XXX混凝土斜拉桥设计（计算书、CAD图）

摘要

　　近年来，由于高强钢材、正交异性板、焊接技术的发展及结构分析的进步，斜拉桥体系得到了广泛的应用。斜拉桥为空间结构，由加劲梁-钢或混凝土桥面板和支承部件-受压的桥塔与受拉的斜拉索组成，因其结构性能斜拉体系占据了梁桥和悬索桥的中间地位。

　　本设计为墩、塔、梁固结的单索面预应力混凝土斜拉桥，选择桥梁专用软件MIDAS来建模分析，计算该桥在自重、汽车、温度和支座沉降作用下的作用效应，并进行索塔的作用效应组合；但是，在自重作用下，成桥状态斜拉索的受力很不合理，故采用影响矩阵法对索力进行优化；再根据调整后的索力确定拉索的构造和下料长度；由于斜拉索水平分力的作用，索塔锚固区的混凝土会开裂，须在塔壁内配置闭合预应力筋。

　　关键词 斜拉桥；作用效应组合；索力优化；闭合预应力筋

Abstract

　　Wide and successful application of cable-stayed systems was realized only recently, with the introduction of high-strength steels, orthotropic type deck, development of welding techniques and progress in structural analysis. Cable-stayed bridges present a space system, consisting of stiffening girders as steel or concrete deck and supporting parts as towers acting in compression and inclined cables in tension. By their structural behavior cable-stayed systems occupy a middle position between the girder type and suspension type bridges.

　　The cable-stayed bridge is the single-plane and prestressed-concrete system,

　　whose pier, tower and girder are rigidly joined together. The design chooses the special software for bridge-MIDAS to create model and run structural analysis, get the effect in the action of dead load, live load, temperature and bearing subsidence, and then calculate the combination for action effects at the tower. But cable force caused by structural weight is very unreasonable, so the design optimize the cable force using the Influence Array method. Then in accordance with the accommodated cable force, the design portrays the configuration of the cables and calculates their construction length. In the action of the horizontal force, the concrete of the anchorage at the tower will crack, so the closed prestressed-steel bar must be laid in the tower.

　　Keywords cable-stayed bridge  combination for action effects  optimization of cable force  closed prestressed-steel bar

　　第1章绪论

　　1.1概述

　　斜拉桥是一种桥面体系受压、支承体系受拉的结构，其桥面体系由加劲梁构成，其支承体系由钢索组成。

　　上世纪70年代后，混凝土斜拉桥的发展可分成三个阶段：

　　第一阶段：稀索，主梁基本上为弹性支承连续梁；

　　第二阶段：中密索，主梁既是弹性支承连续梁，又承受较大的轴向力；

　　第三阶段：密索，主梁主要承受强大的轴向力，又是一个受弯构件。

　　近年来，结构分析的进步、高强材料的施工方法以及防腐技术的发展对大跨斜拉桥的发展起到了关键性的作用。斜拉桥除了跨径不断增加外，主梁梁高不断减小，索距减少到10m以下，截面从梁式桥截面发展到板式梁截面。混凝土斜拉桥已是跨径200m~500m范围内最具竞争力的桥梁结构。

　　1.1.1 结构体系

　　斜拉桥的基本承载构件由梁（桥面）、塔和索三部分组成，且三者以不同的方式影响总体结构的性能。实际设计时三者是密不可分的。塔、梁及索的不同变化和相互组合，可以构成具有各自结构性能且力学特点和美学效果的突出的斜拉桥。正因为如此，斜拉桥基本体系可按力学性能分为漂浮体系、支承体系、塔梁固结体系和刚构体系：

　　漂浮体系为塔墩固结、塔梁分离，主梁除两端有支承外，其余全部用拉索悬吊，是具有多点弹性支承的连续梁。

　　支承体系即墩梁固结、塔梁分离，在塔墩上设置竖向支承，为具有多点弹性支撑的三跨连续梁。

　　塔梁固结体系即塔梁固结并支承在墩上，梁的内力和挠度同主梁与塔柱的弯曲刚度比值有关。其支座至少有一个为纵向固定。

　　刚构体系为梁塔墩互为固结，形成跨度内具有多点弹性支承的刚构。这种体系的优点是既免除了大型支座又满足悬臂施工的稳定要求，结构整体刚度较好，主梁挠度小；缺点是主梁固结处负弯矩较大，较适合于单塔斜拉桥。在塔墩很高的双塔斜拉桥中，若采用薄壁柔性墩来适应温度和活载等对结构产生的水平变形，形成连续刚构，能保持刚构体系的优点，并使行车平顺。采用这种体系的有美国的Dames Point桥和我国的广东崖门大桥等。

　　在边跨加辅助墩，对梁和塔的内力和变形都很有利。实践表明，无论采用以上何种体系，设一个辅助墩后，塔顶水平位移、主梁跨中挠度、塔根弯矩和边跨主梁弯矩均急剧降低，一般约为原来的40%~65%.

　　1.1.2 主梁

　　斜拉桥主梁直接承受车辆荷载，是斜拉桥主要承重构件之一。由于受拉索的支承作用，与其它体系桥梁相比，斜拉桥主梁具有跨越能力大、建筑高度小和能够借助拉索的预应力对主梁内力进行调整等特点。

　　斜拉桥的跨径比应考虑全桥刚度、拉索疲劳强度、锚固墩承载能力等多种因素确定。双塔斜拉桥的边跨与主跨比一般为0.25~0.50,从经济角度考虑，宜取0.4.

　　斜拉桥主梁自重应尽量减小，梁高与主跨比变化范围一般在1/50~1/100,对密索体系大跨径斜拉桥，高跨比可小于1/200;单索面要按抗扭刚度确定。

　　主梁截面形式应根据跨径、索距、桥宽等不同需要，综合考虑结构的力学要求、抗风稳定、施工方法等选用。如对于单索面斜拉桥，主梁断面宜采用抗风性能优越的近似三角形断面。

　　主梁按材料可分为混凝土梁、钢梁、结合梁和混合梁，其中混凝土梁的主要优点是：

　　（1）造价低。但当主跨大于500m时，混凝土主梁的低造价难以抵销由于混凝土自重大而导致拉索和基础费用的额外增值。

　　（2）刚度大挠度小。在汽车作用下，产生的主要挠度约为类似钢结构的60%左右。

　　（3）抗风稳定性好。这是由于混凝土结构振动衰减系数约为钢结构的两倍。

　　（4）后期养护比钢桥简单便宜。缺点是跨越能力不如钢结构大，施工速度不如钢结构快。

　　1.1.3 索塔

　　作用于斜拉桥主梁的恒活载通过拉索传递给索塔，因而索塔是通过拉索对主梁起弹性支承作用的重要构件。索塔上的作用力除本身的自重引起的轴力外，还有拉索索力的垂直分力引起的轴向力、水平分力引起的弯矩和剪力。索塔设计应满足强度、刚度、稳定等使用要求，并充分考虑施工方便、造价低及造型美观等要求。

　　斜拉桥索塔的型式有柱式、门式、A型、倒Y型、菱型和钻石型等。塔柱截面型式可分成矩形和非矩形两种基本型式。柱式塔柱构造简单，但承受横向水平荷载的能力较差。对于单索面斜拉桥，由于索塔塔柱常设在桥面中央分隔带上，增加了桥面宽度，因此多采用单柱型索塔。

　　双塔斜拉桥索塔高与主跨比宜选用0.18~0.25,并宜使边索与水平线的夹角控制在25°~45°左右。

　　1.1.4 拉索

　　斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，并显示了斜拉桥的特点。斜拉桥桥跨结构的重量和桥上荷载，绝大部分或全部通过斜拉索传递到塔柱上。拉索布置不仅影响桥梁的结构性能，而且影响到施工方法和经济性。

　　斜拉索横桥向布置可分为中心挂索（单面索）、侧挂索（双面索）和三索面三种体系。现有桥梁大部分采用双面索，即把斜拉索设于桥面结构两侧；然而，现已成功修建了数座单面索斜拉桥，单索面体系避免了拉索交叉的视觉，给人以美观开阔的视感，结构轻巧，但要求主梁具有必要的横向抗弯和抗扭刚度；较少采用三面索。

　　在桥梁纵向，拉索布置可选择扇形、竖琴形（平行）、辐射形和不对称形。平行索从力学和经济的观点考虑不是最佳的形式；辐射形索的索塔锚固区应力集中、构造复杂、造价昂贵且外观较笨重；不对称形索适用于单跨斜拉桥；扇形索综合了平行索和辐射形索的优点，是一种理想的索形。目前大部分斜拉桥采用扇形索。

　　目前，斜拉桥已从大索距的稀索发展到小索距的稀索，绝大多数斜拉桥采用密索布置。一般密索体系布置时，对于混凝土主梁，索距宜采用4m~12m.为使拉索材料经济，边索倾角宜控制在25°~45°左右。

　　1.1.5 桥型确定

　　本设计为墩、塔、梁固结的，双塔单索面预应力混凝土斜拉桥。

　　1.2目的与意义

　　1.2.1 立题目的

　　通过本次有关斜拉桥的毕业设计，可使自己初步了解有关斜拉桥的基本知识和结构设计计算的基本理论，并具备相当程度的大跨度桥梁的设计计算能力，为今后的学习和工作打下良好的基础，同时使自己能够熟练运用计算机程序或软件进行桥梁结构设计计算，并熟悉计算机绘图。

　　1.2.2 立题意义

　　毕业设计是大学四年来最重要的一项学习内容，是对四年所学知识的总结与运用；运用学过的基础理论和专业知识，结合工程实际，参考国家有关规范、标准、工程设计图集及其他参考资料，独立地完成斜拉桥部分构件的设计；同时初步掌握斜拉桥的设计步骤、方法，培养分析问题、解决问题的能力，为以后的继续学习和工作奠定基础。

　　1.3 主要内容

　　由于时间有限，未对斜拉桥进行全面设计，主要的内容有：

　　（1）XXX混凝土斜拉桥的构造尺寸、结构形式及其结构静力计算，包括计算恒载内力、活载内力、温度内力、支座沉降引起的内力，并进行索塔控制截面的作用效应组合；

　　（2）确定成桥状态的合理索力，即斜拉桥的恒载受力优化；

　　（3）拉索设计，包括拉索应力验算与拉索的构造和下料长度；

　　（4）桥塔锚固区的局部受力分析，对桥塔锚固区配置水平预应力筋。

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　　结论

　　毕业设计完成了，我不敢说有多么完美，但却是两个多月汗水的结晶。从总体上，我对斜拉桥的基本知识和计算理论有了初步掌握，并熟悉了ANSYS和MIDAS结构分析软件、Struct平面杆系有限元程序、AutoCad制图和Office软件（Word和Excel）；从立题上，斜拉桥结构计算复杂，在有限的时间内不能完成全部设计，因此需要有一个毕业设计的思路。在盛老师的指导下，形成的设计思路是：

　　经过对ANSYS、Struct和MIDAS三种程序的试验比较，最后选择MIDAS进行斜拉桥的建模分析，计算斜拉桥整体结构在各种作用下产生的内力，对索塔内力进行组合，在此过程中，提出了采用刚性横梁法来求解斜拉桥活载的横向分布系数；

　　在自重作用下，成桥状态斜拉索的受力很不合理，需要优化斜拉索的恒载受力，采用影响矩阵法确定成桥状态的合理索力，然后进行斜拉索力的内力组合，并验算；

　　拉索采用一次张拉。初始张拉力确定后，就可确定拉索的下料长度，同时对斜拉索的构造有了初步认识；

　　索塔锚固区的横向框架在斜拉索水平分力的作用下，两肋侧壁产生了很大的拉应力，超过了限值，必然使混凝土开裂，需要在侧壁内配置闭合预应力筋；索塔锚固区结构考虑持久设计状况，并作承载能力极限状态和正常使用极限状态设计；因斜拉索力沿塔高变化很大，故考虑按索区段配置预应力筋。

　　因斜拉桥主梁涉及到施工阶段、横向抗扭弯矩和剪力滞效应的问题等，为对主梁进行设计；有关非线性分析方面的知识不足，未能考虑非线性，实在遗憾。

　　不管怎样，我是有收获的，对得起老师，更对得起自己。

　　致谢

　　在毕业论文结束之际，我要向四年来所有在学习上给予我帮助的师长和同学致谢！感谢您们！

　　感谢指导老师盛洪飞教授！感谢您一直以来的谆谆教导，不厌其烦的指导我解决设计中遇到的困难和出现的问题，还帮我查找有关资料。我的设计能够很好的完成，与您的教导密不可分。从与您的接触中，我不仅学到了很多设计的知识，还有许多做人的道理，您严谨的治学态度以及会人不倦的敬业精神令我终生难忘！这将会激励我在今后的工作生活中更加努力，奋斗不止。在此谨向敬爱的盛老师表示诚挚的谢意！

　　感谢张树仁教授、盛洪飞教授、王永平教授、黄侨院长、王宗林教授、宋建华教授、陈彦江教授，以及桥梁教研室的吴洪林老师、金秀辉老师、张连振老师、杨大伟老师、杨明老师等各位老师的热心指导，及四年授课的辛劳，还要感谢给予我帮助的马俊和黄新艺两位研究生师兄。

　　感谢我的父母，他们一直支持着我，希望本设计可以作为献给他们的礼物，能让他们感到我永远是他们的骄傲！

　　再次感谢关心我，培养我的父母及师长！感谢您们！

　　参考文献
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