競賽培訓之04：大跨橋梁結構選型思路解說

1、PRODUCED BY：Wenxiong Huang 1 大跨度橋梁結構選型思路解說大跨度橋梁結構選型思路解說 結構設計大賽競賽培訓之結構設計大賽競賽培訓之04： 長江大學長江大學結構設計競賽培訓課件（黃文雄）結構設計競賽培訓課件（黃文雄） 關鍵詞：關鍵詞： 知識培訓知識培訓 拋磚引玉拋磚引玉 撥云見日撥云見日 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 2 講座內容講座內容 橋梁結構設計原則的回顧橋梁結構設計原則的回顧 1 橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2 橋梁構思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)橋梁構思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié) 3 PRODUCED BY：Wenxiong Huang

2、 3 講座目的講座目的 目的目的 拋磚引玉拋磚引玉 撥云見日撥云見日 備戰(zhàn)大賽備戰(zhàn)大賽 形成專業(yè)思維素養(yǎng)形成專業(yè)思維素養(yǎng) v圍繞圍繞“橋梁橋梁”結構知識，從概念設計角度上對結構知識，從概念設計角度上對 設計構思方面的原則和方法進行輪廓性介紹。設計構思方面的原則和方法進行輪廓性介紹。 TOC PRODUCED BY：Wenxiong Huang 4 1.橋梁結構設計原則的回顧橋梁結構設計原則的回顧 橋梁是供汽車、橋梁是供汽車、 火車、行人、特殊構筑物等火車、行人、特殊構筑物等跨越跨越障礙（河流、山谷障礙（河流、山谷 或其它線路）的建筑工程物。或其它線路）的建筑工程物。 跨越跨越 PRODUCED

3、 BY：Wenxiong Huang 5 1.橋梁定義和設計原則的回顧橋梁定義和設計原則的回顧 1.21.2橋梁設計的基本原則橋梁設計的基本原則 安全安全 適用適用 經濟經濟 美觀美觀 有利環(huán)保有利環(huán)保 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 6 1.橋梁定義和設計原則的回顧橋梁定義和設計原則的回顧 v 橋上車輛、行人及施工機具的安全，也包括橋梁本身的安全。結構在橋上車輛、行人及施工機具的安全，也包括橋梁本身的安全。結構在 使用年限內，在各種自然情況和荷載作用下，具有足夠的承載能力和使用年限內，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

4、求。足夠的安全度，是對每一座橋梁的基本要求。 安全要求安全要求 核心要求核心要求 結構結構 安全安全 交通交通 安全安全 人員人員 安全安全 結構安全結構安全 體系安全（整體）體系安全（整體） 構件安全（局部）構件安全（局部） 構造安全（細節(jié)）構造安全（細節(jié)） PRODUCED BY：Wenxiong Huang 7 1.橋梁定義和設計原則的回顧橋梁定義和設計原則的回顧 v 能保證行車的通暢、舒適和安全；橋梁運量既能滿足當前需要，也可能保證行車的通暢、舒適和安全；橋梁運量既能滿足當前需要，也可 適當照顧今后發(fā)展；對跨越線路或河流的橋梁，要求不妨礙橋下交通適當照顧今后發(fā)展；對跨越線路或河流的橋梁

5、，要求不妨礙橋下交通 或通航；靠近城市、村鎮(zhèn)等的橋梁，還當綜合考慮橋頭和引橋地區(qū)的或通航；靠近城市、村鎮(zhèn)等的橋梁，還當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，橋梁一般只需常規(guī)養(yǎng)護維修就可保證日環(huán)境和發(fā)展；在使用年限內，橋梁一般只需常規(guī)養(yǎng)護維修就可保證日 常使用。常使用。 適用要求適用要求 橋梁適用性橋梁適用性 運營荷載的需求運營荷載的需求 結構的適用性結構的適用性 主要由其功能所決定主要由其功能所決定 大賽中的體現(xiàn)大賽中的體現(xiàn)移動加載的體現(xiàn)移動加載的體現(xiàn) PRODUCED BY：Wenxiong Huang 8 1.橋梁定義和設計原則的回顧橋梁定義和設計原則的回顧 v 在在安全、適

6、用安全、適用的前提下，經濟是衡量技術水平和作出方案選擇的主要的前提下，經濟是衡量技術水平和作出方案選擇的主要 因素。橋梁設計應體現(xiàn)出經濟特性。對于重大的橋梁工程，必須進行因素。橋梁設計應體現(xiàn)出經濟特性。對于重大的橋梁工程，必須進行 多方案的比較，詳細研究技術上的可行性和先進性以及經濟上的合理多方案的比較，詳細研究技術上的可行性和先進性以及經濟上的合理 性。這樣，才能對橋梁的建造消耗、施工、技術發(fā)展和今后使用等因性。這樣，才能對橋梁的建造消耗、施工、技術發(fā)展和今后使用等因 素進行統(tǒng)籌考慮，得出合理的經濟結論。素進行統(tǒng)籌考慮，得出合理的經濟結論。 經濟要求經濟要求 大賽中的體現(xiàn)大賽中的體現(xiàn)參賽模型

7、結構質量最小化參賽模型結構質量最小化 橋梁經濟性橋梁經濟性 需按結構全壽命周期考慮需按結構全壽命周期考慮 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 9 1.橋梁定義和設計原則的回顧橋梁定義和設計原則的回顧 v 在在安全安全、適用適用和和經濟經濟的前提下，盡可能使橋梁具有優(yōu)美的外形，并與的前提下，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，這就是對橋梁美觀的基本要求。合理的輪廓造型周圍的環(huán)境相協(xié)調，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、以及結構風格和色彩與周圍環(huán)境的和諧和布局、正確的表現(xiàn)力傳遞、以及結構風格和色彩與周圍環(huán)境的和諧 一致，是體現(xiàn)美

8、觀的主要因素。在城市和游覽地區(qū)，可適當考慮橋梁一致，是體現(xiàn)美觀的主要因素。在城市和游覽地區(qū)，可適當考慮橋梁 建筑的藝術處理，但不應當追求浮華和繁瑣的細部裝飾。建筑的藝術處理，但不應當追求浮華和繁瑣的細部裝飾。 美觀要求美觀要求 大賽中的體現(xiàn)大賽中的體現(xiàn) 體現(xiàn)受力特點的體系造型體現(xiàn)受力特點的體系造型 TOC PRODUCED BY：Wenxiong Huang 10 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.12.1橋梁設計上的總體把握層次和環(huán)節(jié)橋梁設計上的總體把握層次和環(huán)節(jié) 對對 橋橋 梁梁 工工 程程 的的 總總 體體 把把 握握 和和 認認 識識 砼砼 組合組合其他其他 木

9、木 鋼鋼 材料材料 拱拱 組合組合 索索 梁梁 體系體系 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 11 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.22.2橋梁設計構思上的實用原則橋梁設計構思上的實用原則 v 橋梁設計構思需要在對結構整體行為認識深化下總結提煉出一橋梁設計構思需要在對結構整體行為認識深化下總結提煉出一 些指導實際工作的思維方法。些指導實際工作的思維方法。 草木草木 皆兵皆兵 以柔以柔 克剛克剛 欲擒欲擒 故縱故縱 取長取長 補短補短 移花移花 接木接木 TOC PRODUCED BY：Wenxiong Huang 12 2.橋梁設計構思上的一些原則橋

10、梁設計構思上的一些原則 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原則原則 v 結構設計中實現(xiàn)結構設計中實現(xiàn) “物盡其用物盡其用”。 拱拱 組合組合 索索 梁梁 體系體系 結構級結構級 構件級構件級 構造級構造級 體系分類體系分類 A.A.組成結構的構件充分發(fā)揮作用組成結構的構件充分發(fā)揮作用 B.B.構件的斷面組成能充分發(fā)揮強度性能構件的斷面組成能充分發(fā)揮強度性能 結構層次結構層次 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 13 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原則原則 2.3.12.3.1梁與桁梁與桁 PRODUCED BY：Wenxi

11、ong Huang 14 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原則原則 2.3.22.3.2桁的更多應用桁的更多應用 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 15 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原則原則 2.3.32.3.3拱與梁拱與梁 拱橋拱橋梁橋梁橋 VS 拱橋與梁橋的截面應力分布對比拱橋與梁橋的截面應力分布對比 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 16 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.32.3“草木皆兵草木皆兵”原則原則 2.

12、3.42.3.4超強的索超強的索 單根（鍍鋅）單根（鍍鋅） 高強鋼高強鋼“絲絲” 多根鋼絲多根鋼絲 平行成平行成“股股” 多股鋼束多股鋼束 夾緊成夾緊成“纜纜” 懸索橋的傳力途徑懸索橋的傳力途徑 大纜的斷面形成大纜的斷面形成 TOC2 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 17 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.42.4“以柔克剛以柔克剛”原則原則 2.4.12.4.1“柔性柔性”的橋梁的橋梁 斜拉橋傳力分析示意斜拉橋傳力分析示意 對比對比 懸索橋傳力分析示意懸索橋傳力分析示意 v 結構設計中采用柔性的結構、構件、構造來實現(xiàn)其特定的功結構設計中采用柔性的

13、結構、構件、構造來實現(xiàn)其特定的功 能預期。能預期。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 18 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.42.4“以柔克剛以柔克剛”原則原則 2.4.22.4.2“柔性柔性”的構件的構件 連續(xù)剛構橋中需要采取減小墩柱連續(xù)剛構橋中需要采取減小墩柱“抗推剛度抗推剛度”的措施，以釋放收縮、降溫等因素對結構的措施，以釋放收縮、降溫等因素對結構 的不利影響。的不利影響。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 19 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.42.4“以柔克剛以柔克剛”原則原則 2.4.22.

14、4.2“柔性柔性”的（隔振）措施的（隔振）措施 希臘里翁里翁-安蒂雷翁大橋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直徑的圓形擴大基礎下，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生滑動和緩沖，起了隔震的作用。如 果主塔基礎不滑動，那么橋上就會作用很大的地震力，使結構難以抵抗，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 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 20 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.52.5“欲擒故縱欲擒故縱”原則原則反

15、向措施反向措施 2.5.12.5.1“預應力預應力”的應用的應用 預應力作用對截面預應力作用對截面 產生了兩個效果：產生了兩個效果： A.NyA.Ny作用下截面受壓作用下截面受壓 B.My=NyB.My=Ny* *eyey作用下截面受彎作用下截面受彎 v 結構設計中采用預先施加的結構設計中采用預先施加的“反向措施反向措施”來提高結構的承載來提高結構的承載 能力。能力。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 21 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 p按抵消彎矩為目標，按彎矩圖形態(tài)布置預應力鋼筋形態(tài)。按抵消彎矩為目標，按彎矩圖形態(tài)布置預應力鋼筋形態(tài)。 荷載產生的

16、彎矩荷載產生的彎矩 預應力產生的彎矩預應力產生的彎矩 預應力產生的軸力預應力產生的軸力 荷載產生的應力荷載產生的應力 預應力產生的應力預應力產生的應力 疊加應力疊加應力 截面均勻截面均勻 受壓的目受壓的目 標標 從等效荷載的角度，預應力產生的效果彎全抵消荷載彎矩，截面只受到軸力從等效荷載的角度，預應力產生的效果彎全抵消荷載彎矩，截面只受到軸力 作用。因此，預應力布置形狀可參考彎矩圖的形態(tài)。作用。因此，預應力布置形狀可參考彎矩圖的形態(tài)。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 22 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.52.5“欲擒故縱欲擒故縱”原則原則 2.

17、5.22.5.2斜拉橋中斜拉橋中“體系預應力體系預應力”的應的應 用用 跨越能力大跨越能力大 建筑高度小建筑高度小 以彎為主的壓彎構件以彎為主的壓彎構件 恒載內力可調整恒載內力可調整 主梁在斜拉索支承下，就象多跨彈性支承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，使連續(xù)梁那樣工作，使“局部跨度局部跨度”顯著減顯著減 小，讓小，讓“整體跨度整體跨度”能顯著提高，主梁高能顯著提高，主梁高 度度“相對相對”降低。降低。 主梁把斜拉索索力的水平分力作為軸力傳主梁把斜拉索索力的水平分力作為軸力傳 遞，形成自錨體系結構。遞，形成自錨體系結構。 借助斜拉索的預拉力，可以對主梁的內力借助斜拉索的預拉

18、力，可以對主梁的內力 進行調整。進行調整。 TOC2 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 23 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.62.6“取長補短取長補短”原則原則 2.6.12.6.1結合梁結合梁的使用的使用 v 結構設計中合理搭配構件或材料組合，以使得不同構結構設計中合理搭配構件或材料組合，以使得不同構 件或材料發(fā)揮其優(yōu)勢特點。件或材料發(fā)揮其優(yōu)勢特點。 混凝土梁混凝土梁 鋼梁鋼梁 p如果二者無連接，受荷彎曲時各自變形，如果二者無連接，受荷彎曲時各自變形， 結合面存在相對滑移。結合面存在相對滑移。 p二者通過剪力鍵連接，受荷彎曲時協(xié)調變二者通過剪力

19、鍵連接，受荷彎曲時協(xié)調變 形，結合面僅存在微小相對滑移。剪力鍵通形，結合面僅存在微小相對滑移。剪力鍵通 過承擔水平剪力來抵抗相對滑移，使得鋼、過承擔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混凝土協(xié)同受力，截面整體抗彎剛度大大提 高。高。 結合梁工作原理示意性圖解結合梁工作原理示意性圖解 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 24 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 混凝土混凝土鋼鋼 養(yǎng)護容易養(yǎng)護容易 養(yǎng)護困難養(yǎng)護困難 造價高造價高 抗拉強度低抗拉強度低 抗壓強度高抗壓強度高 造價低造價低 拉壓強度高拉壓強度高 壓板易失穩(wěn)壓板易失

20、穩(wěn) 混凝土翼緣板混凝土翼緣板 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 25 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.62.6“取長補短取長補短”原則原則 2.6.22.6.2混合梁混合梁的使用的使用 自重小自重小 鋼梁鋼梁混凝土梁混凝土梁 輕輕 柔柔 貴貴 剛剛 重重 賤賤 強度低強度低 強度高強度高 強強弱弱 造價低造價低 造價高造價高 剛度大剛度大 自重大自重大 剛度小剛度小 v 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，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，簡稱這種布置方式稱為混

21、合式主梁布置，簡稱“混合梁混合梁”。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 26 鋼梁鋼梁 砼梁砼梁 混凝土梁混凝土梁 諾曼底橋，鋼梁伸入主跨諾曼底橋，鋼梁伸入主跨116米。米。 多多羅橋，邊跨末端設置混凝土梁。多多羅橋，邊跨末端設置混凝土梁。 砼梁砼梁 鋼梁鋼梁 混凝土梁混凝土梁 重慶石板坡橋，主跨 330m PRODUCED BY：Wenxiong Huang 27 結合面結合面 混凝土梁混凝土梁 鋼梁鋼梁 PC梁過渡段梁過渡段 鋼加勁段鋼加勁段 PC梁標準段梁標準段 鋼梁標準段鋼梁標準段 鋼混結合段鋼混結合段 鋼混結合段立面過渡示意鋼混結合段立面過渡示意 TOC2 PRO

22、DUCED BY：Wenxiong Huang 28 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.72.7“移花接木移花接木”原則原則 v 結構設計中使用不同的受力體系相搭配，形成紛繁變結構設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?；慕M合受力體系。 2.7.12.7.1拱梁（剛構）組合體系橋梁拱梁（剛構）組合體系橋梁 柔性系桿剛性拱柔性系桿剛性拱 剛性系桿柔性拱剛性系桿柔性拱 剛性系桿剛性拱剛性系桿剛性拱 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 29 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.72.7“移花接木移花接木”原則原則

23、 2.7.22.7.2連續(xù)剛構體系橋梁連續(xù)剛構體系橋梁 連續(xù)梁橋連續(xù)梁橋連續(xù)剛構橋連續(xù)剛構橋 VS 連續(xù)梁橋均布荷載q均布荷載q 對長大橋梁，連續(xù)對長大橋梁，連續(xù) 剛構體系往往是剛構主體與連續(xù)梁的組合。剛構體系往往是剛構主體與連續(xù)梁的組合。 連續(xù)剛構體系橋連續(xù)剛構體系橋 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 30 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.72.7“移花接木移花接木”原則原則 2.7.32.7.3斜拉懸索體系橋梁斜拉懸索體系橋梁 土耳其土耳其 伊茲米特海灣（伊茲米特海灣（Izmit BayIzmit Bay）大橋）大橋 設計方案設計方案 PROD

24、UCED BY：Wenxiong Huang 31 直布羅陀海峽大橋（直布羅陀海峽大橋（Gibraltar bridge） 設計方案設計方案 斜拉懸索體系橋梁，主斜拉懸索體系橋梁，主 跨約跨約5000m（方案構思）。（方案構思）。 林同炎設計。林同炎設計。 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 跨越墨西拿海峽（跨越墨西拿海峽（The Messina Straits) 橋梁史上跨時 代的橋梁 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 33 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.72.7“移花接木移花接木”原則原則 2.7.42.7.4斜拉剛構組合體

25、系橋梁斜拉剛構組合體系橋梁 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 34 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.72.7“移花接木移花接木”原則原則 2.7.52.7.5拱斜拉組合體系橋梁拱斜拉組合體系橋梁 馬來西亞的馬來西亞的Seri Saujana斜拉拱橋組合體系斜拉拱橋組合體系斜拉拱橋，斜拉拱橋，主跨主跨300m PRODUCED BY：Wenxiong Huang 35 2.橋梁設計構思上的一些原則橋梁設計構思上的一些原則 2.72.7“移花接木移花接木”原則原則 2.7.62.7.6其它建筑結構的組合？其它建筑結構的組合？ TOCTOC2 膜結膜結

26、構構 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 36 3.橋梁構思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)橋梁構思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié) 結構體系確定結構體系確定材料體系確定材料體系確定 設計及優(yōu)化設計及優(yōu)化 細節(jié)工藝方案細節(jié)工藝方案 結構級結構級 構件級構件級 構造級構造級 3.13.1橋梁結構的設計流程橋梁結構的設計流程 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 37 3.橋梁構思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)橋梁構思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié) 3.2PC3.2PC簡支梁橋設計的關鍵環(huán)節(jié)簡支梁橋設計的關鍵環(huán)節(jié) 混凝土簡支梁的設計關鍵：混凝土簡支梁的設計關鍵： p混凝土簡支梁的設計關鍵是截面的擬定、（預應力）鋼筋面積和位置設計?；炷梁喼Я旱脑O計關鍵是截面的擬定、（預應力）鋼筋面積和位置設計。 p二者又是相互關聯(lián)的。二者又是相互關聯(lián)的。 截面尺寸設計擬定截面尺寸設計擬定預應力設計預應力設計/ /鋼筋設計鋼筋設計 力鋼筋面積力鋼筋面積力鋼筋布置力鋼筋布置 受力計算受力計算 是紐帶是紐帶 參照經驗數據參照經驗數據 參照已有圖紙參照已有圖紙 估算估算布置設計布置設計 PRODUCED BY：Wenxiong Huang 38 3.橋梁構思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié)橋梁構思實現(xiàn)上的控制環(huán)節(jié) 3.3PC3.3PC連續(xù)梁橋設計的關鍵環(huán)節(jié)連續(xù)梁橋設計的關鍵環(huán)節(jié) PC連續(xù)梁橋設