桂江大桥设计毕业论文
2021-10-24 15:52:53
摘 要
本设计项目为桂江大桥主桥的设计计算，其建设目的是为了加强广西各市的联系，打通对外交流通道，以促进广西经济发展。根据桂江大桥所在地的勘测资料，考虑桥梁的安全性、经济性、美观等各方面因素，进行最优的桥梁设计。经过对比各桥型的优缺点和论证各方案，最终选择连续刚构桥的设计方案。
本设计的主要内容为桥梁结构内力计算、预应力钢筋估算以及截面受力验算。本项目选用桥型的超静定次数较多，为方便计算、节省时间，本设计将运用Midas Civil 2019对桥梁结构建模并进行受力计算与验算，并由Excel进一步处理Midas Civil的计算结果。
关键词：桂江大桥；有限元；结构分析
Abstract
This project is architectural design and calculation of Guijiang bridge, for the convenient of the local citizens, and the development of economy in Guangxi province. According to the feature of the geology and climate, I will come up with several design schemes, and pick up the best one based on the requirements of security, applicability, economics, aesthetic and so on. After scanning some books, I finally select this one —— the prestressed concrete continuous rigid frame bridge (80m 130m 80m). The main beam is the variable cross-section single box single room prestressed box grider which will be constructed in the method of the cantilever construction. And the piers are double thin-wall piers.
The major tasks of this project are architectural calculation, steel bar calculation, and stress check calculation. Because it is difficult to finish these tasks only by myself, I will use the finite element analysis application to build the bridge model and calculate. Besides, I will also use Excel for further data processing.
Keywords: Guijiang bridge; finite element; structual analysis
1 绪论
1.1 背景和动机
在我国水网密集的南方地区，如武汉，武汉三市之间的人流物流，在没有长江大桥之前，只能通过效率低下的渡轮运送，而桥梁的出现，大大节省了“交流”的时间，提高效率。而且设计精美的桥梁，也可以作为一个城市的标志性建筑，吸引广大游客参观，促进旅游业。正如我国的桥梁博物馆——武汉，这座城市有着各式各样的长江大桥，为来自世界各地旅客提供了“打卡”的地点。
一片区域经济的发展，离不开与外界人力、物力的沟通。正所谓“想要富，先修路”，为响应习近平总书记建立“交通强国”的号召，为更好的接收来自广东的产业、资金，以及引进各地人才，作为广东省的邻居，广西必须加强交通路网的建设，打通广西内部各市以及同省外城市的联系。大坡桂江大桥，作为连接马江至梧州的高速公路桥，具有重要的经济意义：能较好地带动周围城市经济的发展，尤其梧州紧邻广东省肇庆市，有利于广西以梧州市为跳板，进一步承接广东制造业，推动“泛珠三角”区域规划的发展。
1.2 主要内容
本毕业设计是按照指导教师所给的设计资料，完成以下设计内容：
（1）方案比选：
根据提供的勘测资料，了解桥址、当地气候和地质等相关内容，查阅同地区类似地质、气候条件下已建成桥梁的桥型以及相关设计资料，以供拟定桥型时参考。
查阅有关的文献资料，熟悉各种桥型的特点。尽量提出较多的桥梁设计方案（本文提出3个桥型方案）以便于优中选优。拟定候选方案后，根据当地气候、地质条件进行方案比选，得出较为合理的设计方案。
（2）内力计算与验算：
- 按所选桥型方案，参考相似跨径的同种桥梁，拟定合理的主梁截面尺寸，运用Midas Civil 2019进行桥梁建模。在拟定桥梁截面尺寸后进行荷载组合，运用Midas Civil 2019计算出各控制截面的内力，尤其是剪力Fy和弯矩Mz。
- 根据Midas Civil 2019计算所得的各控制截面内力，按照规范要求估算所需的预应力钢束和普通钢筋面积，以供截面配筋参考，最后根据实际配筋情况和截面尺寸对桥梁进行结构验算并进一步优化桥梁模型。
（3）施工图绘制：运用AutoCAD等工程制图软件绘制桥梁上部结构施工图纸。
（4）施工方案设计：根据比选后确定的最终的桥梁设计方案，制定科学合理可行的桥型施工方案。
2 方案比选
2.1 方案比选的意义及要求
在获得勘测资料后，进行桥梁设计的第一步即是进行桥梁方案比选，这也是整个设计过程中最重要的一步。只有在了解当地地质、气候等条件后，进行科学、详细地论证，才能得到较为合理的设计方案。而且，也只有依靠合理的设计方案，才能优化桥梁设计，提高桥梁性能，节约建设成本。
本章将会按照拟定初选方案，对比、论证各初选方案，确定最终方案的顺序继续编写。对比、论证阶段，将会根据以下几点要求：安全、适用、经济、美观，尤其是安全性和经济性的要求，选出最终的桥梁设计方案。
2.2 桥址建设条件
由本部分涉及的内容较多，为了方便表达，将做成表格的形式（表2-1）。
表2-1 勘测资料
建设条件 | 具体情况 |
地形地貌 | 桂江大桥位于广西壮族自治区梧州市内，呈南北走向跨越桂江，连接马江至梧州的高速公路桥梁。桂江在桥址处河宽约为350m，呈东西走向，测时水位为10.47m。该桥址两岸为Ⅰ级河谷阶地，地势低平。根据桥址处的地貌成因类型和形态组合特征，可将该地区的地貌归为侵蚀堆积类型。 |
气候特征 | 项目区处于广西壮族自治区东部，属亚热带湿润季风气候，夏季较为潮湿、闷热，冬季温度适中、降雨少，水热条件较好。查阅梧州的气象资料，得到以下数据： 梧州的多年平均气温为21.1℃；最热月7月的月平均气温为28.9℃；最冷月1月的月平均气温为11.9℃。极端最高气温为39.7℃，极端最低气温为-3.1℃。年平均相对湿度为79%，春、夏季较为湿润，秋、冬季则较为干燥。年平均降雨量1503.6毫米，年平均日照时数为1915小时，日照百分率43.7。冬春季节常出现“回南天”大雾天气，夏秋季节则常受台风侵袭，并伴随有强降雨。在《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）（以下简称《通规》）中属于温热地区。 |
水文特征 | 作为珠江流域干流西江水系一级大支流之一的桂江，位于广西壮族自治区东北部，其源头位于广西第一高峰——猫儿山，流经桂林、梧州等市县。桂江干流全长426km，流域面积19288km2，河道平均坡降为0.247%，河面均宽200m。流域整体地形西北高东南低，故水流流向为自西北流向东南。位于广西东部的恭城河、荔浦河、思勤河和富群江是桂江主要干流。 |
续表2-1
建设条件 | 具体情况 |
水文特征 | 从地图上可知，桥址位于桂江下游。该处河段的多年平均降水量为1620~2016mm，汛期为每年的3~9月，其中4~8月的降水量占全年降水量的60%以上。故应合理规划施工方案，避开汛期，在枯水期加快进行施工建设，以缩短工期。 |
地质 | 桥址段河床为细砂岩，并有较多卵砾石。河谷为U字形，有第四纪冲击、坡积物分布，形成Ⅰ级河谷阶地。根据《公路桥梁地基与基础设计规范》（JTG D63-2007），该段岩石地基属于软质岩，地基土为不冻胀土。 |
2.3 设计标准
在所给的勘测资料中，提炼技术标准，整理出表2-2。
表2-2 技术标准
标准 | 内容 |
道路等级 | 高速公路 |
设计行车速度 | 80km/h |
桥面布置 | 分离式双向四车道 |
设计荷载等级 | 汽车荷载：公路-Ⅰ级 人群荷载：3.0kN/m |
设计洪水频率 | 1/100 SW（1%）=32.17m |
通航等级 | 内河Ⅴ（3）级 |
桥梁设计基准年限 | 100年 |
材料 | 主梁：C50混凝土 桥面铺装：防水混凝土 防撞护栏：C25混凝土 桥墩：C50混凝土 |
线形 | 直线桥，竖曲线为水平直线 |
2.4 设计依据
本项目所用的主要规范已归纳于表2-3中。
表2-3 技术规范
技术规范 |
《公路工程技术标准》（JTG B01-2014） |
《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015） （简称：《通规》） |
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2018） （简称：《桥规》） |
《公路桥梁地基与基础设计规范》（JTG D63-2007） |
2.5 初拟桥型方案
桂江大桥跨江段桩号为K256 900~K261 400，引桥段拟采用4跨预应力简支T梁，每跨40m。现根据所提供勘测资料以及当地的地质、气候等相关资料，初步拟定三个主桥桥型方案列于表2-4中：
表2-4 桥型方案
方案 | 桥型 | 跨径组合 |
Ⅰ | 预应力混凝土连续梁桥 | 80m 130m 80m |
Ⅱ | 预应力混凝土连续刚构桥 | 80m 130m 80m |
Ⅲ | 自锚式独塔斜拉桥 | 80m 130m 80m |
2.6 候选方案Ⅰ：三跨预应力混凝土连续梁桥
2.6.1 桥跨布置
本方案的桥跨布置已于表2-4中列出，其桥跨布置图如图2.1所示，连续梁体为单箱单室变高度箱梁。
桥跨各参数依据规范要求，归纳于表2-5。
