斜拉橋懸索橋方案比選畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、第二章 方案比選1.1 橋型方案設(shè)計(jì)概述東海大橋起始于上海浦東新區(qū)（原南匯區(qū)）蘆潮港，北與滬蘆高速公路相連，南跨杭州灣北部海域，直達(dá)浙江嵊泗縣小洋山島。全長(zhǎng)32.5公里的東海大橋是上海國(guó)際航運(yùn)中心深水港工程的一個(gè)組成部分，被上海市政府列為“一號(hào)工程”，同時(shí)東海大橋工程是上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)一期工程的重要配套工程，為洋山深水港區(qū)集裝箱陸路集疏運(yùn)和供水、供電、通訊等需求提供服務(wù)。由港區(qū)的集裝箱陸路集疏運(yùn)量的預(yù)測(cè)情況分析至2020年洋山深水港區(qū)陸路集裝箱集疏運(yùn)量為750萬(wàn)TEU，根據(jù)計(jì)算的大橋集裝箱集疏運(yùn)能力分析，東海大橋工程需具備雙向6車道的建設(shè)規(guī)模。車輛交通的組成比例為：集裝箱卡車（拖掛

2、車）85，社會(huì)車流量占15?？梢?jiàn)港口貨物運(yùn)送愈加頻繁，建橋已顯得十分必要。1.1橋位自然條件1、地形、地貌擬建東海大橋西端蘆潮港為沙泥灘地，圍海造地形成陸域，屬潮坪地貌。橋區(qū)海域，海勢(shì)穩(wěn)定，海床較為平坦，水深一般在812m左右，標(biāo)高75125m。近岸淺水區(qū)水深為05m（長(zhǎng)度約為500m）。大橋東側(cè)所經(jīng)島嶼及東端小洋山為一系列面積狹小的島嶼，呈雞爪型地貌，局部地區(qū)水深達(dá)30m。 2、氣象特征該區(qū)位于北亞熱帶南緣，東亞季風(fēng)盛行區(qū)，受季風(fēng)影響冬冷夏熱，四季分明，降水充沛，氣候變化復(fù)雜。 （1）、氣溫：多年平均氣溫158；歷年最高氣溫 37 .5；歷年最低氣溫79。（2）、 降水：降水日數(shù) 134d/

3、y。 （3）風(fēng)況：實(shí)測(cè)最大風(fēng)速 350m/s （風(fēng)向NNE）；風(fēng)力7級(jí)大風(fēng)日數(shù)658d/y；風(fēng)力8級(jí)大風(fēng)日數(shù)30d/y；風(fēng)力9級(jí)大 風(fēng)日數(shù)約為3d/y。 （4）霧況：平均有霧日3050 d/y；最多60 d/a；最少20 d/a。3、水文特征該海區(qū)的潮汐主要受東海前進(jìn)潮波控制，潮汐類型屬非正規(guī)半日淺海潮型。潮流運(yùn)動(dòng)基本形態(tài)為每天二漲二落，具有明顯的往復(fù)流特性。NNE向（包含N、NE向）水域開敞，為該海區(qū)的強(qiáng)浪向。 4、工程地質(zhì)海上段基巖埋藏較深，基巖面標(biāo)高由北向南逐漸抬高，標(biāo)高為230m1600m，第四系堆積層厚度為160220m。顆珠山島小洋山段區(qū)域受周圍蔣公柱島、金雞山、鑊臍島等影響，水動(dòng)

4、力條件復(fù)雜，殘留厚度受基底起伏控制，在口門兩側(cè)和顆珠山系灣殘留厚度相對(duì)較薄，中部殘留厚度較大。1.3橋型方案比選1.3.1 確定橋型方案的原則u 適用性橋上應(yīng)保證車輛和人群的安全暢通，并應(yīng)滿足將來(lái)交通量增長(zhǎng)的需要。橋下應(yīng)滿足泄洪、安全通航等要求。建成的橋梁應(yīng)保證使用年限，并便于檢查和維修。u 舒適與安全性現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)舒適度，要控制橋梁的豎向與橫向振幅，避免車輛在橋上振動(dòng)與沖擊。整個(gè)橋跨結(jié)構(gòu)及各部分構(gòu)件，在制造、運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性。u 經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性一般應(yīng)占有重要位置，經(jīng)濟(jì)性應(yīng)綜合發(fā)展遠(yuǎn)景及將來(lái)的養(yǎng)護(hù)和維修等費(fèi)用。 確定本橋型方案的具體要求

5、u 造價(jià)要求 所選橋型力求技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)有利于通航要求，同時(shí)滿足工程數(shù)量省、造價(jià)低、投資少、經(jīng)濟(jì)合理的原則。u 施工要求所選橋型應(yīng)滿足有成熟施工經(jīng)驗(yàn)、所需施工設(shè)備少、工藝簡(jiǎn)單的要求，以減小施工難度、加快施工進(jìn)度、節(jié)省投資金額、保證施工質(zhì)量。u 通航要求通航孔橋的方案設(shè)計(jì)應(yīng)滿足通航要求，并選用結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)、美觀的橋型。通航孔橋的工程量及規(guī)模比非通航孔橋總量小得多，也需充分考慮海上施工的特點(diǎn)。（東海大橋海上段設(shè)四處通航孔： 5000t級(jí)主通航孔一處，通航凈空為300m ×40m（單孔雙向）；能滿足10000t級(jí)船舶通行的要求； 1000t級(jí)副通航孔一處，通航凈空為100m×

6、;25m（雙孔單向）； 500t級(jí)副通航孔二處，通航凈空為56m ×175m（雙孔單向），設(shè)置在近蘆潮港側(cè)及小烏龜島側(cè)）非通航孔橋結(jié)構(gòu)型式根據(jù)不同區(qū)段的條件分別確定，在同一區(qū)段結(jié)構(gòu)型式統(tǒng)一，有利于模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化制作。1.3.3 橋位對(duì)橋型的制約 橋址位于外海，大風(fēng)、波浪、潮流、寒潮等惡劣自然條件對(duì)施工的影響很大，按目前施工設(shè)備抗風(fēng)流能力，全年平均有效施工工作業(yè)天數(shù)在180d以下。海域水面開闊，百年一遇H1波浪高度達(dá)6m，最大流速2m/s，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為42m/s。寒潮、臺(tái)風(fēng)影響頻繁。海洋強(qiáng)烈的腐蝕環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性影響很大。1.3.4 橋型方案所選方案應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)上合理、施工方便

7、快捷，既要與周圍環(huán)境相互協(xié)調(diào)，又要能體現(xiàn)出自身的特點(diǎn)。對(duì)于主橋部分，在方案選擇時(shí)，從國(guó)內(nèi)外已修建的各類型橋型廣泛入手，對(duì)梁式體系、拱式體系、斜拉體系、懸索體系進(jìn)行了綜合的分析比較，這里只針對(duì)拱橋和斜拉橋比選。目前鋼管混凝土拱橋的跨徑已經(jīng)超過(guò)420米，故在此處建造一座鋼管混凝土拱橋在技術(shù)及施工上也是合理的；但是由于地質(zhì)條件較差，無(wú)法承受拱橋的推力，如果由地基直接承受水平推力，拱腳就要做得很低，不能滿足通航的要求，而且拱肋可能受到船舶的撞擊，故此處提出了系桿拱；在滿足了通航要求的前提下，上承式的橋拱太扁，不能滿足結(jié)構(gòu)受力的要求。下承式的拱橋，因?yàn)楣吧砣吭跇虻纳厦?，看起?lái)很不協(xié)調(diào)，不能滿足美觀的要

8、求，故提出了采用無(wú)推力中承式的鋼管混凝土系桿拱的方案。該橋型方案的立面圖如圖1設(shè)計(jì)中考慮的另外一種橋型是斜拉橋，該類型的橋梁設(shè)計(jì)、施工工藝成熟?？鐝竭_(dá)到200多米的斜拉橋很容易實(shí)現(xiàn)，由于是在海上施工，考慮到施工的便利性，采用結(jié)合梁斜拉橋，結(jié)合梁斜拉橋與混凝土斜拉橋和鋼斜拉橋相比較，施工方便且造價(jià)低。并且我國(guó)已經(jīng)有了相當(dāng)豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，如1991年和1993年建成的主跨分別為423m和602m的上海南浦大橋和楊浦大橋。在斜拉橋的設(shè)計(jì)規(guī)范也著重于混凝土斜拉橋部分，但由于結(jié)合梁自重力小，相應(yīng)也減少了鋼索用量和基礎(chǔ)工程量，所以采用雙塔單索面鋼和混凝土結(jié)合梁斜拉橋。 圖1 立面圖圖2 立面圖1.3.5

9、方案比選基于以上分析，提出兩種橋型方案進(jìn)行初步比較，即方案一:無(wú)推力中承式的鋼管混凝土系桿拱橋88m+102m+420m+102m+88m方案二:雙塔單索面鋼和混凝土結(jié)合梁斜拉橋73m+132m+420m+132m+73m兩種橋型的具體布置情況如下：1、 無(wú)推力中承式的鋼管混凝土系桿拱橋（1）、孔徑布置其邊跨與中跨的比值取為0.24, 又由于主跨為420m，故本方案采用190+420+190的布跨形式，對(duì)稱布跨的邊跨和側(cè)跨分別為102m和88m，全橋總長(zhǎng)800m，同時(shí)橋面設(shè)置2%的縱坡。（2）、拱肋橫截面形式 鋼管混凝土拱肋是主要的承重結(jié)構(gòu)，它承受橋上的全部荷載，并將荷載傳遞給墩臺(tái)和基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)

10、為四肢格構(gòu)型拱肋，為了提高拱肋的橫向穩(wěn)定性和承載力，使兩拱肋頂部互相內(nèi)傾，水平面上的投影呈“X”，由于拱肋的恒載分布比較均勻，因此拱軸線一般采用二次拋物線。拱肋截面沿拱軸線的變化規(guī)律為等截面，并且采用無(wú)鉸拱形式，以保證其剛度。（3）吊桿 吊桿分剛性吊桿和柔性吊桿兩類，剛性吊桿用鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土制作；柔性吊桿用冷軋粗鋼筋、高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線等高強(qiáng)鋼材制作。使用剛性吊桿可以增強(qiáng)拱肋的橫向剛度，但是用鋼量比較大，施工程序多，工藝復(fù)雜；使用柔性吊桿可以部分消除拱肋和橋面之間的相互影響，節(jié)省鋼材。此處吊桿為等間距16m，采用PE防護(hù)技術(shù)，保證其使用壽命。圖3 拱肋截面簡(jiǎn)圖（4）、主跨結(jié)構(gòu)構(gòu)造：圖4

11、 主梁截面簡(jiǎn)圖 （5）、Y型鋼構(gòu)兩個(gè)主墩均采用Y形造型，由中橫梁，前后懸臂梁，前后主橫梁，前后次橫梁，前后主橫梁及系桿索錨固結(jié)構(gòu)組成。"Y"型上部為預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)，墩身都采用14×912×6.2m的變截面空心薄壁結(jié)構(gòu)。Y形剛結(jié)構(gòu)由前、后懸臂，主橫梁，前、后次橫梁，前、后主橫梁及系桿索錨固件等結(jié)構(gòu)組成。具體布置見(jiàn)下圖：圖5 Y型鋼構(gòu)（6）、拱橋墩臺(tái)及基礎(chǔ)作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，一般應(yīng)先考慮擴(kuò)大基礎(chǔ)，然后才是樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)，對(duì)于管柱、沉箱和組合基礎(chǔ)一般只在特殊情況下考慮。基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)承臺(tái)置于河床底部。圖6 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)2、雙塔單索面鋼和混凝土結(jié)合梁斜拉橋（1）、孔

12、徑布置主跨和邊跨的跨徑比為0.48，根據(jù)邊孔的高度，通航要求，施工安全，全橋剛度以及經(jīng)濟(jì)和使用條件可在邊孔設(shè)置輔助墩，這樣可以改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，增加施工期的安全。當(dāng)輔助墩受壓時(shí)，減少了邊孔主梁彎矩，而受拉時(shí)則減少了中跨主梁的彎矩和撓度，從而大大提高了全橋剛度。所以最后的孔徑布置為73m+132m+420m+132m+73m。（2）、主跨結(jié)構(gòu)構(gòu)造主梁采用單箱三室，梁高4m，下側(cè)用開口鋼箱形式，上側(cè)為預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板，由此組成結(jié)合梁，全橋?qū)?3m。設(shè)計(jì)2%的橫坡以滿足排水要求，橋面鋪裝采用等厚鋪裝，其中鋼箱底板寬20m采用Q345qD，橋面板采用C60砼。 具體尺寸如下：圖7 主梁1/2橫截面

13、主梁混凝土面板厚0.28m，在腹板頂附近加厚至0.55m，主梁鋼結(jié)構(gòu)部分截面底板及斜腹板厚16mm，豎向腹板及腹板上緣厚24mm,塔根及邊墩、輔助墩頂附近主梁鋼板局部加厚。其中主梁橫隔板梁采用桁架形式以利于過(guò)橋管線布置，主梁截面橫隔板橫隔梁厚16mm，上翼緣板厚24mm，主梁鋼結(jié)構(gòu)和混凝土面板間設(shè)置剪力釘。主梁節(jié)段初步擬定為8m，橫隔梁間距為4m，每一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段兩端各設(shè)置0.5m寬的混凝土現(xiàn)澆濕接縫。具體尺寸如下：圖8 主梁混凝土面板（3）主索塔斜拉橋主塔外形通常有H形、鉆石形、A字形、倒Y形等，但各種形式的塔形有各自的優(yōu)點(diǎn)，這里對(duì)這幾種塔形進(jìn)行比選。表1 主塔外形對(duì)比塔形優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)H形塔柱完全豎

14、直，十分便于施工，同時(shí)可以保證斜拉索均在同一平面內(nèi)，大大地簡(jiǎn)化了錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)拉索不能對(duì)主梁提供抗扭剛度幫助A形力線傳遞順暢，通過(guò)不斷的向上收斂給人一種穩(wěn)定的感覺(jué)基礎(chǔ)尺寸較大，需設(shè)置橫梁，施工相對(duì)復(fù)雜，造型 比較大眾鉆石形外形優(yōu)美，橋面以下的塔柱通過(guò)向內(nèi)收斂可以減少基礎(chǔ)的尺寸、節(jié)約空間力線有轉(zhuǎn)折、不順暢，有時(shí)無(wú)法與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，特別是在橋下凈空較大時(shí)倒Y形構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力明確，施工方便，結(jié)構(gòu)上是高效的，給人一種穩(wěn)定和強(qiáng)有力的感覺(jué)，能突出高聳而簡(jiǎn)潔的美感，適用于單索面基礎(chǔ)尺寸較大從主塔材料上講，塔材料可供選擇有三種：鋼，鋼筋混凝土，鋼混結(jié)合。由于該橋位于海域腐蝕比較嚴(yán)重，防腐蝕的投入會(huì)很大，所以采

15、用完全的鋼結(jié)構(gòu)顯然不合理。 從受力來(lái)講鋼筋混凝土和鋼混結(jié)合均可采用，但是對(duì)于鋼混結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)其過(guò)渡段是主塔受力點(diǎn)，構(gòu)造復(fù)雜，另外對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)造價(jià)比較低，工藝成熟可靠，結(jié)構(gòu)防腐蝕相對(duì)簡(jiǎn)單，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低 。綜上采用倒Y形的索塔（常用于大跨徑及特大跨徑的斜拉橋），它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，施工方便，結(jié)構(gòu)上是高效的，給人以穩(wěn)定和強(qiáng)有力的感覺(jué)，用于比較寬闊的水面空間透視性好，突出了斜拉橋輕盈、高聳、簡(jiǎn)潔的完美形象，適用于單索面塔高148m，在順橋向索塔剛度大，有利于抵抗索塔兩側(cè)拉索的不平衡拉力，能承受較大的順橋向彎矩，并具有更良好的抗振能力，并且主塔與加勁梁之間均設(shè)置了阻尼裝置。阻尼裝置對(duì)溫度等速率緩慢的

16、變形，約束力很??；對(duì)活載、風(fēng)、地震等速率較快的變形，能有效約束；同時(shí)可以使行車的舒適度提高。具體尺寸如圖9圖9.2 中塔柱截面圖9.1上塔柱截面圖9.3 下塔柱截面圖9.5 主塔正立面圖9.4 主塔側(cè)立面（4）、斜拉索斜拉索是斜拉橋的主要承重構(gòu)件之一，拉索對(duì)主梁起到彈性支撐的作用，其對(duì)斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度和經(jīng)濟(jì)合理性起著重要作用，斜拉索宜選用抗拉強(qiáng)度高，疲勞強(qiáng)度好和彈性模量較大的鋼絲或鋼絞線制作，而根據(jù)目前發(fā)展來(lái)看，斜拉索正向著小索距的密索發(fā)展。索面選擇：由于橋面較寬，且主塔采用倒Y形，為使全橋獲得較好的視覺(jué)效果及行車效果，同時(shí)節(jié)省空間，采用中央單索面形式，給人一種簡(jiǎn)潔美觀的感覺(jué)而避免了兩側(cè)拉索交

17、叉凌亂之感斜拉索采用高強(qiáng)度鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄錨，拉索外表面采用防風(fēng)雨振措施。梁上標(biāo)準(zhǔn)索距8m，塔上標(biāo)準(zhǔn)索距2m。 具體尺寸如下： 圖10 斜拉索橫截面圖11 斜拉索總裝圖（5）主墩及基礎(chǔ)斜拉橋主塔墩位處水深約為11m，地基覆蓋層較厚，塔墩基礎(chǔ)承受主墩傳來(lái)的巨大荷載，可供選擇的形式主要有以下幾種：l1預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)l2大直徑鋼管樁基礎(chǔ)l3大直徑鉆孔樁基礎(chǔ)l4沉井基礎(chǔ)對(duì)于1 由于樁徑?。ㄍǔＴ?00mm以內(nèi)），數(shù)量多，基礎(chǔ)大，造價(jià)高不宜采用對(duì)于4 工期長(zhǎng)，難以控制，不宜采用對(duì)于2 施工方便迅速，但造價(jià)高，經(jīng)濟(jì)性差對(duì)于3 是目前國(guó)內(nèi)外深水基礎(chǔ)較常采用的，其設(shè)計(jì)，施工工藝成熟，單樁承載力大，基礎(chǔ)平面尺寸較小，適應(yīng)性強(qiáng)，施工質(zhì)量及工期較易控制，所以綜上選用鉆孔灌注樁，承臺(tái)選用整體式承臺(tái)。4、橋型方案選擇：表2橋型比選橋梁方案無(wú)推力中承式的鋼管混凝土系桿拱橋雙塔單索面鋼和混凝土結(jié)合梁斜拉橋跨徑布置88m+102m+420m+102m+88m73m+132m+420m+132m+73m方案概況桁架拱，透視空間大，結(jié)構(gòu)輕盈，拱橋線形優(yōu)美受力性能較好，抗風(fēng)抗震滿足要求，斜拉索應(yīng)力幅較低，抗疲勞性性能滿足要求，梁塔受力狀況較好。技術(shù)難度及可行性從海上施工上考慮，拱橋高空拼裝桿件多，工藝要求高類似結(jié)構(gòu)已建多座，設(shè)計(jì)施工