2杨梅公路大桥---班桥梁毕业设计

时间:2024.3.23

西安建筑科技大学 毕业设计(论文)任务书

题 目:院(系):专 业:姓 名:学 号:指导教师:填表日期:

杨梅公路A大桥设计 土木工程学院 土木工程

20xx年12月26日

杨梅公路A大桥设计

一、工程概况

1.工程名称:杨梅公路A大桥设计。

2.建设地点:该桥梁位于××一级公路 ×× 至 ×× 段杨梅河上。桥梁起点桩号为K0+57.220, 终点桩号为K0+246.642,桥梁全长189.422米。(桥梁的起点桩号和终点桩号可以随桥梁总长的变化而变化,设计人员可根据实际设计需要调整)。

3.技术标准:

公路等级: 一级公路;

设计地震烈度: 8 度;

设计洪水频率: 1/100。

二、设计资料

(一)工程地质、水文及气候情况

1. 对桥位处地质状况进行了勘探,探孔布臵及桥位处地质纵断面如附图所示。设计最高水位:23.0米。

2. 桥位地区场地类别为Ⅲ类。

3.桥位地区历年平均气温16.4°C,一月平均气温为-15.2°C,7月平均温度为28.5 °C,极端最高温度38.2 °C,极端最低温度-20.8°C,历年月平均最高温度34.6°C,历年月平均最低温度-10.3°C。假设合龙温度为22°C。

4. 通航要求:通航净空235×18m

5. 高程系:19xx年国家高程基准。

6. 桥面宽度:净—11+2×0.5(防撞栏);桥面横坡:2%。

(二)材料供应

1. 混凝土:预应力混凝土主梁及墩采用C50混凝土,其余构件均采C30混凝土。

2.预应力钢筋:采用钢绞线,其必须符合国家标准《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T 5224-1995)。按国家标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)选用钢绞线规格,抗拉强度标准值fpk=1860Mpa,弹性模量Ey=1.95x105 Mpa,松弛率为3.5%。

3. 锚具:采用OVM13—19型锚具;预应力管道:采用波纹管成型。

4. 普通钢筋:受力筋为HRB335或HRB400带肋钢筋,其必须符合国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB 1499-1998)的规定。 构造筋为R235光圆钢筋,其必须符合国家标准《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》(GB 13013-1991)的规定。

5.钢板、型钢:主要受力构件采用Q345钢,次要构件及板件采用Q235钢,其必须符合国家标准《桥梁用结构钢》(GB/T 714-2008)、《碳素结构钢》(GB/T

700-2006)和《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591-2008)。

6.支座:可采用球冠橡胶支座,板式橡胶支座,聚四氟乙烯橡胶支座等等。

7.伸缩缝:可采用D60型、D80型、D100型、D120型等,毛勒伸缩缝。

8.基础类型可根据桥位处地质情况自定。当采用桩基础,按摩擦桩进行设计时,施工应严格清底,桩底沉淀层厚度不得大于25cm,灌注桩施工结束后,应对其进行无损检测。

9.当地粘土砖、各种料石、砂石资源丰富、价格低廉;各种钢材、水泥也都可以保证供应。

10.桥面铺装:8cm水泥混凝土+8cm沥青混凝土。

(三)施工条件

一般施工机具齐全。施工队伍可以满足各种桥梁的技术要求。(注:采用悬臂法施工挂篮参考值:悬浇挂篮自重不得大于1000kN,合拢段施工吊架自重不得大于200kN)。

三、设计任务及要求

毕业设计要求完成以下工作:

1. 根据公路等级,分析交通流量和未来发展,确定桥面宽度。

2. 根据所给的桥位地质﹑地形、水文资料和施工条件,按适用、经济、安全、美观原则,至少拟定三个可比性桥型方案。具体包括:桥梁分孔方案;上部结构体系及构件尺寸;下部墩台形式及其尺寸;基础形式及其尺寸;拟采用的施工方案等。

绘制每个桥型方案对应的平、立、剖面图。每个方案必须完成3#图1张,共3张。在此基础上可(选)绘制三方案比选图1张,供方案比选时用。

3. 从工程数量、材料用量、工程造价、投资来源、施工难易程度、施工力量和结构美观等方面,综合分析比较,推荐出一个最优桥梁方案,作为设计建造方案。

4. 对推荐方案进行施工图设计:

(1)细化结构及构件的几何尺寸;考虑构件连接方式、配筋方式,孔洞位臵等。

(2)选择合理可行的建筑材料;确定施工方法。

(3)分析施工顺序,分析结构、构件最不利荷载工况或最不利工作阶段;模拟施工过程或至少选定一个最不利施工阶段作为施工控制状态;选成桥营运阶段作为成桥控制状态。

(4)根据控制状态建立构件与结构的静力计算简图或动力计算简图(考虑构件安装顺序、连接特点、轴线汇交、刚域设臵、质量分布、支座情况等)。

(5)采用手算与电算相结合的方法进行计算(手算无法完成时才许电算)。电算时,建立有限元模型(进行结点编号,单元划分;确定约束条件、材料特性、截面尺寸,质量位臵及具体数值等)。

(6)计算每个单元的截面特性(面积、惯性矩等)。

(7)根据设计荷载等级和控制状态,确定各种作用的具体量值。

(8)计算各种荷载的作用效应:

①结构重力(构件自重及桥面铺装、附属设备等附加重力)作用下桥梁结构的内力、位移及反力。

②基础变位作用下桥梁结构的内力、位移及反力。

③混凝土收缩及徐变作用效应的考虑或计算(可选)。

④汽车荷载作用下结构的内力、位移及反力。基本内容有:

冲击系数计算;荷载横向分布影响线计算,荷载横向分布系数计算;主梁(或桁片、拱片等)汽车荷载确定;控制截面、控制节点选定;控制截面、控制节点量值影响线计算;最不利荷载布臵;最不利荷载效应计算。

⑤人群荷载作用下结构的内力、位移及反力。

⑥温度荷载作用下结构的内力、位移及反力。

⑦地震作用下桥梁结构的内力、位移及反力。(一般可只考虑桥墩抗震)。基本内容有:

考虑桥面系对墩顶的质量贡献;考虑橡胶支座的减振性质;

分别建立单墩(多质点)顺桥向抗震计算模型和横桥向抗震计算模型; 计算桥墩截面特性(面积、两个方向的惯性矩等);

分别计算桥墩顺桥向动力特性和桥墩横桥向动力特性;

计算地震作用下桥梁结构的内力、位移及反力(可用振型分解组合反应谱法等方法计算地震作用和地震效应)。

(9)按照规范进行荷载效应组合:

①承载能力极限状态设计的荷载效应组合:基本组合(用于构件截面验算)、偶然组合(用于桥墩抗震)。

②正常使用极限状态设计的荷载效应组合:作用短期效应组合(用于施工阶段);作用长期效应组合(用于营运阶段);

③分析不同阶段的各个控制截面的最不利(最大和最小)荷载效应,列表。

④绘制不同阶段的最不利荷载效应(组合设计值)包络图,作为设计依据。

(10)主梁为砼梁时,进行主梁截面配筋设计。

钢筋砼主梁:根据最不利弯矩配臵纵向普通钢筋;根据最不利剪力配臵箍筋。

预应力砼主梁:根据最不利弯矩配臵预应力钢束和纵向普通钢筋;计算预应力损失,已备构件验算使用。

(11)主梁为钢梁或钢桁架时,根据最不利内力,进行主梁或桁架构件的截面设计。

(12)桥面板配筋计算。

①一般可取简化的桥面板模型(简支板或悬臂板),计算桥面板配筋。 ②若为箱形截面,可对截面进行横向计算,配臵相应的横向钢筋(即桥 面板配筋)。

横向计算时,可视截面为“平面框架”简图;沿桥纵向取1m段计算该“平面框架”各杆单元的截面特性;在截面各腹板下分别设臵不动铰支座或可动铰支座(或弹性支座);选定控制截面,布臵结构自重和与控制截面内力相应的最不利汽车荷载;计算出最不利内力;进行横向(行车道板)配筋计算。

③混凝土梁桥、钢桥、拱桥都需要进行桥面板配筋计算。

(13)钢桥须对节点进行详细设计(构件之间,通常采用节点板-高强螺栓连接方式)。

(14)拱桥的主拱圈受压为主,通常按压弯构件设计。

(15)对设计好的上部结构主要构件进行强度、刚度与稳定性验算。若不符合要求,则需修改设计或提出修改措施。

(16)墩、台设计验算。

①分析墩、台承受的荷载情况(结构自重、地震作用等);

②进行荷载效应组合;确定最不利墩、台内力和位移;

③验算墩、台的强度、刚度与稳定性;

④进行墩柱延性构造细节设计。

(17)基础设计验算。

①分析基础承受的荷载情况(结构自重、汽车荷载等);

②进行荷载效应组合;确定最不利荷载效应;

③确定地基容许承载力;进行墩、台基础的承载力验算(对于桩基,可视其实体基础,验算桩尖标高处的地基承载力);

④进行墩、台基础的抗倾覆、抗滑动稳定性验算;

⑤对于桩基,应验算桩的长度、单桩轴向承载力和单桩的材料强度。 若不符合要求,则需修改设计或提出修改措施。

(18)根据桥梁所处位臵、环境和施工力量配备情况,确定合理可行的施工方案及主要施工程序。

(19)画施工图(绘制3#图至少8张)。

要求完成的施工图:

预应力砼或砼桥:桥墩、桥台、承台、基础构造图或配筋图(3#图2张);上部结构构造、主梁(支点截面、跨中截面,1/4截面)一般构造图(3#图1张);预应力钢束和普通钢筋布臵图(3#图3张);局部构造、结点详图或附属结构图(3#图1张)。施工程序图(3#图1张)。

钢桥:桥墩、桥台、承台、基础构造图或配筋图(3#图2张);上部结构构造图、桥面系图、细(局)部构造图、节点构造图、锚固构造图(3#图至少5张);施工程序图(3#图1张)。

可根据推荐方案特点,在上述施工图种类中选择典型施工图精心绘制,用以说明设计成果,为施工提供依据。

四、设计成果要求

(一)实习报告(第一周末交)

(二)设计说明书

应完整地说明设计方案、设计依据、设计步骤及过程;论述充分,条理清晰,叙述准确,简明扼要;书写整齐;计算过程尽可能表格化。设计中存在的问题讨论与总结。

设计说明书应包括下列内容:封面,扉页,毕业设计任务书,中英文摘要和关键词,目录,正文,参考文献,附录,致谢。设计说明书的字数应在10000字以上。

(三)图纸

设计时一律采用符合国家有关制图标准的3#图纸。正确体现设计意图;图面整洁,布臵匀称,尺寸标注齐全,字体端正,线型规范。

图纸绘制包括计算机绘制和手工绘制两部分,桥梁方案比选阶段完成设计方案图3套(3-4张)、施工阶段完成结构施工图1套(7~10张),施工程序图1套(1~2张),故共提交图纸至少5套(11张),其中至少1张是手画图。

五、国家标准及设计参考资料

[1] 国家标准. 公路工程技术标准(JTG B01-2003) 北京:人民交通出版社,2002

[2] 国家标准. 公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)北京:人民交通出版社,2004

[3] 国家标准.公路砖石及混凝土桥涵设计规范(JTJ022-85)北京:人民交通出版社,1985

[4] 国家标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)北京:人民交通出版社,2004

[5] 国家标准.公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ024-85)北京:人民交通出版社,1985

[6] 国家标准.公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)北京:人民交通出版社,2008

[7] 国家标准.公路桥涵施工技术规范 (JTJ41-2000)北京:人民交通出版社,2000

[8] 国家标准.道路工程制图标准 (GB 50162-92)北京:人民交通出版社,1992

[9] 国家标准中华人民共和国行业标准. 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 (JTJ 025-86) 人民交通出版社

[10] 毛瑞祥、程翔云主编.公路桥涵设计手册·基本资料.北京:人民交通出版社,1997

[11] 辉 胡明义主编.公路桥涵设计手册·梁桥(上、下册).北京:人民交通出版社

[12] 江祖铭,王崇礼主编.公路桥涵设计手册 · 墩台与基础.北京:人民交通出版社 1996

[13] 汪祖铭,王崇礼主编.公路桥涵设计手册·桥梁附属构造与支座.北京:人民交通出版社,1993

[14] 中华人民共和国交通部.公路桥涵施工手册.北京:人民交通出版社,1988

[15] 陈忠延等编著.土木工程专业毕业设计指南:桥梁工程分册.北京:中国水利水电出版社,2000

[16] 周远棣、徐君兰编 .钢桥.北京:人民交通出版社,1991

[17] 李富文等编. 钢桥. 北京:中国铁道出版社,1992

[18] 徐岳等编著.预应力混凝土连续梁桥设计.北京:人民交通出版社,2000

[19] 陈天本编著.桁式组合拱桥.北京:人民交通出版社,2001

[20] 陈宝春编著. 钢管混凝土拱桥设计与施工. 北京:人民交通出版社,1999

[21] 邬晓光等编著.刚架桥.北京:人民交通出版社,2001

[22] 陈宝春主编.钢管混凝土拱桥设计实例集. 北京:人民交通出版社,2002

[23] 马尔立编著.公路桥梁墩台设计与施工. 北京:人民交通出版社,1998

[24] 赵明华主编. 桥梁地基与基础. 北京:人民交通出版社,2004

[25] 盛洪飞编著.桥梁墩台与基础工程.哈尔滨工业大学出版社,2005

[26] 王国鼎编著.桥梁计算示例集(拱桥一、二).北京:人民交通出版社,2000

[27] 胡兆同编著.桥梁通用构造及简支梁桥.北京:人民交通出版社,2001

[28] 桥梁计算示例集(预应力混凝土刚架桥).辉编著.北京:人民交通出版社,1995

[29] 预应力技术及材料设备.刘效尧、朱新宪主编.人民交通出版社。

[30] 向中富主编.桥梁工程毕业设计指南:分册.北京:人民交通出版社,2010

[31] 王荣霞,李自林主编.桥梁工程设计指导示例.华中科技大学出版社.2011

[32] 桥梁计算分项专用程序集及应用说明.西安建筑科技大学土木工程学院道路桥梁教研室.2011

[33] 桥梁博士V3.0说明书。

六、设计选题要求

我校要求本科毕业设计立题为一人一题。本次桥梁毕业设计除桥位地质地形图有所不同外,每个学生应在方案比选的基础上,采用不同的桥梁结构体系(即方案比选后的最终推荐桥型),或采用不同的跨径尺寸、截面形式和材料选择等作为最终设计。

具体的最终推荐桥型可参考下面罗列的桥梁类型。

七、参考桥梁类型

1、预应力混凝土变截面连续梁桥

2、预应力混凝土斜腿刚架桥

3、中承式钢管混凝土拱桥

4、下承式钢管混凝土拱桥

5、三跨钢桁架连续梁桥

6、钢桁架简支梁桥

7、预应力混凝土桁式组合拱桥

8、钢筋混凝土连续梁桥

9、预应力混凝土T型刚构桥

10、钢筋混凝土斜腿刚架桥

11、预应力混凝土简支梁桥

12、钢筋混凝土简支桁架桥

13、预应力混凝土连续板桥

14、钢筋混凝土整体式简支板桥

15、三跨全预应力刚架桥

16、箱形截面预应力混凝土连续梁桥

17、箱形截面钢筋混凝土连续梁桥

18、钢筋混凝土变截面连续梁桥

19、钢筋混凝土连续刚构桥

20、箱形截面钢筋混凝土拱桥

21、钢筋混凝土桁架拱桥

22、钢筋混凝土刚架拱桥

23、中承式钢筋混凝土拱桥

24、下承式钢筋混凝土拱桥

25、装配式预应力混凝土T形简支梁桥

26、三跨预应力混凝土连续梁桥

27、预应力混凝土连续梁桥

28、钢筋混凝土板拱桥

29、三跨钢与混凝土组合连续箱梁桥

30、预应力混凝土简支转连续箱梁立交桥

八、毕业设计时间安排(共16周)

1、毕业实习:1周 完成实习报告一份。

2、方案设计:3周 完成设计方案图3套。完成3套设计方案说明书、3套方案图和方案比选,为下一步施工图设计提出推荐方案。提交:3套设计说明书;3套方案图3张(每套图包括平面图、立面图和剖面图)。

3、结构计算:6周 完成设计计算书一份。上部结构完成恒载、活载、荷载组合计算、配筋计算和强度、刚度验算;下部结构完成桥墩和桥台计算与验算、基础验算;结合施工情况进行施工验算。要求手算为主,电算为辅,手算与电算相结合。

4、画施工图:3周 完成设计施工图一套。上部结构和下部结构构造详图1套至少3张;上部结构预应力筋和普通钢筋图1套至少4张(若为钢桥,则应完成构件、节点、纵、横连接等施工详图至少4张);施工程序图至少1张。

5、撰写中英文摘要和设计总结:1周 完成摘要和总结各一份。

6、检查结题成文:1周 完成设计任务书。将封面、任务书、审核表、标题、学生姓名、指导教师姓名、中文摘要及关键词、英文摘要及关键词、目录、正文(调查研究、方案设计与方案比选、计算书、图表、分析总结等)、参考文献、附录、致谢、英文原文及翻译稿等装订成册。

7、收尾、答辩、评优:1周。

附图1张:

杨梅公路大桥桥位地形与地质图。

K0+57.220

西安建筑科技大学本科毕业设计 题目 杨梅大桥设计 指导教师 姓名


第二篇:桥梁设计艺术


桥梁设计艺术

姓名: 学号:王帅 2014121106

在2002 年项海帆院士指出,我国桥梁建设存在的问题: 一是桥梁美学方面的考虑欠缺,二是设计创新的短板。

在本科生和研究生的学习中,提到桥梁设计往往都直接联想到结构设计原理和材料力学中的强度、刚度、稳定性,还有桥梁工程中的结构细部要求。桥梁设计在以往的大多数设计者眼中只是没有“血肉”的公式和有限元软件模型。

桥梁作为公共建筑物,首先以其实用性极大的满足了人们的生活需求。同时桥梁自身所具有的固定性和艺术性使得人们在修建之前就必须考虑桥梁的概念设计与成桥后的美学效应。

这里,我们提到了“美”,即桥梁美学。

在设计者眼中,似乎谈论“美”还为时尚早。它从“美学”母体中脱胎而出并得到艺术圈子的认可恐怕不是本世纪的事情,美学对于人们虽然仍像在薄雾中披着面纱的少女那样朦胧又实在。然而,美学本身并不像我们想象的那样冰冷遥不可及。桥梁之“美”总是客观存在的,人第一次砍倒大树,横跨小溪,缘木过河,“建成”一座桥梁时,那是极美的,湍急的流水上抹上一条彩带——人征服了河,装扮了河。从方便生活上,从心理享受上人得到了满足,这便是美。但这种美并不是静止的,而是变化的是发展的。当砍树过河已成为司空见惯,那时要想重新激起人的感情涟漪则只有“推陈出新”,在认识的基础上再创造,这个简单的美的推移程序大概永远不会停顿。我们可以总结一句话:美是客观的,现实的但又是发展的,变化的。我们必须遵循创造

——总结——再创造的过程去研究桥梁美学。

现代桥梁以其大跨径的绝对优势取代了古代已到达艺术巅峰的桥梁,如赵州桥,十七孔桥等。从中国抗日战争时期出现的武汉长江大桥,南京长江大桥等大跨桥梁让当时的国人眼前一亮到现在,一个个的世界第一桥梁仅仅是跨径上又增添了几米几十米,似乎我们的神经再很少被触动。是的,我们进入了一个急需再创造的时代。

随着社会的发展和进步,人们对于一座桥梁的要求已经不仅仅是满足他们的需求,最好还能将使用桥梁的过程变得更高效、更舒适、更环保。人们日益增长的审美、环保、技术等要求为设计工作提出了新的要求,使得原有的设计理念和方法受到挑战,同时也催生了概念设计。

桥梁概念设计蕴含了创新理念,是桥梁设计的“血肉”和“灵魂”; 而在桥梁美感创造过程中,工程师所依据的不仅是科学的真理,还有贯彻和运用科学真理的智慧以及在工程实践中积累的经验。

桥梁概念设计是指选择满足桥梁功能,结构,施工,耐久,环保,经济与美观要求和设计原则的最佳设计。虽然不需太多投入和太详细计算,但可明确设计理念,创新点和设计重点和难点; 对设计构思与总体布局,关键力学问题以及创新技术的认定是概念的设计的关键。

进入20 世纪后,中国的桥梁建设如雨后春笋,在不断创造

新的记录与满足公众生活需求的同时,也应看到我国的桥梁设计面临的问题: ( 1) 缺少考虑桥梁的可施工性,可养护型和耐久性。 ( 2) 缺少采用新结构,新材料的激励机制和以创新为主的评价标准。

在桥梁概念设计中,以既有成熟的概念设计程序作为设计创新的基础应该是年轻桥梁工程师可供参考的思路: ① 概念的生成: 是为满足多重目标和约束条件,形成合理,可行方案的思考过程。② 方案构思: 从集思广益的角度,方案宜多多益善,它不仅体现工程师的洞察力,还有设计者独特个性和风格。③概念选择: 对可能的备选方案进行评估和比较,从中筛选少数几个优秀的方案。④ 方案比选: 对优秀的方案进行分析,研究和详细的比较,最终确定最佳概念设计。

仿照项海帆院士的说法,在这里将桥梁概念设计划为两个部分:桥梁美学和结构技术创新。

一、桥梁美学

桥梁结构是人类按照实用要求,在对自然界加工改造过程中创造出来的物质实体,同时又在加工改造过程中运用美学规律,注入审美理想,显示审美价值的艺术作品。因此,桥梁美学与桥梁概念设计紧密相关,对桥梁美学的研究应该遵循美学的一般属性:

( 1) 桥梁美的客观性: 桥梁美感的存在是客观的,它存在于桥梁的形态,材质,结构,技术和功能等独立或融合作用于周围

环境中。

( 2) 桥梁美的主观性: 桥梁结构的美与丑的判断是与审美主体的主观意识紧密相联系的。

( 3) 美的相对性: 美是主客观的统一,主观、客观因素的变化必然导致审美观念的变化。

( 4) 美的社会性: 美具有相对性,但不能否认在一定时期和社会中具有较统一的,为社会公众普遍接受的审美标准。

在桥梁结构的美学评价中,应该遵循的结构设计一般原则

1.结构力度美原则

建筑结构的力度表现越突出,它带给人的审美感受就愈强烈。图1 为圣地亚哥—卡拉特拉瓦设计的阿拉米罗桥,这座桥完美诠释了桥梁结构的力与能量平衡机理及其传递途径: 大倾角的桥塔在外部结构力和能量上给人不平衡的印象,利用张拉索平衡桥塔继续倾斜的趋势,蕴含着一种潜藏的运动,将传统斜拉桥通过自身对称来追求稳定状态的基本原理推翻。桥塔似乎暗示着“未完成”的状态,顶部尖角处理且飞翔的形态和张紧的拉索构成一幅强劲有力的动力学图景。

图1 阿拉米罗桥

2.合理用料,顺应力的流向,达到流线美原则

优越合理的结构,应当根据最直接的传力途径来组织各构件,结构力传递路径越直接,其工作效率就越高,所耗材料也就越少。瑞士著名桥梁专家Robert - Maillart 对三铰拱桥的改进就以自然的力流传递为依据,如图2。

图2 三铰拱的弯矩

桥梁设计艺术

桥梁设计艺术

在重庆朝天门长江大桥美学评价中,重点关注桥梁景观设计与环境的几何协调管理在桥梁美学中的作用; 通过对瑞士桥梁专家Robert - Maillart 几座桥梁设计思路的变化得出重要建议: 遵循最小耗能原理并使结构力以最顺畅直接的方式转移是桥梁简洁明快的重要要求。

朝天门长江大桥由552 m 主跨及两侧对称布置的190 m 边跨组成。主跨为钢桁架系杆拱,两侧边跨为变高度桁架梁,拱肋上下弦线形采用二次抛物线形,上弦部分线与边跨上弦间采用圆曲线过渡。桥梁的整体布置如图3。

图3 朝天门大桥

桥梁景观建设是一种反映城市特色、体现地域文化、展示时代风貌的建设活动,这给桥梁景观设计提供了广阔空间,同时也对桥梁设计提出了新的要求。怎样利用桥梁与环境的几何协调理念对朝天门大桥进行景观设计成为重中之重,整桥在景观设计与美学方面有以下几个特点

桥梁设计艺术

:

( 1) 两江交汇处的朝天门大桥是重庆“门”户景观区重要的组成部分,拱桥的巨大跨径与江面在空间上形成“城市之门”的效果,桥梁的尺寸与江面宽度在几何上是协调统一的,弱化了传统拱桥的实腹印象,而重点突出主拱肋的承力主体性。二次抛物线形在主边跨间的圆润过渡消除了上弦杆与桥面系连接时造成的突兀感。

( 2) 为了让轨道交通乘客过江时有较好的视觉感受和舒适感,选择了开敞的桁架梁,并尽量减少杆件数量以减少杆件对视角的干扰。

( 3) 在拱桥结构中,拱肋是主要的心理引导线。设计者选择个性粗犷的桁梁拱桥作为主选方案,整体上恢宏大气,充分体现了技术美学特征; 夜景亮化的光影效果通过变幻奔放的深色调配合更加强这种效果 ( 如图4) ,使桥梁与周围环境相互协调。

图4 朝天门大桥景观设计

科学的事实是三铰拱的最大弯矩发生在1 /4 跨中( 图2)

桥梁设计艺术

而创造性的劳动是他将这一弯矩形式实体化,桥梁的截面由1 /4 跨中至拱脚处逐渐缩小,保证了结构形式与受力要求的统一协调。在Maillart 三铰拱的设计中, “力走捷径”的力学理论是结构形式更加简洁明快的基础,在萨尔瓦多. 穆勒《建筑结构》中对屈曲现象的解释将这一理论加以拓展: 每当在不同路线之间存在着一个选择的时候,一个物理现象将按照最容易的路线发生,这是一个基本的自然规律。这一规律即是最小耗能理论: 任何耗能过程都将在与其相应的约束条件下,以最小耗能的方式进行,最小耗能原理是对能量守恒定律这一能量传递规律的最一般描述。

在桥梁概念设计中,对结构物中关键力学问题的处理是结构成功的关键。最小耗能原理是联系结构力内外能量平衡与构造稳定措施的纽带,这一规律已在在电能消耗问题,塑性力学增量理论问题和力学强度理论等问题中得到验证,并在桥梁耐久性设计理念,生态设计理念,全寿命机制中得到广泛应用。

在桥梁概念设计中,桥梁工程师应该从工程实践中思考各桥梁优缺点,从相互比较中理解桥梁概念设计中结构力学与美学的双重考虑下的经典桥梁所遵循的原则:

二、结构技术创新

桥梁技术创新的目的是在满足使用功能条件下,提高桥梁建设质量,节约建设费用,缩短建设工期,做到工期短、安全、耐久、美观。创新是根据桥梁建设时间的需要提出来的,是针对现

有技术存在的弊病经行改造的过程,不能为了创新而创新。

随着世界经济的快速发展,大跨径桥梁的建设在20世纪末进入了一个高潮时期。自19xx年瑞典建成世界上第一座现代斜拉桥 — Stromsund桥(主跨182.6m)以来,斜拉桥经过了短短50多年 的发展,跨度不断攀升,由200m左右已跃进到l000m以上,见图1和表1。1883年建成的位于纽约跨越伊斯特河的Brooklyn桥(主跨486m)是近代悬索桥的开端,在20世纪20年代悬索桥的建造 达到了一个高峰。自19xx年主跨为1066米的跨越哈得逊河的George Washington桥成为第一座主跨长度达到1000m的桥梁以来,世界上已建成了几十座超千米的悬索桥。

苏通大桥位于长江下游,是国家高速公路网中跨越长江口的咽喉工程,是国家科技支撑计划支持的首个重大公路交通工程,是我国自主设计和建造的世界首座突破千米跨径的斜拉桥。苏通大桥主孔跨径1088米,水文条件复杂、地质条件差、气象环境恶劣、航运密度大,千米级斜拉桥其技术要求超越了国内外现行标准、规范规定,工程建设面临着极大的挑战。通过长达18年的研 究与实践,建设者博采众长、自主创新,开展了100多项科研专题攻关,研究了结构抗风、抗震、防船撞、防冲刷等技术,攻克了千米级斜拉桥结构体系、深水急流中施工平台搭设及群桩基础施工、基础冲刷防护和高塔、长索、大跨结构施工控制等十余项世界级关键技术难题,发展了基于寿命周期和性能设计的桥梁设计理论与方法,创新了静力限位和动力阻尼组合的桥梁结构体系,

研发了具有自主知识产权的设计软件,编制了千米级斜拉桥设计指南,形成了千米级斜拉桥设计核心技术,创造了1088米的最大跨径、300.4米的最高桥塔、131根直径2.8米120米深的最大群桩基础、577米的最长拉索等四项世界纪录。目前已获得15项省部级科技进步奖、29项授权专利、22项工法。苏通大桥的建设关键技术和自主创新成果已在国内外多座桥梁工程中推广应用,科技部原部长徐冠华院士赞誉“以苏通大桥为代表的中国桥梁建设是我国自主创新的一面旗帜”。

从世界桥梁的发展来看,桥梁在向跨度更长、规模更大,向跨越海峡工程、外海海洋工程的方向发展。目前世界范围内规划或在建或建成的大型跨海通道有意大利墨西拿海峡通道工程、日本津轻海峡通道工程、土耳其伊兹米特海湾通道工程、印尼苏门答腊海湾通道工程、直布罗陀海峡通道工程、白令海峡通道工程等;国内目前规划或在建或建成的大型跨海通道有港珠澳大桥、琼州海峡跨海通道工程、渤海湾跨海通道工程、台湾海峡跨海通道工程等。随着桥梁建设环境越来越复杂,技术难度越来越高,需要解决的技术问题非常多,为了保证桥梁的可靠性、耐久性、行车舒适性和施工简易性,有大量的工作要做,需要研究者继续努力,博采众长,共同攻克这些技术难题。总的来说,现代桥梁面临的挑战主要有:一、超深水基础的结构形式和施工技术研究;

二、超大跨径桥梁的结构体系和特殊力学问题;三、轻质、高强、耐腐蚀、高性能材料的研究,材料的进步决定了桥梁技术发展的

水平;四、大跨径桥梁如何解决减灾抗灾以及途径的问题;五、超大跨径桥梁的施工控制,如们保证建成后的设计线形、受力状态能够达到设计的要求;六、超大跨径桥梁的经济性问题。优化管养,耐久性,人性化设计,管养规划,优化管养技术,降低全寿命周期的成本,如何保证可检、可修、可维护、可更换,对这些要求的考虑和实现将是对现有设计技术的革命。

科学研究可以数百次失败,只要最后成功就行了,但是桥梁建设不允许失败,因此用在桥梁建设上的技术创新也不允许失败。我们在采用技术创新成果上必须十分慎重,或者常说的要采用成熟的技术。如果我们对一项技术不能精确评价,而又不得不用时,则要设大包围圈,要能框住它,也就是要加大安全储备,确保万无一失。

桥梁技术创新中,设计是首要的,但规避施工风险也是设计要遵循的一个重要原则,施工风险常常决定着结构方案的取舍。苏通长江大桥斜拉桥主塔墩采用钻孔灌注桩群桩基础,放弃沉井方案的主要原因是前者比后者施工风险小,既使群桩基础一根桩失败,可以补桩。但是巨型沉井在局部冲刷严重的长江就位时,如果发生倾斜、移位就很难处理,显然选择桩基是正确的,主塔墩基础的施工实践也证明了这种选择是成功的。

设计是一种创造性的劳动,它博采众长,紧密结合桥址实际,对所用可能的方案进行比较,推选最优方案。尤其是一些特大型桥梁,设计者要深入了解环境,构思出的桥梁要融入环境,甚至

为环境增色;要了解全国乃至世界可能提供的新材料及材料的性价比;要了解全国乃至世界的施工技术,结合承包商特长筛选施工工法;要谨慎建模,选用多种软件进行结构分析,必要时通过试验验证,弄清结构在施工运营阶段的力和变形,不留疑问和盲点;要小心处理好细部构造;要认真研究充分吸取相似工程的经验和教训力求每做一个工程有一个进步。这个艰苦过程就是技术创新。因为受设计周期、经费的限制和设计必须采用成熟技术的原则,一般情况下,不能要求一个设计项目产生一种新结构、新工艺。

精心施工要努力降低物耗,合理的工期、安全、高质量的按设计图纸建成大桥,这必然会有许多的技术创新。

我国已经是一个桥梁强国,无论从桥梁的数量、跨径的大小,建设规模都进入了世界先进行列,在桥梁的计算水平上、经济指标上、建设速度上与国外无多大的差异。我们与国外技术水平的差距主要在施工质量、桥梁耐久性、桥梁美学上。我们应该在这些方面展开技术创新活动。

超前开展研究工作,是桥梁技术创新必须的。一个待建的工程项目,因为受时间、经费的限制,一般不可能开展大的项目研究,但是针对一些重大工程,提早安排研究工作是应该的,更是必须的。比如琼州海峡大桥工程,用现有的技术还不能完全有把握建设,世界上还没有一座桥梁在这样大水深及土质床面上建墩和锚垫这就需要提前研究,突破了这项技术,才能谈得上建设。

海峡建桥需要更大跨径,因此对新材料的研究也是十分迫切的,对特定目标的技术创新必须超前开展研究工作。

近几年来无背扣斜拉桥、自锚式悬索桥建的比较多,结果是多花钱、工期长。斜拉桥桥面梁可以悬臂浇筑或悬臂拼装,这种施工优势正是斜拉桥得以大发展的原因,但无背扣斜拉桥完全丧失了这种优势,他需要先在支架上施工桥面梁,而后施工斜塔,用斜塔的自重来平衡桥面梁,用桥面梁的自重来稳定斜塔,为了减轻自重,无背扣斜拉桥及时跨径不大,桥面梁也只能采用昂贵的钢梁。悬索桥的优势可以先架悬索,利用悬索安装加劲梁。而自锚式悬索桥,主缆锚在梁端,因此要先梁后主缆,梁在支架上拼装或者在支架上顶推。在锚碇不困难的地方建自锚式悬索桥造价是其他桥型造价的1.5-2倍。桥梁设计建设追求新奇、怪异,违背了桥梁技术创新的目的,显然不能算是技术创新。

结论:( 1) 桥梁工程师首先应该尊重科学的自然规律,合理利用积累的经验,并同时具有一定的艺术及美学修养。利用既有的结构设计中力与能量平衡的自然准则进行创造性的设计应该成为年轻工程师的努力方向。

( 2) 对于不同的桥梁结构形式,对力学与美学侧重点有所不同,工程师要把设计所依据的各种资料完全消化和记在心里; 了解各类桥梁的使用范围并娴熟于心。

( 3) 桥梁概念设计蕴含了理念和创新,是桥梁设计的核心技术。桥梁结构设计融合了大量仿生学,景观设计基本原理与美

学意识等知识,要求桥梁工程师多涉猎,不断探索和思考。

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