荆州某悬臂施工桥梁结构计算分析开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1 桥梁工程的目的及意义

桥梁工程指桥梁勘测、设计、养护、施工和检定等的工作过程,以及研究这一过程的科学以及工程技术,它属于土木工程中属于结构工程的一个分支。桥梁工程学的发展主要取决于交通运输对它的需要。

桥梁不仅是一种功能性的结构物,同时也是一座立体的造型艺术工程,是一处景观,具有时代的特征,比如武汉市地标性的武汉长江大桥,它就是武汉市的建设和发展的结果和见证。大力发展交通运输事业,建立四通八达的现代交通网络,对于加强全国各族人民的团结,发展国民经济,促进中西方文化交流,消灭城乡差别和巩固国防等方面,都具有非常重要的作用。尤其是当前国内国外环境正面临着一带一路建设的美好发展前景,在改革开放之后就大力发展起来的路、桥建设又迎来了再一次历史机遇,我们正处在一个路桥大力发展的历史性阶段当中。同时,桥梁工程不但在工程规模上约占公路总造价的10%~20%,而且往往也是交通运输的咽喉,是保证全线早日通车的关键。更是在我国军事国防方面起着咽喉枢纽的重要地位。

318国道荆州段,引江济汉大桥,是从长江荆江河段引水至汉江高石碑镇兴隆河段的大型输水工程,属于南水北调中线一期汉江中下游治理工程之一。渠道全长约67.23公里,年平均输水37亿立方米,其中补汉江水量31亿立方米,补东荆河水量6亿立方米。工程的主要任务是:向汉江兴隆以下河段补充因南水北调中线一期工程调水而减少的水量,改善该河段的生态、灌溉、供水、航运用水条件。工程初步设计批复总投资678577万元,其中工程部分投资385784万元,移民、水保及环境部分投资245728万元,省南水北调工程建设管理局及调度中心投资2306万元,跨渠交通桥梁工程投资44759万元。根据国家批复的南水北调中线一期工程可行性研究总报告,引江济汉工程与引江济汉通航工程一并立项,同步建设,因通航增加的投资不纳入南水北调工程投资。

2010年3月,引江济汉工程在长江荆江河段开工,工程从荆州区李埠镇长江龙洲垸河段引水到潜江市高石碑镇汉江兴隆段,地跨荆州、荆门两地级市所辖的荆州区和沙洋县,以及省直管市潜江市。

通过本次毕业设计,系统地巩固本科期间的学习内容,将基本理论和专业知识综合运用于设计过程培养学生分析和处理实际问题的能力,做到学以致用。了解现行的行业设计规范,掌握一般桥梁的设计原则及方法,计算原理,从而深入了解公路预应力桥梁的一般设计流程,为毕业后从事桥梁技术工作打下基础。提高读图及绘图能力,学会查阅中外文献,使用规范手册,编写技术文件及计算机辅助设计等基本技能。熟练掌握CAD ,Midas,Word等计算机软件的使用方法。了解Midas的建模过程和功能,利用它进行桥梁结构的计算和分析。并能熟练的利用CAD准确绘制工程图。培养严谨认真,实事求是,刻苦钻研,勇于创新的精


神,为日后的桥梁建设工作奠定基础。

2 国内外发展概况

2.1古代桥梁简述

古代桥梁所用的材料,多为木、石、藤、竹之类的天然材料,锻铁出现之后,开始建筑简单的铁链吊桥。我国山河众多、幅员辽阔,古代桥梁不但数量惊人,而且类型也丰富多样,几乎包含了所有近代桥梁中的主要形式。桥梁是线路的重要组成部分。在历史上,每当运输工具发生重大变化,对桥梁在载重、跨度等方面提出新的要求,便推动了桥梁工程技术的发展。

在19世纪20年代铁路出现以前,造桥所用的材料是以石材和木材为主,铸铁和锻铁只是偶尔使用。在漫长岁月中,中国先民造桥的实践积累了丰富的经验,创造了多种多样的形式。但现今使用的各种主要桥式几乎都能在古代找到起源。在最基本的三种桥式中,梁式桥起源于模仿倒伏于溪沟上的树木而建成的独木桥,由此演变为木梁桥、石梁桥、直至19世纪的桁架梁桥;悬索桥起源于模仿天然生长的跨越深沟而可资攀援的藤条而建成的竹索桥,演变为铁索桥、柔式悬索桥,直至有加劲梁的悬索桥;拱桥起源于模仿石灰岩溶洞所形成的“天生桥”而建成的石拱桥,演变为木拱桥和铸铁拱桥。

2.2桥梁的基本组成和分类

(1)桥梁的基本组成

桥梁由四个基本部分组成,即上部结构、下部结构、支座和附属设施。

上部结构:是在线路中断时跨越障碍的主要承重结构,是桥梁支座以上(无铰拱起拱线或刚架主梁底线以上)跨越桥孔的总称;当跨越幅度越大时,上部结构的构造也就越复杂,施工难度也相应增加。

下部结构;包括桥墩、桥台和基础。

桥墩和桥台:是支承上部结构并将其传来的恒载和车辆等活载再传至基础的结构物。通常设置在桥两端的称为桥台,设置在桥中间部分的称为桥墩。桥台除了上述作用外,还与路堤相衔接,并抵御路堤土压力,防止路堤填土的坍落。单孔桥只有两端的桥台,而没有中间桥墩。

桥墩和桥台底部的奠基部分,称为基础,基础承担了从桥墩和桥台传来的全部荷载,这些荷载包括竖向荷载以及地震力、船舶撞击墩身等引起的水平荷载,由于基础往往深埋于水下地基中,在桥梁施工中是难度较大的一个部分,也是确保桥梁安全的关键之一。

支座:是设在墩(台)顶,用于支承上部结构的传力装置,它不仅要传递很大的荷载,并且要保证上部结构按设计要求能产生一定的变位。

基本附属设施:包括桥面系、伸缩缝、桥梁与路堤衔接处的桥头搭板和锥形护坡等。

(2)桥梁的分类

下面从受力特点、建桥材料、适用跨度、施工条件等方面来阐明桥梁各种体系的特点。

1)梁式桥

梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构。由于外力(恒载或活载)的作用方向与承重结构的轴线接近垂直,故与同样跨径的其他结构体系相比,梁内产生的弯矩最大,通常需用抗弯能力强的材料(钢、木、钢筋混凝土等)来建造。这种梁桥的结构简单,施工方便,对地基承载能力的要求也不高,但其常用跨径在25m以下,当跨度较大时,需要采用预应力混凝土简支梁桥,但跨度一般也不超过50m。

2)拱式桥

拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋。这种结构在竖向荷载作用下,桥墩或桥台将承受水平推力,同时,这种水平推力将显著抵消荷载所引起在拱圈(或拱肋)内的弯矩作用。因此,与同跨径的梁相比,拱的弯矩和变形要小得多。鉴于拱桥的承重结构以受压为主,通常就可以用抗压能力强的圬工材料(如砖、石、混凝土)和钢筋混凝土等来建造。拱桥的跨越能力很大,外形也较美观,在条件允许的情况下修建拱桥往往是经济合理的。同时应当注意,为了确保拱桥能安全使用,下部结构和地基必须能经受住很大的水平推力的不利作用,此外,拱桥的施工一般比梁桥困难些。

3)刚架桥

刚架桥的主要承重结构是梁或板和立柱或竖墙整体结合在一起的刚架结构,梁和柱的连接处具有很大的刚性,在竖向荷载作用下,梁部主要受弯,而在柱脚处也具有水平反力,其受力状态介于梁桥与拱桥之间。刚架桥跨中的建筑高度就可以做的较小。预应力混凝土工艺的发展,使得T型刚构桥和连续刚构桥得到了很大的推广。特别是由于采用了悬壁安装或悬臂浇筑的分段施工方法,不但加速了修建大跨度桥梁的施工进度,而且也克服了要在江河或深谷中搭设支架的困难。

4)悬索桥

传统的悬索桥(也称吊桥)均采用悬挂在两边的塔架上的强大缆索作为主要承重结构,在竖向荷载作用下通过吊杆使缆索承受很大的拉力,通常就需要在两岸桥台的后方修筑非常巨大的锚碇结构。悬索桥也是具有水平反力(拉力)的结构。现代的悬索桥上,广泛采用高强度的钢丝成股编制的钢缆,以充分发挥其优异的抗拉性能,因此结构自重较轻,就能以较小的建筑高度跨越其他任何桥型无与伦比的特大跨度。悬索桥的另一特点是:成卷的钢缆易于运输,结构的组成构件较轻,便于无支架悬吊拼装。然而,相对于前面所说的其他体系而言,悬索桥的自重轻,结构的刚度差,在车辆动荷载和风荷载作用下,桥有较大的变形和振动。可以说,整个悬索桥的发展历史,是不断研究和克服其有害的变形和振动的历史,亦即是争取其结构刚度的历史。

5)斜拉桥

斜拉桥由斜索、塔柱和主梁所组成,用高强钢材制成的斜拉索将主梁多点吊起,并将主梁的恒载和车辆荷载传至塔柱,再通过塔柱基础传至地基。这样,跨度较大的主梁就像一根多点弹性支乘(吊起)的连续性一样工作,从而可使主梁尺寸大大减小,结构自重显著减轻,既节省了结构材料,又大幅度的增加桥梁的跨越能力,此外,与悬索桥相比,斜拉桥是在斜拉桥可能达到的大跨度情况下使悬索桥逊色的重要因素。斜拉桥是半个多世纪来最富想象力和构思内涵最丰富且引人瞩目的桥型,它具有广泛的适用性。一般来说,对于跨度从200m至700m,甚至超过1000m的桥梁,斜拉桥在技术和经济上都具有相当优越的竞争力。诚然,随着斜拉桥跨度的增大,将会面临塔过高和斜索过长等一系列技术难点,这不仅涉及到高耸塔柱抗震和抗风等动力稳定方面的问题,而且还有主梁受压力过大以及长斜索因自重垂度增大而引起的种种技术问题。

6)组合体系桥梁

除了以上5种桥梁的基本体系以外,根据结构的受力特点,还有由几种不同体系的结构组合而成的桥梁,称为组合体系桥。它可以结合以上5种桥梁的特点,呈现出更加符合当地特点的桥梁。

2.3世界各国桥梁建造现状

纵观世界桥梁建筑发展的历史,与社会生产力的发展、工业水平的提高、施工技术的进步、力学理论的进展、计算能力的提高等方面都有关系,但其中,与建筑材料的革新最为密切。

19世纪中期钢材的出现,开始了土木工程的第一次飞跃。随后又产生了高强度钢材、钢丝,于是钢结构得到蓬勃发展。结构的跨度也不断扩大,以至能够修建几百米到千米以上特大跨度的跨海大桥。

20世纪初,钢筋混凝土的广泛应用,以及至30年代开始兴起的预应力混凝土技术,大大提高了混凝土的抗裂性能、刚度和承载能力,使土木工程发生了又一次飞跃。实践证明,预应力混凝土桥梁已经能与200~300m甚至更大跨径的钢桥相抗衡。世界上各国的桥梁工作者始终在寻找结构合理、造价更经济、跨越能力更大的桥梁形式,推动了桥梁工程的发展。

19世纪后期,预应力混凝土桥梁迅速发展之前,在资本主义发达国家内曾风行修建钢桥,并已经达到相当高的技术水平。1947年前联邦德国首创各向异性钢桥面板新结构,为钢桥的发展做出了贡献。

悬索桥是能充分发挥高强钢材优越性的独特桥型,在国外发展甚早。美国在19世纪中期从法国引进了近代吊桥技术后,与19世纪70年代移居美国的瑞士桥梁大师就发明了主缆的“空中纺线法”编纺桥缆。1937年建成的旧金山金门大桥,至今仍是一座举世闻名的集工程技艺和建筑艺术于一体的宏伟美观的桥梁建筑。

世界上第一座现代公路斜拉桥是1956年前前联邦德国在瑞典建成的斯特罗姆海峡钢斜拉桥,1958年,前联邦德国在杜塞尔多夫北桥中首创斜拉桥“倒退分析法”的施工控制新技术。

从历史中可以看出:德、美、法、英、瑞士、日本和丹麦等国,从20世纪六七十年代以来,对现代桥梁的发展贡献了大部分创新技术。不仅在新材料、新结构和新工艺上有许多创造,而且在桥梁设计理论和方法方面,都做出了突出贡献。

新中国成立后,在建国初期修复并加固了大量旧桥,随后在第一、二个五年计划期间,修建了不少重要桥梁,取得了迅速发展。20世纪五六十年代,修订了桥梁设计规程,编制了桥梁标准设计图纸和设计计算手册,培养了一支强大的工程队伍。特别是1978年党的十一届三中全会把我国的工作重心转移到社会主义经济建设上来,不断深入贯彻改革开放政策,是我国经济建设获得了突飞猛进的发展。在重点发展能源和交通两大战略目标的推动下,20多年来我国的公路和桥梁建设事业,也不断掀起新的发展高潮。

世界最大预应力混凝土梁桥

排序

桥名

主跨(m)

桥址

年份

1

斯托尔马桥(Stolma)

301

挪威

1998

2

拉脱圣德桥(Raftsundet)

298

挪威

1998

3

虎门辅航道桥

270

中国

1997

4

瓦罗德2号桥(Varodd-2)

门道桥(Gateway)

260

挪威

澳大利亚

1994

1986

5

奥波托桥(Oporto)

诺日姆伯兰海峡桥(Northum Berland)

斯克夏桥(Skye)

250

葡萄牙

加拿大

英国

1991

1998

1995



2. 研究的基本内容与方案

3设计主要工作内容和方法技术路线

3.1毕业设计的目标

此次设计主要是借助引江济汉大桥的设计实例,通过对已有引江济汉大桥梁的结构图纸进行midas建模分析,尽量在还原多重荷载的条件下,运用midas和桥梁博士,对引江济汉大桥进行结构荷载应力验算,在这样的背景之下,要熟练掌握midas的基本步骤基本建模运算方法,创造出一份真正意义上的自己的设计成果。

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3. 研究计划与安排

3.4 论文的计划进度

序号

周数

完成任务

1

1-2

接受并熟悉资料

2

3

开题报告

3

4-6

根据图纸,建立引江济汉大桥梁计算模型

4

7-10

对建好的桥梁模型,进行检查,测算

5

11-13

运用桥梁博士,进行荷载影响线绘制

6

14-15

论文成果总结,编写报告

7

15-16

根据学院安排,参加论文答辩

4. 参考文献(12篇以上)

4 参考文献

1专业参考书:

《结构力学》、《结构设计原理》、《桥梁工程》、《桥梁施工及组织管理》等;

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