1. 研究目的与意义（文献综述）

毕业设计的目的及意义：

毕业设计的目的在于培养毕业生的综合能力，它是道桥专业本科培养计划中最后的一个主要教学环节，也是最重要的综合性实践教学环节，和其它教学环节不同，毕业设计要求学生关注学术动态，充分地了解国内外桥梁设计的发展现状及趋势，并灵活运用大学所学的各门基础课和专业课知识，结合相关设计规范，在指导老师的指导下，独立地完成一个专业课题的设计工作，解决与之有关的所有问题，熟悉相关设计规范、手册、标准图以及工程实践中常用的方法。具有实践性、综合性强的显著特点。

2. 研究的基本内容与方案

研究（设计）的基本内容：

一、初始资料：

埃塞WM公路三号大桥桥梁位于阿尔法州部落境内，属高原地带，自然条件有明显的垂直分带现象，桥址范围属丘陵-低山地貌，桥位处地形起伏不平，大面积杂树林。线路在D2K197 165左右跨越土质不规则河沟，旱季无水。桥梁设计采用中国规范，设计车辆荷载等级为公里I级，桥梁地质地形图另附。

二、主要任务：

1.方案设计

在可行的方案中进行方案比较，产生推荐方案，提交方案报告。方案报告由方案比较图(3号加长，平立面比例1：200)和相应设计说明组成。

2．技术设计

(1)完善总体布置图。根据技术设计的成果，细化完善方案设计时绘制的总体布置图；

(2)绘制主体结构的构造图(2张3号图)；

(3)绘制主体结构的钢筋图(2张3号图)；

(4)绘制施工方案(程序)图(1张3号图)；

(5)主要工程数量计算(提交计算书，汇总表写入设计说明书)。

目标：

1.提交设计说明书文件，内容包括方案选型说明，所定结构布置、结构计算简图及分析过程等，装订成册，字数不少于0.8万字。设计计算说明书中涉及参考文献不低于10篇；

2.提交有关图纸，包括至少3张3号加长方案图和其他5张3号图。图纸中至少包含一张手绘图纸，其他可以采用用计算机绘图，但要求有粗、中、细三种线型，图纸标题栏另行要求。

拟采用的技术方案：

桥梁方案比选

1、概述

在满足桥梁设计安全、耐久、经济、技术先进、美观环保的基本要求下,设计人员要通过自身的专业技术知识、工程经验以及参考国内外已有的桥梁方案,首先依据规范或者特定的程序进行探究与推导甚至创新,得到满足实际条件与要求的各种方案,再将得到的几项方案进行各项指标的比较最后选出最优方案,进行下一步设计。

1.1拟定桥梁图示

拟定桥梁方案,首先确定桥梁的总体布置，不仅要考虑平面的线型布置,纵断面线型布置,以及横断面桥面布置,还要结合实际情况以及工程设计经验,在拟定桥型的情况下进行分孔,确定跨径大小、墩台位置等。据此通过相似的步骤拟定各种具有特点与优点的不同桥型方案,绘制成桥梁图示。

1.2编制方案

根据拟定的桥梁方案,继而根据不同的桥型拟定上部结构,比如梁桥的主梁,横隔板以及附属设施,再拟定墩台基础等下部结构,再直接计算或者估算出上下部的主要工程量, 并考虑施工方式,得到该方案的各项技术经济指标,比如材料用量,工期造价等。最终可以绘制出桥梁方案的横断面图以及在桥址断面中的立面图。

1.3技术经济比较和最优方案的选定

根据上述编制的各项方案,分析以上的各项指标在都满足设计原则的条件下,往往技术和造价等各种因素不能同时达到最优,这时就需要分析实际项目任务的侧重点,选定最满足要求的方案,即选定出了最优方案。

本次埃塞WM公路三号大桥设计,根据技术标准、平纵横布置、桥位地形地貌、工程地质、水文条件、气候条件等,拟定了三种满足要求且不同体系的图示来编制桥型评选方案,以下分别是预应力混凝土连续梁桥、预应力混凝土连续刚构桥、独塔混凝土斜拉桥三种方案。如图1.1至1.3所示。

图1.1预应力混凝土连续梁桥方案（单位：m）

图1.2预应力混凝土连续钢构桥方案（单位：m）

图1.3独塔混凝土斜拉桥方案（单位：m）

2、预应力混凝土连续梁桥（32m （65 110 65）m 10×32m）

2.1方案构思

根据埃塞WM公路三号大桥所处的自然环境和社会环境特点，拟设计为预应力混凝土连续梁桥，该桥型施工方便，操作简单，且较为经济。本桥的总体设计构思是以“安全，适用，经济，美观和有利环保”作为基本原则，同时还考虑了建造技术的先进性以及可持续发展的要求，兼顾美观、便于施工、就地取材。施工方法可采用悬臂浇筑施工，施工周期快且简单。

2.2总体布置

2.2.1纵断面布置

跨径拟定:根据已有的路线资料可得桥梁全长604m,初拟桥台侧桥最后端点到桥台支座中心处的距离为6m,则总跨径初拟为592m。初步布置为32m （65 110 65）m连续梁 10×32m =592m，边跨长度是中跨的0.59倍，在0.5-0.8之间，符合要求。如图2.1所示。

图2.1主桥跨径布置示意图（单位：m）

2.2.2横断面布置

据设计资料,横断面设计为2×12.5m桥面宽度 1m中央分隔带,高速公路宜设计成分离式双幅车道,即单幅桥的桥面布置为2×0.5m护栏 11.5m车行道。为便于排水,设置坡度为2%的单向横坡,并采用桥面板倾斜的方式。

2.2.3平面布置

根据地形及地质资料,可拟定道路线形为90m缓和曲线 半径1600m的圆曲线 90m缓和曲线。

2.3上部结构拟定

2.3.1主梁

(1)截面形式:单幅桥面宽度12.5m,考虑到连续梁桥的受力特点,取用单室箱梁截面。箱梁梁顶板设置成倾斜2%，满足桥面板单向横坡排水要求,箱梁计算高度规定为箱梁中心线位置高度。为方便施工,腹板采用直立式腹板。

(2)梁高拟定:为适应连续梁内力变化的需要，连续梁的纵向截面通常做成变高度的形式，特别是跨径超过60m的大、中跨连续梁桥，采用变高度梁布置是十分经济的。本桥由于跨度较大，采用变截面形式。根据国内外连续梁桥设计经验统计，变高度梁跨中截面h_中=(1/30~1/50)L；支点截面h_支= (1/16~1/25)L，常用1/18L,梁底曲线采用二次抛物线。现初步拟定跨中截面梁高2.6m,为主跨径的1/42；支点截面高度6.1m,为主跨径的1/18，梁高沿跨径方向按抛物线变化, 中跨和边跨的梁底曲线对称。

(3)其他尺寸拟定:箱梁顶板梁宽为桥面宽度12.5m,底板宽度根据国内外相似连续梁桥资料取6.5m,则悬臂长度为3m,顶板顺桥方向厚度不变,根据经验取25cm；底板跨中厚度取30cm,根部厚度取65cm,按和梁底相同的抛物线变化；出于抗剪需要，支点处的腹板厚度应比跨中大，支点处的腹板厚度以满足抗剪需要和构造要求（弯起预应力筋的锚固）为原则，跨中腹板厚度一般以满足构造要求为主，因此腹板在跨中处取为40cm，支点处取为60cm，并在腹板上设置间距1~2m的直径10cm通风孔；箱梁腹板与顶板交界处设置75×25cm承托,与底板交界处设置25×25cm承托,翼板从端部25cm直线过渡到根部50cm,预留预应力筋锚固位置；各跨箱梁在支点、L/4 截面、跨中截面各设一道横隔板以抗畸变变形。主梁跨中及支点截面如图2.2与2.3所示。

图2.2跨中梁截面（单位：cm）

图2.3支点梁截面（单位：cm）

2.3.2附属工程

(1)桥面铺装:桥面铺装均采用三层式30mm细粒式沥青混凝土上面层 40mm中粒式沥青混凝土中面层 50mm粗粒式沥精碎石下面层 防水层。

(2)支座:采用承载能力大、转动性能好、寿命长的盆式橡胶支座。

(3)伸缩缝:全桥共设置22道伸缩缝,每幅桥共设置11道d80型伸缩缝,伸缩缝预留宽度初步取8cm。

(4)排水:桥面设置间距在4~5m的直径15cm排水管,将雨水通过排水设施排向河流。

2.4下部结构拟定

2.4.1桥墩

主桥均采用矩形空心截面桥墩，6.5m×7.5m（空心部分4.5m）×柱高。引桥采用矩形实体桥墩。

2.4.2桥台

(1)桥台形式:桥台接线处地面高度较高,地质状况较好。初拟为重力式U型桥台,承接整体双幅桥。

(2)尺寸拟定:根据地形条件,桥台高度初拟10m,前墙顶部厚度1m,底部厚度5m,正面采用10:1的斜坡,侧墙顶部长度5.42m,厚度0.5m,底部长度7.28m,厚度3.5m,是桥台高度的0.35,侧墙尾端有0.75m深入路堤,台身宽度26m,与路面总宽度相同。

2.4.3基础

（1）桥台采用刚性扩大基础,初拟厚度为1m,四周襟边取0.76m,刚性角37.2°基底尺寸为8.8×27.6m。

（2）本桥桥址位于丘陵—低山地带,表层为粉质黏土，且只在所设计的少部分路段有，第二层为页岩，第三层为灰绿岩，地基承载力较大,表层为页岩的桥墩部分可用刚性扩大基础，而处于粉质黏土部分的桥墩基础可采用端承桩,桩长由实际位置确定,钻孔灌注桩施工。主桥每个桥墩桩数为6根,对称排列,顺桥向设置三排桩,横桥向设置两排桩,桩径初步设计为2m,端承桩中距为5m,为直径的2.5倍,桩净距3m,承台边缘到边桩的距离为1m,承台厚度取3.5m,顺桥向长14m,横桥向长9m。相关尺寸如图2.4所示。

图2.4桥墩及基础（单位：m）

2.5施工方案拟定

2.5.1下部施工

（1）桥台处由于桥台接线填土高度高,直接采用就地现浇的方式,先定位开挖基坑,浇筑基础,再施工侧墙,台帽,背墙和搭板牛腿,最后台后回填土,施工锥坡,安放支座和桥头搭板。

（2）部分桥墩桩基础由于深入到岩层,适合在枯水期使用灌注桩的施工方式。刚性扩大基础及承台部分可采用枯水期现场浇筑的方式施工。引桥采用预制拼装法。

2.5.2上部施工

主桥及部分引桥部分由于高度较高，不便于使用满堂支架施工，而使用挂篮悬臂浇筑施工，而其余高度不高的边跨及引桥部分可采用满堂支架施工。

3、预应力混凝土连续刚构桥（（80 144 80）m 9×32m）

3.1方案构思

埃塞WM公路三号大桥桥址属丘陵-低山地貌，地形起伏不平，且跨越土质不规则河沟，主桥部分宜采用三跨方案，根据经验,主跨将会达到150米左右,对于预应力混凝土连续梁桥来说不太经济，而跨径在120-250米时,刚构桥具有设计科学,大跨径,施工方便,造价较连续梁低,美观且行车平顺,适于跨越沟谷等特点,但同时连续刚构桥属于高次超静定结构,通常选用较好的地质条件和沉降小的基础形式。因此本方案主桥上部采用三跨连续刚构,下部采用双薄壁墩接桩基础,因为刚构桥要求桥墩具有适当柔度，且双薄壁墩抗推力小,对本身中性轴抗弯刚度大,比较适合悬臂浇筑施工。

3.2总体布置

3.2.1纵断面布置

(1)跨径拟定: 已知桥梁总跨径592m，经验与研究表明,边、主跨跨径会影响主梁的受力以及施工方式,我国国内三跨连续刚构桥的边、主跨比大多都在0.55~0.58之间,初拟80m 144m 80m 9×32m跨径组合形式，则边、主跨比为0.556，符合要求。如图3.1所示。

图3.1主桥跨径布置示意图（单位：m）

3.2.2横断面布置

同连续梁桥方案。

3.2.3平面布置

同连续梁桥方案。

3.3上部结构拟定

3.3.1主梁

(1)截面形式:单幅桥面宽度12.5m,考虑到连续钢构桥的受力特点,仍取用单室箱梁截面。箱梁梁顶板设置成倾斜2%，满足桥面板单向横坡排水要求,箱梁计算高度规定为箱梁中心线位置高度。为方便施工,腹板采用直立式腹板。

(2)梁高拟定:由于中跨达到140m，采用变截面形式。根据国内外连续钢构桥设计经验统计，变高度梁跨中截面h_中=(1/50~1/60)L；支点截面h_支= (1/16~1/25)L，常用1/18L,梁底曲线采用二次抛物线。现初步拟定跨中截面梁高2.7m,为主跨径的1/53；支点截面高度8m,为主跨径的1/18，梁高沿跨径方向按二次抛物线y=0.1509x-1.074×10^-3x²变化, 中跨和边跨的梁底曲线对称。

(3)其他尺寸拟定:箱梁顶板梁宽为桥面宽度12.5m,底板宽度根据国内外相似连续钢构桥资料取6.5m,则悬臂长度为3m,顶板顺桥方向厚度不变,根据经验取25cm；底板跨中厚度取30cm,根部厚度取100cm,按和梁底相同的抛物线变化；出于抗剪需要，支点处的腹板厚度应比跨中大，支点处的腹板厚度以满足抗剪需要和构造要求（弯起预应力筋的锚固）为原则，跨中腹板厚度一般以满足构造要求为主，因此腹板在跨中处取为40cm，支点处取为60cm，并在腹板上设置间距1~2m的直径10cm通风孔；箱梁腹板与顶板交界处设置75×25cm承托,与底板交界处设置25×25cm承托,翼板从端部25cm直线过渡到根部50cm,预留预应力筋锚固位置；另外各跨箱梁在支点、L/4 截面、跨中截面各设一道横隔板以抗畸变变形。在箱梁桥台支座处拟定厚度1.5m的端横隔板，中间支点横隔板取和双薄壁墩相同厚度，并开设1×lm人洞。。主梁跨中及支点截面如图3.2与3.3所示。 图3.2跨中梁截面（单位：cm）

图3.3支点梁截面（单位：cm）

3.3.2附属工程

(1)桥面铺装:同连续梁桥。

(2)支座:采用承载能力大、转动性能好、寿命长的盆式橡胶支座。

(3)伸缩缝:全桥共设置18道伸缩缝,每幅桥共设置9道d80型伸缩缝,伸缩缝预留宽度初步取8cm。

(4)排水:桥面设置间距在4~5m的直径15cm排水管,将雨水通过排水设施排向河流。

3.4下部结构拟定

3.4.1桥墩

桥墩形式:连续刚构桥的桥墩应当具有合适的纵向抗推刚度和较大的横向刚度并且应减少桥墩迎风面积,在主跨之间可以采用实体式双壁桥墩,并有利于高墩的悬臂施工,因此本桥采用双薄壁墩。

3.4.2桥台

(1)桥台形式:桥台接线处地面高度较高,地质状况较好（地层主要是页岩），初拟为重力式U型桥台,承接整体双幅桥。

(2)尺寸拟定:同连续梁桥方案。

3.4.3基础

同连续梁桥方案。相关尺寸见图3.4所示。

图3.4桥墩及基础（单位：m）

3.5施工方案拟定

3.5.1下部施工

桥台及桩基础的施工同连续梁桥施工方案，主桥的四个桥墩采用液压爬升模板施工方式，先组装爬模,再按浇筑混凝土、养生、爬模爬升的顺序进行循环施工,最终达到墩顶。

3.5.2上部施工

同连续梁桥方案施工，即悬臂浇筑施工及满堂支架施工。

4、独塔混凝土斜拉桥（2×32m （184m 120m） 7×32m）

桥梁全长604m,可以考虑斜拉桥这一大跨径的桥型,相比较传统的梁桥,斜拉桥由于通过斜拉索吊起主梁,大大减小了主梁的计算长度,因此可以减少主梁的用量,减轻自重。对于本桥设计资料,河床地质地形条件较好,独塔混凝土斜拉桥这一方案比较合适。独塔斜拉桥省去一个主塔,更加经济,采用刚构体系,不需体系转换,更有利于悬臂施工。另外,斜拉桥气势雄伟,与桥址处险峻地势协调统一。

4.2总体布置

4.2.1纵断面布置

(1)跨径拟定:桥梁总跨径592m，采用斜拉桥与简支梁桥组合的形式，初步布置为2×32m （184m 120m）斜拉桥 7×32m,跨径比为0.65, 在0.50~1.00范围内，符合要求。如图4.1所示。 图4.1主桥跨径布置（单位：m）

4.2.2横断面布置

根据设计资料,总宽26m的桥面包含2×12.5m的车道以及1m的中央分隔带,在连续梁桥及刚构桥方案中设置成为了双幅桥,但在斜拉桥方案中, 中央分隔带宽度不够,做成双幅桥索塔成本会加倍,并且由斜拉桥成桥经验知主梁宽度都比较宽,斜拉桥的宽桥面还可以改善空气动力稳定性,因此本方案横断面不分幅,采取单幅截面，为排水考虑,设置成坡度为2%的双向横坡,同样采取桥面板倾斜的方式。

4.2.3平面布置

平面线形同连续梁桥及刚构桥方案。

4.3上部结构拟定

4.3.1主梁

(1)截面形式:由于桥面较宽,且斜拉索采用双索面,因此截面设置为肋板式截面。

(2)尺寸拟定:根据国内外混凝土独塔斜拉桥成桥经验,高跨比大多在1/60~1/100,本桥初拟截面高度为2.5m,板肋厚度为1.5m,桥面板厚0.8m,横梁高度与肋板高度一致, 设置在斜拉索锚固处的顺桥向横梁长度为3m；设置在塔梁固接处的横梁厚度与主塔厚度同为5m;设置在桥台支座处的横梁由于要承受很大的支承反力,顺桥向长度初步拟定为5m。截面形式如图4.2所示。 图4.2梁截面（单位：cm）

4.3.2索塔

(1)索塔形式:桥面较宽,采取双索面斜拉索,为使斜拉索受力在一平面内,并且缩小基础大小,采用花瓶式索塔。如图4.3所示。

图4.3花瓶式塔柱示意图

(2)尺寸拟定:根据资料,初步拟定塔梁交界处到索塔顶部的距离即塔高为80m,是主跨的1/2.3。塔柱截面采用矩形,顺桥向长度为5m不变,横桥向宽度从塔顶向下50m维持4m不变,过渡到塔梁交界处的4.5m,横系梁高度4.5m,顺桥向与主塔长度同为5m, 由于主塔较高,设置两片横系梁。主塔和横系梁采用薄壁形式，厚度初拟为1m。如图4.4所示。

图4.4主塔尺寸（单位：m）

4.3.3斜拉索

斜拉索釆取双索平面布置,纵桥向采用扇形,主跨外侧无索区长度27m,为主跨径的1/6.8,外索倾角选用常用的25°,内侧无索区长度17m,为主跨径的1/10.8,间距为13×8m 3×12m；边跨外侧无索区长度9m,为边跨径的1/13.3,外索倾角选用33.2°,内侧无索区长度为9m,为边跨的1/13.3,间距为17×6m；索塔上斜拉索间距为14×2m 3×3m,两侧锚固交于索塔中线,交点距离塔梁固接处高度从37m至74m。如图4.5所示： 图4.5斜拉索（单位：m）

4.3.4附属工程

同前两方案。

4.4下部结构拟定

4.4.1桥墩

（1）桥墩形式:本方案采用塔墩梁固接的刚构体系,因此主塔下的桥墩与索塔固接, 形成花瓶形,由于墩高较高,墩的下部采用整体矩形墩,增加整体刚度,降低重心。

（2）尺寸拟定:与塔梁固接处的桥墩继续采用花瓶式双肢结构,顺桥向长度5m不变, 横桥向由4.5m过渡到6m,总高度为32m,壁厚与主塔相同,初步拟定为1m；基础以上桥墩为矩形空心薄壁，截面形状为双室矩形,壁厚3m,高度30m。

（3）系梁:塔梁固接处设置一横系梁连接主梁底板,高度为2.5m。

4.4.2桥台

桥台形式设计思路与连续梁桥及刚构桥方案相同。

4.4.3基础

(1)桥台采用刚性扩大基础,初拟尺寸同方案一、二。

(2)地基承载力较大，主塔桥墩基础采用端承桩,桩长初拟为20m,入岩深度大于六倍桩径，桩数为对称排列的24根,顺桥向设置三排桩,横桥向设置八排桩,桩径初步设计为2m,桩中距为5m,为直径的2.5倍,桩净距3m,承台边缘到边桩的距离为1m, 承台尺寸为39m×14m×3.5m。如图4.6所示。

图4.6桥墩基础尺寸（单位:m）

4.5施工方案拟定

4.5.1下部施工

墩台基础的施工方式与前两种方案类似,重力式U形桥台采用就地现浇,桩基础采取钻孔灌注桩的施工方式；现浇大体积承台,浇筑时注意防止温度和收缩裂缝；塔柱施工采取爬模的方式,在浇筑倾斜塔柱要设置合理的横撑,塔柱间的横梁在下平台搭支架现浇。

4.5.2上部施工

主塔采用爬升模板浇筑的施工方法；主梁以主塔为中心，采用对称悬臂浇筑法施工，引桥为预制拼装法。

5、方案比选

5.1方案技术经济比较

桥梁方案综合比较

5.2推荐桥型方案

通过以上的方案比选，综合考虑该桥的外观、实用、安全、经济等方面指标，选择预应力混凝土连续刚构桥方案作为最佳的实施方案，其优点如下：

功能性：其跨越能力大，桥面平整，无伸缩缝，行车平稳舒适，梁底线形为二次抛物线，桥下净空增大，可满足桥下泄洪及通航要求；

安全性：该方案为刚构体系，主梁结构刚度较大，整体稳定性较好，且采用了薄壁墩，能较好的适应活载等产生的水平位移，在采用挂篮悬臂浇筑施工时，施工阶段的受力与成桥后受力相似，成桥后安全性能好。

经济性：结构为刚构体系，墩梁固结不需要大型支座，相对于连续梁桥可以节省材料费用，施工采用挂篮悬臂施工，模板和挂篮可以重复使用，能减少设备材料费用，且无需连续梁的临时固结操作，施工简单，成桥后维护费用相对于斜拉桥也较低，更经济合理。

外观：形式优美，整个桥型布置简洁而有气势，梁底线采用二次抛物线，有很强的线条美，而且墩梁固结降低了梁高，使梁体变得更纤巧，更适应于周围的环境。

措施：

1设计手段

(1)正确使用桥梁计算软件（cad、Midas 等）；

(2)收集参考图（标准图、设计图）；

(3)正确使用规范和手册；

(4)绘图采用计算机绘图；

2技术路线

(1)合理选择桥型，正确拟定结构尺寸；

(2)根据桥型特点和施工条件，设计合理的施工方案；

(3)用桥梁设计软件准确计算整个施工过程及成桥状态的受力；

(4)在施工的每一个阶段，充分考虑混凝土的收缩徐变、临时荷载等因素对成桥的影响；

(5)计算活载和荷载组合，合理配置钢筋；

(6)通过适当的手算来检验电算结果的正确性。

3. 研究计划与安排

第1周 阅读实际项目设计任务书，调查收集桥梁设计资料；

第2周 初步方案设计，考虑可行的桥梁方案，并考虑桥梁施工过程；

第3周 对可行的三种方案进行比选，确定最合理桥梁方案，提交设计开题报告；

4. 参考文献（12篇以上）

1.《桥梁工程》姚林森主编，人民交通出版社2009

2.《预应力混凝土连续梁桥》范立础主编，人民交通出版社1988

3. 公路桥涵设计手册《基本资料》人民文通出版社，1985