橋梁設計大賽承重組2013

BridgeDeptofSWJTU1橋梁結構競賽命題解析及對策橋梁系：王騎2013年4月16日－2013年橋梁承重組競賽輔導2BridgeDeptofSWJTU講座內容橋梁結構設計原則的回顧1橋梁設計構思上的一些原則2橋梁構思實現上的控制環(huán)節(jié)3競賽題目分析及構思對策43BridgeDeptofSWJTU講座目的目的拋磚引玉撥云見日備戰(zhàn)大賽形成專業(yè)思維素養(yǎng)圍繞“橋梁”結構知識，從概念設計角度上對

設計構思方面的原則和方法進行輪廓性介紹。

TOC4BridgeDeptofSWJTU1.橋梁結構設計原則的回顧橋梁是供汽車、火車、行人、特殊構筑物等跨越障礙（河流、山谷或其它線路）的建筑工程物?？缭?BridgeDeptofSWJTU1.橋梁定義和設計原則的回顧1.2橋梁設計的基本原則安全適用經濟美觀有利環(huán)保6BridgeDeptofSWJTU1.橋梁定義和設計原則的回顧橋上車輛、行人及施工機具的安全，也包括橋梁本身的安全。結構在使用年限內，在各種自然情況和荷載作用下，具有足夠的承載能力和足夠的安全度，是對每一座橋梁的基本要求。安全要求核心要求結構安全交通安全人員安全結構安全體系安全（整體）構件安全（局部）構造安全（細節(jié)）7BridgeDeptofSWJTU1.橋梁定義和設計原則的回顧能保證行車的通暢、舒適和安全；橋梁運量既能滿足當前需要，也可適當照顧今后發(fā)展；對跨越線路或河流的橋梁，要求不妨礙橋下交通或通航；靠近城市、村鎮(zhèn)等的橋梁，還當綜合考慮橋頭和引橋地區(qū)的環(huán)境和發(fā)展；在使用年限內，橋梁一般只需常規(guī)養(yǎng)護維修就可保證日常使用。適用要求橋梁適用性運營荷載的需求結構的適用性主要由其功能所決定大賽中的體現移動加載的體現8BridgeDeptofSWJTU1.橋梁定義和設計原則的回顧在安全、適用的前提下，經濟是衡量技術水平和作出方案選擇的主要因素。橋梁設計應體現出經濟特性。對于重大的橋梁工程，必須進行多方案的比較，詳細研究技術上的可行性和先進性以及經濟上的合理性。這樣，才能對橋梁的建造消耗、施工、技術發(fā)展和今后使用等因素進行統(tǒng)籌考慮，得出合理的經濟結論。經濟要求大賽中的體現參賽模型結構質量最小化橋梁經濟性需按結構全壽命周期考慮9BridgeDeptofSWJTU1.橋梁定義和設計原則的回顧

在安全、適用和經濟的前提下，盡可能使橋梁具有優(yōu)美的外形，并與周圍的環(huán)境相協調，這就是對橋梁美觀的基本要求。合理的輪廓造型和布局、正確的表現力傳遞、以及結構風格和色彩與周圍環(huán)境的和諧一致，是體現美觀的主要因素。在城市和游覽地區(qū)，可適當考慮橋梁建筑的藝術處理，但不應當追求浮華和繁瑣的細部裝飾。美觀要求大賽中的體現體現受力特點的體系造型TOC10BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.1橋梁設計上的總體把握層次和環(huán)節(jié)對橋梁工程的總體把握和認識11BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.2橋梁設計構思上的實用原則橋梁設計構思需要在對結構整體行為認識深化下總結提煉出一些指導實際工作的思維方法。草木皆兵以柔克剛欲擒故縱取長補短移花接木TOC12BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則結構設計中實現“物盡其用”。結構級構件級構造級體系分類A.組成結構的構件充分發(fā)揮作用B.構件的斷面組成能充分發(fā)揮強度性能結構層次13BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則2.3.1梁與桁14BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則2.3.2桁的更多應用15BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則2.3.3拱與梁拱橋梁橋VS拱橋與梁橋的截面應力分布對比16BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則2.3.4超強的索單根（鍍鋅）高強鋼“絲”多根鋼絲平行成“股”多股鋼束夾緊成“纜”懸索橋的傳力途徑大纜的斷面形成TOC217BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.4“以柔克剛”原則2.4.1“柔性”的橋梁斜拉橋傳力分析示意對比懸索橋傳力分析示意結構設計中采用柔性的結構、構件、構造來實現其特定的功能預期。18BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.4“以柔克剛”原則2.4.2“柔性”的構件連續(xù)剛構橋中需要采取減小墩柱“抗推剛度”的措施，以釋放收縮、降溫等因素對結構的不利影響。19BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.4“以柔克剛”原則2.4.2“柔性”的（隔振）措施希臘里翁--安蒂雷翁大橋主梁為鋼和混凝土面板的疊合圖梁，主梁在縱向和橫向都有位移阻尼系統(tǒng)。在90m直徑的圓形擴大基礎下，有更大范圍的鋼管樁群來加固地基，兩者之間為礫石墊層，在有地震或位移時可以產生滑動和緩沖，起了隔震的作用。如果主塔基礎不滑動，那么橋上就會作用很大的地震力，使結構難以抵抗，而現在的處理方法，能消解巨大的地震力，而且也不會發(fā)生成為問題的塑性變形。TOC220BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.5“欲擒故縱”原則——反向措施2.5.1“預應力”的應用預應力作用對截面產生了兩個效果：A.Ny作用下截面受壓B.My=Ny*ey作用下截面受彎結構設計中采用預先施加的“反向措施”來提高結構的承載能力。21BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則按抵消彎矩為目標，按彎矩圖形態(tài)布置預應力鋼筋形態(tài)。荷載產生的彎矩預應力產生的彎矩預應力產生的軸力荷載產生的應力預應力產生的應力疊加應力截面均勻受壓的目標從等效荷載的角度，預應力產生的效果彎全抵消荷載彎矩，截面只受到軸力作用。因此，預應力布置形狀可參考彎矩圖的形態(tài)。22BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.5“欲擒故縱”原則2.5.2斜拉橋中“體系預應力”的應用跨越能力大建筑高度小以彎為主的壓彎構件恒載內力可調整主梁在斜拉索支承下，就象多跨彈性支承連續(xù)梁那樣工作，使“局部跨度”顯著減小，讓“整體跨度”能顯著提高，主梁高度“相對”降低。主梁把斜拉索索力的水平分力作為軸力傳遞，形成自錨體系結構。借助斜拉索的預拉力，可以對主梁的內力進行調整。TOC223BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.6“取長補短”原則2.6.1結合梁的使用結構設計中合理搭配構件或材料組合，以使得不同構件或材料發(fā)揮其優(yōu)勢特點?；炷亮轰摿喝绻邿o連接，受荷彎曲時各自變形，結合面存在相對滑移。二者通過剪力鍵連接，受荷彎曲時協調變形，結合面僅存在微小相對滑移。剪力鍵通過承擔水平剪力來抵抗相對滑移，使得鋼、混凝土協同受力，截面整體抗彎剛度大大提高。結合梁工作原理示意性圖解24BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則混凝土鋼結合梁養(yǎng)護容易養(yǎng)護困難造價高抗拉強度低抗壓強度高造價低拉壓強度高壓板易失穩(wěn)混凝土翼緣板25BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.6“取長補短”原則2.6.2混合梁的使用自重小混合梁鋼梁混凝土梁輕柔貴剛重賤強度低強度高強弱造價低造價高剛度大自重大剛度小Why?在連續(xù)梁和斜拉橋的主梁中，部分采用混凝土主梁，部分采用鋼主梁，這種布置方式稱為混合式主梁布置，簡稱“混合梁”。26BridgeDeptofSWJTU鋼梁砼梁混凝土梁諾曼底橋，鋼梁伸入主跨116米。多多羅橋，邊跨末端設置混凝土梁。砼梁鋼梁混凝土梁Where?重慶石板坡橋，主跨330m27BridgeDeptofSWJTU結合面混凝土梁鋼梁PC梁過渡段鋼加勁段PC梁標準段鋼梁標準段鋼混結合段鋼混結合段立面過渡示意How?TOC228BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.7“移花接木”原則結構設計中使用不同的受力體系相搭配，形成紛繁變化的組合受力體系。2.7.1拱－梁（剛構）組合體系橋梁柔性系桿剛性拱

剛性系桿柔性拱

剛性系桿剛性拱

29BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.2連續(xù)－剛構體系橋梁連續(xù)梁橋連續(xù)剛構橋VS對長大橋梁，連續(xù)

剛構體系往往是剛構主體與連續(xù)梁的組合。連續(xù)－剛構體系橋30BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.3斜拉－懸索體系橋梁土耳其伊茲米特海灣（IzmitBay）大橋[設計方案]31BridgeDeptofSWJTU直布羅陀海峽大橋（Gibraltarbridge）

[設計方案]斜拉－懸索體系橋梁，主跨約5000m（方案構思）。林同炎設計?？缭侥髂煤{（TheMessinaStraits)橋梁史上跨時代的橋梁33BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.4斜拉－剛構組合體系橋梁34BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.5拱－斜拉組合體系橋梁馬來西亞的SeriSaujana斜拉拱橋組合體系斜拉拱橋，主跨300m35BridgeDeptofSWJTU2.橋梁設計構思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.6其它建筑結構的組合？TOCTOC2膜結構36BridgeDeptofSWJTU3.橋梁構思實現上的控制環(huán)節(jié)結構體系確定材料體系確定設計及優(yōu)化細節(jié)工藝方案結構級構件級構造級定型及定性定量定制3.1橋梁結構的設計流程37BridgeDeptofSWJTU3.橋梁構思實現上的控制環(huán)節(jié)3.2PC簡支梁橋設計的關鍵環(huán)節(jié)混凝土簡支梁的設計關鍵：混凝土簡支梁的設計關鍵是截面的擬定、（預應力）鋼筋面積和位置設計。二者又是相互關聯的。截面尺寸設計擬定預應力設計/鋼筋設計力鋼筋面積力鋼筋布置受力計算是紐帶參照經驗數據參照已有圖紙估算布置設計38BridgeDeptofSWJTU3.橋梁構思實現上的控制環(huán)節(jié)3.3PC連續(xù)梁橋設計的關鍵環(huán)節(jié)PC連續(xù)梁橋設計計算基本流程39BridgeDeptofSWJTU3.橋梁構思實現上的控制環(huán)節(jié)3.4拱橋設計的關鍵環(huán)節(jié)混凝土拱橋的設計流程示意40BridgeDeptofSWJTU3.橋梁構思實現上的控制環(huán)節(jié)3.5懸索橋設計的關鍵環(huán)節(jié)主跨跨度Lc垂度f邊跨跨度Ls邊跨跨度Ls‘塔高H主跨Lc邊跨Ls邊中跨比垂跨比垂度塔高高跨比寬跨比梁高梁寬高寬比考慮水位和通航由使用要求確定41BridgeDeptofSWJTU3.橋梁構思實現上的控制環(huán)節(jié)3.6斜拉橋設計的關鍵環(huán)節(jié)斜拉橋橋型總體設計中，影響因素多，變量參數也復雜，交叉組合的方案更是千變萬化。但為了抓住主要矛盾，其總體構思時，首先要考慮如下五個問題：跨度劃分索塔類型和結構型式主梁類型和結構型式梁、塔、墩連結型式斜拉索布置類型（索面）塔墩位置主跨大小邊跨大小主梁材料橋面寬度索面數量主梁截面索塔形式索塔高度索塔截面42BridgeDeptofSWJTU4.競賽題目解析及其構思對策4.1競賽題目三跨連續(xù)橋梁結構模型設計與制作競賽題目偏載效應考慮包絡效應體系的選擇材料的選擇鉛發(fā)絲線PVC板（任意切割）動力效應膠水總重量不超過2Kg長度：1770～1790ｍｍ寬度：200，250ｍｍ44BridgeDeptofSWJTU4.競賽題目及其構思對策4.2可選的橋型可以選擇的橋型？3跨連續(xù)梁（或連續(xù)桁架）3跨連續(xù)拱雙塔自錨式懸索橋或斜拉橋組合體系橋梁T型剛構橋其他的組合橋型？總的要求：三跨連續(xù)預賽時首先須校驗各參賽作品制作（包括材料、結構尺寸、凈空尺寸等）是否滿足競賽規(guī)定的限制要求。預賽時須測定參賽作品總重量G（單位：g），并校驗G數值是否滿足競賽規(guī)定的限制要求（不超過２０００g）。對于滿足重量要求和制作要求的結構，方可進行移動荷載加載試驗及撓度測試移動荷載加載前，須在每跨集中加載點各懸掛1kg的砝碼作為預載，并以此作為撓度測試的變形基準點。預賽時的移動小車荷載加載方式為：兩輛自重各為４kg的移動小車，分別從模型兩端牽引相向而行，勻速通過整個模型。移動小車通過整個模型的時間限定在１分鐘之內。小車移動過程中由工作人員操作儀器自動采集模型四個撓度測點的撓度值（以預載撓度為基準、因移動荷載而引起的撓度增量）。發(fā)生以下情形之一者，即視為加載失?。海?）模型在移動荷載加載過程中發(fā)生破壞（2）撓度值的最大絕對值超過20mm計算各模型的預賽荷重比P/G，其中P取為10kg。對加載成功的作品按預賽荷重比大小進行排名，取前50名作品直接進入決賽。4.3加載方案（預賽）決賽第一步加載加載加載說明測定和校驗內容成績評定系數Ki步驟工況加載失敗加載通過第一次加載（撓度測試荷載工況）1.1預載按要求擺放結構模型、調試撓度測試儀器。將集中力布置于三跨跨中吊點處，具體見示意圖。集中力大小為單點1kg（用1kg的基準砝碼施加）。此步驟主要是起穩(wěn)定模型的作用，便于撓度數值測量，提高其精確度。校驗結構是否出現整體、構件、局部破壞或結構失穩(wěn)。出現上述情況者視為該工況加載失敗。該步驟不進行撓度校驗撓度K1＝0撓度K1＝0靜載K2=0靜載K2＝0動載K3=0動載K3=0

1.2移動荷載兩名選手分別牽引一輛移動小車，由雙車道同時勻速相向移動，通過模型。移動小車長約10cm，小車重量４kg。當小車行駛至各跨跨中時，須停止5秒，然后前進。小車通過整個模型的時間限定在１分鐘內。選取整個加載過程中撓度測點的最大絕對值作為模型豎向撓度δ（單位mm）撤除懸掛的集中荷載校驗結構是否出現整體、構件、局部破壞或結構失穩(wěn)。出現上述情況者視為該工況加載失敗。校驗整個加載過程中模型的撓度值是否超限。豎向撓度大于20mm視為該工況加載失敗撓度K1＝0撓度由δ計算K1靜載K2=0靜載由８kg計算K2動載K3=0動載K3＝0備注（1）第一次加載全部成功后方可進入第二次加載流程。（2）成績評定系數的計算參見第5.6條。決賽第二步加載加載加載說明測定和校驗內容成績評定系數Ki分步工況加載失敗加載通過第二次加載（承載能力荷載工況）2.1集中力增載將各吊點的集中力荷載增加至6kg。單點集中力荷載由基準荷載3kg和附加荷載3kg構成。其中，基準荷載3kg砝碼由一根可自由變形的彈簧懸掛在吊點上，附加荷載3kg砝碼由一根鉛發(fā)絲線懸掛在基準荷載下方。校驗結構是否出現整體、構件、局部破壞或結構失穩(wěn)。出現上述情況者視為該工況加載失敗。該步驟不進行撓度校驗。撓度K1撓度K1靜載由８kg計算K2靜載由８kg計算K2動載K3=0動載K3=02.2移動荷載用兩輛相同的移動小車串連后形成總重為８kg的一個車輛組，由選手從一個車道牽引勻速行駛至剛度較弱跨的跨中，停止前進。具體車道及剛度較弱跨的選擇由現場評委根據模型加載情況指定。校驗結構是否出現整體、構件、局部破壞或結構失穩(wěn)。出現上述情況者視為該工況加載失敗。校驗整個加載過程中模型的撓度值是否超限豎向撓度大于20mm視為該工況加載失敗。撓度K1撓度K1靜載由８kg計算K2靜載由１４kg計算K2動載K3=0動載K3=02.3振動加載保持2.2荷載工況。剪斷移動小車所在跨跨中