1、桥梁上部施工技术项目1 桥梁总论 学习目标u 了解桥梁的发展概况。u 掌握桥梁的组成和分类。u 了解桥梁设计原则与资料收集的内容。u 了解桥梁的设计要点和方法。u 了解公路桥梁上的作用的分类和计算方法。1.1 桥梁发展概况1.桥梁建筑的历史成就拱桥梁桥悬索桥浮桥1）我国古代桥梁的辉煌成就 中国古代桥梁1.1 桥梁发展概况2）国外对桥梁发展的推动作用钢材、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土的出现，对现代桥梁的发展起了巨大的推动作用。19世纪中期，钢材的出现，是土木工程史上的第一次飞跃。1.桥梁建筑的历史成就1.1 桥梁发展概况随后产生了高强钢材、钢丝、钢索。于是，钢结构得到了蓬勃发展。结构跨径从砖、石
2、、木结构的几米、几十米发展到百米，直至千米以上，并开创了在大江、海峡上修建大桥的奇迹。1.桥梁建筑的历史成就1.1 桥梁发展概况桥梁是随着经济发展带来的交通需要和经济与科学技术的发展而发展的。它从侧面反映了一个国家生产、经济与科学技术的发展程度。桥梁专家茅以升说：“桥梁是一个国家发展的表征。”纵观世界各国的大城市，常以工程雄伟的大桥作为城市的标志与骄傲。下面按结构体系分别讲述国内外各类桥梁的现状。2.国内外桥梁发展现状1.1 桥梁发展概况1）梁桥2.国内外桥梁发展现状悬臂梁桥简支梁桥连续梁桥钢桁架桥1.1 桥梁发展概况2）刚构桥2.国内外桥梁发展现状（1）T形刚构（2）连续刚构桥1.1 桥梁发
3、展概况3）拱桥2.国内外桥梁发展现状（2）钢筋混凝土拱桥（1）石拱桥（3）钢拱桥我国是拱桥的发源地，既有悠久的历史，又有辉煌的现在。1.1 桥梁发展概况悬索桥是特大跨径桥梁的主要形式之一，其造型优美，规模宏伟，常被人们称为“桥梁皇后”。目前，世界上已建成的大跨径悬索桥有日本于1998年建成的明石海峡大桥（见图1-15），主跨为1 991 m；4）悬索桥2.国内外桥梁发展现状1.1 桥梁发展概况1.1 桥梁发展概况我国于2005年4月建成的润扬长江大桥（见图1-16），主跨为1 490 m；美国于2013年9月建成的旧金山海湾大桥东段新桥，是目前世界上最大跨径的单塔自锚抗震悬索钢桥。当跨径大于8
4、00 m时，悬索桥方案具有很大的竞争力。1.1 桥梁发展概况现代斜拉桥的兴起是第二次世界大战后桥梁发展史上最伟大的成就之一。斜拉桥是继悬索桥之后的第二大跨径桥型。著名的斜拉桥有我国于2008年5月建成的苏通长江公路大桥（见图1-17），主跨为1 088 m；5）斜拉桥2.国内外桥梁发展现状1.1 桥梁发展概况1.1 桥梁发展概况俄罗斯于2012年6月建成的俄罗斯岛大桥，主跨为1 104 m，总长度为3.1 km，是世界上最长的斜拉桥。同类型桥梁较有名的还有我国于2008年底建成的香港昂船洲大桥，其主跨为1 018 m；日本于1999年建成的多多罗大桥（见图1-18），主跨为890 m，该桥保持
5、当时的世界纪录长达9年。1.1 桥梁发展概况同类型桥梁较有名的还有我国于2008年底建成的香港昂船洲大桥，其主跨为1 018 m；日本于1999年建成的多多罗大桥（见图1-18），主跨为890 m，该桥保持当时的世界纪录长达9年。1.1 桥梁发展概况1.1 桥梁发展概况 当今桥梁建设突飞猛进，日新月异，特别是大跨径桥梁建设数量之多，跨径之大是令人振奋的。它从一个侧面反映了一个国家生产、经济和科学技术的发展程度。我国在桥梁建设领域已接近世界先进水平，大跨径的斜拉桥和悬索桥建设成就喜人，在某些方面已走在世界桥梁工程的前列3.桥梁发展前景展望1.1 桥梁发展概况 （如石拱桥、钢筋混凝土拱桥、连续刚构
6、桥和斜拉桥等），清华大学张维院士曾这样评价：“我们正走向世界桥梁强国，可以排在世界十强里面。”我国已实践成功的斜拉悬索协作体系桥，将为大跨径桥梁奠定基础。斜拉悬索协作体系桥使斜拉和悬索两种结构相互协作，优势互补，具有使锚碇变小，塔高变矮，梁的悬臂长度变短等优点，适合于大跨径和特大跨径桥的新桥型。3.桥梁发展前景展望1.1 桥梁发展概况 历史上最早出现这种桥型是美国于1883年建成的纽约跨越伊斯特河的布鲁克林（Brooklyn）桥，主跨为486 m，是当时世界上最大跨径的桥梁，后来这种桥型发展缓慢。经过多年的论证和努力，我国于1997年建成了世界上第一座现代化的斜拉悬索协作桥贵州乌江大桥。21世
7、纪在桥梁建设方面，我们将共同迎来一个更加辉煌的前景。3.桥梁发展前景展望1.2 桥梁的组成和分类1）桥梁的基本组成桥梁由上部结构、下部结构、附属结构和支座系统四个部分组成。如图1-19所示为一座梁式桥的概貌，如图1-20所示为一座拱式桥的概貌。1.桥梁的组成1.2 桥梁的组成和分类1.2 桥梁的组成和分类1.2 桥梁的组成和分类2）桥梁主要尺寸和名称术语（1）计算跨径l。（2）净跨径l0。（3）标准跨径lb。（4）桥梁全长L。（5）多孔跨径总长L1。（6）桥梁高度H。（7）桥梁建筑高度h。（8）桥梁容许建筑高度h容。（9）桥下净空H0。（10）拱桥矢高。（11）拱桥矢跨比。（12）涵洞。1.2
8、 桥梁的组成和分类桥梁有不同的分类方式，每一种分类方式均反映出桥梁在某一方面的特征。而桥梁按结构体系的分类是基本的分类方法，不同的体系对应于不同的力学形式，表现出不同的受力特点。1）桥梁按基本体系分类（1）梁式桥。（2）拱式桥。（3）悬索桥。（4）刚架桥。（5）组合体系桥。2.桥梁的分类1.2 桥梁的组成和分类2）桥梁的其他分类方法除了上述按受力特点将桥梁分成不同的结构体系外，习惯上还可将桥梁按用途、建筑材料、建筑规模等方面来进行分类。（1）按桥梁长度和跨径大小，分为特大桥、大桥、中桥、小桥和涵洞。2.桥梁的分类1.2 桥梁的组成和分类（2）按用途来划分，有公路桥、铁路桥、公路铁路两用桥、农桥
9、、人行桥、水运桥（渡槽）及其他专用桥（如通过管道、电缆等的桥梁）等。（3）按主要承重结构所用材料划分，有圬工桥（包括石拱桥、混凝土拱桥）、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥、钢混凝土组合桥等。2.桥梁的分类1.2 桥梁的组成和分类（4）按跨越障碍的性质，可分为跨河桥、跨线桥（立体交叉）、高架桥和栈桥。（5）按上部结构的行车位置，分为上承式桥、下承式桥和中承式桥。（6）按桥跨结构的平面布置，可分为正交桥、斜交桥和弯桥。2.桥梁的分类1.3 桥梁总体规划设计1.3.1桥梁设计原则与资料收集 1.桥梁设计的原则公路桥涵应根据所在公路的使用任务、性质和将来发展的需要，按照“安全、适用、经济、美观和有利
10、环保”的原则进行设计。安全是设计的目的，适用是设计的功能需求，此二者必须首先满足；在满足安全和适用的前提下，应根据具体情况考虑经济和美观的要求；设计应符合环保要求，并满足可持续发展的要求，故提出了“有利环保”的原则。1.3 桥梁总体规划设计1.3.1桥梁设计原则与资料收集1）安全2）适用3）经济4）美观5）有利环保1.3 桥梁总体规划设计1.3.1桥梁设计原则与资料收集 2.桥位勘测与设计资料的调查桥梁规划设计必须收集、掌握充足的资料，桥位勘测与设计资料的调查是桥梁规划设计前必不可少的工作。1）调查桥梁的使用要求2）选择桥位1.3 桥梁总体规划设计1.3.1桥梁设计原则与资料收集 3）测量桥位
11、附近的地形图4）调查地质资料5）调查和收集水文资料6）调查有关气象资料和地震情况7）调查其他资料1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点1.桥梁设计程序我国桥梁设计的基本建设程序分为前期工作和正式设计工作两大阶段。前期工作分为预工程可行性研究（简称“预可”）阶段和工程可行性研究（简称“工可”）阶段。正式设计工作分为初步设计、技术设计和施工图设计三个阶段。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点1）前期工作前期工作主要是预工程可行性研究报告与可行性研究报告的编制。（1）“预可”阶段。（2）“工可”阶段。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点2）初步设计 初步设计应根据批复的可
12、行性研究报告，测设合同和初测，初勘、定测或详勘资料等进行编制。初步设计的目的是确定设计方案，应通过多个桥型方案中的比选，推荐最优方案，报上级审批。在编制各个桥型方案时，应提供平、纵、横布置图，标明主要尺寸，并估算工程数量和主要材料数量，提出施工方案的意见，编制设计概算，1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点提供文字说明和图表资料。初步设计经批复后，则成为施工准备、编制施工图设计文件和控制建设项目投资等的依据。3）技术设计技术设计的主要内容是对选定的桥型方案中重大、复杂的技术问题通过科学试验、专题研究、加深勘探调查及分析比较，进一步完善批复的桥型方案中的总体和细部的各种技术问题，提出详尽
13、的设计图纸，包括结构断面、配筋、细节处理、材料清单及工程量等，并修正工程概算。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点4）施工图设计施工图设计是在批复的技术设计（三阶段设计时）或初步设计（二阶段设计时）的所有技术文件的基础上，进一步进行具体设计。此阶段工作包括详细的结构分析计算、配筋计算，验算并确保各构件强度、刚度、稳定和裂缝等各种技术指标满足规范要求，绘制施工详图，编制施工组织设计和施工图预算。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点目前，国内一般的（常规的）桥梁设计采用二阶段设计，即初步设计和施工图设计；对于技术复杂的特大桥、互通式立交桥或新型桥梁结构，需要增加技术设计，即采用
14、三阶段设计；对于技术简单、方案明确的小桥，也可以采用一阶段设计，即施工图设计。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点2.桥梁纵、横断面设计和平面布置桥梁的总体设计包括桥梁纵断面设计、横断面设计和平面布置。1）桥梁的纵断面设计（1）桥梁总跨径的确定。（2）桥梁的分孔。（3）桥面标高的确定。（4）桥头引道的纵坡。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点2）桥梁的横断面设计桥梁的横断面设计主要是确定桥面净空和桥跨结构横断面的布置。桥面宽度取决于行车和行人的交通需要。为了保证车辆和行人的安全通过，应在桥面以上垂直于行车方向保留一定限界的空间，这个空间称为桥面净空。它包括净宽和净高，1.3
15、 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点其尺寸应符合公路桥涵设计通用规范（JTG D602004）中关于公路建筑限界的规定，铁路桥梁、城市桥梁也有相应的规定。在规定的限界内，不得有任何结构部件等侵入。横截面形式主要与上部结构的桥型方案及跨径有关。对于桥面上有结构物的桥梁，如中（下）承式拱桥、斜拉桥、吊桥等，结构物将占去部分桥面宽度，因而桥面总宽为桥面净宽加结构物所需宽度之和。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点3）平面布置桥梁的线形及桥头引道线形应与路线布设相互协调，各项技术指标应符合路线布设的规定。桥梁应尽可能避免与河流或与桥下路线斜交。但对于一般小桥，为了改善路线线形，有时修建斜
16、交桥，斜度通常不宜大于45。通航河流上不宜大于5，当交角大于5时，宜增加通航孔净宽。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点3.桥梁设计的方案比选 为了获得经济、适用、美观和有利环保的桥梁设计方案，设计者必须根据各种自然、技术上的条件，因地制宜，在综合应用专业知识，了解掌握国内外新技术、新材料、新工艺的基础上，进行深入细致的研究分析和对比工作，才能科学、完美地得出设计方案。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点1）桥梁设计的方案比选的内容和步骤 （1）明确各种高程的要求。（2）桥梁分孔和初拟桥型方案草图。（3）方案初筛。（4）详绘桥型方案图。（5）编制估算或概算。（6）方案选定和
17、文件汇总。1.3 桥梁总体规划设计1.3.2桥梁设计要点2）桥型选择的影响因素按影响桥型选择因素的特点、作用和地位的不同，可以将其分为独立因素、主要因素和限制因素。（1）桥梁的长度、宽度和通航孔大小等是桥型选择的独立因素。（2）所选桥型是否经济是桥型选择时必须考虑的主要因素。（3）地质、地形、水文、航运、气候等条件是桥型选择的限制因素。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 1.永久作用永久作用是指在结构使用期间，其量值不随时间而变化，或其变化值与平均值相比可忽略不计的作用。结构重力（包括结构附加重力）可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度计算确定，表1-4 列出了常用材料的重力密
18、度。其他永久作用的计算参考公路桥涵设计通用规范（JTG D602004）和公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004）的规定。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 2.可变作用可变作用是指在结构使用期间，其量值随时间变化，且其变化值与平均值相比不可忽略的作用。1）汽车荷载公路桥涵设计时，汽车荷载的计算图示、荷载等级及其标准值、加载方法和纵横向折减应符合下列规定。（1）汽车荷载分为公路级和公路级两个等级。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 （2）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。（3）各级公路桥涵设计的汽车荷载
19、等级应符合表1-5的规定。（4）车道荷载的计算图示如图1-29所示。（5）车辆荷载的立面、平面尺寸如图1-30所示，主要技术指标规定见表1-6。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 （6）车道荷载横向分布系数按设计车道数（见图1-31）布置车辆荷载进行计算。（7）桥涵设计车道数应符合表1-7的规定。（8）随着桥梁横向布置车道数的增加，各车道内同时出现最大荷载的概率减小，由汽车荷载产生的效应应当进行折减。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用1.3 桥梁总体规划设计1.3
20、.3公路桥梁上的作用 （9）同样，随着桥梁跨径的增加，实际桥梁上通行的车辆达到高密度和重载的概率减小，因此，当桥梁设计跨径大于150 m时，汽车荷载应考虑纵向折减。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 （9）同样，随着桥梁跨径的增加，实际桥梁上通行的车辆达到高密度和重载的概率减小，因此，当桥梁设计跨径大于150 m时，汽车荷载应考虑纵向折减。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 2）汽车荷载的冲击力 车辆以一定速度过桥时，由于桥面的不平整、车轮不圆以及发动机抖动等原因，会使桥梁结构发生振动，桥梁结构应力和变形比静荷载状态引起的大，通常把这种动力效应称为汽车荷载对桥梁
21、结构的冲击力。现行规范用汽车荷载标准值乘以冲击系数来考虑汽车荷载的冲击力。冲击系数与桥梁结构的基频有关，按式（1-1）计算。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 （1）钢桥、钢筋混凝土及预应力混凝土桥、圬工拱桥等上部构造和钢支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台等，应计算汽车的冲击力。（2）填料厚度（包括路面厚度）等于或大于0.5 m的拱桥、涵洞以及重力式墩台不计冲击力。（3）支座的冲击力按相应的桥梁取用。（4）汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 （5）冲击系数可按下列情况取用。当f14 Hz时,=
22、0.45。桥梁自振频率f的计算按公路桥涵设计通用规范（JTG D602004）的相应规定来确定。（6）汽车荷载的局部加载及在T梁、箱梁悬臂板上的冲击系数采用1.3。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 3）汽车荷载的离心力 （1）当弯道桥的曲线半径等于或小于250 m时，应计算汽车荷载引起的离心力。汽车荷载离心力的标准值为按车辆荷载（不计冲击力）标准值乘以离心力系数C计算，离心力系数按式（1-1）计算。C=V2/127 R （1-1）1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 式中，V为设计速度（km/h），应按桥梁所在路线设计速度采用；R为曲线半径（m）。（2）计算多车
23、道桥梁的汽车荷载离心力时，车辆荷载标准值应乘以表1-8中规定的横向折减系数。（3）离心力的着力点在桥面以上1.2 m处（为计算简便也可移至桥面上，不计由此引起的作用效应）。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 4）汽车荷载引起的土侧压力汽车荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力，可按式（1-2）换算成均布土层厚度来计算。（1-2）1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 5）人群荷载（1）当桥梁计算跨径小于或等于50 m时，人群荷载标准值为3.0 kN/m2；当桥梁计算跨径等于或大于150 m时，人群荷载标准值为2.5 kN/m2；当桥梁计算跨径为50150
24、 m时，可由线性内插得到人群荷载标准值。对跨径不等的连续结构，以最大计算跨径为准。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 城镇郊区行人密集地区的桥梁，人群荷载标准值取上述规定值的1.15倍；专用人行桥梁的人群荷载标准值为3.5 kN/m2。（2）人群荷载在横向上应布置在人行道的净宽度内，在纵向上施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 （3）人行道板（局部构件）可以一块板为单元，按标准值4.0 kN/m2的均布荷载计算。（4）计算人行道栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力标准值取0.75 kN/m2；作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取
25、1.0 kN/m2。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 3.偶然荷载1）地震作用2）船舶或漂流物的撞击作用3）汽车撞击作用1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 4.极限状态设计法公路桥涵结构的设计基准期为100年。极限状态是指整体结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能够满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态为该功能的极限状态。1）承载能力极限状态2）正常使用极限状态3）三种设计状况1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 5.作用效应组合 公路桥涵结构设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
26、效应组合进行设计。作用效应的组合原则如下。（1）只有在结构上可能同时出现的作用，才可进行其效应的组合；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。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 （2）当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利影响时，该作用不应参与组合。实际不可能同时出现的作用或同时参与组合概率很小的作用，按表1-10规定不考虑其作用效应的组合。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 （3）施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷载加以考虑。组合式桥梁把底梁作为施工支撑时，作用效应宜分两个阶段组合：底梁受荷为第一个阶段，组合梁受荷为第二个阶段。（4）多个偶然作用不同时参与组合。1.3 桥梁总体规划设计1.3.3公路桥梁上的作用 1）承载能力极限状态 公路桥梁结构按承载能力极限状态设计时，应采用以下两种作用效应组合。（1）基本组合。（2）偶然组合。2）正常使用极限状态 （1）作用短期效应组合。（2）作用长期效应组合。
