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1、第二章 桥梁设计概述,1、桥梁设计的基本原则2、桥梁平、纵、横断面设计3、桥梁设计方案比选4、桥梁上的作用,第一节 桥梁设计的基本原则,桥梁的总体规划 基本原则：安全、适用、经济、美观和有利于环保。桥梁设计的基本要求（1）结构尺寸和构造上：,在强度方面：足够的安全储备；在刚度方面：控制变形稳定性方面：保持原形状和位置的能力。,（2）使用上的要求：适用耐久,保证在100年的设计基准期内正常使用 桥面宽度满足当前以及今后规划年限内的交通流量；利于泄洪，通航（跨河桥）或车辆和行人的通行（旱桥）；桥梁的两端方便于车辆的进入和疏散；考虑综合利用，方便各种管线的搭载。,（3）经济上的要求：合理的经济,选择
2、造价和养护费用综合最省的桥型；遵循因地制宜，就地取材和方便施工的原则；桥位应考虑建在能缩短河道两岸的运距，促进该地区的经济发展，产生最大的效益；对于过桥收费的桥梁应能吸引更多的车辆通过，达到尽可能快回收投资的目的。,（4）施工上的要求：技术先进 在因地制宜的前提下，尽可能采用成熟的新结构、新设备、新 材料和新工艺。,（5）美学和景观上的要求：美观,香港昂船州大桥,“桥能满足人们到达彼岸的心理希望，同时也是使人印象深刻的标志性建筑，并且常常成为审美的对象和文化遗产”摘自日本伊藤学的桥梁造型一书,瑞士萨尔基那山谷桥（Salginatobel Bridge）被评为20世纪最美丽的桥梁,和环境相协调,
3、（6）环境保护和可持续发展,多方面考虑环境要求，采取必要的工程控制措施，建立环境监测保护体系，将不利影响减至最小。,二、野外勘测与调查,桥梁调查,环境调查,施工单位调查,桥梁用途,桥位,老桥情况,地形，地质，水文,建筑材料,气象资料,造价,地方保护？,三、桥梁设计程序,一阶段设计：,二阶段设计,三阶段设计,一阶段施工图设计,初步设计,施工图设计,初步设计,技术设计,施工图设计,第二节 桥梁平、纵、横断面设计,一、桥梁的平面设计确定桥位：小桥和涵洞的位置与线型一般应符合路线的总走向，为满足水文、线路弯道等要求，可设计斜桥和弯桥；对于公路上的特大桥、大、中桥桥位，原则上应服从路线走向，桥、路综合考
4、虑，尽量选择在河道顺直、水流稳定、地质良好的河段上。桥梁的平曲线半径、平曲线超高和加宽、缓和曲线、变速车道设置等，均应满足相应等级线路的规定。,尽量正交。,大、中桥,小桥,必须斜交时，交角不大于5度。,不大于45度,1、桥梁总跨径的确定 原则：在整个使用年限内，保证泄洪及通航，流冰；避免因过分压缩河床引起河道和河岸的不利变迁；避免因桥前壅水及河床过度冲刷带来的不利影响。,对于深埋基础，一般允许稍大一点的冲刷，使总跨径能适当减小；对于平原区稳定的宽滩河段，流速较小、漂流物少、主河槽较大，可以对河滩的浅水流区段作较大的压缩，但必须慎重校核，压缩后的桥梁的壅水不得危及河滩路堤以及附近农田和建筑物。,
5、特殊：,2、桥梁的分孔 原则：在满足使用和技术要求的前提下，使上、下部结构的总造价趋于最低。,(2)平原区宽阔河流上的桥梁：通常在主河槽部分按需要布置较大的通航孔，而在两侧浅滩部分按经济跨径进行分孔。,(1)通航河流：应满足桥下的通航要求。通航孔应布置在航行最方便的河域。对于变迁性河流，根据具体条件，应多设几个通航孔。,使用和技术要求,(3)对于在山区深谷上、水深流急的江河上，或需在水库上修桥时，应加大跨径，甚至采用特大跨径的单孔跨越。(4)从结构的受力特性考虑，合理地确定相邻跨之间的比例。(5)可以适当加大跨径避开不利的地质段。(6)上下游临近桥梁的情况,3、桥面高程的确定 原则：,满足流水
6、净空的要求；通航桥孔应满足通航净空的要求；桥下通车桥孔应满足建筑净空限界的要求；桥的两端能够与公路或城市道路顺利衔接。,通航净空要求为了保证桥下安全通航，通航孔桥跨结构下缘的标高应高出自设计通航水位算起的净空高度。,流水净空要求 按设计水位计算桥面最低高程：,最小桥面标高=计算水位+桥下净空安全值+建筑高度,最小桥面标高=通航水位+通航净空高度+建筑高度,跨线桥桥下的交通要求:保证桥下通车的净空安全,跨线桥：最小桥面标高=桥下路面标高+安全行驶高+建筑高度,安全行驶高：对于高等级公路H5.0m；对于低等级公路H4.5m，且h4.0m,4 桥面纵坡：既利于交通，美观效果好，又便于桥面排水,单向或
7、双向坡度的桥梁，对于不太长的小桥，可以做成平坡桥桥上纵坡不宜大于4%桥头引道纵坡不宜大于5%位于市镇混合交通繁忙处的桥梁，桥上纵坡和桥头引道纵坡均不得3%，并应在纵坡变更的地方按规定设置竖曲线,斯托尔马桥,高速公路、一级公路路基标准横断面,1.桥梁宽度根据公路工程技术标准中规定各级公路行车道宽度、中间带宽度、路肩宽度,三、横断面设计 取决于桥面的宽度和不同桥跨结构横断面的形式。,2.桥面净空满足公路工程技术标准中的建筑界线规定,横坡,桥面,人行道,双面坡 1.5%3.0%,单面坡 1%,桥面净高：对于高等级（高速公路、一、二级）公路H5.0 对于低等级（三、四级）公路H4.5m,3.桥面横坡,
8、第三节 桥梁设计方案比选,第四节 桥梁上的作用,长期以来，我们一般习惯地称所有引起结构反应的原因为“荷载”，这种叫法实际并不科学和确切。引起结构反应的原因可以按其作用的性质分为截然不同的两类，一类是施加于结构上的外力，如车辆、人群、结构自重等，它们是直接施于结构上的，可用“荷载”这一术语来概括。另一类不是以外力形式施加于结构，它们产生的效应与结构本身的特性、结构所处环境等有关，如地震、基础变位、混凝土收缩和徐变、温度变化等，它们是间接作用于结构的，如果也称“荷载”，容易引起人们的误解。因此，目前国际上普遍地将所有引起结构反应的原因统称为“作用”,而“荷载”仅限于表达施加于结构上的直接作用。,作
9、用的定义,作用的分类,一、永久作用（恒载）,1、永久作用（恒载）的定义,永久作用（恒载）作用位置和大小、方向固定不变的荷载。,（二）桥梁下部结构的恒载：由支座传递下来的结构重力、墩台本身的重力、土压力及水浮力等。,（一）桥梁上部结构的恒载：结构重力、附属设备等外加力。,2、永久作用的类型,3、永久作用的计算,结构重力=结构体积 材料容重,结构重力,注意：在进行桥梁结构分析时，通常需要预先估计恒载，当估算的恒载与最终的设计恒载之间的差距不超过5%时，不必修正设计；否则，需重新进行结构分析。,常用材料容重见表2-3,可变作用（活载）的定义,可变作用是指在设计使用年限内其作用位置、大小和方向随时间变
10、化，且其变化值与平均值相比不可忽略的作用。,汽车荷载汽车冲击力汽车离心力汽车引起的土侧压力人群荷载汽车制动力,可变作用（活载）的类型,风荷载流水压力冰压力温度(均匀温度和梯度温度)作用支座摩阻力,一、公路桥梁可变作用（活载）,1.汽车荷载,各级公路桥涵的汽车荷载等级（新规范）,公路车辆荷载的类型,a.等级:,b.由车道荷载和车辆荷载组成,汽车荷载分为公路I级和公路II级。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载用于桥梁结构的整体计算（例如主梁、主拱和主桁架等的计算）；车辆荷载用于局部加载、涵洞、桥台和挡土墙压力等计算。,c.车道荷载的标准值,均布荷载标准值：,a)公路级车道荷载,车道荷载图,
11、集中荷载：计算跨径小于等于5m时，180kN 计算跨径大于等于50m时，360kN 计算跨径在5至50m之间时，直线内插。剪力效应应再乘以1.2的系数。,qk=10.5kN/m,车道荷载标准值应取公路级汽车荷载的车道荷载标准值的0.75倍,b)公路级车道荷载,车辆荷载的立面、平面和横向分布,车辆荷载在每个设计车道上布置一辆总重550kN的单车。公路I级和公路II级采用相同的车辆荷载标准值。,车辆荷载的主要技术指标,表2-5,桥梁设计时，每一设计车道上的车道荷载均模拟为一车辆荷载，其横向位置如图布置，用以计算车道荷载的横向分布。,横向布置,设计车道数及车道折减,1）桥涵设计车道数应符合表2-6的
12、规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车道数大于2时，由汽车荷载产生的效应应按表2-7规定的多车道折减系数进行折减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。,桥涵设计车道数,表2-6,横向折减系数,表2-7,2）施加于长跨桥梁上的车道荷载，其计算效应考虑纵向折减。当桥梁计算跨径L150m时应按表2-8规定的纵向折减系数进行折减。当为多跨连续结构时，整个结构均应按最大的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。,表2-8,纵向折减系数,人群荷载标准值按下列规定采用：1）当桥梁计算跨径L50m时，人群荷载标准值为3.0；当桥梁计算跨径L150m时，人群荷载标准值为2.5；当桥梁计算
13、跨径在50m和150m之间时，由线性内插得到人群荷载标准值。对跨径不等连续结构，以最大计算跨径为准。城市郊区行人密集地区的公路桥梁，人群荷载标准值取上述规定值的1.15倍。专用人行桥梁，人群荷载标准值为3.5。,2.人群荷载,2）人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使主梁产生最不利荷载效应的区段内。,3）人行道板（局部构件）可以一块板为单元，按标准值为4.0 的均布荷载。,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；作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1.0。,二、城市桥梁可变作用,1.车辆荷载,汽车荷载等级分为两个等级，即城-A级汽车荷载和城-B级汽车荷载
14、。,城市桥梁汽车荷载可分为车辆荷载和车道荷载。桥梁的横隔梁、行车道板、桥台或挡土墙后土压力的计算应采用车辆荷载。桥梁的主梁、主拱和主桁架等的计算应采用车道荷载。当桥面车行道内有轻轨车辆混合运行时，尚应按有关轻轨荷载规定进行验算，并取其最不利者进行设计。,城-A级标准载重汽车应采用五轴式货车加载，总重700KN前后轴距为18.0m，行车限界横向宽度为3.0m。,城-B级标准载重汽车应采用三轴式货车加载，总重300KN，前后轴距为4.8m，行车限界横向宽度为3.0m。,城A级车道荷载和城B级车道荷载应按均布荷载加一个集中荷载计算。均布荷载和集中荷载的标准值应按桥梁的跨径确定，并应符合下列规定：,跨
15、径为220m时,跨径大于20m且小于等于150m时,车道荷载横向布置,当设计车道数目大于2时，应计入车道的横向折减系数，车道横向折减系数可按表4.1.6采用。加载车道位置应选在结构能产生最不利的荷载效应之处。车道的纵向折减不予考虑。,2.人群荷载,城市桥梁的人群荷载：,专用人行桥的人群荷载,计算桥上人行道栏杆时，作用在栏杆扶手上的活载：竖向荷载采用1.2kN/m；水平向外荷载采用1.0kN/m。两者应分别考虑，不得同时作用。作用在栏杆立柱柱顶的水平推力应为1.0kN/m。防撞栏杆应采用80kN横向集中力进行验算。作用点应在防撞栏杆板的中心。,1、地震作用,定义：指地震时强烈的地面运动引起的结构
16、惯性力，它是随机变化的动力荷载，其值的大小决定于地震强烈程度和结构的动力特性（频率与阻尼等）以及结构或杆件的质量。,三 偶然作用,地震基本烈度与地震动峰值加速度系数的对应关系,抗震设防要求以地震时地面最大水平加速度的统计值即地震动峰值加速度确定。,2、船只或漂流物撞击力 船只或漂流物撞击力在有可能的条件下，应采用实测资料或模拟撞击试验进行计算，并籍此进行防撞设施的设计。,内河船舶撞击作用标准值,撞击力标准值在行驶方向取1000kN，与之垂直方向取为500kN，两个方向的不同时考虑；作用于行车道上1.2m处，直接分布于撞击涉及的构件上。对于设有防撞设施的结构构件，可视设施的防撞能力予以折减，但折
17、减后不应低于上述的1/6。为防止或减少因撞击产生的破坏，对易受到汽车撞击的构件的相关部位应采取相应的构造措施，并增设钢筋或钢筋网。,3、汽车撞击作用,四 作用效应组合,公路桥涵结构采用以可靠度理论为基础的概率的极限状态设计法设计。两种设计极限状态：承载能力极限状态和正常使用极限状态。,一、承载能力极限状态,承载能力极限状态是指对于桥涵结构或其构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态。其设计是以塑性理论为基础，其设计原则即：荷载效应最不利组合的设计值与重要性系数的乘积，必须小于或等于结构抗力的设计值。,正常使用极限状态是指对应于桥涵结构或其构件达到正常使用或耐久性某项限值的状态，其设计是以弹性理论或弹塑性理论为基础，涉及构件的抗裂、裂缝宽度和挠度三个方面的验算。,二、正常使用极限状态,
