桥梁规划设计概述及桥梁设计荷载(ppt 35页).ppt

1、第二章 桥梁规划设计概述及桥梁设计荷载,2.1桥梁的总体设计 2.1.1 桥梁设计的基本原则和要求 2.1.2 桥梁设计的基本资料 2.1.3 桥梁设计程序 2.1.4 桥位及桥型选择 2.1.5 桥梁的纵断面和横断面设计 2.2 桥面构造布置及细部 2.2.1 桥面构造组成与布置 2.2.2 桥面铺装及排水、防水系统,2.2.3 伸缩缝 2.2.4 人行道、栏杆、灯柱 2.3 桥梁的设计荷载及荷载组合 2.3.1 永久荷载 2.3.2 可变荷载 2.3.3 偶然荷载 2.3.4 荷载组合,返回,2.1.1桥梁设计的基本原则和要求,桥梁应根据所设计桥梁的使用任务、性质和所在线路的远景发展需要，

2、按照适用、经济、安全、美观的原则设计。 1.使用上的要求：要有足够的承载和泄洪能力；既满足当前的要求，又照顾今后的发展，既满足交通运输本身的需要，也要兼顾其它方面的要求。 2.经济上的要求：一切桥梁设计应体现经济上的合理性。必须经过详细周密的技术经济比较，并满足快速施工的要求。 3.设计上的要求：桥梁设计应积极采用新结构、新设备、新材料、新工艺和新的设计思想。保证整个桥梁结构及其各部分构件在制造、运输、安装和使用过程中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。 4.施工上的要求：桥梁结构应便于制造和安装，尽量采用先进的工艺技术和施工机械。 5.美观上的要求：在满足上述要求的前提下，尽可能使桥梁具

3、有优美的建筑外型，并与周围的景物相协调。,返回,2.1.2 桥梁设计的基本资料,桥梁总体设计涉及的因素很多，必须经过充分的调查研究，根据具体的情况，提出正确合理的设计方案和计划任务书。因此必须进行一系列的野外勘测和资料的收集工作。对于跨越河流的桥梁在勘测时应收集如下资料： 1.桥梁承担的具体任务：调查桥上的交通信息和交通要求。调查桥上有无各类管线需要通过。 2.桥位附近的地形：包括测量桥位处的地形、地貌，并绘成地形图。 3.地质资料：通过桥位处的地质勘探，编制工程地质勘探报告，作为基础设计的重要依据。 4.河流的水文情况：收集和分析历年的洪水资料；测量桥位处河床断面和桥位附近河道纵断面；通航河

4、流的通航要求。 5.其他资料 ：建筑材料的来源、气象资料、施工单位的技术水平和施工的机械装备情况以及其余相关资料。,返回,2.1.3 桥梁设计程序,我国桥梁的设计程序：大、中桥采用两阶段设计；小桥也可采用一阶段设计。 桥梁设计的第一阶段是初步设计(方案设计)。依据计划任务书拟定桥梁结构形式和初步尺寸，估算工程数量，提出主要用材数量指标，选择施工方案，并据此编制工程概算与文字说明、图表资料等技术文件，形成初步设计方案，供投标使用。 桥梁设计的第二阶段是编制施工图。 在现代桥梁设计中、由于计算机的应用与发展大大提高了结构分析的效率。在初步设计阶段已普遍采用较精确的结构计算、大大提高了初步设计对工程

5、数量的估算精度。 对于大型桥梁在初步设计之前需进行项目可行性研究和规划设计，根据所搜集的相关资料制定桥梁规划设计的方案，编制计划任务书。,返回,2.1.4 桥位及桥型选择,1.桥位选择：特大桥、大、中桥的桥位原则上应服从路线总的走向，路与桥需要综合考虑。应尽量选择在河道顺直、水流稳定、河面较窄、地质良好、冲刷较少的河段上，避免桥梁与河流斜交。小桥的位置应完全服从线路走向。 2.桥型选择：桥梁结构型式的选择，必须满足安全实用、经济合理及美观协调的原则。 影响桥型选择的因素很多，分析它们的特点，根据它们所起的作用和所处的地位，可以将这些因素分为独立因素、主要因素和限制因素等类别。 桥梁的长度、宽度

6、和通航孔大小等都是桥型选择的独立因素。 经济是桥型选择时考虑的主要因素。一切设计必须经过详细而周密的技术经济比较。 地质、地形、水文及气候条件是桥型选择的限制因素。地形条件及水文条件将影响到桥型、基础埋置深度、水中桥墩数量等。,返回,2.1.5 桥梁的纵断面和横断面设计-1,桥梁纵断面设计主要的任务是确定桥梁的总跨径；桥梁的分孔；桥道标高与桥下净空；桥上及桥头引道的纵坡等。 桥梁总跨径的确定 桥梁的总跨径一般根据水文计算确定。要求桥梁总跨径必须保证桥下有足够的排洪面积，使河床不致遭受过大的冲刷。 同时应根据具体情况经过全面分析后加以确定。对于非坚硬岩层上修筑的浅基础桥梁，总跨径应该大一些；对于

7、深埋基础，一般允许较大的冲刷，总跨径就可适当减小。山区河流一般河床流速很大，应尽可能少压缩或不压缩河床；平原区的宽滩河流可允许有较大的压缩，但必须注意壅水对河滩路堤以及附近农田和建筑物可能造成的危害。,继续,(2)桥梁的分孔,一座较长桥梁的分孔不仅影响到使用效果、施工难易等，并且在很大程度上关系到桥梁的总造价。 最经济的分孔方式就是使上、下部结构的总造价最低。 通常跨径在60m以下时，应尽可能采用标准跨径，各孔跨径最好一样； 为了避开不利的地质段（如岩石破碎带、裂隙、溶洞等），可将桥基位置移开，也可适当加大跨径； 在有些体系中，为了结构受力合理和用材经济，分孔布置时要考虑相邻桥跨跨径的合理比例

8、； 在山区建桥时，往往采用大跨径桥梁跨越深谷，以便减少中间桥墩。 各孔跨径的选择还与施工能力有关。,继续,(3)桥面标高的确定,桥面标高是通常根据设计洪水位标高、桥下通航所需要的净空来确定，或由路线纵断面设计确定。跨河桥梁其桥面的标高应保证桥下排洪和通航的需要；跨线桥梁则应确保桥下安全行车。 非通航河流，梁底一般应高出设计洪水位（包括壅水和浪高）不小于0.5m，高出最高流冰水位0.75m；支座底面应高出设计洪水位不小于0.25m，高出最高流冰水位不小于0.5m，支座处有围护隔水者不受此限。对于无铰拱桥，拱脚允许被设计洪水位淹没，拱顶底面至设计洪水位的净高不小于1.0m。对于有漂流物和流冰阻塞以

9、及易淤积的河床，桥下净空应适当加高。 通航及通行木筏的河流，桥跨结构下缘至设计通航水位的净空高度应满足通航净空的要求(参见有关规范的通航净空要求)。 (4)桥上及桥头引道的纵坡 桥上纵坡4%，桥头引道纵坡5%，城市中心的桥梁引道纵坡3%；当桥梁受到两岸地形限制时，允许修建坡桥。,继续,纵断面规划图,2.1.5 桥梁的纵断面和横断面设计-2,桥梁横断面设计，主要是确定桥面净空和与此相适应的桥跨结构横断面的布置。 公路桥涵设计通用规范(JTJ021-89)(以下简称桥规)规定了公路桥面净空限界及桥面布置的尺寸规定(见表2-1和图2-3)。 桥上人行道和自行车道的设置，应根据需要而定，并与路线前后布

10、置配合,必要时自行车道和行车道宜设置适当的分隔设施。 不设自行车道和人行道时，可设置栏杆和安全带。 为了桥面上排水的需要,桥面应根据不同类型的桥面铺装,设置从桥面中央倾向两侧的1.5%3.0%的横坡,人行道宜设置向行车道倾斜1%的横坡。,返回,W行车道宽度（见表21的规定)； C当计算行车速度等于或大于100km/h时为0.5m,小于100km/h时为0.25m； L1、L2公路左、右侧硬路肩或紧急停车带的宽度； L侧向宽度； S1行车道左侧路缘带宽度； S2行车道右侧路缘带宽度； M1中间带宽度； M2中间分隔带宽度； E建筑限界顶角宽度； H净高。,图23公路建筑限界(尺寸单位：m),返回

11、,2.2.1 桥面构造组成与布置,桥面构造直接与车辆、行人接触，它对桥梁结构起保护作用，使桥梁能正常使用。同时，桥面构造多属外露部位，其选择是否合理，布置是否恰当，直接影响桥梁的使用功能、布局和美观。因此，必须要了解桥面构造各部位的工作性能，合理选择构造类型，精心设计，精心施工。,返回,2.2.2桥面铺装及排水、防水系统,1桥面铺装 桥面铺装即行车道铺装，亦称桥面保护层，它是车轮直接作用的部分。桥面铺装的作用是防止车辆轮胎或履带直接磨耗行车道板，保护主梁免受雨水侵蚀；并对车辆轮重的集中荷载起一定的分布作用。因此，行车道铺装要求有一定强度，防止开裂，并保证耐磨。 2桥面纵横坡 桥面设置纵横坡有利

12、于雨水迅速排除，防止或减少雨水对铺装层的渗透，保护行车道板，延长桥梁使用寿命。 3桥面排水和防水设施 桥面的积水渗入结构会导致钢筋或金属构件的锈蚀；在北方冬季会结冰引起混凝土破坏，影响桥梁的耐久性降低其使用寿命。,返回,1.桥面铺装的型式,水泥混凝土或沥青混凝土铺装 装配式钢筋混凝土、预应力混凝土桥通常采用水泥混凝土或沥青混凝土铺装，其厚度为6080mm。 防水混凝土铺装 在需要防水的桥梁上，当不设防水层时，可在桥面板上铺装厚80100mm带有横坡的防水混凝土作铺装层，其上一般可不另设面层而直接承受车轮荷载(见图) 。 桥面铺装一般不作受力计算。为使铺装层具有足够的强度和良好的整体性，一般宜在

13、混凝土中铺设直径为46mm的钢筋网。,返回,2.桥面纵横坡,桥面的纵坡，一般都做成双向纵坡，在桥中心设置曲线，纵坡一般以不超过3%为宜。 桥面的横坡通常是在桥面板顶面铺设混凝土三角垫层来构成(见图b)； 板桥或就地浇筑的肋梁桥可将横坡直接设在墩台顶部而做成倾斜的桥面板(见图a)； 在比较宽的桥梁中，可直接将行车道板做成双向倾斜的横坡(图c)，以减小混凝土用量和结构自重，但这样会使主梁的构造和施工稍趋复杂。,返回,3.桥面排水和防水设施, 桥面排水 桥梁设计时要有一个完整的排水系统。在桥面上除设置纵、横坡排水外，常常需要设置一定数量的泄水管。 当桥面纵坡大于2%而桥长大于50m时，为防止雨水积滞

14、桥面，就需要设置泄水管，一般顺桥长方向每隔1215m设置一个； 桥面纵坡小于2%时，泄水管就需设置更密一些，一般顺桥长方向每隔68m设置一个。 防水层 国内常用的为贴式防水层，桥面伸缩缝处应连续铺设，不可切断；桥面纵向应铺过桥台背；截面横向两侧，则应伸过缘石底面从人行道与缘石砌缝里向上叠起100mm。而在气候温和地区，可在三角垫层上涂一层沥青混凝土，或用防水混凝土作铺装层，以增强防水能力。,返回,2.3桥梁的设计荷载及荷载组合,作用在桥梁上的荷载可分为三大类： 永久荷载(恒载) ：在设计使用期内，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载。 可变荷载：在设计使用期内，其值随时间变

15、化，且其变化与平均值相比不可忽略的荷载。按其对桥涵结构的影响程度，又分为基本可变荷载(活载)和其它可变荷载。 偶然荷载：在设计使用期内，不一定出现，但一旦出现其值很大且持续时间较短的荷载，它包括船只或漂浮物撞击力、地震力。 桥梁设计时许考虑荷载组合。,返回,2.3.1永久荷载,结构物的重力及桥面铺装、附属设备等外加重力均属结构重力，可按照结构物的实际体积或设计时所假定的体积及其材料的容重计算。 作用于墩台上的土压力、土侧压力可参照桥规和公路桥涵地基与基础设计规范中规定计算。 对于预应力混凝土桥梁结构，预加应力在结构使用极限状态设计时，应作为永久荷载计算其效应；在结构承载能力极限状态设计时，预加

16、应力不作为荷载。 混凝土收缩、徐变和基础变位使超静定结构产生内力。 水的浮力对桥梁墩台的影响，当墩台位于透水性地基上时，验算墩台的稳定性，应采用设计水位的浮力，验算地基应力，仅考虑低水位时的浮力，或不考虑水的浮力；当墩台位于不透水性地基上时，可不考虑水的浮力。,返回,2.3.2 可变荷载,1.基本可变荷载 公路桥梁车辆荷载 桥梁上行驶的车辆荷载种类繁多，需要拟定一种荷载标准。我国交通部在公路桥涵通用设计规范中规定了桥涵设计的标准化荷载。标准中把大量、经常出现的汽车荷载排列成车队形式，作为设计荷载(图2-15及图2-16)；把偶然、个别出现的平板挂车或履带车作为验算荷载(图2-17)。 汽车荷载

17、的车队分为汽车10级、汽车15级、汽车20级和汽车超20级四个等级。当设计按两行车队布载时，汽车荷载不予折减；按三行车队布载时，汽车荷载折减20%；按四行车队布载时，汽车荷载折减30%。 汽车车队在桥上的纵横位置均按最不利情况布置，以使计算部位产生最大的内力。汽车外侧车轮的中线，离人行道或安全带边缘的距离不得小于0.5m。,继续,设计荷载(图2-15、图2-16),继续,验算荷载,验算荷载分为四种。用验算荷载进行验算时，对于履带车，顺桥纵向可考虑多辆行驶，但两车间净距不得小于50m；对于平板挂车，全桥均以通过一辆计算，履带车或平板挂车通过桥涵时，应靠中线以,慢速行驶。履带车外侧履带的中线或平板

18、挂车外侧车轮的中线，离人行道或安全带边缘的距离不得小于1m。验算时，不考虑冲击力、人群荷载和其它非经常作用在桥上的各种外力。,继续,车辆标准荷载的等级选用,注：一条公路上的桥涵，一般应采用同一设计荷载和验算荷载； 当改建三级干线公路时，对原有桥涵达到汽车15级、挂车80荷载标准的 可适当利用； 在有集装箱运输的一级公路，应采用汽车超20级、挂车120的车辆荷载； 桥面行车道净宽4.5m的桥涵，其平板挂车不作具体规定，设计时可按实际 情况，自行确定； 临时性桥涵的车辆荷载可自行确定。,车辆标准荷载的等级应根据桥梁所在公路的等级、使用任务、性质和将来的发展等具体情况确定，一般可参照下表选用。,上一

19、页,继续, 城市桥梁汽车荷载,城市桥梁汽车荷载的标准与等级 我国城市桥梁的荷载设计，长期以来都是按照现行公路桥梁荷载标准进行设计的，计算程序繁琐，与我国现代城市机动车辆的动态分布规律也不尽相符，为使桥梁荷载标准更符合我国城市市政建设的实际情况，以及达到与国际桥梁荷载标准设计水平相接轨的目的，我国建设部1998年制定了城市桥梁设计荷载标准(CJJ77-98)，该标准适用于城市内新建、改建的永久性桥梁与涵洞、高架道路及承受机动车的结构物的荷载设计。 标准中采用两级荷载标准，即城A级、城B级。城A级总轴重700KN， 适用于快速路及主干路。城B级荷载总轴重300KN， 适用于次干路及支路。城A级和城

20、B级标准车辆纵、平面布置见图2-18及图2-19。,继续,标准车辆(图2-18、图2-19),继续,车辆荷载与车道荷载,在城市桥梁设计中汽车荷载可分为车辆荷载和车道荷载。当进行桥梁结构计算时不得将车辆荷载和车道荷载的作用叠加。 城A级和城B级车道荷载应按均布荷载加一个集中荷载计算(图220a、b)，均布荷载和集中荷载的标准值可按表2-4取值。 车道荷载的单向布载宽度应为3.0m。当设计车道数目大于2时，应计入车道的横向折减系数。 加载车道位置应选在结构能产生最不利的荷载效应之处。,图220 车道荷载纵、横布置图,继续,车道荷载表24,车道荷载的均布荷载和集中荷载标准值 表24,注：在计算剪力时

21、，当跨径大于20小于等于150m，且车道数等于或大于4条，城A级、城B级车道荷载应分别乘以1.25、1.30增长系数。,继续, 人群荷载,设有人行道的公路桥梁，当用汽车荷载计算时，应同时计入人行道上的人群荷载。 城市桥梁在计算人行道板局部构件的人群荷载时，应按5KN/m2的均布荷载或1.5KN的竖向集中力分别计算。当计算梁、桁架、拱及其他大跨结构的人群荷载，需根据加载长度及人行道宽度来确定，且在任何情况下不得小于2.4KN/m2。 当公路桥梁上人行道板采用钢筋混凝土板时，应以1.2kN的集中竖向力作用在一块板上进行计算。计算栏杆时，作用在栏杆立柱顶上的水平推力一般采用0.75kN/m；作用在栏

22、杆扶手上的竖向力一般采用1kN/m。城市桥梁，由于人流量较大，计算栏杆时，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。,继续, 汽车冲击力,车辆以一定速度在桥上行驶，由于桥面不平整、车轮不圆以及发动机抖动等原因，会使桥梁结构引起振动，致使桥梁产生的应力和变形比相应的静载引起的要大，这种由于荷载的动力作用使桥梁发生振动而造成内力加大的现象称为冲击作用。 一般根据在现代桥梁上所做振动实验结果，近似地引入荷载增大系数，即冲击系数，来计及荷载的冲击作用。 下表列出了公路钢筋混凝土和石砌桥涵等的冲击系数值。,钢筋混凝土、混凝土和石砌桥涵等的冲击系数,继续,城市桥梁

23、汽车冲击力,城市桥梁汽车荷载冲击系数 ，可按下列公式计算： 车道荷载的冲击系数 (21) 式中l跨径(m)。 当l=20m时， =0.2；l=150m时， =0.1。 车辆荷载的冲击系数 =0.6686-0.3032lg(l) (22) 的最大值不得超过0.4；l为计算跨径或荷载内力影响长度。 鉴于结构物上的填料能起缓冲和扩散荷载的作用，故对于拱桥、涵洞以及重力式墩台，当填料厚度(包括路面厚度)等于或大于0.5m时，可以不计冲击力。,继续, 离心力,桥规中规定：当弯道桥的曲线半径等于或小于250m时，应计算离心力。离心力为车辆荷载(不计冲击力)乘以离心力系数C，离心力系数由下式计算： 式中：V

24、计算行车速度，应按桥梁所在路线等级的规定采用(km/h)；R曲线半径(m)。在计算多车道的离心力时，应按规定折减汽车荷载。离心力的着力点在桥面以上1.2m。 汽车、平板挂车或履带车引起的土侧压力 即是这些车辆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，可按换算的等代均布土层厚度来计算，具体方法参见桥规中第2.3.6条规定。,返回,2.其它可变荷载 汽车制动力,汽车制动力是车辆在桥上刹车时为克服车辆的惯性力而在路面与车辆之间发生的滑动摩擦力。车辆与路面间的摩擦系数可以达0.5以上，但制动力并不等于摩擦系数乘全部车辆荷载。 公路桥涵设计规范中规定：当桥涵为一或二车道时，制动力按布置在荷载长

25、度内的一行汽车车队总重力的10%计算，但不得小于一辆重车的30%；四车道的制动力按上述规定数值的两倍。各种支座传递的制动力可按桥规中有关规定采用，履带车和平板挂车不计制动力。 城市桥梁按一个设计车道，当采用城A级汽车荷载设计时，制动力应采用160KN或10%车道荷载；当采用城B级汽车荷载设计时，制动力应采用90KN或10%车道荷载。 制动力的方向就是行车方向，其着力点在桥面以上1.2m处。在计算墩台时，可移至支座中心铰或滚轴中心或滑动、橡胶、摆动支座的底座面上；计算刚架桥、拱桥和木桥时，可移至桥面上，但不计因此而产生的力矩。,继续,支座摩阻力,支座上的摩阻力是上部构造因温度变化而产生的，摩阻力

26、可按下式计算： F=V (24) 式中：V作用于活动支座的竖向反力；支座的摩阻系数。,支座的摩阻系数,风力 作用在桥上的风力是由迎风面的压力和背风面的吸力所组成；可分为垂直桥轴方向的横向风力和顺桥轴方向的纵向风力。横向风力为横向风压乘以迎风面积。 纵向风力常按折减后的横向风压乘以迎风面积来计算。 其余的其它可变荷载 温度影响力、流水压力与冰压力。,返回,2.3.3偶然荷载,1.地震力 公路桥梁的抗震设防，一般应以设计地震烈度8度为起点，但连续梁、T形刚构等桥型，宜采用设计烈度7度。地震力的计算和结构抗震设计应符合公路工程抗震设计规范(JTJ004-89)的规定。 2.船只或漂浮物的撞击力 在通

27、航河道和有漂浮物出现的河流上建造桥梁时，墩台、基础设计应考虑船只或漂浮物的撞击力。取用撞击力的数值一般可根据实测资料或与有关部门研究确定，当无资料作为依据时，可参照桥规附录中的规定计算。,返回,2.3.4荷载组合,进行桥涵设计时，应根据结构物的特性，及建桥地区的情况，按所列荷载的重要性和同时作用的可能性，进行下列组合： 组合 基本可变荷载(平板挂车或履带车除外)的一种或几种与永久荷载的一种或几种相组合； 组合 基本可变荷载(平板挂车或履带车除外)的一种或几种与永久荷载的一种或几种与其他可变荷载的一种或几种相组合； 组合 平板挂车或履带车与结构重力、预应力、土的重力及土侧压力中的一种或几种相组合； 组合 基本可变荷载(平板挂车或履带车除外)的一种或几种与永久荷载的一种或几种与偶然荷载中的船只或漂流物撞击力相组合； 组合 根据施工时的具体情况进行施工荷载组合； 组合 结构重力、预应力、土重及土侧压力中的一种或几种与地震力相组合。,继续,荷载组合的进一步说明,其他可变荷载应按下表的规定参与上述各种组合。 桥涵设计时应采用荷载标准值，当采用极限状态设计时，应根据不同的极限状态和荷载组合，给出不同的荷载安全系数；当用容许应力设计时，则应按不同的荷载组合给出不同的材料容许应力值。,返回,其他可变荷载不同时组合表,