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桥梁方案比选

第二章桥式方案比选

2.1概述

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随着桥梁理论的不断成熟，在桥梁设计中要求桥的适用性强、舒适安全、建桥费用经济、科技含量高。

对建在城市中的桥梁还特别注重美观大方。

由此，对于一定的建桥条件，根据侧重点的不同可能会作出基于基本要求的多种不同设计方案，只有通过技术经济等方面的综合比较才能科学的得出完美的设计方案。

在方案比较中主要有以下三项任务：

一是拟定桥梁图式，二是编制方案，三是技术经济比较和最优方案的选定。

编制设计方案,通常是从桥梁分孔和拟定桥粱图式开始。

对一般的大跨度桥梁，依据以往的设计经验，主跨与边跨的比值有一个范围，再由此选定可能实现的桥型图式，鼓励新式桥式的大胆采用。

一般选几个（通常2~4个）构思好、各具优点、但一时还难以断定孰优孰差的图式,作为进一步详细研究而进行比较的方案。

对每一图式可在跨度、高度、矢度等方面大致按比例画在同样大小的桥址断面图上。

编制方案中，主要指标包括：

主要材料（普通钢筋、预应力钢筋、砼）用量、劳动力数量、全桥总造价（分上、下部结构列出）、工期、养护费用、运营条件、有无困难工程、特种机具。

其目的在于为每个桥式提供全面的技术经济指标，以便相互比较，科学的从中选定最佳方案。

在编制方案中要拟定结构主要尺寸，并计算主要工程量。

有了工程量，采取相应的材料和劳动力定额以扩大单价，就可以确定全桥造价。

并且在每个方案中绘制出河床断面及地质分层的立面图和横断面图。

设计方案的评价和比较要全面考虑上述各项指标，综合分析每一方案的有缺点，最后选定一个最佳的推荐方案。

按桥梁的设计原则、造价低、材料省、劳动力少和桥型美观的应是优秀方案。

但当技术因素或是使用性质候特殊要求时就另当别论，注重考虑设计的侧重点。

技术高，造价必然会高，个个因素是相互制约的。

所以在比较时必须从任务书提出的要求以及地形资料和施工条件，找出所面临的问题的关键所在，分清主次。

在方案比较中，除了绘制方案比较图外，还应编写方案比较说明书。

其中应阐明编制方案的主要原则，拟定方案的理由，方案比较的综合评述，对于推荐方案的详细说明等。

有关拟定结构主要尺寸所作的各种计算资料，以及为估算三材指标和造价等所依据的文件名称，均以附件的形式载入。

在对本桥的设计中，选定三种桥式名分别是：

●预应力混凝土连续梁桥

●双肢薄壁刚构桥

●斜拉桥

2.2各种设计桥式特点

2.2.1预应力混凝土连续梁桥

一、构思宗旨：

1、在40～200m的跨径范围内，与其它结构体系比较，常成为最佳的桥型方案。

2、预应力砼充分发挥了高强材料的特性，具有可靠强度、刚度以及抗裂性能。

3、结构在车辆运营中噪音小，维修工作量小。

4、其施工方法已达到相当先进的水平，工期短效益明显。

5、伸缩缝少，行车舒适，满足高速行车的要求。

再用滑动支座时，连续长度可增大。

温度、砼收缩徐变产生的附加内力较小。

且全桥有较好的抗震性能。

6、连续梁内力的分布较合理，其刚度搭，对活载产生的动力影响较小。

混凝土收缩徐变引起的变形也是最小的。

连续梁超载时有可能发生内力重分布，提高梁部结构的承载力。

7、除动墩外，连续梁的桥墩及基础尺寸都可以做得小些。

二、成桥经验资料

连续梁的边主跨的比值在0.6～0.7之间，较其它两种桥式比值要大，支点梁高与跨中梁高比值要小，在2.0左右。

表2—1国内预应力连续梁桥分析表

桥名

跨组合径

边主跨比

梁高

H中

H中/L

H支

H支/H中

珠江三桥

80＋110＋80

0.73

2.7

1/40.7

5.5

2.04

常德大桥

84.7＋3×120＋84.7

0.7

3

1/30.0

6.8

2.27

沙洋汉大桥

62.4＋6×111+62.4

0.56

2.5

1/44.4

6

2.4

华北大桥

70+100+70

0.7

3.3

1/30.3

6

1.82

松花江大桥

59+7×90+59

0.66

3

1月30日

5.4

1.8

三、尺寸拟定

在预应力混凝土连续梁桥的设计中分跨、主梁高度、横截面形式和主要尺寸的拟定是方案

设计中的关键所在。

通过以上资料对比，当主桥采用多跨连续梁时，中间部分采用等跨布置，边跨跨径约为中跨跨径的0.65～0.7倍。

当边跨采用主跨径的0.5倍或更小时，则在桥台上要设置拉力支座。

当跨径超过60m时，易采用变高梁高度梁，主梁高度根据统计资料：

变高度梁跨中截面h1=（1/30~1/50）L

变高度支点截面公路桥h2=（1/16~1/25）L

h1/h2=2.0~3.0箱型截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位，箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚直至墩顶，以适应受压要求。

底板厚度约为梁高1/10~1/12。

跨中底板内需要配置一定数量的钢索和钢筋，跨中底板厚度一般在20~25cm。

腹板应考虑最小厚度，若腹板内有预应力管道布置时，可采用25~30cm。

腹板在支点处的最大厚度约为30~60cm.

1、上部结构

（1）孔径布置

此桥是一座预应力混凝土连续梁桥，它由主桥和引组成，跨径组合为70m+112m+70m，边中跨比值为0.63，桥下为三级通航，纵坡1%，桥总长252m。

（2）顺桥尺寸

跨中梁高为3.0m，支点梁高6.0m，为主跨的1/20，梁底按二次抛物线变化。

（3）横桥向的尺寸

截面纵向为变截面，桥面宽25m,采用双幅单箱室。

顶板厚30cm,取全桥一致，支点处底板厚60cm，跨中厚为30cm，以方便布置预应力钢筋。

纵向上，梁底按二次抛物线变化，腹板在距支点四分之一跨度处以4m阶段直线变化。

顶部承托采用1：

2的比例，高度分别为30cm×60cm；底部采用1：

1的比例,高度分别为30cm×30cm。

桥面设20％的单向横坡。

图2-1连续梁桥支点处截面单位：

cm

图2-2连续梁桥跨中截面单位：

cm

（4人行道板

其形式采用搁置式

具体尺寸见下图：

2、下部结构

主桥桥面标高高，采用矩形截面空心墩，墩较高，为柔性墩，柔性墩有足够的柔度，在减小水平力的作用时很有效。

其它桥墩均为空心墩。

基础工程采用桩基型式，桩基施工虽采用比较复杂的机具，但可节约不少材料和开挖基坑的土方量，施工过程中也不会遇到像深基坑那样的防水、防漏和防土等复杂问题；此外，它还具有承载力高，沉降量小，且均匀，能承受较大的垂直和水平荷载等特点。

在桥梁基础中，桩基是一种常用的型式。

本基础采用柱桩。

四、施工方案

连续梁最成熟的施工方法是挂蓝悬臂浇注的施工方法，为保证施工过程中结构的稳定可靠，采用0号块梁段与桥墩临时固结。

其具体措施是将0号块梁段临时支撑在扇形或门式托架的二侧。

第一步：

首先从B、C墩临开始对称悬臂施工。

第二步：

两边跨合拢，释放B、C墩临时固结措施，形成单悬臂梁。

第三步：

合拢中跨。

图2—3悬臂施工示意图

施工流程如下：

拼装模板，施工主墩

搭设墩旁托架施工0#

架设挂蓝，安装箱梁底模板，安装钢筋，预留张拉管道称悬臂浇注，养生拆模后张拉预应力钢筋

合拢边跨

合拢中跨

五、工程数量

工程数量是技术经济指标之一，它很直观的反映了一座桥梁建造的水平。

目前我国以每平方米桥面的三材（混凝土，预应力钢筋，普通钢筋）用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁技术经济指标。

混凝土标号C50，墩身为C25，12－7φ5的低松弛钢绞线，Ⅱ级普通钢筋

预应力钢筋65.7kg/㎡

非预应力钢筋89.5kg/㎡

混凝土0.846m3/㎡

表2—2工程数量表

材料

预应力钢筋

普通钢筋

混凝土

规格

12-7φ5钢绞线

Ⅱ级钢筋

C50

C25

单位

t

t

M3

M3

上部结构

453.33

617.55

5837.4

下部结构

3713.7

2.2.2预应力混凝土双肢薄壁刚构桥

连续刚构是墩梁固结的连续结构，它利用高墩的柔度来适应结构由预应力、砼收缩、徐变和温度变化引起的位移，是一种很有竞争潜力的桥型。

一、构思宗旨：

1、沿用桥位旧址处双肢薄壁铁路桥，桥型新颖简洁轻巧，外形美观，桥净空大，桥下视野开阔。

2、柔性双薄墩减小了主梁支墩净距，能有效消减墩顶弯矩峰值。

梁高小，跨度大，带有横梁的双肢薄壁墩具有一定的联合刚度，要承受较大弯矩，而各壁板内弯矩并不大。

3、因墩与上部结构固结，在大跨度连续结构中减少了安装大型支座和养护上的麻烦，减少了桥墩及基础工程的材料用量，适用于较高桥墩。

4、施工体系转换方便，伸缩缝少，行车舒服。

5、顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度大，受力性能好。

6、顺桥向抗推刚度小，对温度、砼收缩徐变及地震影响均有利。

7、由于无支座，省掉了施工中体系转换和墩上的临时固结措施。

8、此桥型可进一步增大跨径，上部结构不断轻型化且连续长度可增长，由此可进一步简化预应力索类型。

二、成桥经验资料表

由以下统计质料可以总结如下规律：

连续刚构的边主跨径比在0.5～0.6之间，支点梁高为跨中梁高的3倍左右，顶板厚在25cm左右，腹板和底板是沿全桥变化底，腹板跨中为40cm左右，支点处为60~100cm之间。

表2—3国内部分连续刚构桥分析表

桥名

跨径组合

边主跨比

梁高

板厚

跨中

根部

数值

（m）

与中

跨比

数值

（m）

与跨

中比

顶板

（cm）

底板

（cm）

腹板

（cm）

虎门大桥

150＋270＋150

0.56

5

1/54

14.8

3.4

25

32~130

40~60

重庆黄花园大桥

137＋3×250＋137

0.548

4.3

1/58

13.8

3.4

25

28~150

40~70

黄石长江大桥

146＋3×250＋146

0.584

4.1

1/61

13

3.1

25

32~135

50~80

江津长江大桥

162＋3×245＋162

0.663

4.2

1/53

13.5

3.2

25

32~120

50~80

重庆嘉陵江大桥

140＋240＋140

0.583

3.6

1/67

25

32~120

40~60

南澳跨海大桥

122＋221＋122

0.552

3

1/73

11

3.6

25

32~120

40~60

华南大桥

110＋190＋110

0.57

3

1/63

9.5

2.8

28

32~120

35~55

三、尺寸拟定

刚构桥底主要尺寸包括主梁跨度、墩柱高度、桥梁横向宽度。

这些尺寸要取决于主梁和支柱底刚度或两者的比例，主梁与支柱底刚度比决定了刚构桥的内力分布。

刚度比很大，受力趋于简支梁，刚度比较小趋向于固端梁受力情况。

刚架桥两端悬出长度为中跨跨度的0.2～0.5两者之间。

若悬臂加长，端支柱弯矩可以减小，跨中正弯矩也可以减小，但主梁变形较大，中跨主梁弯矩变化也较大。

对于主梁弯矩较大的三跨连续刚架桥，边跨一般为中跨的0.7倍。

主梁高度约为中跨跨度的1/30～1/40左右。

当采用变高度梁时，端部梁高可为跨中梁高的1.2～2.5倍，适当加大端部的主梁高度，可以减小截面正弯矩，这样可使大多数预应力钢筋布置在主梁的顶部，使其构造简单且施工简单。

1、上部结构

（1）孔径布置

主桥为三跨预应力连续刚构桥，引桥为预应力混凝土简支梁主桥桥孔布置为70m+112m+70m。

边跨与中跨的比值为0.63。

（2）纵桥向梁的尺寸

梁高采用变截面形式，梁底按二次抛物线变化，跨中梁高为3.0m，约为跨

度的1/37.3，支点梁高为6m，为跨中梁高的2倍。

（3）横截面尺寸

图2-4刚构桥支点处横截面图单位：

cm

顶板厚30cm,取全桥一致，支点处底板厚60cm，跨中厚为30cm，以方便布置预应力钢筋。

底板顶面按二次抛物线变化，腹板在距支点四分之一跨度处以4m阶段直线变化。

顶部承托采用1：

2的比例，高度分别为30cm×60cm；底部采用1：

1的比例,高度分别为30cm×30cm。

桥面设20％的单向横坡。

2、下部结构

主桥采用有两个横联的双肢薄壁墩，承担纵向水平力的作用，顶部与梁固结，中间设两个箱型横联。

主墩的基础采用桩基，大量减少基础工程量。

桥台为钢筋混凝土重力式U型桥台，其它桥墩均为混凝土空心墩，基础为桩型基础。

四、施工方案

本桥上部结构施工采用挂蓝悬臂浇注法施工。

合拢的顺序是先边跨后中跨，边跨和

中跨的合拢均采用支架法，且边跨合拢段与边跨同时浇注施工。

两个箱梁分开浇注，分别合拢后，再浇注横梁和桥面板。

在墩柱两侧设墩旁托架浇注0号块，挂蓝的施工阶段最长为4m，其它为3.5m、3.0m长，由于是墩梁固结的形式，如此就省去了临时固结的措施。

施工挂篮为斜拉式，其主要特点为自重轻，结构受力明确，拼装方便。

施工流程如下：

拼装模板，施工主墩

搭设墩旁托架施工0#块

架设挂蓝，安装箱梁底模板，安装钢筋，预留张拉管道称悬臂浇注，养生拆模后张拉预应力钢筋

合拢边跨

合拢中跨

五、工程数量

工程数量是技术经济指标之一，它很直观的反映了一座桥梁建造的水平。

目前我国以每平方米桥面的三材（混凝土，预应力钢筋，普通钢筋）用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁技术经济指标。

混凝土标号50，墩身为C25，12－7φ5的低松弛钢绞线，Ⅱ级普通钢筋

预应力钢筋65.7kg/㎡

非预应力钢筋89.5kg/㎡

混凝土0.846m3/㎡

表2-4材料用表

项目

预应力钢筋

普通钢筋

混凝土

规格

12－7φ5钢绞线

Ⅱ级钢筋

C50

C25

单位

t

t

m3

m3

上部结构

313.165

726.33

6368

下部结构

6862.9

2.2.3斜拉桥

斜拉桥依靠固定于索塔的斜拉索或主缆支承梁跨，梁似多跨弹性支承，梁内弯矩与桥梁的跨度基本无关，而与拉索或吊索的间距有关，适用于大跨度桥梁，是一种跨越能力极强的桥型。

一、构思宗旨

1、鉴于主梁增加了中间的斜索支承，弯矩显著减小，与其他体系的大跨度桥梁比较，混凝土斜拉桥的钢材和混凝土用量均较节省；

2、借斜索的预压力可以调整主梁的内力，使之分布均匀合理，获得经济效果，并且能将主梁做成等截面，便于制造和安装；

3、斜索的水平分力相当于对混凝土梁施加的预压力，借以提高梁的抗裂性能，并充分发挥了高强材料的特性；

4、结构轻巧，适用性强。

利用梁、索、塔三者的组合变化成不同体系，可适用不同的地形和地质条件；

5、建筑高度小，主梁高度一般为跨度的1/40~1/100，能充分满足桥下净空和美观要求，并能降低引道填土高度；

6、竖向刚度及抗扭刚度均较强，抗风稳定性要好的多，用钢量较小以及钢索的锚固装置较简单；

7.便于悬臂法施工和架设，施工安全可靠。

缺点：

斜拉桥是高次超静定的组合体系，与其他体系梁桥相比较，包含有较多的设计变量，全桥总的技术经济合理性，不宜简单的由结构体积小，重量轻或满应力等概念准确表示出来，是选桥型方案和寻求合理设计带来一定困难。

索力调整是斜拉桥主梁受力均匀，以达到经济安全的重要措施。

二、桥经验数据

表2-5国内斜拉桥成桥资料表

桥名

跨度（m）

体系

梁截面

桥宽

梁高

索面

索距

塔高

辽宁长兴岛

83.2+176+83.2

支座支承

单箱三室

10

1.75

双

6

40

济南黄河

104+220+104

悬浮

双三角箱

19.5

2.25

双

8

53.8

上海泖港

85+200+85

刚构挂梁

分离双室

12

2.2

双

6.5

44

天津永和

125+260+125

悬浮

双三角箱

14.5

2

双

11.8

50.5

长沙湘江北

105+210+105

刚构

单箱三室

30.1

3.4

单

8

52.7

武汉长江二

180+440+180

支座支承

双梯形箱

29.2

3

双

8

90

重庆长江二

169+444+169

悬浮

双主肋

24

2.5

双

9

110

郧阳汉江

86+414+86

地锚

单箱四室

15.6

2

双

8

92

三、尺寸拟订

斜拉桥主梁通常为等高度梁。

对主梁支承于塔墩上的支承体系，为承受支承截面较大负弯矩，在局部区段可加大梁高或加厚下翼缘厚度。

现代斜拉桥都为密索体系，主梁高度越来越小，向着桁式体系转换。

密索体系梁高一般为跨径的1/70~1/200，或为节段长的/5~1/18。

对于单索面，要适当加大梁高，取梁跨比的上限，以提高梁的抗扭刚度。

在选择梁高时，要考虑以下因素：

索间距、主梁承受的压力、横梁跨度、索与梁的锚固要求等。

主梁为弹性支承多跨连续梁，梁内弯矩决定于弹性支承位移、索间距及梁的刚度，梁的刚度越大，弯矩越大。

主梁承受的拉索水平分压力与桥的跨度有关，一般靠墩塔处压力最大，必要时局部加大截面。

主梁高度要大于等于横梁高度，横梁高度取决于横梁的跨度。

从横向风力稳定性角度考虑，桥宽与梁高之比宜大于8，最低限度不宜大于6。

现代斜拉桥均采用密索体系。

密索体系有以下优点：

有利于降低梁高；便于悬臂法施工、索力小，使锚固构造简单，且便于换索。

混凝土主梁索间距取为6~10m,多数取8m。

拉索布置为扇形，为此要拟订拉索锚于塔上的间距。

根据主梁的受力要求或为了减小索面积，拉索的竖直分力越大越好，因此应尽量减小拉索在上的间距，一般取为1.6~2.2m，它决定于拉索锚头布置及张拉空间的要求。

1、上部结构

（1）桥孔径布置

主跨为单塔对称双跨，可以节省一个塔和基础，缩短斜拉索总长，可取的较好的经济效益。

跨度为112m＋112m。

（2）顺桥向尺寸

梁高为3.2m，为主跨的1/35，为等高粱。

（3）横桥向尺寸

截面纵向为等截面，桥面宽25m，采用单箱四室截面形式。

本桥为塔梁固结体系。

这种结构存在的主要缺点是上部结构重量和活载力都需由支座传给桥墩，需要设置很大吨位的支座，造价较高。

（4）横截面图

图2—5斜拉桥横截面图

2、下部结构

桥台为钢筋混凝土重力式U型桥台，基础为柱桩基础。

五、施工方案

本桥施工利用悬臂拼装法。

六、工程数量

混凝土标号C50，预应力钢筋12－7φ5

桥面混凝土1m3/㎡

预应力钢筋65kg/㎡

普通钢筋107.8kg/㎡

表2-6材料用表

材料

预应力钢筋

普通钢筋

混凝土

规格

12－7φ5钢绞线

Ⅰ级钢筋

C50

C25

单位

t

t

m3

m3

上部结构

391.6

649.9

6025

下部结构

168.2

0.279

682.9

2.4方案点评

桥型最终定为预应力混凝土连续梁桥，

表2-7方案比选表

方案

一

二

三

桥型名称

预应力混凝土连续梁

预应力混凝土刚构桥

斜拉桥

1

跨径布置（m）

70+112+70

70+112+70

124+124

2

通航净空（m）

10

10

10

3

纵向坡度

1﹪

1﹪

1﹪

4

截面形式

两个单箱双室箱形截面

两个单箱单室箱形截面

单箱四室箱形截面

5

跨中梁高（m）

3.0

3.0

3.2

6

支点梁高（m）

6.0

6.0

3.2

7

工艺技术要求

工艺要求较严格，需要的施工设备少，技术先进，占用施工场地少，施工中利用临时墩，有体系转换

主墩无支座，施工体系转换方便，施工技术易，但工艺复杂，所需设备较少

高度机械化，施工作业周期进行，需一整套机械动力设备，施工速度快，占用场地少。

8

上部结构施工方法

悬臂浇注法

悬臂浇注法

悬臂拼装法

9

使用效果

属超静定结构，有可靠的强度、刚度、及抗裂性能，伸缩缝小，行车舒适，易养护

抗扭刚度大，受力性能好，双肢薄壁墩有一定的联合强度

造型新颖美观，为提高抗风稳定性，要采取复杂的措施

10

工程量

钢绞线：

453.33t普通钢筋：

617.5t砼：

5837m

钢绞线：

313.2t普通钢筋：

726.33t砼：

6308.2m

钢绞线：

285.2t普通钢筋：

515.7t砼：

5012m

通过仔细比较，预应力混凝土刚构桥虽抗扭强度较大，但施工复杂；斜拉桥虽然桥型美观，但适用于较大跨度，小跨度采用斜拉桥不经济；预应力混凝土连续梁桥结构受力性能较好，且施工方便，养护工程量小，造价相对而言较低。

所以本设计最终确定选择预应力混凝土连续梁桥方案。