工程计算手册桥梁工程

工程计算手册桥梁工程一、桥梁工程概述桥梁作为跨越障碍物（如河流、山谷、道路等）的交通设施，其作用至关重要。它不仅连接了不同区域的交通，促进了经济发展和人员往来，还对地区的基础设施完善有着关键影响。

桥梁工程包含多种类型，常见的有梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等。梁桥以梁作为主要承重结构，通过梁的抗弯能力来承受荷载；拱桥利用拱的受压特性，将荷载传递至桥墩和基础；斜拉桥依靠拉索将主梁的荷载传递到索塔；悬索桥则是通过主缆和吊索将荷载传递到两端的锚碇。

二、桥梁设计基本参数计算

（一）桥梁跨径确定1.依据使用要求：根据桥梁所跨越的障碍物宽度、交通流量、通航要求等确定跨径。例如，跨越小型河流的桥梁，跨径可能在几十米以内；而跨越大型河流或航道的桥梁，跨径可能达到数百米。2.考虑经济性：在满足使用功能的前提下，通过技术经济比较确定合理跨径。一般来说，跨径增加，上部结构造价可能增加，但下部结构造价可能降低，存在一个经济跨径范围。

（二）桥梁荷载计算1.恒载计算结构自重：根据桥梁各部分的材料（如混凝土、钢材等）体积和相应材料容重计算。例如，钢筋混凝土梁的自重可通过梁的尺寸（长、宽、高）乘以混凝土容重得出。附属设施自重：包括桥面铺装、栏杆、伸缩缝等的重量，分别计算后汇总。2.活载计算公路桥活载：按照《公路桥涵设计通用规范》采用车道荷载和车辆荷载进行计算。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成，考虑不同车道位置和荷载组合。车辆荷载则模拟实际车辆情况，考虑车辆的轴重、轴距等参数。铁路桥活载：依据铁路相关规范确定，如列车荷载的轴重、编组等，同样要考虑荷载的不利组合。

（三）桥梁坡度计算1.纵坡确定：根据路线设计要求和桥梁所处地形确定纵坡。纵坡不宜过大，以保证车辆行驶安全和舒适性，同时要满足排水要求。一般公路桥梁纵坡不超过3%5%，特殊情况需进行专门论证。2.横坡设置：为了桥面排水，通常设置1.5%3%的横坡。横坡可通过在桥面板上设置三角垫层或调整铺装层厚度等方式实现。

三、桥梁下部结构计算

（一）桥墩计算1.受力分析竖向力：包括上部结构传来的恒载、活载竖向力以及桥墩自身重量。水平力：如风力、流水压力、地震力等。在不同设计工况下，分析这些力的组合对桥墩的影响。2.计算方法轴心受压桥墩：根据材料力学公式计算桥墩的轴向抗压承载力，确保桥墩在竖向荷载作用下不会发生压溃破坏。偏心受压桥墩：考虑竖向力和水平力偏心作用，采用偏心受压构件的计算方法。通过计算桥墩各截面的应力和偏心距，保证桥墩的安全性。例如，可利用结构力学中的力法或位移法求解桥墩在各种荷载作用下的内力。

（二）桥台计算1.桥台类型及受力特点重力式桥台：依靠自身重力来平衡台后土压力，受力较为简单直接，但体积较大。轻型桥台：如薄壁桥台、桩柱式桥台等，利用桩基础或其他轻型结构形式来抵抗土压力，具有较好的经济性。2.计算内容土压力计算：根据桥台高度、填土性质等，采用合适的土压力计算理论（如朗肯土压力理论、库仑土压力理论）计算作用在桥台上的土压力。桥台内力计算：考虑土压力、上部结构传来的荷载等，计算桥台各截面的内力，包括弯矩、剪力和轴力等，确保桥台在各种荷载作用下的稳定性。

（三）基础计算1.基础类型选择根据地质条件、桥梁荷载等因素选择基础类型，常见的有扩大基础、桩基础、沉井基础等。例如，在地基承载力较好的地方可采用扩大基础；在软土地基上，桩基础更为合适。2.基础计算方法扩大基础：计算基底压力，确保基底压力不超过地基承载力设计值。通过基底尺寸的合理确定，使基底压力分布均匀。桩基础：计算单桩承载力，可采用静载试验法或经验公式法确定。同时，进行群桩基础的沉降计算，考虑桩土相互作用，保证基础沉降满足设计要求。

四、桥梁上部结构计算

（一）梁桥计算1.简支梁桥计算内力计算：采用结构力学方法计算简支梁在恒载、活载作用下的弯矩和剪力。例如，可利用简支梁的弯矩和剪力影响线，确定最不利荷载位置，计算相应截面的内力。变形计算：根据材料力学公式计算梁的挠度，保证梁的变形不超过设计允许值，以确保行车舒适性。2.连续梁桥计算内力分析：运用结构力学的矩阵位移法或有限元法进行连续梁的内力计算。考虑恒载、活载、支座沉降等因素，分析连续梁各跨的弯矩、剪力和支座反力。施工阶段分析：对于悬臂施工的连续梁桥，要进行施工阶段的内力和变形分析，确保施工过程中桥梁结构的安全性。

（二）拱桥计算1.主拱圈计算拱轴线选择：根据拱桥的类型、跨度、荷载等因素选择合适的拱轴线，如圆弧拱、抛物线拱等。内力计算：采用结构力学方法或有限元法计算主拱圈在恒载、活载作用下的内力，包括轴向力、弯矩和剪力等。考虑拱上建筑的联合作用，准确计算主拱圈的内力。2.拱上建筑计算实腹式拱上建筑：计算腹拱圈、侧墙等构件的内力，考虑其与主拱圈的协同工作。空腹式拱上建筑：除计算腹拱圈等构件内力外，还要分析空腹部分对主拱圈的影响，保证拱上建筑的结构安全。

（三）斜拉桥计算1.主梁计算受力特点分析：斜拉桥主梁在拉索的作用下，其受力状态与普通梁桥不同，存在较大的轴向力。内力计算：采用有限元法建立斜拉桥空间模型，计算主梁在恒载、活载、拉索索力等作用下的内力和变形。考虑拉索的非线性影响，准确模拟斜拉桥的实际受力情况。2.拉索计算索力计算：根据斜拉桥的设计目标（如成桥状态索力分布、结构内力合理等），采用优化算法确定拉索索力。常见的方法有零位移法、最小弯矩法等。拉索强度和稳定性计算：保证拉索具有足够的强度和抗风、抗振稳定性，满足桥梁的长期使用要求。

（四）悬索桥计算1.主缆计算主缆线形确定：根据桥梁跨度、荷载等因素，通过悬链线理论或抛物线理论确定主缆的线形。主缆内力计算：计算主缆在恒载、活载作用下的拉力，考虑主缆与加劲梁、吊索之间的相互作用，准确确定主缆的受力状态。2.加劲梁计算受力分析：加劲梁在主缆和吊索的作用下，主要承受弯曲和轴向力。内力计算：采用有限元法计算加劲梁在各种荷载作用下的内力和变形，保证加劲梁的结构安全和行车性能。

五、桥梁结构耐久性计算

（一）混凝土结构耐久性计算1.混凝土碳化深度计算：根据环境条件（如湿度、二氧化碳浓度等），采用相关公式计算混凝土的碳化深度。碳化会使混凝土碱含量降低，影响钢筋的耐久性，需控制碳化深度在一定范围内。2.钢筋锈蚀计算：考虑混凝土保护层厚度、氯离子含量等因素，评估钢筋锈蚀的可能性和速率。通过计算钢筋锈蚀引起的体积膨胀，分析对混凝土结构的破坏作用，采取相应的防护措施，如增加混凝土保护层厚度、使用防腐涂层钢筋等。

（二）钢结构耐久性计算1.钢结构防腐计算：根据钢结构所处环境（如海洋环境、大气环境等），确定防腐涂层的厚度和防腐周期。通过计算涂层的使用寿命和防护效果，保证钢结构在设计使用年限内不发生严重腐蚀。2.钢结构疲劳计算：对于承受反复荷载的钢结构构件，如桥梁的某些连接部位，进行疲劳计算。考虑应力幅、循环次数等因素，评估钢结构发生疲劳破坏的可能性，采取合理的构造措施和设计方法，提高钢结构的疲劳寿命。

六、桥梁施工过程计算

（一）桥梁基础施工计算1.明挖基础施工计算：计算基坑的稳定性，包括边坡稳定性和坑底抗隆起稳定性。考虑土的性质、坑深、坑壁支护方式等因素，确定合理的基坑开挖方案和支护措施，确保施工安全。2.桩基础施工计算：对于钻孔灌注桩，计算钻孔过程中的泥浆护壁压力、孔壁稳定性等；对于打入桩，计算打桩过程中的桩锤冲击力、桩身应力等，保证桩基础施工质量和安全性。

（二）桥梁上部结构施工计算1.支架施工计算：对于采用支架法施工的桥梁上部结构，计算支架的强度、刚度和稳定性。考虑支架的材料特性、荷载分布、支架高度等因素，合理布置支架，确保施工过程中结构的安全性。2.悬臂施工计算：对于悬臂施工的梁桥、斜拉桥等，计算悬臂施工过程中的结构内力和变形。通过控制挂篮的重量、施工荷载的分布等，保证悬臂施工的顺利进行和结构的线形控制。

七、桥梁工程计算实例

（一）某简支梁桥计算实例1.工程概况：该简支梁桥跨径为20m，采用钢筋混凝土结构，设计荷载为公路Ⅰ级。2.计算过程恒载计算：梁体自重通过梁的尺寸计算得出，桥面铺装、栏杆等附属设施自重分别计算后汇总，得到恒载作用下梁的内力。活载计算：按照《公路桥涵设计通用规范》的车道荷载和车辆荷载进行计算，利用影响线确定最不利荷载位置，计算梁的活载内力。内力组合：根据规范要求，进行恒载、活载的不同组合，得到梁各截面的最不利内力设计值。配筋计算：根据梁的内力设计值，按照混凝土结构设计规范进行梁的配筋计算，确保梁的承载能力满足设计要求。

（二）某拱桥计算实例1.工程概况：该拱桥为空腹式石拱桥，跨径50m，主拱圈采用等截面圆弧拱。2.计算过程拱轴线确定：根据拱桥的跨度和设计要求，选择合适的圆弧拱轴线。恒载内力计算：计算主拱圈、拱上建筑等的自重，采用结构力学方法计算主拱圈在恒载作用下的内力，考虑拱上建筑的联合作用。活载内力计算：按照规范采用车道荷载和车辆荷