桥涵工程第一章绪论.ppt

新世纪高职高专道路桥梁工程类课程规划类教材,新世纪高职高专教材编审委员会组编主编彭彦彬,第一章 总 论,我国桥梁建设的历史、现状及未来的发展趋势；国外桥梁的发展情况；桥梁的组成；桥梁的分类；桥梁设计的基本原则；桥梁的设计程序；桥梁纵、横断面设计和平面布置的内容；桥梁设计方案的比选；桥梁设计荷载等内容。,第一节 国内外桥梁的发展概况,一、我国桥梁建筑的成就,图1-1 赵州桥,图1-2 武汉长江大桥,一、我国桥梁建筑的成就,一、我国桥梁建筑的成就,图1-3 南京长江大桥,一、我国桥梁建筑的成就,图1-4杭州湾大桥,一、我国桥梁建筑的成就,图1-5 江阴长江大桥,二、国外桥梁建筑的发展,钢筋混凝土桥梁,预应力混凝土桥梁,连续钢构桥,大跨径预应力混凝土斜拉桥,三、桥梁工程前景展望,桥梁的跨径代表着一个国家的经济、工业和科学技术的整体水平。从现代桥梁的发展趋势可以看出，近年来的桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展，但桥梁的载重、跨长却不断增长。为了适应社会生产力发展所提出的愈来愈高的要求，需要建造大量的承受更大荷载、跨越海湾、大江等跨径和总长更大的桥梁，这就推动了桥梁结构向高强、轻型、大跨度的方向发展。,第二节 桥梁的组成和分类,桥梁结构的组成,桥梁结构的名词术语,桥梁的分类,一、桥梁结构的组成,图1-7 梁式桥概貌,二、桥梁结构的名词术语,计算跨径,净跨径,总跨径,标准跨径,跨径,二、桥梁结构的名词术语,6,桥梁全长,桥高,桥下净空高度,建筑高度,拱桥净矢高,计算矢高,矢跨比,桥梁结构组成,桥梁上部结构：,桥梁下部结构,桥梁附属结构物：,桥台,桥墩,桥梁基础,由桥面系、主要承重结构和支座组成。,如路堤挡土墙、护坡、导流堤、检查设备、台阶扶梯、导航装置等。,一、桥梁结构的组成,三、桥梁的分类,（一）按桥梁的结构体系划分,梁式桥拱式桥刚架桥吊桥组合体系桥,桥梁结构,不同的结构体系对应不同的力学形式，表现出不同的受力特点。,1.梁式桥 梁式桥是古老的结构体系之一。梁作为承重结构，主要是以其抗弯能力来承受荷载。在竖向荷载作用下，其支撑处只产生竖向反力；一般，梁体结构只受弯受剪不承受轴向力（如图1-8所示）。梁桥包括简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥。,三、桥梁的分类,三、桥梁的分类,图1-8梁式桥,三、桥梁的分类,2.拱式桥 拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋（如图1-9所示）。这种结构在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力。同时，这种水平推力将显著抵消荷载所引起在拱圈(或拱肋)内的弯 矩作用。因此，与同跨径的梁相比，拱的弯矩和变形要小得多。鉴 于拱桥的承重结构以受压为主，通常就可用抗压能力强的圬工材料(如 砖石、混凝土)和钢筋混凝土等来建造。拱桥的跨越能力很大，外形也较美观，在条件许可的情况下，修建圬工拱桥往往是经济合 理的。但为了确保拱桥能安全使用，下部结构和地基必须能经受住 很大 水平推力的不利作用。,三、桥梁的分类,图1-9 拱式桥,三、桥梁的分类,3.悬索桥 悬索桥（也称为吊桥），由桥塔、锚碇、缆索、吊杆、加劲梁及索鞍等主要部分组成（如图1-10所示）。活载、桥面和加劲梁荷载通过吊杆传给缆索，缆索通过索鞍支承在桥塔上，两端锚固在锚碇结构上。悬索桥的主要承载结构为主缆。主缆由高强钢丝编制而成。该桥型轻巧美观，是跨越能力最大的桥型，其主要缺点是刚度小，一般不用于铁路桥。,图1-10 悬索桥,三、桥梁的分类,4.刚架桥 刚架桥的主要承重结构是梁或板和立柱或竖墙整体结合在一起的刚架结构，梁和柱的连接处具有很大的刚性（如图1-11所示）。在竖向荷载作用下，梁部主要受弯，而在柱脚处也具有水平反力，其受力状态介于梁桥与拱桥之间。因此，对于同样的跨径，在相同的荷载作用下，刚架桥的跨中正弯矩要比一般梁桥的小。根据这一特点，刚架桥跨中的建筑高度就可以做得较小。在城市中当遇到线路立体交叉或需要跨越通航江河时，采用这种桥型能尽量降低线路标高以改善纵坡并能减少路堤土方量。当桥面标高已确定时，能增加桥下净空。刚架桥的缺点是施工比较困难。,三、桥梁的分类,图1-11 刚架桥,三、桥梁的分类,5.组合体系桥 将上述几种结构形式进行合理的组合应用，即形成组合体系桥梁。常见的组合方式是梁、拱结构的组合（如系杆拱桥，图1-12a、b所示）和梁、索、塔的组合（如斜拉桥，图1-12c所示）。斜拉桥是由梁、塔和斜索（拉索）组成。在竖向荷载作用下，梁以受弯为主，塔以受压为主，斜索承受拉力。梁体被斜索多点扣拉，表现出弹性支承连续梁的特点。因此，梁体荷载弯矩减小，梁体高度可以降低，从而减轻了结构自重并节省了材料。另外塔和斜索的材料性能也能得到较充分的发挥。因此，斜拉桥是近几十年来发展很快的一种桥型。,三、桥梁的分类,梁、拱、吊组合体系同时具备梁的受弯和拱的承压特点，可以是刚性拱及柔性拉杆，也可以是柔性拱及刚性梁。这类结构 的主要优点是：利用梁部受拉来承受和抵消拱在竖直荷载下产生 的水平推力，这样，桥跨结构既具有拱的外形和承压特点，又不 存在很大的水平推力，可在一般地基条件下修建，相对而言这种 组合体系的施工较为复杂。,三、桥梁的分类,图1-12 组合体系桥梁,三、桥梁的分类,表1-1 桥涵按跨径分类,（二）按工程规模划分 根据桥梁多孔跨径总长Lz和单孔跨径K将桥梁划分为：特大桥、大桥、中桥、小桥、涵洞，见表1-1。这是我国公路和城市桥梁级 别划分的依据。,三、桥梁的分类,（三）桥梁的其他分类简述1按用途来划分，有公路桥、铁路桥、公路铁路两用桥、农桥、人行桥、运水桥(渡槽)及其他专用桥梁(如通过管路、电缆等)。2按主要承重结构所用材料划分，有圬工桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥、钢桥和木桥等。3按跨越障碍的性质，可分为跨河桥、跨线桥(立体交叉)、高架桥和栈桥。4按上部结构的行车道位置分为上承式桥、下承式桥和中承式桥。桥面布置在主要承重结构之上者称为上承式桥。桥面布置在承重结构之下的称为下承式桥。桥面布置在桥跨结构高度中间的称为中承式桥。5按桥梁平面的形状分有正交桥、斜桥和弯桥。,第三节 桥梁的总体规划和设计要点,桥梁总体规划原则和基本设计资料,桥梁纵、横断面设计和平面布置,一、桥梁总体规划原则和基本设计资料,(一)桥梁设计的基本原则,（二)设计资料调查一般桥梁设计中需要进行的资料调查工作包括以下几方面：1调查桥梁的使用任务。2测量桥位附近的地形，绘制地形图供设计和施工应用。3探测桥位的地质情况 4调查和测量河流的水文情况，为确定桥梁的桥面标高、跨径和基础埋置深度提供依据。5调查当地建筑材料(砂、石料等)的来源，水泥钢材的供应情况以及水陆交通的运输情况。6调查了解施工单位的技术水平、施工机械等装备情况，以及施工现场的动力设备和电力供应情况。7调查和收集有关气象资料，包括气温、雨量及风速(或台风影响)等情况。8调查新建桥位上、下游有无老桥，其桥型布置和使用情况等。,一、桥梁总体规划原则和基本设计资料,(三)设计程序 一阶段设计：施工图设计 二阶段设计：初步设计、施工图设计 三阶段设计：初步设计、技术设计、施工图设计,一、桥梁总体规划原则和基本设计资料,二、桥梁纵、横断面设计和平面布置,(一)桥梁纵断面设计1.桥梁总跨径的确定(桥梁总跨径一般根据水文计算来确定。)2.桥梁的分孔(最经济的分孔方式就是使上、下部结构的总造价趋于低。)3.桥道标高的确定(1)流水净空要求(2)通航净空要求(3)跨线桥桥下的交通要求4.桥上和桥头引道的纵坡5.基础的埋置深度,二、桥梁纵、横断面设计和平面布置,(二)桥梁横断面设计桥梁横断面的设计，主要是决定桥面的宽度和桥跨结构横截面 的布置。桥面宽度决定于行车和行人的交通需要。我国交通部颁布的 公路工程技术标准（JTGB 012003），规定了各级公路桥面净空的限界，在建筑限界内，不得有任何的结构部件。(三)平面布置桥梁的线型及桥头引道要保持平顺，使车辆能平稳地通过。高 速公路和一级公路上的大、中桥，以及各级公路上的小桥的线形及 其与公路的衔接，应符合路线布设的规定。,第四节 桥梁设计荷载,公路桥梁设计荷载,铁路桥梁设计荷载,一、公路桥梁设计荷载,作用：我国公路桥涵设计通用规范（JTP602004）（以下简称为桥规），将桥梁结构承受的各种荷载和外力统称为作用。作用效应：作用使桥梁结构产生内力和变形或裂缝，这些内力、变形、裂缝统称为作用效应。,桥梁作用,永久作用可变作用偶然作用,表1-3 公路、城市桥梁作用分类表,一、公路桥梁设计荷载,（一）永久作用永久作用亦称恒载，它是在设计使用期内，其作用位置和大小、方向不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计。永久作用包括结构物自重、桥面铺装和附属设备的重量、作用 于结构上的土重及土侧压力、基础变位作用、水浮力、长期作用于 结构上的预应力以及混凝土收缩和徐变作用。对于公路桥梁，结构物的自重往往占全部设计荷载的很大部分。（二）可变作用可变作用是在设计使用期内，其作用位置和大小、方向随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。桥梁设计中考虑的可变作用有汽车荷载和人群荷载。,一、公路桥梁设计荷载,1.汽车荷载1）汽车荷载分为公路-级和公路-级两个等级。2）汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。（桥梁结构的整体计算采用车道荷载，桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载。）车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。3）各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合表1-5的规定。,一、公路桥梁设计荷载,表1-5 各级公路桥涵设计的汽车荷载等级,4）车道荷载的计算图式见图1-13,图1-13 车道荷载,一、公路桥梁设计荷载,（1）公路-级车道荷载的均布荷载标准值qK=10.5kN/m 集中荷载标准值按以下规定选取：L5m时，PK=180kN；L50m时，PK=360kN；桥梁计算跨径在550m之间时，PK值采用直线内插求得。计 算剪力效应时，上述集中荷载标准值PK应乘以1.2的系数。,（2）公路-级车道荷载=0.75公路-级车道荷。（3）车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上，集中荷载标准值只作用于影响线中一个最大影响线峰值处。5）公路-级和公路-级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。车辆荷载的立面、平面尺寸见图1-14。6）车道荷载横向分布系数应按设计车道数如图1-15布置车辆荷载进行计算。,一、公路桥梁设计荷载,图1-14 车辆荷载的立面、平面尺寸（荷载单位为kN；尺寸单位为m）,图1-15 车辆荷载横向分布（尺寸单位为m）,一、公路桥梁设计荷载,7）桥涵设计车道数应符合表1-6的规定。多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应应按表1-7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。,一、公路桥梁设计荷载,表1-6 桥涵设计车道数,一、公路桥梁设计荷载,表1-7 横 向 折 减 系 数,8）大跨径桥梁上的汽车荷载应考虑纵向折减。当桥梁计算跨径大于150m时，应按表1-8规定的纵向折减系数进行折减。当为多跨连续结构时，整个结构应按最大的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减。,一、公路桥梁设计荷载,表1-8 纵 向 折 减 系 数,一、公路桥梁设计荷载,2.车辆荷载的影响力1）汽车荷载的冲击力桥规规定按下述方法计算：当 f1.5HZ时，=0.05 当 1.5HZ f14 HZ时,=0.1767lnf-0.0157 当 f 14 HZ 时,=0.45 2）汽车荷载的制动力 桥规规定：一个设计车道的制动力标准值按布置在加载长度内车道荷载的10%计，但公路-级汽车荷载的制动力不得小于165kN，公路-级汽车荷载的制动力不得小于90kN。同向行驶双车道的制动力为一个设计车道制动力的2倍，同向行驶三车道为一个设计车道的2.34倍，同向行驶四车道为一个设计车道的2.68倍。,一、公路桥梁设计荷载,3）汽车离心力 汽车在弯道桥梁上行驶时会产生离心力，曲线半径越小，离心力越大，当弯桥的曲线半径小于或等于250m时，应计算汽车荷载引起的离心力。离心力标准值为车辆荷载（不计冲击力）标准值乘以离心力系数C。离心力系数按下式计算：,式中 V设计速度（按桥梁所在路线设计速度采用），以kmh计；R曲线半径，以m计。离心力的着力点在桥面以上1.2m处（为计算简便也可以移至桥面上，不计由此引起的作用效应）。多车道时，车辆荷载标准值也应乘以表1-7规定的横向折减系数。,一、公路桥梁设计荷载,4）汽车引起的土侧压力 汽车荷载作用在桥台或挡土墙后填土上，将引起填土的破坏棱体对桥台或挡土墙的土侧压力，土侧压力可按下式换算成等代均布土层厚度h(m)计算，公式如下：,式中：土的容重(kNm3)；B桥台的计算宽度或挡土墙的计算长度(m)；lo桥台或挡土墙后填土的破坏棱体长度(m)；G为布置在Blo面积内的车辆车轮重力(kN)。当涉及多车道加载时，车轮总重力应按表1-7进行折减。,一、公路桥梁设计荷载,3.人群荷载 设有人行道的桥梁，在以汽车荷载计算内力时，应同时考虑人行道上人群荷载所产生的内力。一般公路桥梁的人群荷载标准值按下列规定采用：,3.0kN/m（L50m）2.5kN/m（L150m）,1)人群荷载标准值,2）城镇、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3.5kN/m2。3）人群荷载在横向应布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使结构产生 最不 利荷载效应的区段内。4）人行道板（局部构件）可以一块板为单元，按标准值4.0kN/m2的均布荷 载计算。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 kN/m；作用在栏杆扶手上的竖向力标准值取1.0 kN/m。,一、公路桥梁设计荷载,（三）偶然作用 偶然作用是指桥梁结构设计基准期内不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间较短的作用。桥梁设计考虑的偶然作用有地震作用、船舶或漂流物的撞击作用和汽车的撞击作用。其计算方法详见公路工程抗震设计规范和桥规的有关规定。,一、公路桥梁设计荷载,（四）作用效应组合在以上介绍的这些作用中除永久作用外，可变作用和偶然作用中有些不能同时存在，有些虽然同时出现但并不同时出现最大值。且对于不同的结构、不同的部位和不同的检算项目及不同的阶段也有不同的检算要求。因此，就存在一个作用效应组合问题。公路桥涵设计计算时的作用效应组合见桥规有关规定。,一、公路桥梁设计荷载,二、铁路桥梁设计荷载,（一）荷载的种类 桥涵荷载按其性质和发生的机率分为主力、附加力和特殊荷载三类。主力是指经常作用于结构物上的外力。附加力是指偶然发生的，或者其最大值发生的机率很小的各种外力。特殊荷载是指作用在结构物上的外力是暂时的，或者是偶发性的，发生的机会是很少的。,（二）主力.恒载（1）由支座传来的梁及桥面的重量（2）圬工等自重（为各部分体积乘所用材料的容重。）（3）基础襟边上土壤重量 按其体积与容重相乘来计算。对桥台可不考虑锥体填土的横向变坡影响。（4）土压力 作用于墩台上的土的侧压力可按库仑理论推导的主动土压力计算，详见铁路桥涵设计基本规范（5）水浮力 水的浮力对桥台自重和基础襟边以上土重起减轻作用。,二、铁路桥梁设计荷载,2.活载 铁路活载是列车及由列车 引起的荷载，包括列车竖向静活载、列车竖向动力作用、长钢轨纵向水平力、离心力、列车活载引起的土压力等。此外还有人行活载。（1）列车重量 列车竖向活载应采用中华 人民共和国铁路标准活载即“中一活载”，标准活载的计算图式如图1-16所示。,图1-16“中活载”图式（长度以m计）,二、铁路桥梁设计荷载,式中 F离心力（kN）；N“中活载”图式中的集中荷载（kN）；q“中活载”图式中的分布荷载（kN/m）；v设计速度（km/h）；R曲线半径（m）；,（2）离心力 桥梁在曲线上时，应考虑列车竖向静活载产生的离心力。离心力按水平向外作用于轨顶以上2.0m处。其值按下列公式计算：,对集中活载N,对分布活载q,二、铁路桥梁设计荷载,二、铁路桥梁设计荷载,当L2.88m或v120km/h时，f值取1.0；当计算f值大于1.0时取1.0；当L150m时，取L150m计算f值。,f竖向活载折减系数，按式计算：,（3）列车竖向动力作用 列车竖向活载包括列车竖向动力作用，该列车竖向活载等于 列车竖向静活载乘以动力系数（1+），冲击系数的计算见铁路 桥规。但钢筋混凝土、混凝土、石砌的桥跨结构及涵洞、刚架桥，其顶上填土厚度h1m（从轨底算起）及实体墩台均不计列车竖向 动力作用。,（4）活载土压力 列车静活载在桥台后破坏棱体上引起的侧向土压力，应按列车静活载换算为当量均布土层厚度计算。计算活载对涵洞的竖向压力和水平压力时，假定活载在轨底平面上的横向分布宽度为2.5m，其在路基内与竖直线成一角度（正切为0.5）向外扩散（5）横向摇摆力 应取100kN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。多线桥梁只计算任一线上的横向摇摆力。空车时应考虑横向摇摆力。（6）人行道人行荷载 道碴桥面和明桥面的人行道4.0kPa，人工养护的道碴桥面尚应考虑养护时人行道上的堆碴荷载。,二、铁路桥梁设计荷载,（三）附加力1制动力或牵引力当制动力（牵引力）与离心力或冲击力同时计算时，则按竖向静活载重量的7%计算。当采用特种活载时不计算制动力或牵引力。2其他附加力风力、流水压力及其他附加力的计算详见铁路桥涵设计基本规范有关规定。（四）特殊荷载1地震力按规定，地震力不与其他附加力同时计算。地震力的计算方法详见铁路工程抗震设计规范（GBJ 111）的规定；2其他荷载在一般情况下不控制检算。,二、铁路桥梁设计荷载,