土木工程畢業(yè)設(shè)計方案比選

1、方案比選說明書一、橋梁設(shè)計方案概要本次方案設(shè)計就大西客運專線韓家屯特大橋DK831+103.10DK831+280.80段進行三個橋型方案的設(shè)計研究比較方案一：三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁；方案二：三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋；方案三：下承式系桿拱橋三個橋梁方案均可滿足跨越大西客專新臨潼上行聯(lián)絡(luò)線經(jīng)綜合研究比較后認(rèn)為方案一最優(yōu)建議作為本工程的實施方案二、所選橋型各方面比較方案一：三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋以結(jié)構(gòu)受力性能好、變形小、伸縮縫少、行車平順舒適、造型簡潔美觀、養(yǎng)護工程量小、抗震能力強等而成為最富有競爭力的主要橋型之一簡介其發(fā)展：由于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在不少缺點：如過早地出現(xiàn)裂縫使其不能有效

2、地采用高強度材料結(jié)構(gòu)自重必然大從而使其跨越能力差并且使得材料利用率低為了解決這些問題預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生所謂預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)就是在結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載之前預(yù)先對混凝土施加壓力這樣就可以抵消外荷載作用下混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力自從預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生之后很多普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)所代替預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁是在二戰(zhàn)前后發(fā)展起來的當(dāng)時西歐很多國家在戰(zhàn)后缺鋼的情況下為節(jié)省鋼材各國開始競相采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)代替部分的鋼結(jié)構(gòu)以盡快修復(fù)戰(zhàn)爭帶來的創(chuàng)傷50年代預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁跨徑開始突破了100米到80年代則達(dá)到440米雖然跨徑太大時并不總是用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)比其它結(jié)構(gòu)好但是在實際工程中跨徑小于400米時預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁常常為優(yōu)勝

3、方案我國的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)起步晚但近年來得到了飛速發(fā)展現(xiàn)在我國已經(jīng)有了簡支梁、帶鉸或帶掛梁的T構(gòu)、連續(xù)梁、桁架拱、桁架梁和斜拉橋等預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)體系雖然預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的發(fā)展還不到80年但是在橋梁結(jié)構(gòu)中隨著預(yù)應(yīng)力理論的不斷成熟和實踐的不斷發(fā)展 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的運用必將越來越廣泛雖然連續(xù)梁有很多優(yōu)點但是剛開始它并不是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系中的佼佼者因為限于當(dāng)時施工主要采用滿堂支架法采用連續(xù)梁費工費時到后來由于懸臂施工方法的使用連續(xù)梁在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中有了飛速的發(fā)展60年代初期在中等跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁中使用了逐跨架設(shè)法和頂推法；在較大跨連續(xù)梁中則使用更完善的懸臂施工方法這就使連續(xù)梁方案重新獲得

4、了競爭力并逐步在40-200米范圍內(nèi)占主要地位無論是城市橋梁、高架道路、山谷高架棧橋 還是跨河大橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁都發(fā)揮了其優(yōu)勢成為優(yōu)勝方案 目前 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)成為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的主要橋型之一然而當(dāng)跨度很大時連續(xù)梁所需的巨型支座無論是在設(shè)計制造方面還是在養(yǎng)護方面都成為一個難題；而T型剛構(gòu)在這方面具有無支座的優(yōu)點因此有人將兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來形成一種連續(xù)-剛構(gòu)體系這種綜合了上述兩種體系各自優(yōu)點的體系是連續(xù)梁體系的一個重要發(fā)展 也是未來連續(xù)梁發(fā)展的主要方向另外由于連續(xù)梁體系的發(fā)展預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在中等跨徑范圍內(nèi)形成了很多不同類型無論在橋跨布置、梁、墩截面形式或是在體系上都不斷改進在城市預(yù)應(yīng)

5、力混凝土連續(xù)梁中為充分利用空間改善交通的分道行駛甚至已建成不少雙層橋面形式在我國預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁雖然也在不斷地發(fā)展 然而想要在本世紀(jì)末趕超國際先進水平就必須解決好下面幾個課題：1、發(fā)展大噸位的錨固張拉體系避免配束過多而增大箱梁構(gòu)造尺寸否則混凝土保護層難以保證密集的預(yù)應(yīng)力管道和普通鋼筋層層迭置又使混凝土質(zhì)量難以提高2、在一切適宜的橋址設(shè)計和修建墩梁固結(jié)的連續(xù)-剛構(gòu)體系盡可能不采用養(yǎng)護調(diào)換不易的大噸位支座3、充分發(fā)揮三向預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點采用長懸臂頂板的單箱截面既可節(jié)約材料減輕結(jié)構(gòu)自重又可充分利用懸臂施工方法的特點加快施工進度另外在設(shè)計預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋時技術(shù)經(jīng)濟指針也是一個很關(guān)鍵的因素它是設(shè)計方案合理性

6、和經(jīng)濟性的標(biāo)志目前各國都以每平方米橋面的三材（混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋）用量和每平方米橋面造價 來表示預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的技術(shù)經(jīng)濟指針但是橋梁的技術(shù)經(jīng)濟指針的研究和分析是一項非常復(fù)雜的工作三材指標(biāo)和造價指標(biāo)和很多因素有關(guān)例如：橋址、水文地質(zhì)、能源供給、材料供應(yīng)、運輸、通航、規(guī)劃、建筑等地點條件；施工 現(xiàn)代化、制品工業(yè)化、勞動力和材料價格、機械工業(yè)基礎(chǔ)等全國基建條件同時一座橋的設(shè)計方案完成后造價指針不能僅僅反應(yīng)了投資額的大小而是還應(yīng)該包括整個使用期限內(nèi)的養(yǎng)護、維修等運營費用在內(nèi)通過連續(xù)梁、T型剛構(gòu)、連續(xù)-剛構(gòu)等箱形截面上部結(jié)構(gòu)的比較可見：連續(xù)-剛構(gòu)體系的技術(shù)經(jīng)濟指針較高因此從這個角度來看連續(xù)-

7、剛構(gòu)也是未來連續(xù)體系的發(fā)展方向總而言之一座橋的設(shè)計包含許多考慮因素在具體設(shè)計中要求設(shè)計人員綜合各種因素作分析、判斷得出可行的最佳方案本次設(shè)計為（48+80+48）m預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋?qū)挒?2m梁體采用單箱單室箱型截面全橋共設(shè)45個梁段中支點0號梁段長度12m一般梁段長度分成 2.7m、3.1m和3.5m合攏段2.0m邊跨直線段及合攏段共長8.0m最大懸臂澆筑塊重 136.882t由于多跨連續(xù)梁橋的受力特點靠近中間支點附近承受較大的負(fù)彎矩而跨中則承受正彎矩則梁高采用變高度梁 按二次拋物線變化 這樣不僅使梁體自重得以減輕 還增加了橋梁的美觀效果梁體各控制截面梁高分別為：端支座處邊跨直線段和跨中3.8

8、5m中支點處梁高6.65m梁高按二次拋物線變化；箱梁截面為單箱單室直腹板；全橋箱梁頂寬底寬6.7m頂板厚40cm腹板厚分別為 48cm至60cm 60cm至90cm按折線變化底板厚由跨中的40cm按直線變化至中支點梁根部的100cm；全橋共設(shè)分別設(shè)于中支點、端支點和中間跨跨中截面由于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為超靜定結(jié)構(gòu)手算工作量比較大且準(zhǔn)確性難以保證所以采用有限元分析軟件-MIDAS進行這樣不僅提高了效率而且準(zhǔn)確度也得以提高本次設(shè)計的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁采用懸臂現(xiàn)澆法施工圖2.1三跨連續(xù)梁簡圖方案二：三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋1、概況及受力特點剛構(gòu)橋?qū)蚩缃Y(jié)構(gòu)（主梁）和墩臺剛性固結(jié)連接成整體則主梁的彎矩可

9、傳遞至墩臺使墩臺也同時彎曲而產(chǎn)生彎矩同時又受壓力作用 剛構(gòu)橋的外形近似梁式橋 但和梁式橋不同的是 它的墩臺是壓彎桿件 受力情況又接近拱橋因此其結(jié)構(gòu)體系介乎梁式橋和拱式橋二者之間 在跨內(nèi)荷載作用下剛構(gòu)橋主梁兩端產(chǎn)生負(fù)彎矩 能抵消跨中一部分正彎矩12.0m5道橫隔梁跨中截面尺寸相應(yīng)得以減小 連續(xù)剛構(gòu)是在T形剛構(gòu)橋和連續(xù)梁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的T形剛構(gòu)不需大噸位支座但伸縮縫多影響了行車的舒適性而且掛梁處或鉸接處存在轉(zhuǎn)角不連續(xù)因此不適合高速交通的發(fā)展連續(xù)梁橋橋面平順行車舒適但需體系轉(zhuǎn)換和大噸位支座連續(xù)剛構(gòu)則吸取了兩者的優(yōu)點采用雙薄壁墩來減小溫度應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋外型尺寸小橋下凈空大橋上視野開闊鋼筋混凝土剛構(gòu)橋

10、混凝土用量少但鋼筋用量較大基礎(chǔ)的造價也高所以目前常用于中小跨度；預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋則常用于高墩大跨橋梁且具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性其橋型方案主要采用連續(xù)剛構(gòu)2、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋具有如下優(yōu)點：(1) 墩梁固結(jié)的特點省去了大跨連續(xù)梁的制作無需進行巨型支座的設(shè)計、制造、養(yǎng)護和更換 節(jié)省昂貴的支座費用；(2) 因墩梁固結(jié)橋墩的厚度大大減小約為梁在支點處高度的0. 2倍一 0. 4倍比T形剛構(gòu)的墩厚小的多減少橋墩和基礎(chǔ)工程的材料用量；(3) 抗震性能好水平地震力可均攤給各個墩來承受不需像連續(xù)梁設(shè)置制動墩承受或采用昂貴的專用抗震支座；(4) 墩梁固結(jié)便于采用懸臂施工方法省去了連續(xù)梁施工在體系轉(zhuǎn)換時采用的臨

11、時固結(jié)措施拱式組合體系橋是指在拱式橋跨結(jié)構(gòu)中將梁和拱兩種基本結(jié)構(gòu)組合起來共同承受荷載充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)特性及其組合作用達(dá)到節(jié)省材料的目的對一般變截面箱梁合理的箱梁高度以根部高度為中跨的1/ 151/ 20、中跨跨中梁高為主跨比的1/ 501/ 60為宜邊、中跨比最好在 0.520.58之間使邊跨支座在任何情況下均保持一定的壓力 連續(xù)剛構(gòu)在跨中和根部的應(yīng)力一般均能控制住而在距離根部1/4附近的正應(yīng)力和主應(yīng)力則難以控制解決的辦法是將該范圍腹板增寬并加密布置構(gòu)造鋼筋以減少裂縫的出現(xiàn) 除此之外也可通過梁高的變化規(guī)律來調(diào)整一般梁高的變化規(guī)律可采用二次拋物線來實現(xiàn)該橋設(shè)計方案為主跨（48+80+

12、48）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)主橋箱梁采用單箱單室截面為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)考慮到鐵路橋尤其高速鐵路線性要求嚴(yán)格剛度要求高適當(dāng)提高主梁高度支點處梁高取5.6m跨中取2.8m寬度12m二次拋物線變截面圖2.2三跨連續(xù)剛構(gòu)簡圖方案三：上承式混凝土拱橋1、拱橋的基本特點及其適用范圍力學(xué)特點：將橋面的豎向荷載轉(zhuǎn)化為部分水平推力使拱的彎距大大減小拱主要承受壓力充分發(fā)揮圬工材料抗壓性能；拱橋的優(yōu)點：（1）具有較大的跨越能力充分發(fā)揮圬工及其它抗壓材料的性能；（2）構(gòu)造較簡單受力明確簡潔；（3 ）形式多樣、外型美觀；拱橋的缺點：（1）有水平推力的拱橋?qū)Φ鼗A(chǔ)要求較高 多孔連續(xù)拱橋互相影響；（2）跨徑較大時自重較大對

13、施工工藝等要求較高；（3）建筑高度較高對穩(wěn)定不利；拱橋的主要組成：拱圈（拱背、拱腹、拱頂、拱腳）、拱上結(jié)構(gòu) 矢跨比f/L-反映拱橋受力特性的重要指標(biāo)2、主拱圈的截面尺寸擬定（1）主拱圈寬度中、小跨徑橋：拱圈寬度 =橋面凈空寬度？欄桿寬大跨徑橋或特寬橋：拱圈寬度V橋?qū)捴鞴叭挾纫话?/20橋規(guī)規(guī)定當(dāng)主拱圈寬度V1/20時則應(yīng)驗算拱的橫向穩(wěn)定性本橋設(shè)計矢跨比f/L=1/7跨度176m矢高25m主拱圈材料采用鋼筋混凝土為節(jié)約材料拱圈截面為等截面箱型拱主拱圈采用二次拋物線適合大跨徑拱橋箱型截面特點：截面挖空率大節(jié)省材料；形心軸靠中適應(yīng)主拱正負(fù)彎距變化；主拱整體性好抗扭剛度大穩(wěn)定性好；便于預(yù)制施工拼裝；

14、箱形主拱圈的形式(2 )箱形拱構(gòu)造尺寸拱圈高度一般為跨徑的1/501/70 ;可采用經(jīng)驗公式：H=176/100+0.8=2.56m拱圈寬度滿足跨度的1/20 ;保證橫向穩(wěn)定；所以寬度取10m(3 )空腹式梁式腹孔特點：減輕拱上重量降低拱軸系數(shù)改善拱圈在施工過程中的受力狀況獲得更好的經(jīng)濟效果為了施工方便采用簡支腹孔拱軸線選取應(yīng)滿足的要求(1)盡量減小拱圈截面的彎矩使主拱圈各主要截面的應(yīng)力相差不大；且最大限度減小截面拉應(yīng)力 最好是不出現(xiàn)拉應(yīng)力；(2 )對于無支架施工的拱橋應(yīng)盡可能少用或不用臨時性施工措施；(3) 計算方法簡便易為生產(chǎn)人員掌握；(4 )線型美觀便于施工圖2.3上承式拱橋簡圖表1方案

15、綜合比較表方案比選內(nèi)容結(jié)構(gòu)形式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁混凝土連續(xù)剛構(gòu)上承式混凝土拱橋主要受力特點由于支點負(fù)彎矩的卸載作用跨中正彎矩大大減小恒載、活載均有卸載作用（受力性能較簡支梁優(yōu)越）由于彎矩圖面積的減小跨越能力增大適宜跨徑：30-300米超靜定結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)變形及溫差荷載較敏感主梁變形撓曲線平緩、橋面伸縮縫少、行車舒適橋墩上只需布設(shè)一排支座降低了橋墩的寬度尺寸在豎向荷載作用下主梁和立柱的連接處會產(chǎn)生負(fù)彎矩：主梁、立柱受彎矩和軸力；柱底約束處既有豎直反力也有水平反力剛架橋的形式多半是立柱直立的、單跨或多跨的門形框架柱底約束可以是鉸接或固接拱式橋的主要承重結(jié)構(gòu)是拱圈或供肋（拱圈橫截面設(shè)計成分離形式時稱為供肋）拱結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下橋墩和橋臺將承受水平推力同時根據(jù)作用力和反作用力原理墩臺向拱圈（或拱肋）提供一對水平反力這種水平反力將大大抵消在拱圈（或拱肋）內(nèi)由荷載所引起的彎矩因此和同跨徑的梁相比拱的彎矩、剪力和變形都要小得多設(shè)計技術(shù)水平經(jīng)驗較豐富國內(nèi)先進水平一般一般工程材料指標(biāo)及造價混凝土鋼筋混凝土鋼筋混凝土鋼筋混凝土用量較大施工技術(shù)力量對稱