毕业设计---永定河桥设计

永定河斜拉桥设计中文摘要斜拉桥作为一种桥面体系受压，支撑体系受拉的桥型因其外形挺拔、受力明确和施工工序简单受到越来越大的关注。不仅如此斜拉桥对于抗风和抗震稳定性都具有明显优势。对此，正致力于大力完善交通网络建设的发展中国家更迫切需要一些既能从外观上改善交通风貌，又能达到节约资金和人力的合适桥型，斜拉桥更是不二之选。本文以钢箱主梁斜拉桥为例，根据具体的实例完成从桥梁总体布置、主梁桥塔选型、拉索和锚固到主梁预应力体系和辅助墩的设计。对于斜拉桥这种高次超静定的结构体系采用结构有限元软件MIDAS CIVIL计算。 利用软件分析永久作用和可变作用。永久作用考虑体系自重恒载、铺装等二期恒载、预应力荷载、混凝土收缩徐变和地基不均匀沉降。利用非线性施工阶段分析方法正装得到斜拉桥成桥状态。可变作用考虑车辆荷载人群荷载、温度作用、风荷载作用等。模型中的活载计算前要将车载按照规范计算出横向分布系数、多车道折减系数和跨径影响系数等。温度作用按梁塔及拉索整体升温考虑。风荷载按照规范在梁塔索分别施加横桥风荷载。利用恒活荷载承载极限状态下的两种组 合校核主梁各个截面。荷载组合后的拉索力进行手工校核后满足安全系数2.5的规范要求。最后对斜拉桥的行车道板和横隔梁进行局部应力验算和预应力、普通钢筋设计。关键词：预应力混凝土斜拉桥 索力调整 材料非线性 结构静力电算 外文摘要Design of a Cable-stayed Bridge AbstractCable-stayed bridge, a special kind of bridge which has pigeonholed bridge floor system and drawn support system is receiving more and more loud concern for its tall and straight appearance, clear structure and simple process of construction. Furthermore cable-stayed bridge even has more advantage over other sorts of bridge when it comes to the stability in wind and earthquake. Since this kind of bridge could do help to improve the impression of the traffic system and lower the cost of money and labor, cable-stayed bridge is second to none for the developing countries struggling to complete their traffic nets.This article is based on an example of steel deck cable stayed bridge. The process of design includes layout of bridge, main girder, tower, cable, girder prestressing force system and the assist mound. Since the bridge is a hyperstatic structure the structural finite element software MIDAS CIVIL is utilized for calculation.Permanent and variable actions are calculated by soft ware. Permanent action includes System permanent gravity, the second stage of permanent decorating etc., prestressing force load, concrete shrinkage and the subsidy of foundation. Spend the analytical method of stage of non-linear construction installing and getting cable-stayed bridge into the state of the bridge. Variable action includes vehicle loads, crowds loads, the temperature function, wind load function etc. Two-dimensional model needs car-mounted to calculate according to norm horizontal to distribute coefficient, lane roll coefficient of reducing etc. Temperature function consider about the whole bridge. Wind load is valued as vertical wind separately at roof beam and tower.All the sections of the main beam are checked under the two kinds of associations at the terminal state. The cable strength loaded is checked by hand to make sure they all meet the requirement of standardizing of safety coefficient 2.5.In the end the runway board and prestressing force of reinforcing bar through the roof beam are checked and designed separately. Key words: Prestressing Concrete Cable-stayed Bridge cable strength adjustment non-linear material static analysis132目录中文摘要1外文摘要31.绪论41.1课题背景41.1.1国外斜拉桥梁近代创新设计理论及实例41.1.2国内斜拉桥结构设计研究进展62.设计基本资料72.1桥位72.2水文地质条件82.2.1水文82.2.2气象82.2.3地质条件92.3设计技术标准及设计规范102.3.1技术标准102.3.2设计采用的标准、规范及参考规范112.4桥型方案总体设计.112.4.1桥跨布置设计过程112.4.2根据斜拉桥的特点确定索塔的形式和塔高142.4.3桥塔的形式142.4.4桥塔的横向形式152.5主要材料.182.5.1钢材182.5.2高强螺栓182.5.3焊接材料192.5.4斜拉索192.5.5混凝土202.5.6普通钢筋202.5.7预应力钢筋203.主体结构设计213.1桥跨布置设计213.2主梁设计223.2.1主梁横断面形式及断面尺寸拟定223.2.2主梁梁段的划分233.2.3主梁断面尺寸的拟定243.2.4主梁的预应力体系243.3索塔设计.253.3.1索塔构造形式及断面尺寸253.3.2索塔基础273.4斜拉索设计283.4.1斜拉索构造293.4.2锚具293.4.3锚固区构造303.4.4拉索的下料长度313.5附属构造物设计313.5.1桥面铺装313.5.2伸缩缝324.结构静力计算分析334.1计算方法概述334.2模型建立334.3加载需要的基本参数344.3.1永久作用基本参数354.3.2可变作用基本参数364.4结构静力分析与尺寸校核394.5索力确定与调整方案394.5.1索力优化概念与控制因素404.5.2斜拉索预施初拉力计算414.5.3刚性支座（如图）424.5.4斜拉索的预张拉力初拟计算结果434.6永久作用454.6.1体系自重恒载模拟464.6.2主梁预应力设计474.6.3混凝土收缩徐变484.6.4地基沉降作用524.7可变作用544.7.1汽车荷载加载分析544.7.2温度荷载计算574.7.3风荷载验算584.8荷载组合605.局部构件应力计算975.1主梁行车道板应力计算975.1.1整体单向板恒载计算985.1.2桥面板配筋计算986.结构动力分析1006.1反应谱法抗震计算综述.1006.2预应力混凝土斜拉桥抗震分析.1016.2.1反应谱工况定义1016.2.2输入反应谱函数1016.2.3定义反应谱荷载工况1036.2.4反应谱分析结果103结论108致谢109参 考 文 献110外文资料翻译(附原文)112 1.绪论斜拉桥又称斜张桥，这种桥型在国外的具体应用是从20实际70年代开始的，在90年代发展迅猛。可以说大跨径斜拉桥的诞生颠覆了人们的固有观念即只有悬索桥才适用于大跨径的范围。斜拉桥特点:优点：比悬索桥重量轻，经济（相对于悬索桥）；跨度大；较好的抗风稳定性；缺点：多次超静定结构，设计计算复杂；索与梁或塔的连接构造比较复杂；施工中高空作业比较多，且施工控制等技术要求严格毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。本组毕业设计题目为永定河桥梁设计。在毕业设计前期，我温习了结构力学、钢筋混凝土、建筑结构抗震设计等知识，并查阅了公路工程技术标准、公路桥涵设计通用规范、公路斜拉桥设计规范（试行）等规范。在毕业设计中期，我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行建筑、结构设计。本组全体成员齐心协力、互助合作，发挥了积极合作的团队精神。在毕业设计后期，主要进行设计手稿的电子排版整理，并得到张宏涛老师的审批和指正，使我圆满地完成了设计任务，在此我表示衷心的感谢1.1课题背景1.1.1国外斜拉桥梁近代创新设计理论及实例在18世纪德国人就提出过用木质斜张桥的方案。1817年英国加成了一座跨径34m的人行木质斜张桥，桥塔是铸铁的，缆索实用钢丝。以后英法德等国均曾修建过一些木制斜张桥，但这些结构都经不住时间的考验。主要原因是限于当时的工业水平，缆索只能用铁丝或铁丝绳。1824年英国在Nieburg跨越sale河修建了一座用铁链条河铸铁杆做拉索的斜拉桥，跨径78m但在竣工一年后倒坍，造成50人丧生。1930年一位法国著名工程师Navier在研究了过去这些桥梁的事故之后，声称斜拉桥的概念是模糊不清的，并宣布斜拉桥的死刑。Navier认为毁坏的原因是由于没有精确计算力的变化过程。他构思的过程是用悬索桥和斜拉桥相互结合的方案其中最著名的就是纽约的Brooklyn桥。1938年，德国的Dischinger采用了Navier的意见设计了在汉堡跨易北河的一座铁路桥，该桥悬索部分与斜拉部分清楚的分开。实际上在十八十九世纪的斜拉桥毁坏的原因主要是应为链条难于拉紧，这导致链条产生较大的垂度，当桥梁承担荷载时发生很大变形，主梁出现二次应力重分布，当应力超过承载极限时桥梁必然毁坏。二次世界大战后，Dischinger设计了世界上第一座现代化的大跨斜拉桥，瑞典的Stromsund桥，主跨182.6m。这里放弃了他原先提出的悬索加斜拉的体系。真正意义上的斜拉桥开始萌生与世界各地 图1.1 瑞典的Stromsund桥1.1.2国内斜拉桥结构设计研究进展我国古代用藤和竹子建成的吊桥形式，还未发现斜拉形式，但在我国古代战争期间在城墙外面的护城河上架设的可以开启的桥梁应该属于斜拉式。斜拉桥正式在我国起步开始于1975年重庆市云阳县跨径76m的预应力混凝土斜拉桥。1982年我国山东省建成济南黄河大桥，其主跨220m，为双塔双锁面扇形布置拉索的混凝土斜拉桥，采用悬臂现浇混凝土的施工工艺。1991年上海建成的南浦大桥主跨423m，为双塔双索面扇形拉索不值得组合梁斜拉桥。主梁采用箱型和工字型横梁以及混凝土桥面板组成的复合式断面；为提供结构的抗风能力采用了钻石型的索塔。自九十年代开始我国斜拉桥设计技术日渐上升，截止到2006年，我国跨径大于200m的斜拉桥已有70余座，跨径超过400m的有30座，这充分表明我国斜拉桥建设水平已经进入世界先进水平。自我国独立建成若干大跨度跨江、跨海斜拉桥后，设计和施工水准迅猛提高。在基于科技水平和综合国力日益上升的前提下，创新美观的桥型供不应求。斜拉桥桥型优美，施工耗材少，随着设计的优化性和经济性，斜拉桥正向着中小跨度普及。城市立交桥、高速公路桥、公铁两用桥甚至人行桥都大量出现斜拉桥的身影。斜拉桥索面、塔形、梁的设计比其他桥型选择性更强，这种其他桥型难以取代的优势不断的提高斜拉桥的竞争力。修建大量美观的斜拉桥不但能创造更多的城市地标，代言城市形象，更能将我国的交通整体外观风貌带入现代化，高科技化的国际发达国家水平。 2.设计基本资料2.1桥位永定河位于北京的西南部。全河流经山西、内蒙古、河北、北京、天津五省市，入渤海，全长 740 多公里（含永定新河），是海河水系北系的最大河流，流域面积为 47016 平方公里。 永定河发源于山西省宁武县管涔山，流经内蒙古、河北，经北京转入河北，在天津汇于海河至塘沽注入渤海。永定河全长548公里，自门头沟区三家店流入石景山区后，流经五里坨、麻峪、庞村、水屯等地，经衙门口村南流入丰台区上游有两大支流，南为桑干河，发源于山西省宁武县 管涔山；北为洋河，发源于内蒙古兴和县，汇合于河北省朱官屯，开始称永定河。发源于北京延庆县的妫水河也流入永定河。 上游处在太行山、阴山、燕山余脉、内蒙古黄土高原，海拔 1500 米 以上，植被、地形、气候条件差，有八个产沙区，土壤侵蚀严重是永定河水泥沙含量极大的主要来源。 官厅山峡及下游上段是北京段，流经门头沟区、石景山区、丰台区、房山区、大兴区五个区。由官厅水库至门头沟三家店，长度 108.7 公里 ，平均海拔 500 100 米 ，短距离内落差从 450 米 降至 100 米 ，山峦重叠，沟谷曲曲弯弯，坡度变化大，水流湍急。 下游从三家店出山，入京津平原到渤海口，形成古道洪冲积扇面，海拔在 25 米 至 100 米 之间，在近 80 公里 的流程中水流相对平缓，泥沙大量沉积，至河床高于地面，历史上改道多次，极易发生漫溢决口。1985 年永定河被国务院列入全国四大防汛重点江河之一。2009年，北京市政府决心整治已断流多年的永定河，其目标是使这条因人类过度使用而断流的河流重新有水，并在170公里北京段恢复流水，尤其是在37公里城市段形成六大湖面和十大公园，再辅以河道内外园林生态绿化，使河流重新成为景观。 2.2水文地质条件2.2.1水文基本干枯。 此处桥址为典型长年干枯河谷地质条件 图2.1 永定河桥地质剖面图2.2.2气象桥位区地势平坦，桥址地区位于大陆性季风气候区气温：年极端最高气温45摄氏度，极端最低气温为零下20.6摄氏度，年平均气温为13.3摄氏度， 风：(10年一遇)设计风速2.2.3地质条件桥位处现况：地面高75.8188.71米。根据现场钻探、取样及原位测试成果，按地层沉积年代、成因类型，将拟建场地地面以下59米勘探深度范围内的地层划分为人工堆积层、新近沉积层、第四纪沉积层、第四纪坡残积层和太古代岩层。从空间分布规律上，按地层岩性及土的物理力学性质进一步划分为11个大层，各岩土层的基本岩性特征如下：表层为人工堆积的卵石填土层，填土总厚度0.306.00米；于标高61.2762.82米以下为新近沉积的卵石层，夹细砂1层；于标高57.7459.42米以下为新近沉积的卵石层；于标高53.8855.42米以下为第四纪沉积的卵石层；于标高48.4649.42米以下为第四纪沉积的卵石层，夹漂石1层；于标高42.0843.92米以下为第四纪沉积的卵石层，夹粗砂1层；于标高34.4237.29米以下为第四纪坡残积的碎石、角砾层；于标高20.6130.07米以下为太古代的全强风化角闪片麻岩层；于标高18.0121.87米以下为太古代的强风化角闪片麻岩层；于标高13.6118.89米以下为太古代的中等风化角闪片麻岩层；于标高11.6114.89米以下为太古代的微风化角闪片麻岩层。地下水为上层滞水和承压水，上层滞水标高为72.7185.41（埋深3.13.3米），承压水标高为58.8170.01（埋深17.018.7米），地下水对混凝土无侵蚀作用，但在干湿交替情况下，地下水中的介质氯离子对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性。场地属于III类场地土,场区地震基本烈度为8度。根据勘察成果资料判定，场地内各层土在地震烈度达到8度且地下水位达到历史最高水位时均无液化现象2.3设计技术标准及设计规范2.3.1技术标准桥梁结构形式：独塔双索面钢箱梁斜拉桥设计荷载：公路I 级，无人群荷载道路等级：四车道高速公路计算行车速度：100km/h设计车道：双向四车道，行车道宽度24m设计荷载：公路-1级桥面布置：桥面净空210.75m：0.75m检修便道+1m拉索锚固区+0.5m防撞护栏+24m车道+1m中央分隔带+24m车道+0.5防撞护栏+1m拉索锚固区+0.75m检修便道桥面坡度：桥面纵向按平坡设计；车行道设双向 1.5横坡桥面铺装：桥面铺装 30cm 厚的混凝土面板，采用 C60 混凝土；行车道桥面铺装采用 10cm 厚沥青混凝土铺装施工方法：边跨密索段采用支架施工，其余梁段采用悬臂吊装施工地震烈度：地震动峰值加速度0.2g气温：最高有效温度45，最低有效温度-20.62.3.2设计采用的标准、规范及参考规范公路工程技术标准（JTG B01-2003）公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)公路斜拉桥设计规范（试行）(JTJ 027-96)公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ 024-85)公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ 025-86)公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-2000）公路工程水文勘测设计规范(JTJ C30-2002)公路桥梁抗风设计规范(JTJ/T D60-01-2004)建筑钢结构焊接技术规程（JTJ 81-2002）Standard Specification for Highway Bridges-AASHTO 19962.4桥型方案总体设计2.4.1桥跨布置设计过程桥型方案的设计构思，是桥梁设计的纲。由于斜拉桥的变量很多，且它们又互相关 连，相互制约，不可能单独孤立的分别设计主梁、塔和索。因此，一开始就应该总体考 虑进行全桥的综合设计。为了作好这一工作，首先要对影响斜拉桥总体桥型设计的各个 变量参数作认真研究。根据经济性和使用性决定斜拉桥主跨后，继之就是要考虑主跨与边跨的比例问题。 独塔和双塔的比值是不同的，尤应注意。随后就是按交通量、列车通过量确定了车行 道和人行道数目和宽度等，也就确定了桥面总宽；接着就是决定一个、两个或三个索 面以及整个斜拉桥结构的锚固方式。塔的结构形式、高度、断面面积会随着斜缆的布 置形式而大有不同。这时尤其是要认真考虑其刚度的增加对整个桥跨结构变形的影响： 主梁的高度不仅与主跨有关，还随着桥宽、主梁截面积、主梁截面形式而变化，同时它 在结构上还必须满足风动力稳定的要求。主梁的刚度对主跨的弯短影响很大，要配合索、 塔的刚度进行多层次比选。拉索在塔和主梁上的索距应配合塔和梁的高度、刚度、材料 以及整个斜拉桥的桥型综合考虑。每根斜缆的面积应随其倾斜角度以及所处位置有所不 同。另外，斜缆索的非线性弹性模量，除决定它本身的刚度外，还影响全桥的刚度，计 算时要注意。梁、塔、墩相互连接形式主梁是否悬浮，支点如何设置，这一方面要从 静、动力分析考虑，另一方面也要考虑结构整体的安全和稳定度。活载等级一般是由设 计条件给定的，但也要注意加载长度中等代荷载的情况及其与恒载间的比例。由此可知， 斜拉桥桥型总体设计中，影响因素多，变量参数也复杂，交叉组合的方案是千变万化的，但为了抓住主要矛盾，其总体构思时，首先耍考虑如下四个问题：跨度划分；主梁结构形式；梁、塔、墩连结形式；斜缆类型。根据河床断面和桥面位置确定分跨过程（索塔位置、边跨、主跨的确定）； 现代斜拉桥最典型的孔跨布置形式为双塔三跨式与独塔双跨式。无论是双塔三跨式或独塔双跨式，在边跨内如有需要都可以设置辅助用的中间墩。本论文为独塔斜拉桥设计，独塔斜拉桥是一种常见的斜拉桥孔跨布置方式。由于它的主孔跨径一般比双塔三跨式的主孔跨径小，故特别适用于跨越中小河流，谷地及交通道路；当然也可用于跨越大河流的主航道部分。采用该种形式时，可以两跨可对称和不对称布置，如图为双索面独塔斜拉桥布置图（autoCAD）图2.2 双索面独塔斜拉桥布置图斜拉桥提供的主跨主要是为了跨越宽阔的主槽和通航的需要，有时也由于地质条件 的限制。边跨则主要是平衡主跨的内力而设之的。由于斜拉桥的单位造价较高（主要是 因为梁体造价和拉索造价高），独塔斜拉桥能压缩甚至取消双塔方案的边跨长度（压缩 部分由造价远较低的引桥取代），因而工程造价得以降低，所以一般说来分边跨与主跨 更合理。两等跨形式由于一般没有端锚索的关系，不能有效地约束塔顶的位移，故在受 力与变形方面不能充分发挥斜拉桥的优势，如采用加大桥塔刚度的方法来减小塔顶变 位，则会变得非常不经济。因为对减小塔顶变位来说，加大桥塔刚度不如增设端锚索有 效。两跨比（边中跨比）Ls/Lc=0.51。桥塔可以设在河道中；也可以用主跨跨越河流，将桥塔及边跨设在河流的一岸。本论文设计考虑如将桥塔设置在河道中不能体现该种桥型的跨越能力以及桥塔基础工程 量及造价的因素，将桥塔置于河滩处，尽量减少工程量。桥塔可以设在河道中；也可以用主跨跨越河流，将桥塔及边跨设在河流的一岸。本论文设计考虑如将桥塔设置在河道中不能体现该种桥型的跨越能力以及桥塔基础工程 量及造价的因素，将桥塔置于河滩处，尽量减少工程量。2.4.2根据斜拉桥的特点确定索塔的形式和塔高独塔斜拉桥塔高与主跨比宜选用 0.300.45，尾索控制角度在 25-45 度左右，在实 际应用中为 25-27 度最为适宜。（注：尾索倾角太大会增加桥塔高度，导致设计和施工 困难，并增加造价）索塔的造型是斜拉桥景观效果的主要核心。斜拉桥的柔细感与直线感虽基本上来自 于梁体与斜索，但桥塔的形状对全桥的景观也至关重要，它在美学上几乎起决定性的作 用。因此，必须非常慎重地选择桥塔的形状，精心定出优美的尺寸比例。2.4.3桥塔的形式1.桥塔的纵向形式： 桥塔的纵向形式一般为单柱式。在需要将桥塔的纵向刚度作的较大时，或者需要有4 根塔柱来分散塔架的内力时，常常做成倒 Y 形与倒 V 形。倒 V 形也可增设一道中间横梁变为 A 形，但只适用于放射形索面。图2.3 桥塔的纵向形式2.4.4桥塔的横向形式单索面桥塔形式有单柱形、倒 V 形（或 A 形）、倒 Y 形；双索面桥塔形式有双柱式、 门式（两根塔柱可以竖直，也可以略带倾斜）、H 形（两根塔柱可以是如图所示的折线 形，也可以布置成竖直形或倾斜形）、倒 V 形（用于斜向双索面）、倒 Y 形（也用于斜 向双索面）；另外，独柱形、A 形、菱形、门形、梯形，它们都适用于梁体位置高出墩 顶甚多时，也就是梁下通航净高尺寸很大时的适用形式。其中菱形的两根斜柱在桥面梁 体以下反向内缩，这样既可以减小下部结构的尺寸，在造型上也比较美观，被称为菱形。 梯形也可将梁体以下部分的两根塔柱向内收进，形成花瓶形。还有钻石形塔架，其各部 分的比例匀称和谐，外形最为美观。双柱形及门形塔架的面内刚度较差，但结构构造最 为简单，施工也比较方便，适用于中小跨径的斜拉桥。有时，当塔柱的横向间距较小（桥 较窄）时，双柱形及门形可增设一些横向连接杆来提高其面内的刚度，但这洋做的结果 常带来景观上的受损以及施工困难。在菱形等形式的斜柱转折点处必须有一根受拉的横 杆来平衡塔柱的水平分力。 图2.4（a） 单索面的塔架形式 图2.4（b）双索面的塔架形式 图2.5 梁体高出塔基甚多时的塔架形式桥塔的横向形式早期斜拉桥的桥塔都是仿照悬索桥采用门式为的是使桥塔有较好的刚度来杭风力。 后来的实践证明由斜索传给主塔的水平风力并不太大，可以采用单根或双根独立的塔柱 形式，当塔柱顶部在桥的横向产生移动时斜索由于伸长的关系会产生索力的增值而迫 使塔顶回到原来的位置，因此对塔的稳定起到约束作用。但现代斜拉桥的跨径越来越大， 再加上考虑地震等因素，桥塔的面内刚度还是要加以注意。因此，对较大跨径的斜拉桥， 特别是从改善扭振的角度出发，单柱式及双柱式的桥塔采用时必须非常慎重。各种桥塔 形式的特点具备不同的适应性要求和美学效果。本设计力求结构简单、受力合力，选用A型桥塔。 拉索横向形式有单面索，双面索和三面索三种，其中双索面应用最为广泛。本设计 采用双索面密索段的设计考虑及确定辅助墩的布置 边跨密索段及辅助墩的设置是考虑为了减小塔顶位移增大桥塔刚度，边跨尾索段（边墩上梁段）可采用比标准索距离小的索距布置，以提高边跨对索塔变形和中跨主梁 的贡献。该区域主梁可称为密索区域（段）主梁，索距可以为 2.55m。主梁上除布置 拉索的标准段和密索段外，没有布置斜拉索的区域称为无索区。斜拉桥主要的主梁无索 区为索塔两侧（0 号块）、跨中区域（合龙段）、边跨末端（尾索段）斜索与水平面的交角最大，塔的弯矩最小，塔高可相应减小，但塔上集中锚固困难；从外形上看，竖琴形较优，且锚固构造统一，但受力性能较差；扇形体系介于两者之间， 故推荐使用扇形拉索体系。除尾索段外，主梁上的拉索水平距离一般均等布置；根据规范，在 PC 梁斜拉桥中 一般为 4-12m；在钢箱梁斜拉桥中一般为 824m；结合梁斜拉桥则比钢梁斜拉桥略小， 如杨浦大桥为和加拿大安那西斯桥为 9m，可以根据自己的桥梁跨度来选取。该部分主梁 一般称为标准段，索距称为标准索距。至于拉索在塔上的索距，在确定索面的形式和梁上索距离后确定。如本例扇型布置， 则在确定塔高和尾索角度后，确定出第一根索的角度，然后在塔上均匀布置。桥塔左右的第一根索，倾角在 60-70 度，索在塔上间距不小于 2m，塔的 0 号块（无 索区）长度不应太大宜为 20m，可以参考相关图纸。拉索横向形式有单面索，双面索和三面索三种，其中双索面应用最为广泛。 本设计采用双索面。 密索段的设计考虑及确定辅助墩的布置 边跨密索段及辅助墩的设置（边墩上梁段）可采用比标准索距离小的索距布置，以提高边跨对索塔变形和中跨主梁 的贡献。该区域主梁可称为密索区域（段）主梁，索距可以为 2.55m。主梁上除布置 拉索的标准段和密索段外，没有布置斜拉索的区域称为无索区。斜拉桥主要的主梁无索 区为索塔两侧（0 号块） 、跨中区域（合龙段） 、边跨末端（尾索段）2.5主要材料2.5.1钢材钢箱主体结构吉林市匹配件均采用低合金钢Q345C，钢锚箱采用低合金钢Q345D,其技术指标应符合低合金高强度结构钢（GB/T 1591-94）的相关规定。 钢箱梁侧腹板因锚箱受力要求，采用抗层状撕裂钢材-Q345D-Z25，即Z向钢板，切应做Z向超声波探伤。磷硫含量均应小于0.0.1%，其他力学及化学成分应符合厚度方向性能钢板（GB 5315- 85）的相关规定。2.5.2高强螺栓钢箱梁连接用高强螺栓、螺母、垫圈、应符合GB/T 12281231-91(钢结构用高强度大六角头螺栓，大六角螺母、垫圈)的要求2.5.3焊接材料焊接材料采用与母材相匹配的的焊丝焊剂与手工焊条，并应符合相应的国标要求。二氧化碳（CO2）气体保护焊的气体纯度应大于99.5%，并符合焊接用二氧化碳（HG/T 2537）的规定。2.5.4斜拉索斜拉索采用低松弛高强度预应力钢绞线索，规格为一股 7 丝，公称直径为15.24，标准强度=1860Mpa，护套采用双层，内层为黑色高密度聚乙烯，外层为天蓝色高密度聚乙烯 HDPE 套管。表2.1 斜拉索高强钢丝技术要求序号项目技术指标1公称直径7.0（+0.08，-0.02）mm2 圆度0.04 mm3横截面积38.48 4抗拉强度1670Mpa5屈服强度1410Mpa6延伸率4.0%(L=250mm)7弹性模量(1.952.15)105Mpa8反复弯曲(R=20mm)9卷绕3d8圈10松弛2.5%（0.7G.U.T.S,1000h,200C）11疲劳应力360Mpa(上限应力0.45,N=2106次12锌层单位质量300g/13锌层附着性5d2圈，不起层，不剥离14硫酸铜试验5次（每次1min）15伸直型：弦与弧的最大自然矢高15mm(弦长1000mm)16自由圈升高度0.15m2.5.5混凝土斜拉桥索塔、引桥主梁采用C50混凝土，墩身、承台C30混凝土，主桥桩基采用C30水下混凝土，引桥桩基采用C25混凝土2.5.6普通钢筋普通钢筋采用R235型和HRB335型钢筋，钢筋应符合GB 1449-98和GB13013-91有关规定。且焊接钢筋应满足可焊要求。在索塔外侧钢筋保护层内布置防裂钢筋网，采用公称直径为5mm的带肋钢筋焊接网（D5），网格间距为1010。产品应符合钢筋混凝土用焊接钢筋网（YB/T 076）的有关规定。2.5.7预应力钢筋预应力钢筋采用高强低松弛钢绞线，技术标准应符合GB/T 5224-2003，公称直径15.2，标准强度1860Mpa,弹性模量为1.95105Mpa.锚具采用与预应力钢绞线相匹配的成套产品，包括锚垫板、锚头、夹片和螺旋筋等，其技术标准应符合GB/T 14370-20003.主体结构设计3.1桥跨布置设计该桥是一座城市桥梁，为了提高跨越能力，并与周围的景观相协调，采用单塔双索钢箱梁梁斜拉桥，全跨为 60m+100m 不对称布置，主边跨比为1：0.6，两边分别布置有简支引桥。主梁截面采用单箱四室钢箱主梁，塔高为45米（桥面以上索塔的高度），塔高与主跨的高跨比为45/100=0.45，梁顶铺设 30 厚混凝土桥面板，混凝土桥面板与钢构架通过钢梁顶板上的抗剪栓钉形成有效的整体叠合梁，梁顶板设置成带有桥面所需的 1.5%的双向横坡。该桥桥轴线与河道正交，桥主塔基础设于河岸处，避开百年一遇洪水的影响，避免了水中船舶撞击的危险，不影响正常的通航要求。两端的边墩均处于河岸上，便于施工。桥塔设计为单柱形（顺桥向）、A形（横桥向）桥塔，其特点是全桥外观简洁，桥塔结构 简单。采用A形桥塔，拉索为双索面平面布置，在距桥面以上25.8m处设置一道横梁，连接两边单塔柱，提高了桥梁整体刚度和抗风、抗扭效果，结构轻盈美观。塔墩的宽度逐渐加大。主塔自桥面算起高度为45m，其与主跨的高跨比为0.45。在距主跨桥墩19m 处设置一辅助墩，可以提高斜拉桥的总体刚度和抗风稳定性。经MIDAS CIVIL建模计算表明，设置辅助墩后，在主梁上的负弯矩有明显的减小，在跨中区，尤其是在尾端梁段，主梁的正负弯矩均比无辅助墩时小。因此，该桥设置有辅助墩。桥面布置，桥面净空210.75m：0.75m检修便道+1m拉索锚固区+0.5m防撞护栏+24m车道+1m中央分隔带+24m车道+0.5防撞护栏+1m拉索锚固区+0.75m检修便道，由于 桥全长不足 500m，故未设紧急停车带，斜拉索位于桥面两侧。为降低主梁的建筑高度，减小主梁弯矩，斜拉桥采用密索体系，拉索扇形布置， 梁上主跨索距为5m，边跨密索区索距为3m，塔上的索距为1.25m 等距布置，桥塔左右的第一根索，倾角为度，塔的 0 号块（无索区）长度为8m（参考相关图纸）。斜拉 索上端锚固在位于桥轴中心线上的桥塔竖直柱段上，下端锚固在主梁梁面上的锚固块 中，两索面在竖向是平行的。全桥共有80根斜索，不设 0#索。该斜拉桥属于梁、墩、塔固结的悬臂体系3.2主梁设计 图3.1主梁建模3.2.1主梁横断面形式及断面尺寸拟定单室多箱流线型扁平钢箱梁由顶板、底板、斜腹板及横隔板等组成。为了提高主梁的抗风性能，增加主梁的景观效果一般在箱梁外带有三角形风嘴。顶板及斜腹板均为正交异形构件，钢箱梁内设置纵腹板，两条边纵腹板一般设置成板式腹板。双索面斜拉索一般均锚固在边纵腹板上，边纵腹板由于要将斜拉索的锚固力传到横隔板和整个钢箱梁断面上，一般其板厚较厚。桥面全宽 21.5m，标准段纵向每隔 4m 设一道横隔梁(在斜拉索锚固处),采用钢箱梁结构。主梁中心高 3.0m，高跨比为 3/100。桥面板厚 30cm，顶面做 成带有桥面所需的 1.5%的双向横坡。在梁、塔、墩三者固结处箱梁内设有一道横隔梁。 主塔塔柱下至墩顶处节段截面与塔相同，与箱形截面段的桥墩固结。横梁的设置主要考虑活载的横向分布以及桥面板的受力、斜拉索的锚固，以及增强桥梁的横向刚度，横梁的位置与斜拉索的锚点相对应。 图3.2(a) 主梁材料 图3.2（b）主梁截面，单室四箱3.2.2主梁梁段的划分为与施工方法相对应，主梁分为 0 号段、标准段 、密索段 3 种类型，全桥 23 个梁段，其中有一个 0 号段，长度为 8米；有 20个标准段，标准段长5m，分两个施工单元（每个施工单元长 6 米），标准段长度与索距的间距相一致，横隔梁的间距为 4 米； 有 20个密索段，横隔梁的间距长为3m，单元长度与索距及横隔梁的间距相一致。由于本设计为不等跨布置，故边跨设置加密索段，即：将塔后斜拉索比较集中地锚 固在边跨梁端附近，并在边跨内增设中间辅助墩以限制桥塔顶端位移，增大桥塔的刚度， 还可以减少端锚索的应力集中，缓和端支点的负反力问题。为了满足内力要求，也可在 边跨处将梁体设置为实心段,起到压重作用,防止边墩处出现拉应力,同时增加结构的整 体刚度,减小跨中的挠度。3.2.3主梁断面尺寸的拟定根据总体动静、动力计算、局部受力计算以及钢箱梁的构造要求，确定钢箱梁各部结构尺寸和板厚如下：图3.3 钢箱梁结构尺寸和板厚3.2.4主梁的预应力体系本设计中，经过调索计算，结果导致在边跨边墩至辅助墩梁段的上翼缘处，梁体上 翼缘存在拉应力，数值没有超过 5Mpa（对于 B 类预应力构件，混凝土的受拉应力达到5Mpa 时，混凝土开裂，但裂缝宽度0.1mm），可在该区域布置局部预应力钢筋抵抗拉应 力。在第四章介绍对于预应力钢筋的简单匡算过程3.3索塔设计索塔选型与景观设计索塔作为斜拉桥的主要承重结构，同时又是体现斜拉桥整体景观的标志性结构，索塔设计不仅要注重索塔类型及索塔受力的设计，同时还应重视索塔结构几何形状、索塔塔柱断面类型、索塔外观色彩等景观设计。图3.4 MIDAS左视图建模3.3.1索塔构造形式及断面尺寸斜拉桥索塔设计一般为半柔性半刚性结构（钢筋混凝土结构），以减少在活载等不平衡力作用下索塔塔底的弯矩，节省索塔工程数量，同时又避免因塔顶位移过大而影响全桥刚度。本桥采用双索面斜拉桥，与我国双索面斜拉桥一样，本设索塔也采用单柱形A形桥塔，钢筋混凝土结构。其特点是全桥外观简洁，桥塔结构简单， 受力明确，施工比较方便。桥塔一般有翻模、滑模、爬模三种主要工 法，本设计桥塔采用爬模法施工，爬模施工技术是在滑模及翻模的基础上发展起来的一 项新工艺，兼备滑模和翻模的优势；适合悬索桥和斜拉桥一般索塔的施工，施工安全，质量可靠，修补方便。 图3.5（a）索塔材料 图3.5（b） 索塔截面 主塔自承台顶至塔顶高45m，自桥面算起索塔的高度为45m，其与跨径的高跨比 为 0.464，围索倾角为 25.30（以塔高与主跨比确定，塔的高度在 42m63m 之间；以围 索倾角确定，塔的高度在 62.5m68.3m 之间，选取一个合适的高度 65m），距桥面上方21m 处在塔内设一道横梁，以增强索塔的抗扭稳定性。 索塔在梁底以下部分为下塔柱，斜拉索锚固区部分为上塔柱，中间部分为中塔柱。上、中塔柱截面采用矩形等截面形式，采用 C50 号的混凝土，Q345钢筋，其轮廓尺寸为 2.83.5m（横 桥向顺桥向），塔柱斜拉索锚固侧壁壁厚 1.0m,其余两侧壁厚也为 1.0m，塔柱的空心 尺寸为 2.03.0m，塔顶设 3.0m 高的修饰段。斜拉索锚固区的上塔柱部分，高度为 34m， 中塔柱高度为 33.5m。下塔柱高度为 30.0m，采用箱形截面，C50 号混凝土。塔墩的宽度 向下线形增加，墩底的尺寸为：顺桥向 7m 长，横向桥 4m 长。图3.6 截面特性上、中塔柱间设有上横梁，中、下塔柱连接处设有下横梁，均采用矩形断面， 上下横梁宽度均为 6.00m，顶底顶和腹板壁厚均为 1.0m。为了方便桥塔及拉索的施工及使用阶段的维修，横隔板要预留一个能够通过人的孔3.3.2索塔基础 根据地址条件，主桥辅助墩采用分离的双柱式实体墩，单柱平面尺寸为(32)m，承台厚度为 2.5m，单个承台平面尺寸为(7.27.2)m，单个承台基础采用 4 根1.7m 的 钻孔灌注桩，按照摩擦桩设计，桩长为 50m。设计要求桩基成桩合格率 100%。3.4斜拉索设计图3.7 拉索与主梁之间设置刚性锚固斜拉索构造 图3.8（a） 拉索材料 图3.8(b) 拉索截面本桥为单塔双索面斜拉桥，斜拉索采用扇形布置, 主塔两侧各有40 根，在主跨索距为5m，加密段索距为3m。索塔上采用1.25m 等索距布置，斜拉索水平夹角 25.767.0。为减小斜拉索的风震、雨震及其他天然或认为灾害，在围 索上都设了减震器。3.4.1斜拉索构造桥采用低松弛高强度预应力钢绞线索，规格为一股 7 丝，公称直径为15.24，标准强度=1860Mpa，护套采用双层，内层为黑色高密度聚乙烯，外层为天蓝色高密度聚乙烯 HDPE 套管。钢丝排列密实，同心绞合，最外层钢丝绞合角 30.5，左旋。扭绞后的裸索外加缠包带，带宽 3040mm，单层重叠宽度不小于带宽的 1/3，双层缠包。缠包带右旋。缠包带采用高强度复合带。在缠包带的钢丝束外挤包高密度聚乙烯护套双层护套一次成型。成品索有冷铸索具、斜拉索等组成，见下图图3.9 拉索细部根据公路斜拉桥设计规范（试行） 规定，斜拉索的应力应满足下式要求： 0.4Rb3.4.2锚具本桥采用冷铸锚具，冷铸锚具由锚杯、螺母、锚板、连接筒、挡圈、后盖、密封盖 及冷铸锚填料等几部分组成。锚杯及螺母所用锻件材质应符合 YB/T036.7-92 中 35CrMo 牌号的有关规定。其他各部件的材料符合相应国家或部颁标准。锻件须进行超声波探伤 检验，评定质量按 GB/T4162-91 中 A 级要求执行；表面进行磁粉探伤，其应符合 JB3965 中 201 条与 202 条中级的要求。同一规格锚具的相同部件应具有互换性。锚具表面镀 锌处理，镀锌厚度为 1040m 进行镀锌处理，镀锌后须脱氢处理3.4.3锚固区构造锚固区是主梁结构的关键部位。拉索在钢梁锚固区的锚固方式大致上有以下五种型 式：散索鞍座+锚固梁；锚固梁加锚固块；支架或牛腿；钢管；节点板。考虑到以下几个因素：确保连接可靠；能简捷地把索力传递到全截面；如在梁端张拉，应具有足够的操作空间；要有防锈蚀能力和避免拉索产生颤震应力腐蚀；便于拉索的养护和更换等因 素，拉索在锚固区的锚固方式采用主梁顶板加锚固块，此种构造一般应用于双索面拉索 在钢梁处的锚固情况其构造图如下图所示。 图3.10 构造图锚固构造位于主梁腹板一侧，并与顶板、腹板固结在一起。拉索的水平分力由锚固 块以轴压力方式传递给顶板再扩散到主梁全截面，垂直分力则由锚固块传递给腹板。因 此，在锚固块与腹板连接处需设置承托外，在腹板内还需设置竖向预应力筋束加强3.4.4拉索的下料长度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 先应确定计算每根拉索的长度基数 L 0 ，再对只进行若干项修正，计算公式为：L= L 0 -L e +L f +L ML +L MD +2L D +3d其中，L 0 为每根拉索的长度基数，L e 为初拉力作用下的弹性伸长修正；L f 为 初拉力作用下的拉索垂度修正；L ML 为张拉端锚具位置修正；L MD 为锚固端锚具位 置修正；L D 为锚固板厚度；3d 为拉索两端所需的钢丝镦头长度，d 为钢丝直径。计算C20拉索(型号为LZM-187)的下料长度:钢丝直径d=7mm,单位长度重量W=0.565kN/m,设计应力=486.1Mpa,设计张力T=3500kN,锚板厚度L D =0.02m则拉力作用下弹性伸长修正：Le = L0 /E =0.343m拉索垂度修正： Lf= W2 LX2/24T2=0.0189m由于本桥两端采用张拉端锚具，故仅考虑张拉端锚具位置修正，根据锚具的构造特点,位置修正: LML为 0.23m,由此可得C20号拉索下料长度为：L= L0 Le +Lf +LML +LMD +2LD +3d =141.139m3.5附属构造物设计桥梁附属构造物包括桥面铺装、伸缩缝、行车道护栏、照明灯柱、排水设施、防抛网、 支座、主梁悬臂施工过程中的纵、横向的临时约束等。本节主要对桥面铺装、伸缩缝及主 梁悬臂施工过程中的纵、横向的临时约束进行设计。3.5.1桥面铺装为防止雨水等透过桥面铺装浸入桥面板及主梁，引起钢筋和预应力钢材的锈蚀，降低 结构的强度,主桥面采用 M30 沥青混凝土，厚 10cm。在施工时，将混凝土桥面铺装层顶面 冲洗干净，保证无油污等不利于混凝土之间粘接的杂物。3.5.2伸缩缝根据计算伸缩缝的大小及伸缩缝的性能，本桥的伸缩缝选择采用仿毛勒式 SSFB240 伸 缩缝。伸缩量可根据主梁的横向变形设定,经 BSAS 软件的计算得到，主梁的横向变形为284mm，即伸缩量为 284mm。 三、主梁悬臂施工竖向、纵向临时约束 在悬臂施工过程中，为保证梁体及整个结构的稳定性（为不可变体系）和安全，防止4.结构静力计算分析4.1计算方法概述整体静力计算采用空间有限元分析，分析软件采用 MIDAS CIVIL。总体结构根据结构形成过程进行施工阶段计算，成桥分析根据荷载组合要求的内容进行内力、应力计算，通过对索力的调整使结构在施工阶段和使用阶段的内力、应力及刚度均符合规范要求这里在计算分析斜拉桥，采用的一些基本假定如下：视斜拉桥为线性空间框架结构。斜拉索的自重垂度及受力后垂度发生变化时，对其变形计算的影响不予考虑，即视钢索为一直线。塔的抗弯刚度取常值。在斜拉桥跨度不大的情况下，斜缆的非线性影响可以通过修正弹性模量的办法加以考虑。弹性模量的取值按厄恩斯特（Ernst）公式计算： 式中：r拉索材料比重；L斜缆水平投影长度； 斜钢缆索中应力。4.2模型建立桥模型的边界条件为：桥塔固定于承台顶，主梁与塔之间设竖向支座（半漂浮体系模型的需要），边墩与辅助墩处设置纵向活动支座。选择分析手段和建立模型的主要目的是用结构的位移构件的内力与变形应力状态等方面的要求对桥梁的静力荷载效应进行定量化的分析，然后根据计算就够修改、优化结构的断面与尺寸、调整斜拉索的索力以确定最终的出拉力。优化预应力的布置图4.1 斜拉桥整体布置选用单箱四室钢箱主梁，索塔采用Q345钢筋C50混凝土索塔4.3加载需要的基本参数静力计算