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橋梁工程概論之橋梁設(shè)計

   2008-08-15 中國路橋網(wǎng) 佚名 17970

橋梁設(shè)計常用名詞有計算跨徑,橋梁全長,橋梁總長,凈跨徑,總跨徑,設(shè)計水位,橋下凈空高度,建筑高度等。


計算跨徑

橋跨結(jié)構(gòu)兩支點間的距離l,稱為計算跨徑。橋跨結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算是以計算跨徑為準(zhǔn)的。

橋梁全長

對于梁式橋而言,橋梁兩個橋臺側(cè)墻或八字尾端間的距離L,稱為橋梁全長(無橋臺的橋梁為橋面系行車道長度)。

橋梁總長

通常把兩橋臺臺背前緣間距離L1稱為橋梁總長。

凈跨徑

設(shè)計洪水位線上相鄰兩橋墩(或橋臺)的水平凈距l(xiāng)0稱為橋梁的凈跨徑。

總跨徑

各孔凈跨徑的總和,稱為橋梁的總跨徑。橋梁的總跨徑反映它排泄洪水的能力。

設(shè)計水位

相應(yīng)于設(shè)計洪水頻率的洪峰流量水位,即設(shè)計流量的水位,用標(biāo)高表示設(shè)計水位的高低。

橋下凈空高度

設(shè)計洪水位或設(shè)計通航水位對橋跨結(jié)構(gòu)最下緣的高差H,稱橋下凈空高度。它不得小于因排洪所要求的,以及對該河流通航所規(guī)定的凈空高度。

建筑高度

橋面對橋跨結(jié)構(gòu)最低邊緣的高差h,稱橋梁的建筑高度。橋梁的建筑高度不得大于它的容許建筑高度,否則不能保證橋下的通航或排洪要求。

我國橋梁設(shè)計程序,分為前期工作及設(shè)計階段。前期工作包括編制預(yù)可行性研究報告和可行性研究報告。設(shè)計階段按"三階段設(shè)計"進行,即初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計與施工設(shè)計

橋梁規(guī)劃設(shè)計包括橋梁縱斷面設(shè)計,橫斷面設(shè)計和平面布置

一、橋梁縱斷面設(shè)計
橋梁縱斷面設(shè)計包括確定橋梁的總跨徑、橋梁的分孔、橋梁的標(biāo)高、橋上和橋頭引道的縱坡以及基礎(chǔ)的埋置深度等。

(一)橋梁總跨徑的確定
橋梁的總跨徑一般根據(jù)水文計算確定,必須保證橋下有足夠的排洪面積,使河床不致遭受過大的沖刷。在安全前提下,設(shè)計者應(yīng)適當(dāng)縮短橋梁的總長度,以節(jié)約總投資。由此可見,橋梁的總跨徑應(yīng)根據(jù)具體情況經(jīng)過全面分析后加以確定。

(二)橋梁的分孔
根據(jù)通航要求、地理和地質(zhì)情況,水文情況以及技術(shù)經(jīng)濟和美觀的條件加以確定。但有時各矛盾互相沖突,使其成為設(shè)計中最基本、最復(fù)雜的問題。
跨徑越大、孔數(shù)越少,上部結(jié)構(gòu)的造價就很高,墩臺的造價就減少;反之,則上部結(jié)構(gòu)的造價降低,而墩臺的造價將提高。最經(jīng)濟的分孔方式就是使上、下部結(jié)構(gòu)的總造價趨于最低。

(三)橋道標(biāo)高的確定
對于跨河橋梁,橋道的標(biāo)高應(yīng)保證橋下排洪和通航的需要;對于跨線橋,則應(yīng)確保橋下安全行車。因此必須根據(jù)設(shè)計洪水位、橋下通航(或通車)凈空等需要,結(jié)合橋型、跨徑等一起考慮,以確定合理的橋道標(biāo)高。


二、橋梁橫斷面設(shè)計

橋梁橫斷面的設(shè)計取決于橋上交通需求,主要內(nèi)容是決定橋面的寬度和橋跨結(jié)構(gòu)橫截面的布置。橋面寬度決定于行車和行人的交通需要。各級公路的橋面行車道凈寬標(biāo)準(zhǔn)的一般規(guī)定見((公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)))第6.0.4條。橋上人行道和自行車道的設(shè)置,應(yīng)根據(jù)實際需要而定。人行道的寬度0.75m或1m,一條自行車道的寬度為一米,當(dāng)單獨設(shè)置自行車道時,一般不應(yīng)少于兩條自行車道的寬度。
下圖所示為對于相同橋面凈寬的上承式橋和下承式橋的橫截面布置。由于結(jié)構(gòu)布置上的需要,下承式橋承重結(jié)構(gòu)的寬度B要比上承式橋的大,而其建筑高度h卻比上承式橋的為小。


三、平面布置

橋梁的線形及橋頭引道要保持平順,使車輛能平穩(wěn)的通過。高速公路和一級公路上的大、中橋,以及各級公路上的小橋的線形及其與公路的銜接,應(yīng)符合路線布設(shè)的規(guī)定。
二、三、四級公路上的大、中橋線形,一般為直線,如必須設(shè)成曲線時,其各項指標(biāo)應(yīng)符合路線布設(shè)規(guī)定。
從橋梁本身的經(jīng)濟性和施工方便來說,應(yīng)盡可能避免橋梁與河流或與橋下路線斜交,但對于一般小橋,為了改善路線線型,或城市橋梁受原由街道的制約時,也允許修建斜交橋,斜度通常不宜大于45度,在通航河流上則不宜大于5度。

我國的橋梁設(shè)計必須遵照適用、經(jīng)濟、安全和美觀的基本原則。?

一、適用

即要有足夠的承載能力,能保證行車的暢通、舒適和安全;既滿足當(dāng)前的需要,又考慮今后的發(fā)展;既滿足交通運輸本身的需要也要考慮到支援農(nóng)業(yè),滿足農(nóng)田排灌的需要;通航河流上的橋梁,應(yīng)滿足航運的要求;靠近城市、村鎮(zhèn)、鐵路及水利設(shè)施的橋梁還應(yīng)結(jié)合各有關(guān)方面的要求,考慮綜合利用。橋梁還應(yīng)考慮在戰(zhàn)時適應(yīng)國防的要求。在特定地區(qū),橋梁還應(yīng)滿足特定條件下的特殊要求(如地震等)。

二、安全

即橋梁的設(shè)計應(yīng)滿足施工和使用階段的安全要求。

三、經(jīng)濟

橋梁設(shè)計必須經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較,使橋梁在建造時消耗最少量的材料、工具和勞動力,在使用期間養(yǎng)護維修費用最省,并且經(jīng)久耐用。另一方面,橋梁設(shè)計還應(yīng)滿足快速施工的要求,縮短工期不僅能降低施工費用,而且提早通車,在運輸上帶來很大的經(jīng)濟效益。因此結(jié)構(gòu)形式要便于施工和制造,能夠采用先進的施工技術(shù)和施工機械,以便于加快施工速度,保證工程質(zhì)量和施工安全。

四、美觀

在適用、經(jīng)濟和安全的前提下,盡可能使橋梁具有優(yōu)美的外形,并與周圍的環(huán)境相協(xié)調(diào),這就是美觀的要求。合理的輪廓是美觀的主要因素。在城市和游覽地區(qū),要注意環(huán)保問題,較多地考慮橋梁的建筑藝術(shù)。


確定結(jié)構(gòu)計算模式、選定荷載和結(jié)構(gòu)分析計算是橋梁計算工作中的三個主要部分。其中荷載的種類、型式和大小選擇是否恰當(dāng),關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)在它的有限壽命期限內(nèi)的安全,也關(guān)系到橋梁建設(shè)費用的合理投資。
荷載可以根據(jù)不同的觀點分類,可以分為主要荷載、次要荷載及特殊荷載,前者為結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的經(jīng)常起作用的荷載;次要荷載為設(shè)計結(jié)構(gòu)主要部分時雖非經(jīng)常起作用,但在荷載組合時必須考慮的荷載;特殊荷載則根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特性,建橋地點具體情況和施工方法等,是要特別加以考慮的荷載。在我國現(xiàn)行的公路橋梁設(shè)計規(guī)范中(1985年)荷載分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載

一、永久荷載(恒載)

永久荷載(恒載)是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)其值不隨時間變化,或其變化與平均值相比可忽略不計的荷載。
作用在橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載,主要是結(jié)構(gòu)物的重力及附屬設(shè)備等外加重力;作用在墩臺的恒載,主要是上部結(jié)構(gòu)的恒載支座作用力、墩臺本身重力、土壓力及其引起的土側(cè)壓力或水浮力(水中墩臺)。
預(yù)應(yīng)力在結(jié)構(gòu)使用極限狀態(tài)設(shè)計時應(yīng)作為永久荷載計算其效應(yīng),在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時,作為結(jié)構(gòu)抗力的一部分,而非永久荷載。

二、可變荷載
可變荷載是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)其值隨時間變化,且其變化與平均值相比不可忽略的荷載。
按其對橋涵結(jié)構(gòu)的影響程度,又分為基本可變荷載(活載)和其它可變荷載。

1、基本可變荷載(活載)
包括車輛荷載及其影響力,人群荷載和汽車沖擊力,離心力,汽車、平板掛車或履帶車引起的土側(cè)壓力,即是這些車輛荷載在橋臺或擋土墻后填土的破壞棱體上引起的土側(cè)壓力。
2、其它可變荷載
包括自然和人為產(chǎn)生的各種變化力,如風(fēng)力(風(fēng)荷載),汽車制動力,溫度影響力,支座摩阻力、流水壓力及冰壓力等。

三、偶然荷載

偶然荷載是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)不一定出現(xiàn),但一旦出現(xiàn),其值很大,且持續(xù)時間很短的荷載。
主要是指地震荷載和船只或漂流物的撞擊力

一、前期工作--預(yù)可行性研究報告和工程可行性研究報告的編制

預(yù)可行性研究報告與可行性研究報告均屬建設(shè)的前期工作。預(yù)可行性研究報告是在工程可行的基礎(chǔ)上,著重研究建設(shè)上的必要性和經(jīng)濟上的合理性;

可行性研究報告則是在預(yù)可行性研究報告審批后,在必要性和合理性得到確認(rèn)的基礎(chǔ)上,著重研究工程上的和投資上的可行性。

這兩個階段的研究都是為科學(xué)地進行項目決策提供依據(jù),避免盲目性及帶來的嚴(yán)重后果。

 

 

這兩個階段的文件應(yīng)包括以下主要內(nèi)容:
1、工程必要性論證,評估橋梁建設(shè)在國民經(jīng)濟中的作用。
2、工程可行性論證,首先是選擇好橋位,其次是確定橋梁的建設(shè)規(guī)模,同時還要解決好橋梁與河道、航運、 城市規(guī)劃以及已有設(shè)施(通稱"外部條件")的關(guān)系。
3、經(jīng)濟可行性論證,主要包括造價及回報問題和資金來源及償還問題。?


二、設(shè)計階段--初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計(三階段設(shè)計)

(1)初步設(shè)計
按照基本建設(shè)程序為使工程取得預(yù)期的經(jīng)濟效益或目的而編制的第一階段設(shè)計工作文件。該設(shè)計文件應(yīng) 闡明擬建工程技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性,要對建設(shè)中的一切基本問題作出初步確定。內(nèi)容一般應(yīng)包括: 設(shè)計依據(jù)、設(shè)計指導(dǎo)思想、建設(shè)規(guī)模、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計方案、主要工程數(shù)量和材料設(shè)備供應(yīng)、征地拆遷面積、主 要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、建設(shè)程序和期限、總概算等方面的圖紙和文字說明。該設(shè)計根據(jù)批準(zhǔn)的計劃任務(wù)書編制。

(2)技術(shù)設(shè)計
技術(shù)設(shè)計是基本建設(shè)工程設(shè)計分為三階段設(shè)計時的中間階段的設(shè)計文件。它是在已批準(zhǔn)的初步設(shè)計的基礎(chǔ)上,通過詳細的調(diào)查、測量和計算而進行的。其內(nèi)容主要為協(xié)調(diào)編制擬建工程中有關(guān)工程項目的圖紙、說明書和概算等。經(jīng)過審批的技術(shù)設(shè)計文件,是進行施工圖設(shè)計及訂購各種主要材料、設(shè)備的依據(jù),且為基本建設(shè)撥款(或貸款)和對撥款的使用情況進行監(jiān)督的基本文件。

(3)施工設(shè)計
又稱為施工圖設(shè)計,是設(shè)計部門根據(jù)鑒定批準(zhǔn)的三階段設(shè)計的的技術(shù)設(shè)計,或兩階段設(shè)計的擴大初步設(shè)計或一階段設(shè)計的設(shè)計任務(wù)書,所編制的設(shè)計文件。此文件應(yīng)提供為施工所必須的圖紙、材料數(shù)量表及有關(guān)說明。與前一設(shè)計階段比較,設(shè)計圖的設(shè)計和繪制應(yīng)有更加詳細的、具體的細部構(gòu)造和尺寸、用料和設(shè)備等圖紙的設(shè)計和計算工作,其主要內(nèi)容有平面圖、立面圖、剖面圖及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的詳圖,工程設(shè)計計算書,工程數(shù)量表等。施工圖設(shè)計一般應(yīng)全面貫徹技術(shù)設(shè)計或擴大初步設(shè)計的各項技術(shù)要求。除上級指定需要審查者外,一般均不需再審批,可直接交付施工部門據(jù)以施工,設(shè)計部門必須保證設(shè)計文件質(zhì)量。同時施工圖文件也是安排材料和設(shè)備、加工制造非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、編制施工圖預(yù)算和決算的依據(jù)。


三、三階段設(shè)計、兩階段設(shè)計和一階段設(shè)計

(1)三階段設(shè)計
一般用于大型、復(fù)雜的工程。鐵路建設(shè)項目的設(shè)計工作,一般常采用三階段設(shè)計。

(2)兩階段設(shè)計
分為初步設(shè)計和施工設(shè)計兩個階段。其中初步設(shè)計又稱為擴大初步設(shè)計。
公路、工業(yè)與民用房屋、 獨立橋 涵和隧 道等建設(shè)項目的設(shè)計工作,通常采用這種設(shè)計步驟。

(3)一階段設(shè)計
僅包括施工圖設(shè)計一個階段,一般實用于技術(shù)簡單的中、小橋。


確定結(jié)構(gòu)計算模式、選定荷載和結(jié)構(gòu)分析計算是橋梁計算工作中的三個主要部分。其中荷載的種類、型式和大小選擇是否恰當(dāng),關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)在它的有限壽命期限內(nèi)的安全,也關(guān)系到橋梁建設(shè)費用的合理投資。
荷載可以根據(jù)不同的觀點分類,可以分為主要荷載、次要荷載及特殊荷載,前者為結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的經(jīng)常起作用的荷載;次要荷載為設(shè)計結(jié)構(gòu)主要部分時雖非經(jīng)常起作用,但在荷載組合時必須考慮的荷載;特殊荷載則根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特性,建橋地點具體情況和施工方法等,是要特別加以考慮的荷載。在我國現(xiàn)行的公路橋梁設(shè)計規(guī)范中(1985年)荷載分為永久荷載、可變荷載和偶然荷載

一、永久荷載(恒載)

永久荷載(恒載)是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)其值不隨時間變化,或其變化與平均值相比可忽略不計的荷載。
作用在橋梁上部結(jié)構(gòu)的恒載,主要是結(jié)構(gòu)物的重力及附屬設(shè)備等外加重力;作用在墩臺的恒載,主要是上部結(jié)構(gòu)的恒載支座作用力、墩臺本身重力、土壓力及其引起的土側(cè)壓力或水浮力(水中墩臺)。
預(yù)應(yīng)力在結(jié)構(gòu)使用極限狀態(tài)設(shè)計時應(yīng)作為永久荷載計算其效應(yīng),在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時,作為結(jié)構(gòu)抗力的一部分,而非永久荷載。

二、可變荷載
可變荷載是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)其值隨時間變化,且其變化與平均值相比不可忽略的荷載。
按其對橋涵結(jié)構(gòu)的影響程度,又分為基本可變荷載(活載)和其它可變荷載。

1、基本可變荷載(活載)
包括車輛荷載及其影響力,人群荷載和汽車沖擊力,離心力,汽車、平板掛車或履帶車引起的土側(cè)壓力,即是這些車輛荷載在橋臺或擋土墻后填土的破壞棱體上引起的土側(cè)壓力。
2、其它可變荷載
包括自然和人為產(chǎn)生的各種變化力,如風(fēng)力(風(fēng)荷載),汽車制動力,溫度影響力,支座摩阻力、流水壓力及冰壓力等。

三、偶然荷載

偶然荷載是指結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)不一定出現(xiàn),但一旦出現(xiàn),其值很大,且持續(xù)時間很短的荷載。
主要是指地震荷載和船只或漂流物的撞擊力

編號

荷載分類

荷載名稱

1

永久荷載(恒載)

結(jié)構(gòu)重力

2

預(yù)加應(yīng)力

3

土的重力及土側(cè)壓力

4

混凝土收縮及徐變影響力

5

基礎(chǔ)變位影響力

6

水的浮力

7

可變荷載

基本可變荷載(活載)

汽車

8

汽車沖擊力

9

離心力

10

汽車引起的土側(cè)壓力

11

人群

12

平板掛車或履帶車

13

其他可變荷載

平板掛車或履帶車引起的土側(cè)壓力

14

風(fēng)力

15

汽車制動力

16

流水壓力

17

冰壓力

18

溫度影響力

19

支座摩阻力

20

偶然荷載

地震力

21

船只或漂流物撞擊力

荷載組合是荷載效應(yīng)組合的簡稱。指各類構(gòu)件設(shè)計時不同極限狀態(tài)所應(yīng)取用的各種荷載及其相應(yīng)的代表值的組合。應(yīng)根據(jù)使用過程中可能同時出現(xiàn)的荷載進行統(tǒng)計組合,取其最不利情況進行設(shè)計。根據(jù)各種荷載的重要性,荷載的組合分為六類:組合Ⅰ-Ⅵ:

組合Ⅰ: 基本可變荷載(平板掛車或履帶車除外)的一種或幾種,與永久荷載的一種或幾種相組合;

組合Ⅱ: 基本可變荷載(平板掛車或履帶車除外)的一種或幾種,與永久荷載的一種或幾種和其它可變荷載的一種或幾種相
組合;

組合Ⅲ: 平板掛車或履帶車,與結(jié)構(gòu)重量、預(yù)加應(yīng)力、土的重力及土側(cè)壓力的一種或幾種相組合;

組合Ⅳ: 基本可變荷載(平板掛車或履帶車除外)的一種或幾種,與永久荷載的一種或幾種和偶然荷載中的船只或漂流物的
撞擊力相組合;

組合Ⅴ: 橋涵在進行施工階段的驗算時,根據(jù)可能出現(xiàn)的施工荷載(如結(jié)構(gòu)重力、腳手架、材料機具、人群、風(fēng)力以及拱橋
的單向推力等)進行組合;
構(gòu)件在吊裝時,其自重應(yīng)乘以動力系數(shù)1.2或0.85,并可視構(gòu)件具體情況適當(dāng)增減;

組合Ⅵ: 結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加應(yīng)力、土重及土側(cè)壓力中的一種或幾種與地震力相組合。




 
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