橋梁工程概論之橋梁設(shè)計(1)

1、橋梁工程概論之橋梁設(shè)計計算跨徑橋跨結(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?？偪鐝礁骺變艨鐝降目偤?，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

2、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&

3、#160;     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

4、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）橋道標高的確定     對于跨河橋梁，橋道的標高應(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準的一般規(guī)定見(公路工程技術(shù)標準)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

5、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

6、標應(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

7、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)

8、，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，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）

9、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

10、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

11、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

12、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)標準、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、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

13、段設(shè)計時的中間階段的設(shè)計文件。它是在已批準的初步設(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

14、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、加工制造非標準設(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 &

15、#160;   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，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

16、、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)

17、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)

18、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-: 組合： 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： 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