西南交大橋梁設(shè)計大賽承重組

西南交大橋梁設(shè)計大賽承重組第1頁/共55頁2講座目的目的拋磚引玉撥云見日備戰(zhàn)大賽形成專業(yè)思維素養(yǎng)圍繞“橋梁”結(jié)構(gòu)知識，從概念設(shè)計角度上對

設(shè)計構(gòu)思方面的原則和方法進(jìn)行輪廓性介紹。

TOC第2頁/共55頁31.橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計原則的回顧橋梁是供汽車、火車、行人、特殊構(gòu)筑物等跨越障礙（河流、山谷或其它線路）的建筑工程物。跨越第3頁/共55頁41.橋梁定義和設(shè)計原則的回顧1.2橋梁設(shè)計的基本原則安全適用經(jīng)濟(jì)美觀有利環(huán)保第4頁/共55頁51.橋梁定義和設(shè)計原則的回顧橋上車輛、行人及施工機(jī)具的安全，也包括橋梁本身的安全。結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)，在各種自然情況和荷載作用下，具有足夠的承載能力和足夠的安全度，是對每一座橋梁的基本要求。安全要求核心要求結(jié)構(gòu)安全交通安全人員安全結(jié)構(gòu)安全體系安全（整體）構(gòu)件安全（局部）構(gòu)造安全（細(xì)節(jié)）第5頁/共55頁61.橋梁定義和設(shè)計原則的回顧能保證行車的通暢、舒適和安全；橋梁運量既能滿足當(dāng)前需要，也可適當(dāng)照顧今后發(fā)展；對跨越線路或河流的橋梁，要求不妨礙橋下交通或通航；靠近城市、村鎮(zhèn)等的橋梁，還當(dāng)綜合考慮橋頭和引橋地區(qū)的環(huán)境和發(fā)展；在使用年限內(nèi)，橋梁一般只需常規(guī)養(yǎng)護(hù)維修就可保證日常使用。適用要求橋梁適用性運營荷載的需求結(jié)構(gòu)的適用性主要由其功能所決定大賽中的體現(xiàn)移動加載的體現(xiàn)第6頁/共55頁71.橋梁定義和設(shè)計原則的回顧在安全、適用的前提下，經(jīng)濟(jì)是衡量技術(shù)水平和作出方案選擇的主要因素。橋梁設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)特性。對于重大的橋梁工程，必須進(jìn)行多方案的比較，詳細(xì)研究技術(shù)上的可行性和先進(jìn)性以及經(jīng)濟(jì)上的合理性。這樣，才能對橋梁的建造消耗、施工、技術(shù)發(fā)展和今后使用等因素進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，得出合理的經(jīng)濟(jì)結(jié)論。經(jīng)濟(jì)要求大賽中的體現(xiàn)參賽模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化橋梁經(jīng)濟(jì)性需按結(jié)構(gòu)全壽命周期考慮第7頁/共55頁81.橋梁定義和設(shè)計原則的回顧

在安全、適用和經(jīng)濟(jì)的前提下，盡可能使橋梁具有優(yōu)美的外形，并與周圍的環(huán)境相協(xié)調(diào)，這就是對橋梁美觀的基本要求。合理的輪廓造型和布局、正確的表現(xiàn)力傳遞、以及結(jié)構(gòu)風(fēng)格和色彩與周圍環(huán)境的和諧一致，是體現(xiàn)美觀的主要因素。在城市和游覽地區(qū)，可適當(dāng)考慮橋梁建筑的藝術(shù)處理，但不應(yīng)當(dāng)追求浮華和繁瑣的細(xì)部裝飾。美觀要求大賽中的體現(xiàn)體現(xiàn)受力特點的體系造型TOC第8頁/共55頁92.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.1橋梁設(shè)計上的總體把握層次和環(huán)節(jié)對橋梁工程的總體把握和認(rèn)識第9頁/共55頁102.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.2橋梁設(shè)計構(gòu)思上的實用原則橋梁設(shè)計構(gòu)思需要在對結(jié)構(gòu)整體行為認(rèn)識深化下總結(jié)提煉出一些指導(dǎo)實際工作的思維方法。草木皆兵以柔克剛欲擒故縱取長補短移花接木TOC第10頁/共55頁112.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則結(jié)構(gòu)設(shè)計中實現(xiàn)“物盡其用”。結(jié)構(gòu)級構(gòu)件級構(gòu)造級體系分類A.組成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件充分發(fā)揮作用B.構(gòu)件的斷面組成能充分發(fā)揮強(qiáng)度性能結(jié)構(gòu)層次第11頁/共55頁122.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則2.3.1梁與桁第12頁/共55頁132.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則2.3.2桁的更多應(yīng)用第13頁/共55頁142.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則2.3.3拱與梁拱橋梁橋VS拱橋與梁橋的截面應(yīng)力分布對比第14頁/共55頁152.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.3“草木皆兵”原則2.3.4超強(qiáng)的索單根（鍍鋅）高強(qiáng)鋼“絲”多根鋼絲平行成“股”多股鋼束夾緊成“纜”懸索橋的傳力途徑大纜的斷面形成TOC2第15頁/共55頁162.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.4“以柔克剛”原則2.4.1“柔性”的橋梁斜拉橋傳力分析示意對比懸索橋傳力分析示意結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用柔性的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、構(gòu)造來實現(xiàn)其特定的功能預(yù)期。第16頁/共55頁172.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.4“以柔克剛”原則2.4.2“柔性”的構(gòu)件連續(xù)剛構(gòu)橋中需要采取減小墩柱“抗推剛度”的措施，以釋放收縮、降溫等因素對結(jié)構(gòu)的不利影響。第17頁/共55頁182.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.4“以柔克剛”原則2.4.2“柔性”的（隔振）措施希臘里翁--安蒂雷翁大橋主梁為鋼和混凝土面板的疊合圖梁，主梁在縱向和橫向都有位移阻尼系統(tǒng)。在90m直徑的圓形擴(kuò)大基礎(chǔ)下，有更大范圍的鋼管樁群來加固地基，兩者之間為礫石墊層，在有地震或位移時可以產(chǎn)生滑動和緩沖，起了隔震的作用。如果主塔基礎(chǔ)不滑動，那么橋上就會作用很大的地震力，使結(jié)構(gòu)難以抵抗，而現(xiàn)在的處理方法，能消解巨大的地震力，而且也不會發(fā)生成為問題的塑性變形。TOC2第18頁/共55頁192.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.5“欲擒故縱”原則——反向措施2.5.1“預(yù)應(yīng)力”的應(yīng)用預(yù)應(yīng)力作用對截面產(chǎn)生了兩個效果：A.Ny作用下截面受壓B.My=Ny*ey作用下截面受彎結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用預(yù)先施加的“反向措施”來提高結(jié)構(gòu)的承載能力。第19頁/共55頁202.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則按抵消彎矩為目標(biāo)，按彎矩圖形態(tài)布置預(yù)應(yīng)力鋼筋形態(tài)。荷載產(chǎn)生的彎矩預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的軸力荷載產(chǎn)生的應(yīng)力預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力疊加應(yīng)力截面均勻受壓的目標(biāo)從等效荷載的角度，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的效果彎全抵消荷載彎矩，截面只受到軸力作用。因此，預(yù)應(yīng)力布置形狀可參考彎矩圖的形態(tài)。第20頁/共55頁212.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.5“欲擒故縱”原則2.5.2斜拉橋中“體系預(yù)應(yīng)力”的應(yīng)用跨越能力大建筑高度小以彎為主的壓彎構(gòu)件恒載內(nèi)力可調(diào)整主梁在斜拉索支承下，就象多跨彈性支承連續(xù)梁那樣工作，使“局部跨度”顯著減小，讓“整體跨度”能顯著提高，主梁高度“相對”降低。主梁把斜拉索索力的水平分力作為軸力傳遞，形成自錨體系結(jié)構(gòu)。借助斜拉索的預(yù)拉力，可以對主梁的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。TOC2第21頁/共55頁222.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.6“取長補短”原則2.6.1結(jié)合梁的使用結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理搭配構(gòu)件或材料組合，以使得不同構(gòu)件或材料發(fā)揮其優(yōu)勢特點?；炷亮轰摿喝绻邿o連接，受荷彎曲時各自變形，結(jié)合面存在相對滑移。二者通過剪力鍵連接，受荷彎曲時協(xié)調(diào)變形，結(jié)合面僅存在微小相對滑移。剪力鍵通過承擔(dān)水平剪力來抵抗相對滑移，使得鋼、混凝土協(xié)同受力，截面整體抗彎剛度大大提高。結(jié)合梁工作原理示意性圖解第22頁/共55頁232.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則混凝土鋼結(jié)合梁養(yǎng)護(hù)容易養(yǎng)護(hù)困難造價高抗拉強(qiáng)度低抗壓強(qiáng)度高造價低拉壓強(qiáng)度高壓板易失穩(wěn)混凝土翼緣板第23頁/共55頁242.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.6“取長補短”原則2.6.2混合梁的使用自重小混合梁鋼梁混凝土梁輕柔貴剛重賤強(qiáng)度低強(qiáng)度高強(qiáng)弱造價低造價高剛度大自重大剛度小Why?在連續(xù)梁和斜拉橋的主梁中，部分采用混凝土主梁，部分采用鋼主梁，這種布置方式稱為混合式主梁布置，簡稱“混合梁”。第24頁/共55頁25鋼梁砼梁混凝土梁諾曼底橋，鋼梁伸入主跨116米。多多羅橋，邊跨末端設(shè)置混凝土梁。砼梁鋼梁混凝土梁Where?重慶石板坡橋，主跨330m第25頁/共55頁26結(jié)合面混凝土梁鋼梁PC梁過渡段鋼加勁段PC梁標(biāo)準(zhǔn)段鋼梁標(biāo)準(zhǔn)段鋼混結(jié)合段鋼混結(jié)合段立面過渡示意How?TOC2第26頁/共55頁272.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.7“移花接木”原則結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用不同的受力體系相搭配，形成紛繁變化的組合受力體系。2.7.1拱－梁（剛構(gòu)）組合體系橋梁柔性系桿剛性拱

剛性系桿柔性拱

剛性系桿剛性拱

第27頁/共55頁282.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.2連續(xù)－剛構(gòu)體系橋梁連續(xù)梁橋連續(xù)剛構(gòu)橋VS對長大橋梁，連續(xù)剛構(gòu)體系往往是剛構(gòu)主體與連續(xù)梁的組合。連續(xù)－剛構(gòu)體系橋第28頁/共55頁292.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.3斜拉－懸索體系橋梁土耳其伊茲米特海灣（IzmitBay）大橋[設(shè)計方案]第29頁/共55頁30直布羅陀海峽大橋（Gibraltarbridge）

[設(shè)計方案]斜拉－懸索體系橋梁，主跨約5000m（方案構(gòu)思）。林同炎設(shè)計。第30頁/共55頁跨越墨西拿海峽（TheMessinaStraits)橋梁史上跨時代的橋梁第31頁/共55頁322.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.4斜拉－剛構(gòu)組合體系橋梁第32頁/共55頁332.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.5拱－斜拉組合體系橋梁馬來西亞的SeriSaujana斜拉拱橋組合體系斜拉拱橋，主跨300m第33頁/共55頁342.橋梁設(shè)計構(gòu)思上的一些原則2.7“移花接木”原則2.7.6其它建筑結(jié)構(gòu)的組合？TOCTOC2膜結(jié)構(gòu)第34頁/共55頁353.橋梁構(gòu)思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)體系確定材料體系確定設(shè)計及優(yōu)化細(xì)節(jié)工藝方案結(jié)構(gòu)級構(gòu)件級構(gòu)造級定型及定性定量定制3.1橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程第35頁/共55頁363.橋梁構(gòu)思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)3.2PC簡支梁橋設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)混凝土簡支梁的設(shè)計關(guān)鍵：混凝土簡支梁的設(shè)計關(guān)鍵是截面的擬定、（預(yù)應(yīng)力）鋼筋面積和位置設(shè)計。二者又是相互關(guān)聯(lián)的。截面尺寸設(shè)計擬定預(yù)應(yīng)力設(shè)計/鋼筋設(shè)計力鋼筋面積力鋼筋布置受力計算是紐帶參照經(jīng)驗數(shù)據(jù)參照已有圖紙估算布置設(shè)計第36頁/共55頁373.橋梁構(gòu)思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)3.3PC連續(xù)梁橋設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)PC連續(xù)梁橋設(shè)計計算基本流程第37頁/共55頁383.橋梁構(gòu)思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)3.4拱橋設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)混凝土拱橋的設(shè)計流程示意第38頁/共55頁393.橋梁構(gòu)思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)3.5懸索橋設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主跨跨度Lc垂度f邊跨跨度Ls邊跨跨度Ls‘塔高H主跨Lc邊跨Ls邊中跨比垂跨比垂度塔高高跨比寬跨比梁高梁寬高寬比考慮水位和通航由使用要求確定第39頁/共55頁403.橋梁構(gòu)思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)3.6斜拉橋設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)斜拉橋橋型總體設(shè)計中，影響因素多，變量參數(shù)也復(fù)雜，交叉組合的方案更是千變?nèi)f化。但為了抓住主要矛盾，其總體構(gòu)思時，首先要考慮如下五個問題：跨度劃分索塔類型和結(jié)構(gòu)型式主梁類型和結(jié)構(gòu)型式梁、塔、墩連結(jié)型式斜拉索布置類型（索面）塔墩位置主跨大小邊跨大小主梁材料橋面寬度索面數(shù)量主梁截面索塔形式索塔高度索塔截面第40頁/共55頁414.競賽題目解析及其構(gòu)思對策4.1競賽題目三跨連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作競賽題目偏載效應(yīng)考慮包絡(luò)效應(yīng)體系的選擇材料的選擇鉛發(fā)絲線PVC板（任意切割）動力效應(yīng)膠水總重量不超過2Kg長度：1770～1790ｍｍ寬度：200，250ｍｍ第41頁/共55頁第42頁/共55頁434.競賽題目及其構(gòu)思對策4.2可選的橋型可以選擇的橋型？3跨連續(xù)梁（或連續(xù)桁架）3跨連續(xù)拱雙塔自錨式懸索橋或斜拉橋組合體系橋梁T型剛構(gòu)橋其他的組合橋型？總的要求：三跨連續(xù)第43頁/共55頁預(yù)賽時首先須校驗各參賽作品制作（包括材料、結(jié)構(gòu)尺寸、凈空尺寸等）是否滿足競賽規(guī)定的限制要求。預(yù)賽時須測定參賽作品總重量G（單位：g），并校驗G數(shù)值是否滿足競賽規(guī)定的限制要求（不超過２０００g）。對于滿足重量要求和制作要求的結(jié)構(gòu)，方可進(jìn)行移動荷載加載試驗及撓度測試移動荷載加載前，須在每跨集中加載點各懸掛1kg的砝碼作為預(yù)載，并以此作為撓度測試的變形基準(zhǔn)點。預(yù)賽時的移動小車荷載加載方式為：兩輛自重各為４kg的移動小車，分別從模型兩端牽引相向而行，勻速通過整個模型。移動小車通過整個模型的時間限定在１分鐘之內(nèi)。小車移動過程中由工作人員操作儀器自動采集模型四個撓度測點的撓度值（以預(yù)載撓度為基準(zhǔn)、因移動荷載而引起的撓度增量）。發(fā)生以下情形之一者，即視為加載失?。海?）模型在移動荷載加載過程中發(fā)生破壞（2）撓度值的最大絕對值超過20mm計算各模型的預(yù)賽荷重比P/G，其中P取為10kg。對加載成功的作品按預(yù)賽荷重比大小進(jìn)行排名，取前50名作品直接進(jìn)入決賽。4.3加載方案（預(yù)賽）第44頁/共55頁決賽第一步加載加載加載說明測定和校驗內(nèi)容成績評定系數(shù)Ki步驟工況加載失敗加載通過第一次加載（撓度測試荷載工況）1.1預(yù)載按要求擺放結(jié)構(gòu)模型、調(diào)試撓度測試儀器。將集中力布置于三跨跨中吊點處，具體見示意圖。集中力大小為單點1kg（用1kg的基準(zhǔn)砝碼施加）。此步驟主要是起穩(wěn)定模型的作用，便于撓度數(shù)值測量，提高其精確度。校驗結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)整體、構(gòu)件、局部破壞或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。出現(xiàn)上述情況者視為該工況加載失敗。該步驟不進(jìn)行撓度校驗撓度K1＝0撓度K1＝0靜載K2=0靜載K2＝0動載K3=0動載K3=0

1.2移動荷載兩名選手分別牽引一輛移動小車，由雙車道同時勻速相向移動，通過模型。移動小車長約10cm，小車重量４kg。當(dāng)小車行駛至各跨跨中時，須停止5秒，然后前進(jìn)。小車通過整個模型的時間限定在１分鐘內(nèi)。選取整個加載過程中撓度測點的最大絕對值作為模型豎向撓度δ（單位mm）撤除懸掛的集中荷載校驗結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)整體、構(gòu)件、局部破壞或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。出現(xiàn)上述情況者視為該工況加載失敗。校驗整個加載過程中模型的撓度值是否超限。豎向撓度大于20mm視為該工況加載失敗撓度K1＝0撓度由δ計算K1靜載K2=0靜載由８kg計算K2動載K3=0動載K3＝0備注（1）第一次加載全部成功后方可進(jìn)入第二次加載流程。（2）成績評定系數(shù)的計算參見第5.6條。第45頁/共55頁決賽第二步加載加載加載說明測定和校驗內(nèi)容成績評定系數(shù)Ki分步工況加載失敗加載通過第二次加載（承載能力荷載工況）2.1集中力增載將各吊點的集中力荷載增加至6kg。單點集中力荷載由基準(zhǔn)荷載3kg和附加荷載3kg構(gòu)成。其中，基準(zhǔn)荷載3kg砝碼由一根可自由變形的彈簧懸掛在吊點上，附加荷載3kg砝碼由一根鉛發(fā)絲線懸掛在基準(zhǔn)荷載下方。校驗結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)整體、構(gòu)件、局部破壞或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。出現(xiàn)上述情況者視為該工況加載失敗。該步驟不進(jìn)行撓度校驗。撓度K1撓度K1靜載由８kg計算K2靜載由８kg計算K2動載K3=0動載K3=02.2移動荷載用兩輛相同的移動小車串連后形成總重為８kg的一個車輛組，由選手從一個車道牽引勻速行駛至剛度較弱跨的跨中，停止前進(jìn)。具體車道及剛度較弱跨的選擇由現(xiàn)場評委根據(jù)模型加載情況指定。校驗結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)整體、構(gòu)件、局部破壞或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。出現(xiàn)上述情況者視為該工況加載失敗。校驗整個加載過程中模型的撓度值是否超限豎向撓度大于20mm視為該工況加載失敗。撓度K1撓度K1靜載由８kg計算K2靜載由１４kg計算K2動載K3=0動載K3=02.3振動加載保持2.2荷載工況。剪斷移動小車所在跨跨中的附加荷載3kg砝碼的連接鉛發(fā)絲線。任模型及其上所有荷載自行振動10秒后，參賽選