桥梁工程3.4.5讲(原则和作用)课件.ppt

第二章 桥梁的总体规划设计,安全、适用、经济、美观、有利于环保,1、安全可靠结构本身安全储备人车安全照明、标示防冲刷、撞击地震、风振2、适用耐久交通量变形裂缝桥下通行（洪、航、车、人）桥头便于疏散管线搭载,3、经济合理造价养护、对交通的干扰地质水文好、桥长短接线合理4、技术先进新结构新设备新材料新工艺5、美观桥美与环境协调6、环保及可持续发展环保可持续发展,第一节 桥梁设计的基本原则,1980年建成的南斯拉夫克尔克桥，跨径390m，钢筋混凝土拱桥，与周围环境协调自然,与环境协调的桥梁,悉尼海港桥位于澳大利亚悉尼港，主桥为单跨503m的中承式钢桁两铰拱公铁两用桥。自身较笨重，但由于紧挨着别致的悉尼歌剧院，无论在质感还是在颜色和造型上都达到相得益彰的效果，因而以其优美环境而闻名于世。,与环境协调的桥梁,与环境协调的桥梁,高耸的桥墩与挺拔的山峰以及斜拉板构成的尖峰与山的形状都达到了完美的协调。,与环境协调的桥梁,青山、绿水、红花与银白色的肋拱桥共同组成一幅美丽和谐的山水画。,与环境协调的桥梁,银桥飞架，与林海相映，宛如蛟龙出海,与环境协调的桥梁,笔直的高桥墩与周围的树木从形式上达到完美的和谐,罗依溪大桥，作为不等跨连续拱桥，采用了多种调整不平衡推力的措施，结构上合理，但从美学角度而言，是典型的反例。,自身欠美观的桥梁,桥梁对环境的破坏,桥梁的建设，使得植被遭到破坏，大大影响了自然环境,桥梁对环境的破坏,植被遭受破坏,一、平面布置确定路、桥、水流的关系 原则：平顺、车辆平稳通过（1）高速、一级公路上的大、中桥及所有的小桥依路线（2）二、三、四级公路上的大、中桥一般为直线（3）由经济和施工而言，避免斜交，否则，45o，通航河流5o。(桥墩沿主流方向的轴线与最高通航水位时主流方向的交角),第二节 桥梁平面布置和纵、横断面设计,二、桥梁纵断面设计 总跨径、分孔、桥面标高、桥下净空、纵坡、基础埋深1、桥梁总跨径的确定：（1）满足水文计算要求（2）依具体情况调整,纵断面设计,跨径和孔数的选择,2、桥梁分孔,通航河道有主次（航道变迁及主河槽）深谷急流减桥墩（冲击力及施工不便）不利地段应跨越（地基不稳）根据受力细划分（不可克服因素之后的合理布置）,3、桥面高程的确定（1）总前提：保证排洪、通航和桥下行车安全及桥梁自身安全（2）有关的具体规定：流水净空跨河桥:通航净空跨河桥:高于设计通航水位起的净空高度（表1-2-2）车辆净空跨线桥:车辆净空高度,设计水位/最高流冰水位+净空安全值（表1-2-1）+建筑高度,桥梁高度：桥底标高：泄洪、过冰、通航、漂浮物、过车、过人桥面标高：纵坡、两端接线长度水、冰、飘浮物,表2-1,通航航道等级定过车、人立交桥 公路工程技术标准（JTG B01-2003）。,4、纵坡纵断面线形,大中桥梁：,将桥梁纵断面设计成单向或双向坡度，有利于交通、美观，又便于排水。一般的：小 桥：,5、基础的埋置深度,三、桥梁横断面设计 确定桥面净空、桥跨结构横断面布置桥面净空：净宽：不包括中、下承式拱、斜、吊等结构物宽度。净高：应符合公路建筑限界规定1、桥面净宽：行车道宽度公路等级和性质,横断面设计,桥面净宽,2、侧向宽度、人行道、安全带、紧急停车带、栏杆、等。横坡：行车道1.53.0；,人行道0.75m或1m，大于1m，按0.5m递增。向行车道倾斜1。,自行车道一条车道宽1m，单独设置不少于2m。,第三节 桥梁设计程序与建设程序,小桥的设计标准设计，以提高效率和规避风险。大、中桥，特别是跨度大或技术复杂的桥梁设计 按照国家基本建设程序的要求，分前期工作阶段和设计工作阶段进行。,一、前期工作“预可”阶段和“工可”阶段1、“预可”阶段 着重研究工程的必要性及宏观经济的合理性，形成“预工程可行性报告”。2、“工可”阶段：着重研究和制定桥梁的技术标准，估算造价，对资金来源、回报及偿还应基本落实，形成“预工程可行性报告”。主要工作：1、工程必要性论证 2、工程可行性论证 3、经济可行性论证,二、设计程序,预可行性研究报告,工程可行性研究,初步设计,施工图设计,技术设计,项目建议书,主管省（市）计划部门审批投资在限额以上国家审批,前期工程,正式设计,工程立项,主管省（市）计划部门审批投资在限额以上国家审批,设计任务书,建设单位审批,招标文件,开工报告,建设单位审批,招投标及施工准备,施工阶段,设计阶段,建设程序,成果：,一、桥梁设计所需设计资料 跨河桥梁：（一）桥梁的使用要求1、交通流大小及增长率 目的荷载设计标准2、机动车、非机动车密度 目的车道数目、行车道宽度 行人情况 目的人行道宽度3、管道：预留（二）桥位附近的地形桥位的地形、地物，绘制地物地形图目的布置桥位中线、桥墩位置，布置桥头接线；供施工时布置场地。,第四节 桥梁设计方案的比选,（三）地质资料：包括土的分层标高、物理力学性能、地下水位等钻探、地质剖面图（钻孔位置布置在墩台附近）目的基础设计（四）河流的水文情况 桥位附近河道纵断面、桥位处河床横断面，历年最高洪水位、低水位、流冰水位和通航水位，流量和流速，河床的冲刷、淤积和变迁 桥梁跨径、基础埋置深度和桥面标高、施工方案（五）其它资料当地建材种类、数量、规格和质量；水泥、木料和钢材的供应；当地的气温变化、降雨量、风力、冰冻季节和冰冻深度；施工单位的机具设备；建桥附近的交通状况；电力、劳动力的来源；以及有无地震等。,二、桥梁设计的方案比选（一）桥位方案比选（二）桥型方案比选,钱塘江第二大桥位于杭州四堡、距下游五堡渡口600m。铁路桥连接沪杭、浙赣两大铁路干线及杭甬铁路、杭长铁路。公路桥连接沪杭、杭甬高速公路。由中铁大桥局施工。钱江二桥为铁路、公路同在同一平面上分建的两座桥，铁路桥在上游侧，公路桥在下游侧，铁路与公路的中线相距16.4m，两桥正桥箱梁的下弦线型完全一致，因公路桥高度比铁路桥低0.4m，所以公路桥梁顶高程比铁路桥梁低0.4m。正桥公、铁路梁跨布置为45m+65m+1480m+65m+45m,18孔一联预应力混凝土箱形连续梁结构。1991年中国建筑工程鲁班奖；1991年铁道部科技进步一等奖；1996年国家科技进步一等奖。,钱塘江上10座桥:钱塘江大桥，位于六和塔附近，1937年建成，是我国第一座铁路公路两用桥。钱江二桥，紧靠杭州东大门，是浙赣、沪杭铁路复线的枢纽，1992年建成，是钱塘江上第一座高速公路大桥。钱江三桥（西兴大桥），连接杭州的秋涛路，可分流至104国道和杭金线，1996底建成。钱江四桥（复兴大桥），位于南星桥附近，北端通过复兴立交与中河高架路相接。2002年3月28日开工。钱江五桥（袁浦大桥），跨越富春江、浦阳江、钱塘江三江口，是绕城高速公路南线的重要工程。钱江六桥（下沙大桥），是前往萧山国际机场最便捷的通道。钱江七桥（之江大桥），规划位置位于袁浦大桥和钱塘江大桥之间，是滨江科技城、萧山区等钱塘江南岸地带与杭州西部旅游线主要的沟通桥梁。钱江八桥（九堡大桥），规划位置位于钱江二桥和钱江六桥之间，沟通临平、下沙和江干区。钱江九桥（江东大桥），规划将沟通萧山和下沙城。钱江十桥,规划位置位于萧山区和海宁之间,美国旧金山附近的一座桥，在原有的旧桥旁边建一座新桥。这座新桥从1988年开始论证，直到1997年才定了方案。,第三章 桥梁上的作用,施加在结构上的一组集中力或分布力。引起结构外加变形或约束变形的原因。,我国公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）将公路桥梁上的各种作用按其随时间变化可分为永久作用、可变作用和偶然作用三类。（表1作用分类）,作用：引起桥涵结构反应的各种原因的统称。,1.作用分类表,第一节 永久作用,永久作用（如恒载）是在结构使用期内，其量值不随时间变化，或其变化值与平均值比较可忽略不计的作用。桥梁设计时，永久作用采用标准值为代表值。结构重力亦称恒载，它包括结构物自重、桥面铺装及附属设备的重力。结构重力标准值可按实际体积乘以材料的重力密度值(容重)计算。其他永久作用均可按我国公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004）中有关规定计算。,（1）结构重力 钢筋混凝土或预应力混凝土=25.026.0 kN/m3 混凝土或片石混凝土=24.0 kN/m3 沥青混凝土=23.024.0 kN/m3（2）预加力承载能力极限状态设计时，预应力不作为作用，而将预应力钢筋 作为结构抗力的一部分，超静定结构需要计算次应力正常使用极限状态设计时，作为永久作用计算主效益和次效益，计入预应力损伤，但是不考虑由于预应力偏心距增大引起的附 加效应（3）土的重力与土侧压力（4）水的浮力,可变作用（如活载）为在结构使用期内，其量值随时间变化，且其变化值与平均值比较不可忽略的作用。桥梁设计时，可变作用根据不同的极限状态分别采用不同的代表值。以下简要介绍公路桥梁设计中常用的汽车荷载及其影响力和人群荷载。,第二节 可变作用,一、汽车荷载汽车荷载分为公路-级和公路-级两个等级；汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成；车道荷载由均布荷载和集中荷载组成；桥梁结构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载；车辆荷载与车道荷载作用不得叠加。,汽车荷载的计算图式、标准值及加载方法：车道荷载的计算图式见下图1）公路-I级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5kN/m；集中荷载标准值Pk按以下规定选取：桥梁计算跨径5m时，Pk=180kN；桥梁计算跨径50m时，Pk=360kN；桥梁计算跨径在5m50m之间时，直线内插求得。计算剪力效应时，上述集中荷载标准值应乘以1.2的系数。,车道荷载,10.5kN/m,内插计算,2)公路-II级车道荷载的均布荷载标准值和集中荷载标准值按公路-I级车道荷载的0.75倍采用。3)车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应 的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。,图3-3 车道荷载,图1-3-2 车辆荷载的立面、平面布置图,车辆荷载的立面、平面尺寸见下图，主要技术指标见表1-3-3。公路-I级和公路-II级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。,图1-3-3 车辆荷载横向布置（尺寸单位：m）,桥涵设计车道数,车辆荷载的折减,跨径150m多跨连续，按最大计算跨径折减,折减后效果不得小于2车道荷载效应,二、汽车冲击力 原因：汽车高速在不平整的桥面铺装上行驶使桥梁受到冲击力作用。,汽荷冲击力=汽车荷载标准值,冲击系数,当 时，当 时，当 时，式中：结构基频（HZ）。,冲击系数计算：,三、人群荷载 人群荷载标准值按下列规定采用：当桥梁跨径50 m时，人群荷载标准值3.0kN/m2；当桥梁跨径150 m时，人群荷载标准值2.5kN/m2；桥涵计算跨径50m，150m时，可采用直线内插求得；专用人行天桥，人群荷载标准值3.5kN/m2。细则见规范。,计算方法：当弯道桥的曲线半径等于或小于250m时，应计算汽车荷载引起的离心力。汽车荷载离心力标准值为车辆荷载（不计冲击力）乘以离心系数C。离心系数按下式计算：,四、汽车离心力,设计车速（km/h）,曲线半径（m）,五、汽车制动力,制动力是车辆减速或制动时，为克服车辆的惯性力而在路面与车辆之间发生的滑动摩擦力。,一个设计车道上的汽车制动力标准值，为布置在加载长度上计算总重力的10,公路一级汽车制动力标准值不得小于165kN 公路一 级不得小于90kN。,1.汽车引起的土侧压力2.风荷载（1）横桥向风荷载（2）顺桥向风荷载3.流水压力4.温度的作用5.支座摩阻力,六、其他,偶然作用是指在结构使用期间出现的概率很小，一旦出现，其值很大且持续的时间很短的作用。（1）地震作用公路桥梁地震作用的计算及结构的设计，应符合现行公路工程抗震设计规范的规定。（2）船舶或漂流物的撞击作用（3）汽车的撞击作用,第三节 偶然作用,极限状态法,承载能力极限状态法,正常使用极限状态法,强度,稳定性,安全性,适用性,耐久性,桥涵结构设计,持久状况,短暂状况,偶然状况,承载能力极限状态设计,正常使用极限状态设计,承载能力极限状态设计（必要时正常使用极限状态设计）,承载能力极限状态设计,（以塑性理论为基础）,（以弹性理论或弹塑 性理论为基础）,第四节 作用效应组合,第四节 作用效应组合1、作用代表值：,2、设计值=标准值分项系数r,3、作用效应组合,公路桥涵结构没计应考虑结构上可能同时出现的作用，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计。只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其效应的组合。当结构或结构构件需做不同受力方向的验算时，则应以不同方向的最不利的作用效应进行组合。,1）按承载能力极限状态设计时作用效应组合,对应于桥梁桥涵及其构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态,重要性系数,作用效应组合效应值,构件承载力设计值,桥涵结构的设计安全等级,重要性系数,效应组合设计值,第i个永久作用的分项系数,第i个永久作用效应的标准值,汽车荷载效应的分项系数,汽车荷载效应的标准值,除汽车外，其他可变效应的组合系数,除汽车、风外其他第j可变作用效应的分项系数,除汽车外其他第j可变作用效应的标准值,1.基本组合,(2)偶然组合 永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。偶然作用的效应分项系数取1.0；与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。地震作用标准值及其表达式按现行公路工程抗震设计规范规定采用。,2）按正常使用极限状态设计时作用效应组合,公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合：（1）作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为,对应于桥梁桥涵及其构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态,永久作用标准值效应,可变作用频遇值效应,第j个可变作用效应的频遇值系数,（2）作用长期效应组合：永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：,结构构件当需进行弹性阶段截面应力计算时，除特别指明外，各作用效应的分项系数及组合系数均取为1.0，各项应力限值按各设计规范规定采用。构件在吊装、运输时，构件重力应乘以动力系数1.2或0.85，并可视构件具体情况作适当增减。,可变作用准永久值效应,第j个可变作用的准永久值系数,永久作用标准值效应,3、作用效应组合：,（可无）,桥梁设计作用有关的名词,1.作用标准值：作用的主要代表值，根据设计基准期内最大值概率分布的某一分为位值确定。2.作用设计值：作用标准值乘以作用分项系数后的值。3.设计基准期：在进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所用的基准时间 参数。4.作用频遇值：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，结构上频繁出现的，且量值较大的值，其值可根据时点作为概率分布的0.95分位值确定,桥梁设计作用有关的名词,5.作用准永久值：结构上频繁出现的，且量值较小的值，作用标准值乘以准永久值系数后的值。6.作用效应：结构对所受作用的反应，如由作用产生的结构或构件的轴向力、弯矩、剪力、应力、裂缝、变形等，称为作用效应。7.作用效应组合设计值：设计结构或构件时，由几种作用设计值分别引起的效应的组合。8.分项系数：为保证所设计的结构或构件具有规定的可靠度，在结构极限状态设计表达式中采用的系数；分为作用分项系数和材料分项系数等。,标准值计算（目前重点涉及到的）,1、汽车荷载 分类：公路级、公路级 组成：车道荷载、车辆荷载：标准值：,2、汽车冲击力,3、人群荷载,例：一级公路,整体现钢混简支板桥,标准跨径20m，计算跨径19.5 m，净7+21.0。上部自重20KN/m。基频14Hz。求：承载能力极限状态下,基本组合的 L/2、L/4、支点截面的弯矩、剪力。解：1、选作用：,例：一级公路,整体现钢混简支板桥,标准跨径20m，计算跨径19.5 m，净7+21.0。上部自重20KN/m。基频14Hz。求：承载能力极限状态下,基本组合的 L/2、L/4、支点截面的弯矩、剪力,2、选代表值,内力=内力影响线的面积荷载的集度+内力影响线的集中力荷载的集度=恒载：一孔恒载集度、汽车：一孔车道集度qk 车道数多车道折减 人群：一孔人群集度（双侧）集中力=恒载：没有 汽车：车道的Pk 车道数多车道折减 人群：没有,思 考 题1、名词术语：计算跨径、标准跨径、桥梁全长、桥梁建筑高度。3、桥梁按结构体系分为哪几种？说说他们各自的主要承重构件和受力特点？4、桥梁设计的基本要求有哪些？5、桥梁的设计荷载有哪几类？6、作用分类、作用的组合方式及作用的规定计算方法。,作业题一,将算例完整地做出来，图文并茂地展示。例：一级公路，整体现钢混简支板桥，标准跨径20m，计算跨径19.5 m，净7+21.0。上部自重20KN/m。基频14Hz。求：承载能力极限状态下,基本组合的 L/2、L/4、支点截面的弯矩、剪力。,