特点是生动活泼,有动感。有些桥梁受地形、河流主航道、主河槽的影响采用不了对称布置,布孔不对称或结构形式不对称。对于布孔的不对称情况,为了达到造型上的均衡性,可采用斜塔、疏密与长度不等的拉索和大小相差悬殊的跨径来调整布孔上的不对称而达到均衡的目的,从而使桥梁从构造、功能和景观得到协调一致的处理。结构的非对称造型处理得当
51、,有时也会产生令人难以料想的效果。v比例与尺度比例与尺度v比例是表现桥梁建筑物各部分数量关系之比,是相对的,不涉及到具体尺寸,它包括三个方面的内容:一是桥梁结构各部分本身的三维尺寸的关系;二是桥梁结构整体与局部或局部与局部 2007-06内蒙古工业大学建工学院57v之间的三维尺寸关系;三是桥梁结构实体部分与空间部分的比例关系,也称为虚实比例关系。v桥梁建筑中各部分尺寸比,主要服从于结构刚度、变形和经济要求,但需使人们从视觉上获得协调匀称及满意的感受;主梁实体部分与桥下空间部分的比例关系是虚实比例关系,当桥下净空或桥面标高要求固定的情况下,可通过调节跨度,进而增加或减少梁高,使桥梁的虚实透视存在
52、一个最佳的比例。v与比例不同,尺度涉及到真实尺寸的大小,但是一般又不是指要素真实尺寸的大小,而是指建筑要素给人感觉上的大小印象和实际大小之间的关系。如果两者一致,则建筑形象正确地反映了建筑物的真实大小,如果不一致,则表明建筑形象歪曲了建筑物的真实大小,通常称为建筑物失掉了应有的尺度感。比例和尺度是密切相关的建筑造型特征,如果一座桥梁某些部位的尺度不当或比例失调,都会影响它的整体形象,只有各部的比例和尺度达 2007-06内蒙古工业大学建工学院58v到匀称和协调,才能构成优美形象。v稳定与动势稳定与动势v安全稳定是对桥梁建筑最基本的使用要求,同时桥梁建筑必须给人以稳定可靠的感觉,即使在力学上是充
53、分安全合理,如果给使用者以不安全感觉,就不可能让人感受到其造型之美。所以,只有使人在直观上能感受到桥梁的强度和稳定性时,形式美和功能美才得以在人的心理上产生统一。v桥梁是一个承重结构,人们首要的心理活动是通过视觉看出它是如何承受荷载的,荷载是如何传递的,简洁的承载和传力结构,会形成一个紧凑严密、蕴藏着巨大力量的结构物,任何一座设计合理、造型优美的桥梁都会显示出安静、自信、坚固的形象,给人一种坚定、不可动摇的稳定感。人们观赏桥梁结构物是多视角的。在桥上高速行驶的车或移动的人,由于视点的变化, 2007-06内蒙古工业大学建工学院59v使观看到的实际桥梁建筑形象有规律地变化仿佛是桥梁在运动,给人一
54、种动感;当人们在桥外沿着桥梁水平方向目视多跨桥梁,由于其跨越方向的延伸长度要比宽度和高度大得多,自然就会感到桥梁结构上的强烈运动延伸的动势。此外,拱桥外形在纵向与竖向的起伏变化,以及弯桥在水平面的弯延变化,均会给人以深刻的感受。v韵律与节奏韵律与节奏v韵律与节奏是重要的造型手法,设计者可将桥梁构成一个系统的整体,通过有规律的重复或有秩序的变化形成韵律和节奏,激发人们的美感。几乎所有的桥梁结构都具有韵律和节奏的因素,从栏杆设计到灯柱的布置,从结构细部到分孔规律,一般都蕴涵着韵律和节奏的效果。v桥梁建筑韵律形式主要有连续韵律和变韵律。连续韵律为桥梁建筑部分重复连续出现,例如等跨连续拱桥,由于其曲线
55、的造型 2007-06内蒙古工业大学建工学院60v成动态的趋势、虚实的交替,可以形成强烈的韵律感;变韵律则是连续的部分按一定的秩序变化,逐渐加长或缩短,变宽或变窄,变密或变蔬等,大跨拱桥上腹拱的变化即是一种渐变韵律,多孔拱桥的重复又形成连续的韵律,形成一种韵律美。某些多跨桥梁,各孔跨径和桥下净高以中孔最大,向两边渐小,形成规律性变化,通过渐变韵律的美学表现,收到赏心悦目的效果。2007-06内蒙古工业大学建工学院611.4 1.4 桥梁结构的作用桥梁结构的作用v1 1、作用、作用桥梁结构在施工和使用过程中要受到自身的和外部的各种因素的作用, 将所有引起结构反应的原因如:结构的自重、人群荷载、汽
56、车荷载、以及汽车冲击力、土压力、温度变化、风荷载和地震等统称为作用。v2 2、作用效应、作用效应作用使结构产生的内力(轴向力、弯矩、剪力、扭矩)和变形、裂缝等称为作用效应。v3 3、作用按时间的变异特点分类:、作用按时间的变异特点分类:v(1)永久作用(permanent action) v(2)可变作用(variable action)v(3)偶然作用(accidental action)v各类作用所包含的作用见表1.7。2007-06内蒙古工业大学建工学院62v 4 4。作用代表值。作用代表值(representative value of an action)(representativ
57、e value of an action)结构或结构构件设计时,针对不同设计目的所采用的各种作用的代表值。v 作用具有变异性,但在结构设计时,不可能直接引用作用随机变量或随机过程的各种统计参数通过复杂的计算进行设计,因此必须为结构设计时的作用给定一个量值,这个作用量值称为作用代表值。v 公路桥梁设计中对不同的设计状况、不同的极限状态有不同的设计要求,采用的设计代表值也不同,这样能更确切、合理地反映作用对结构不同设计要求下的特点。作用的代表值有标准值(characteristc value of an action)、频遇值(frequent value of an action)和准永久值(q
58、uasi-permanent value of an action)。2007-06内蒙古工业大学建工学院63v(1 1)作用的标准值)作用的标准值结构或结构构件设计时,采用的各种作用的基本代表值。v其量值是取结构设计规定期限内可能出现的最不利值。按作用在设计基准期内最大值概率分布的某一分位值确定;v(2 2)频遇值)频遇值结构或构件按正常使用极限状态短期效应组合设计时,采用的一种可变作用代表值,它是结构上较频繁出现的且量值较大的荷载作用值。v其值比作用标准值小,由标准值乘以小于1的频遇系数得到;v(3 3)准永久值)准永久值结构或构件按正常使用极限状态长期效应组合设计时,采用的另一种可变作用
59、代表值,它是结构上经常出现的作用取值。v其值比频遇值又要小些,由标准值乘以准永久值系数得到。作用的设计值规定为作用 标准值乘以相应的作用分项系数。 2007-06内蒙古工业大学建工学院64v 公路桥梁结构的设计基准期为100年。1.1.4.1 4.1 永久作用永久作用v 1.1.定义定义在结构设计基准期内其值不随时间变化,或其变化与平均值相比可以忽略 不计的作用,亦称恒载。v 2.2.种类种类结构自重、桥面铺装及附属设备的重量、作用于结构上的土重及土侧压力、基础变位作用、水浮力、长期作用于结构上的预加力及混凝土收缩及徐变作用等。v 永久作用采用标准值作为代表值。对于结构自重,包括桥面铺装和附属
60、设备等附加重力,它们的标准值按结构设计规定的设计尺寸和材料的重力密度计算确定。常用各种材料的重力密度可按桥规(JTG D60)中表4.2.1的数值采用。2007-06内蒙古工业大学建工学院65v对于预应力混凝土桥梁结构,预加力在结构进行正常使用极限状态设计和使用阶段构件应力计算时,应作为永久作用计算其主效应和次效应,并计入相应阶段的预应力损失,但不计由于预加力偏心距增大引起的附加效应。在结构进行承载能力极限状态设计时,预加力不作为作用,而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分,但在连续梁等超静定结构中,仍需考虑预加力引起的次效应。v混凝土收缩及徐变作用在外部超静定的混凝土结构及复合桥梁等结构中是必然
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