西藏雅江大桥设计和计算分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1毕业设计的目的

本次毕业设计要完成的任务是西藏雅江大桥的设计及计算。桥址位于加查县冷达乡热当村附近，是朗加（西藏朗县至加查县）公路控制性工程。朗加公路是连接西藏林芝与山南地区的重要通道，同时也是连接雅鲁藏布江两岸的重要交通枢纽。雅江大桥的建成，将大大带动当地经济发展，方便当地人民的出行和交流，是对我国西部公路网的完善和发展,也是我国西部大开发战略的重要工作。雅江大桥的设计要充分考虑到西藏地区的特殊地理位置和自然条件，要克服严寒的气候、冻土以及脆弱的生态环境等带来的难题。首先在施工方案选择上，要充分发挥机械施工的优势，降低人力劳动成本，尽量缩短施工周期。其次，在桥梁施工过程中，要尽量减少施工对当地生态环境的破坏，避免大开大挖。由于桥位区内基本地震烈度带为 vii度，烈度较高，因此桥梁的设计还应满足抗震要求。除此之外，设计时还应考虑到西藏地区昼夜温差较大，全年平均气温较低，对混凝土的养护和硬化较为不利，而且也容易造成结构的冻胀变形或冻裂，因此在设计中尽量避免采用对变形比较敏感的结构。综合考虑以上基本因素，本次设计的主桥桥型拟采用连续刚构桥，并对其进行结构设计及计算分析，验算结构的合理性性及安全性，并编写技术文件，画出设计图及施工图，并使所设计的桥梁达到适用、经济、安全、美观的基本要求。

2. 研究的基本内容与方案

2连续刚构桥的国内外发展现状

2.1发展

2.1.1国外发展历程

连续刚构桥是墩梁固结的连续桥梁，是连续梁桥基础上发展起来的新型桥梁。连续刚构桥是T构桥梁的一类，T构分为三种基本类型。一种是单个T构形成的悬臂梁；另一种是主梁不连续的T构组合体系，如带铰或挂孔的T构；还有一种是主梁连续的T构，即连续刚构。此外，还有将连续刚构和连续梁组合的连续梁组合桥梁。1953年，前联邦德国首次采用挂篮悬臂施工法修建了沃尔姆斯（worms）桥，在建造完成的桥墩上，沿桥跨方向逐段接长对称施工。此举开创了平衡悬臂施工法的先河。60年代，前联邦德国采用悬臂浇筑法在莱茵河上建成了主跨为208.8m的本道夫（Bcndorf）桥，这两座桥已具备连续刚构的雏形。这一时期的T构主要是跨中带剪力铰或挂梁的类型。但是铰处的折角容易造成车辆跳动，剪力铰也容易损坏。带挂梁的T构虽然不设剪力铰，但是增加了伸缩缝，牛腿的构造也较为复杂。随着高速公路的兴起，人们对行车舒适度的要求提高，上述T构已难以满足要求。因此，上世纪80年代后，这种桥型渐渐退出了桥梁设计师的视野。1982年，美国修建了休斯敦（Houston）运河桥，桥跨为（114 228.6 114）m，主梁为双室箱型断面，刚性桥墩，这是跨径较大、时间较早出现的一座连续刚构桥。1985年，澳大利亚建成的门道桥（Gateway），跨径（145 260 145）m，，采用双薄壁柔性墩，单室箱型主梁和高强混凝土，桥边跨悬臂端与引桥的悬出部分之间16米以不约束水平变位的刚箱装置连接，该装置不能传递轴向力，可以承受剪力及弯矩。这座桥保持世界纪录12年之久，是桥梁史上一座里程碑式的建筑。随着连续刚构桥的进一步发展，其强大的跨越能力得到人们的注意，1998年，挪威的工程师修建了stolma桥，跨径301m，这是当时世界上首次出现的跨径超过300m的连续刚构桥。

2.1.2国内发展历程

我国连续刚构桥建设起步较晚，但在短时间内取得了巨大的进步，在结构类型、设计施工等方面均有创新，并且技术也日臻成熟。我国于 1990年建成了第一座连续刚构桥，广州洛溪大桥，跨径为180m。进入90年代，我国相继建成多座大跨径连续刚构桥。1995年建成的黄石长江大桥（跨径162.5 3×245 162.5m），连续长度居世界第一。2003年3月合拢的云南省元江大桥（跨径58 182 265 194 70m），中墩高123.5m，是我国首次在西部山区建设大型连续刚构桥，为我国在西部山区复杂地区的桥梁工程积累了宝贵经。我国西部地区多深山峡谷和急流深水，而且对于结构的抗震性能也提出了更高的要求。因此跨越能力大、少支架或无支架施工的桥梁展示出其极大的优越性，被广泛采用。2006年通车的陕西洛河大桥，该桥跨度为90 3×160 90m，主墩高达143.5米，桥面高152m，为混凝土刚构世界第一高桥。这些建桥经验可为高墩连续刚构桥的设计及悬臂施工提供重要参考。同年，重庆的石板坡长江大桥复线桥建成，中跨跨径也超过了300m，达330m，随着高强预应力钢材、高强混凝土、大吨位张拉锚固体系的应用及发展，对在役桥梁的监测、研究以及评价，我国的连续刚构桥的设计和施工水平将进一步提高，大跨度连续刚构桥将进一步发展和成熟。

连续刚构桥一览表

	桥名	年份	跨径	国家
1	重庆市石板坡大桥长江大桥复线桥	2006	330	中国
2	Stolmasundet(斯托摩圣德桥)	1998	301	挪威
3	Raqftsunder(拉脱圣德桥)	1998	298	挪威
4	Asuncion(亚松森桥)	1979	270	巴拉圭
5	广东虎门大桥辅航道桥	1997	270	中国
6	江苏苏通大桥辅航道桥	2008	268	中国
7	云南元江红河大桥	2003	265	中国
8	Gateway(门道桥)	1985	260	澳大利亚
9	福建下白石大桥	2003	260	中国
10	Schottwien（斯考顿大桥）	1989	250	奥地利
11	Doutor(道特桥)	1991	250	葡萄牙
12	重庆黄花园嘉陵江大桥	1999	250	中国

2.2特点

连续刚构桥是一种新型桥梁，它的发展得益于大量新型高强材料的发展、预应力技术以及电子计算机技术的发展。与其他类型的桥梁相比，它具备很多的特点。而它的某些特点正是它备受桥梁工程师青睐的重要原因。但同时，连续刚构桥也存在着一些问题亟待解决。

2.2.1受力性能良好

由于其本身结构力学特性的优势和大量高强材料的使用，连续刚构桥具备较大的横 向抗扭刚度和顺桥向的抗弯刚度、较小的形变、较大的跨越能力。连续刚构桥的墩梁是固结的，因此可以将水平地震力均匀分摊道各个桥墩上，并且整个桥梁具有较好的整体性，所以它可以整体承受地震力，因此，连续刚构桥具有良好的抗震性能。为了使桥梁的截面受力趋于理，大跨连续刚构桥一般采用箱形截面。连续刚构一般采用双薄壁高墩，高墩的柔性使整个结构具有连续梁的受力特点。双薄壁墩身将较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度结合在一起，前者可保持桥面的平整，后者则来适应较小的水平变位。连续刚构由于双墩的“消峰”作用，墩顶负 弯矩得以削弱，相对于连续梁跨中的正弯矩也大大削减。连续刚构的上部结构受力有连续梁的受力特点，但必须计入由桥墩因受力、混凝土收缩徐变、温度变化而引起的弹塑性变形对上部结构的影响。桥墩虽然有柔度，但是在墩梁结合处，仍有刚架的受力特点。对于跨径在200m ～300m范围内的桥梁，连续梁桥在跨越方面的能力、拱桥在施工方面、斜拉桥及悬索桥在经济指标方面均明显无法与连续刚构桥竞争。

2.2.2施工方便

连续刚构桥施工目前主要采用平衡施工法施工，无需转换体系，不需设置支架或支座，工序简单，使用的施工设备较少，工期也较短，可有效减少预算。

2.2.3行车舒适

连续刚构桥不需设置支座，伸缩缝较少，主梁变形挠曲线平缓，行车舒适度大大提高，也易于日常养护。

2.2.4温度应力显著

连续刚构桥相较于其他桥型而言，超静定次数较高，因此温度应力引起的变形和应力不可小视。近50年来，由于温度应力导致混凝土开裂结构失稳的事故时有出现。德国Jagst桥通 车第五年就发现严重裂缝，经估算温度拉应力高达2.6M；由于日照温差过大的影响，新西兰的一座新市场高架桥严重开裂。在国内，九江长江大桥引桥40m箱通惠河连续箱漓江二桥箱梁等也都发现了裂缝。某些工程实例已表明，温度作用产生的应力已经与恒载、活载的应力处于同一数量级。因此，如何控制和削弱温度应力带来的变形与形变已经国内外学者研究连续刚构桥的重点。

2.2.5桥墩防撞

连续刚构桥的墩梁固结后，桥墩的抗弯刚度和抗推刚度需设计的足够大，以抵抗悬臂施 工中的较大的不平衡弯矩以及运营时活载或其他附加力产生的弯矩。人们自然而然地想到采用粗大桥墩来抵抗一系列弯矩，但这给施工带来困难，而且也不够经济。前文提到的前联邦德国的一座桥梁（Bcndorf）对此作了进一步的优化设计，将厚重粗大的墩改为双薄壁墩。由于双 薄壁墩良好的受力性能，后来连续刚构桥多采用这一类型的桥墩。但是双薄壁墩墩身强度较小，因此必须考虑如何保护墩身，防止船只撞击。

2.3施工

连续刚构桥的施工方法有四种，分别为支架施工法，逐跨顶推施工法，移动模架施工法，平衡悬臂施工法，。支架施工法占地多，施工周期长，施工期间支架可能受到洪水等威胁，现在的大型桥梁一般都不会大规模采用这种方法，只在中跨合拢或边跨的地方才用支架法。逐跨顶推法的梁段是预制好的，施工现场的顶推设备简单，平稳，施工进度快而且易于控制。位于法国南部的米洛（Millau Viaduct）高架桥是典型的采用此种方法的例子。但是这种方法一般采用的是等高度梁，而且设备安装成本较高。移动模架施工法就是利用机械化的支架和末班逐跨移动并进行现浇混凝土施工，可分为悬吊模架法和活动支架法。此种方法需要较多的机械，支架和模板的移动是在轨道上移动的，适合在平坦地形上使用。平衡悬臂法分为悬臂拼装法和悬臂浇筑法，前者的梁块预制和下部结构可同时进行，拼装比浇筑节省节省时间。但是需要预制场地，运输和安装需要大型机械设备。

连续刚构桥主要采用悬臂浇筑施工法，这是它最显著的一大优势之一。众所周知，施工方法的难易程度会影响桥梁形式的发展。如果结构的施工方法合理，则可以加快进度、节约投资、改善工程质量，从而促进设计的应用和推广。平衡悬臂施工法少设支架，节约人力，施工速度也较快。但是连续刚构桥施工的基础是墩梁固结，墩梁固结后，桥墩的抗弯刚度和抗推刚度需设计的足够大，以抵抗一系列内力，因此工程上多采用稳定性能好的柔性墩代替刚性墩。设计柔性墩时，需要进行单柱式墩和双薄壁墩的比选。双薄壁墩需要较大的承台，但可以保证施工时的稳定性，必要时可在薄壁墩间设置连接以提高稳定性。单柱式墩施工简单，基础尺寸较小，适用于跨径不大，墩高较小的情况，但是要严格控制施工荷载，且临时支托也不宜过早拆除。如果有两幅桥并列布置，还需考虑施工进度的一致，如果二者相差太多，会引起承台受力不均，可能导致承台开裂。

随着悬臂梁段的加长，梁段的自重也在增加，梁内的负弯矩也将逐渐增加，梁体必然产生上拱的挠度，并将持续发展。除此之外，一般挂篮的自重、预应力钢束的张拉、昼夜温差变化引起的变形以及收缩徐变都会引起梁的位移及应力变化。如何控制施工中产生的挠度及位移，这是平衡悬臂施工法最关键的地方，这就需要在施工过程中进行有效精确的监控，并及时进行调整。除应变外，应力也是桥梁施工中重要的监控对象，如果应力值超过理论值或达不到要求，不仅会影响施工进程和安全，也会对日后的桥梁埋下隐患。现在的施工监测即 主要指这两方面。应变的监测主要依靠仿真计算和现场监测相结合。通过力学实验得到施工所用的混凝土、钢材等材料的各项系数，再运用Midas/Civil进行施工仿真数值模拟计算，得到理论值，从而确定各施工节段的立模标高，根据现场监测数据，与理论计算值比较，判断施工是否合格，并及时调整下一节段的立模标高。最终，是边跨、主跨的合拢误差不超过现行规范许可的范围，并确保成桥的线性与设计值相符合。结构应力的监测则主要依靠施工现场的实测数据。随着施工的进行，应力值是不断变化的，这就需要对在建桥梁进行持续的不间断监测，一旦发现异常便及时寻找原因并处理。对于连续刚构桥来说，施工监测是至为关键的，并且是一个长期持续的过程。

平衡悬臂施工法经过近半个世纪的发展，目前已经日臻成熟。这种方法首先是要将桥墩和主梁固结起来，在0号块或1号块上安装挂篮，利用挂篮在沿桥跨方向同步对称施工。浇筑混凝土后经过养护，待强度达到要求后，继续进行下一个节段的施工，以此循环，直至最后合拢。悬臂浇筑箱梁的浇筑长度将逐渐增长，梁体的负弯矩也将随之增大，因此，必须及时在箱梁段的上缘张拉预应力筋，以此来削弱负弯矩。最后，浇筑边跨和中跨合拢段混凝土，张拉预应力钢束。

2.4发展趋势

（1）跨径进一步增大。目前，各种桥梁仿真设计软件和结构分析软件不断发展，各类高强材料和发展和轻型混凝土也开始普遍应用，施工工艺和方法也在不断进步和发展，大跨径的连续刚构桥成为主要趋势。

（2）上部结构轻型化。对于大跨度连续刚构桥梁，主梁采用高强混凝土，跨中采用轻质混凝土或钢梁可减小结构自重，从而提高结构的承重能力。除此之外，采用长悬臂、薄腹板，减少隔板数量，也是经常用来减轻自重的手段。配合三向预应力以及大吨位预应力体系以满足应力要求

（3）简化预应力钢筋束。连续刚构桥的施工过程中，预应力钢筋束的设置既占时间又费劳力。现在的桥梁设计中已基本取消了弯起钢筋和连续钢束，均以竖向预应力钢束和纵向预应力钢束代替

（4）边跨合拢取消支架施工。通过采用合理的边跨比，可以取消边跨合拢段的满堂支架现浇施工，从而实现在导梁上进行边跨合拢，也可直接合拢连接引桥的悬臂端。取消落地支架可大大简化施工，节约投资。

3 基本内容及技术方案

3.1研究目的

（1）根据毕业设计提供的工程背景和原始资料，完成西藏雅江大桥的设计、计算以及施工内容概述。熟悉大跨径桥梁的施工的主要工作及各项流程。

（2）以给定的桥梁为背景，以桥梁结构分析软件（Midas）为工具，建立桥梁结构模型，分析桥梁结构施工和使用过程中的应力、应变及挠度等。并验证桥梁设计的合理性和安全性。

（3）绘制桥梁设计图纸，并根据施工计算需要，完成桥梁的施工图绘制。

（4）进行设计成果总结，并编写毕业设计报告。并完成相关外文文献的阅读与翻译。

3.2研究内容

（1）桥梁选型及方案比选，初步拟定3种方案供选。

（2）拟定主梁及墩身尺寸，配筋方案。

（3）对桥梁的上部结构进行两种状态下（正常使用极限状态及承载能力极限状态）的验算。

（4）对桥梁下部结构进行两种荷载组合情况下的承载力验算，并进行虑墩柱稳定性分析和验算

（5）主梁拟采用平衡悬臂法进行施工。主梁采用挂篮悬浇逐段施工。中跨合拢段在原挂篮基础上增加吊架进行浇筑，边跨利用原挂篮采用吊架施工。

3.3研究方法

（1）初步拟定3种方案，分别为60 110 60m连续刚构桥方案、3×80m预制T型梁方案以及60 110 60m矮塔斜拉桥方案，根据适用、经济、安全、美观的原则进行方案比选。本次设计拟采用连续刚构桥方案。

（2）将全桥划分为若干节段，分别考虑成桥在恒载、活载、预应力、混凝土收缩徐支座位移、温度变化、风荷载等作用下的内力，对每个节段的截面均进行两种极限状况情况下的验算。内容包括箱梁抗弯承载力、正应力、主应力、预应力最大拉应力等。抗弯验算应绘制出弯矩包络图，判断各项荷载组合的弯矩是否在抗弯承载能力极限范围内。正应力验算包括在施工阶段主梁上下缘的正应力以及使用阶段的抗裂及抗压验算。主应力的计算中，σx和τ分别为箱梁的正应力和剪应力，σy为竖向预应力钢束对箱梁产生的竖向正应力。

（3）主桥的下部结构拟采用双薄壁墩，钻孔桩基础。作用在墩身上的作用包括自重、上部结构重量、温度变化以及汽车制动力等。将墩身划分为若干节段，对每个节段的截面进行两种状态下不同荷载组合的抗弯承载力及裂缝验算。墩柱的稳定性分析中应考虑整个桥梁最不利情况，即考虑风载等不利荷载组合情况下。桩基底承载力为主墩承台最不利组合下的桩顶反力。

3.4技术路线

3. 研究计划与安排

第1—2周	熟悉资料，查找相关文献
第3周	撰写开题报告
第4—6周	熟悉大跨径桥梁施工的主要工作和流程
第7—10周	建立桥梁计算模型
第11-13周	绘制桥梁设计图纸
第14-15周	论文成果总结，编写报告
第15-16周	根据安排参加论文答辩

4. 参考文献（12篇以上）

[1]jtg b01-2003.公路工程技术标准［s］. 北京：人民交通出版社.2003

[2]jtg d60-2004.公路桥涵设计通用规范［s］. 北京：人民交通出版社.2004

[3]jtg d62-2012.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［s］.北京：人民交通出版社.2012