市政工程桥梁设计要点研究

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  【摘 要】 设计者在设计桥梁时一定要尊重其原则和标准,运用先进的技术和巧妙的额构思设计出具有人性化的作品。本文就市政工程桥梁设计中的一些要点进行探讨,以期能为桥梁设计师提供参考。
  【关键词】 市政工程;桥梁设计;要点
  一、桥梁设计理念。
  (一)桥梁的美学设计理念。
  桥梁美学主要有形式美、功能美、与环境协调美。桥梁在设计时,要想实现以上的境界难度较大,其中最重要的是要把握好一个度。比如,拿最普通的车行天桥来说,在山区或平原区或城市附近讲究的都很多,在地形地势复杂的山区道路上,构造简单轻盈的上跨桥便足够了;而平坦广阔又有景观需求的地方常常需要通过上跨桥的造型予以弥补;在城市人车流量大的地方,上跨结构不管是上部结构造型还是下部的构造形式都应给与重视,甚至具体的桥梁上的装饰物都应注重。
  (二)耐久性设计理念
  结构设计的时候,首先要制定经济合理的方案,其次是要对结构进行分析设计,这一环节中容易忽视对现阶段的施工和管理水平、材料耐久性、结构的后期改造、加宽、维护以及施工过程中可能造成的人为失误等问题的充分考虑。所以,大多数桥梁即使符合了现有设计规范的强度要求,但不出几年就由于耐久性出现很多问题。为解决这些问题,在设计和建造阶段要挑战传统设计理念,使结构具备六大特性,即:可检性、可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性。充分认识到结构在设计寿命期内各个组成部件具有不同的耐久性极限,经常维修,甚至更换或加固,这样才可以确保结构在设计寿命期内的服务功能。
  (三)舒适性新理念
  社会和经济的发展给市政桥梁提出了新的要求,除了可达性之外,安全、经济和舒适性指标在衡量市政桥梁质量方面变得更加重要,人们衡量市政桥梁的好与坏的标准,己经从过去的“宽阔平坦”变化到“畅、洁、适、美”。而以前在道路设计时,设計者主要注重的是道路力学方面的因素,在人的心理、生理方面考虑的比较少,现代的市政桥梁设计必须紧紧围绕人这个主体,在维护环境的同时,力求最大限度地满足用路者即驾驶员或乘客的需要。
  二、桥梁设计基本原则
  (一)安全可靠
  桥梁的安全性是设计中遵循的最主要的原则,所有设计要注意的问题几乎都与安全性有关。而桥梁的安全性主要与桥结构的强度和稳定性、防撞栏杆的高度和强度、照明设施以及防震措施有关。因此在这些方面都应该满足设计的标准。结构的强度和稳定性是保证桥梁维持其功能的基础;行人与车流之间应该设有防护栏;车流量大的桥梁一定要考虑照明设施的安装;对修建在地震区的桥梁,应严格按照抗震标准进行设计。
  (二)适用耐久
  桥面宽度能满足当前以及今后规划年限内的交通流量(包括行人通道);桥梁结构在通过设计荷载时不出现过大的变形和过宽的裂缝;桥跨结构的下方要有利车辆和行人的通行;桥梁的两端要便于车辆的进入和疏散,而小致产生交通堵塞现象等;考虑综合利用,方便各种管线(水、电气、通信等)的搭载。
  (三)经济合理
  桥梁设计应遵循因地制宜,就地取材和方便施工的原则;经济的桥型应该是造价和养护费用综合最省的桥型设计中应充分考虑维修的方便和维修费用少,维修时尽可能不中断交通,或使中断交通的时间最短;所选择的桥位应是地质、水文条件好,并使桥梁氏度较短。
  (四)美观
  一座桥梁应具有优美的外形,而且这种外形从任何角度看都应该是优美的。结构布置必须简练,并在空间上有和谐的比例桥型应与周围环境相协调,城市桥梁和游览区的桥梁,可较多地考虑建筑艺术上的要求合理的结构布局和轮廓是桥梁美观的主要因素,另外,施工质量对桥梁美观也有很大影响。
  (五)环境保护和可持续发展
  桥梁设计应考虑环境保护和可持续发展的要求从桥位选择、桥跨布置、基础方案、墩身外形、上部结构施工方法、施工组织设计等全面考虑环境要求,采取必要的工程控制措施,并建立环境监测保护体系,将不利影响减至最小。
  三、市政工程桥梁设计要点
  (一)结构设计要点
  1、上部结构设计要点
  为了实现快速建造和节约建造成本,一般运用标准化和装配化的形成进行桥梁上部结构的设计。标准化和装配化的设计利于工厂的快速生产,是桥梁结构设计的发展趋势。桥梁的跨径影响着装配化的桥梁结构体系的选取,因此要细心的设计或选取。不但要进行标准化设计,如果桥梁的跨径小于50m,还应运用标准化跨径。
  装配化的桥梁结构体系包括结构简支桥面连续和先简支后连续两类。前者在桥长小于100m或者单孔跨径不大于20m的桥梁结构比较适用,其特征是涵盖了空心板、T梁和小箱梁等截面形式;后者主要对桥长大于100m或者单孔跨径超过20m的桥梁结构形式比较适用,涵盖了空心板、T梁、小箱梁等截面形式。较之结构简支桥面连续体系,先简支后连续装配式T梁在实际中应用的比较广泛,经济性也比较好,建造起来更加方便。此外,先简支后连续体系还对弯道多、半径小的路况特点具有较强的适应性(通过调整梁板悬臂长度和墩顶连续段长度来实现)。
  2、下部结构设计要点
  (1)桥墩
  在设计桥梁的桥墩时,要对各墩稳定性的相互影响充分考虑,单单抽出某一个桥墩分析的结论是不可靠的。在现实分析中,就算我们不能对全桥进行分析,至少也要就一联进行分析。分析稳定性就是获取构件在特定条件下的极限载荷,而极限载荷受各种可能的载荷作用和边界约束条件的影响。因为杆件的计算长度取决于取杆件的边界约束条件自身刚度,因此凭借自由、铰接或固接考虑桥墩的限制来对杆件计算长度的进行确定的传统算法是不可取的。合理的计算方法是以体系的组合刚度为确定原则,由于这种方法综合考虑了约束条件和墩身刚度,所以明显比传统算法要好。
  (2)桥台   常用的桥台型式有U台、肋板式及桩柱式桥台,其中在进行桥梁结构设计时,重力式U台应用较广。由于填土过高会使施工难度增大,因此在进行桥台设计时要使填土高度降低(通常不高于10m)。对于采用扩大基础的桥台则通常选用重力式,对于其中横向变化较大情况要进行台阶设置。
  (3)基础
  对于桥梁结构设计来说,常用的基础形式有钻(挖)孔桩基础和扩大基础两种,具体选取要根据实际情况判断。
  (二)桥梁纵断面设计
  桥梁纵断面设计主要确定桥梁的总跨径、桥梁的分孔、桥面标高与桥下净空,桥上与桥头的纵坡布置以及基础的埋置深度等。
  1、桥梁总跨径的确定。跨河桥桥梁总跨径一般根据水文计算,并结合桥位地形、断面形态、河床地质、桥头引道填土高度等综合分析确定。由于桥梁墩台和桥头路堤压缩了河床,使桥下过水断面减少,流速加大,引起河床冲刷,要求桥梁总跨径必须保证桥下有足够的排洪面积,使河床不致遭受过大的冲刷。另一方面,为了使总跨径不致过大而增加桥梁的总长度,以节省总投资。又允许有一定的冲刷。因此,桥梁的总跨径应根据具体情况经过全面分析加以确定。例如,对于非坚硬岩层上修筑的浅基础桥梁,总跨径应该大一些,以避免路堤压缩河床,造成较大冲刷;对于深埋基础,一般允许较大的冲刷,总跨径就可适当减小。
  2、桥梁的分孔。桥梁总跨径确定以后,还需进行分孔布置。对于一座较大的桥梁,应当分几孔,每孔的跨径应当多大,通航孔如何布置。这些问题要根据通航要求、水文情况、地形与地质条件、施工技术以及美观等具体情况。通过技术经济等方面综合分析后加以确定。
  (三)排水设计
  城市桥梁的排水设计与该区域在暴雨和洪水来临时的安全是息息相关的,是一个必须充分重视的问题。对于上跨桥、高架桥,应该注重设置好纵向、横向排水坡,通常情况下,纵向排水坡不宜小于0.3%,横向排水坡不宜小于1%,适当设置桥面雨水入口;下穿隧道通常要按照高水高排、低水低排的原則进行设计,在船槽起终点宜设置路面横向截水沟,低部设置集水井和抽排泵站,同时还要对排水的出路进行考虑。
  (四)抗震设防
  城市桥梁应当依据当地的地震烈度,依照提高一度的原则进行抗震设防设计。抗震设防的较为常用的方法有防止落梁挡块、剪力销、防落链、墩顶抱箍等,并使用减隔震支座。
  四、提高桥梁设计中耐久性设计的要求
  1、注明桥梁的环境类别、设计基准期。
  2、按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)第1.0.7条要求提出相应的耐久性基本要求,包括最大水灰比、最小胶凝材料用量、最低混凝土强度等级、最大氯离子含量、最大碱含量、混凝土的抗冻等级等。
  3、根据环境类别注明混凝土结构的保护层厚度以及裂缝限制。
  4、混凝土28d龄期的氯离子扩散系数DRCM值小于7*10-12m2/s,其试验检测方法应符合《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTG/T B07-1-2006)。抗冻混凝土应掺入适量引气剂,其拌合物的含气量按现行的《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)规定采用。
  5、混凝土宜采用非碱活性集料,掺合料中如有硅灰,其含量应小于胶凝材料质量的8%,混凝土各技术标准应符合交通部部颁标准的有关规定。
  6、混凝土配制应选用优质水泥和级配良好的优质骨料。水泥及骨料品质应符合交通部部颁标准的规定及其他相关技术规范要求,要严格控制骨料及拌和水的氯离子含量。
  7、桥面设置合理的雨水收集和排放系统,并采用可靠的防水措施,确保雨季交通不受影响。
  8、水泥要求:尽量采用水化热较低的水泥,控制水泥细度及C2S(硅酸二钙)含量,水泥中的C3A(铝酸三钙)含量不宜超过5%,水泥细度不宜超过350m2/Kg,游离氧化钙不宜超过1.5%。宜采用C2S(硅酸二钙)含量较高而水化热较低的硅酸盐类水泥品种。不宜单独采用硅酸盐或普通硅酸盐水泥作为胶凝材料配置混凝土,也不宜单独采用抗硫酸盐的硅酸盐水泥配置混凝土,建议掺加大掺量或较大掺量矿物掺和料,并宜加入少量的硅灰。
  9、粉煤灰等矿物掺合料要求:粉煤灰是配置耐久性混凝土的重要组分,配置耐久性混凝土应适当掺加粉煤灰等矿物掺合料,掺合料应符合《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)等规范要求。
  10、骨料要求:骨料应洁净、质地坚硬(压碎指标不大于14%,吸水率不大于2%)、级配合格(针片状颗粒含量小于7%)、粒径形状好。粗骨料堆积密度大于1450Kg/m3,即孔隙率不超过43%,C40及以上混凝土所选粗骨料压碎值不大于10%,吸水率不大于2%,不宜采用有潜在碱活性物质的粗骨料。粗骨料的最大公称粒径不宜超过保护层厚度的2/3,且不超过钢筋最小净距的3/4。
  粗细骨料组成应按连续密实级配要求,确定组成比列,以单位体积容重最大、空隙率最小、混凝土和易性最好为目标。细集料应为级配良好的中粗河砂,不得采用海砂。
  11、外加剂要求:所选用的混凝土外加剂产品性能指标应符合《混凝土外加剂》(GB8076-1997)及相关标准。选定外加剂前,必须与所用水泥进行化学成分和剂量适应性检验。化学成分不适应,不得使用;应通过不同减水剂掺量与混凝土减水率试验曲线找出该减水剂的最佳掺量;如果采用复合型外加剂,在满足减水率和工作性能的同时,还应满足缓凝时间、塌落度损失等多项指标要求,建议选用超高效减水剂。
  五、结语
  市政工程是城镇发展的基础设施建设工程,关系到人们的生活质量和社会经济的发展。设计师应具有扎实的专业知识、强烈的责任心,做好设计工作,促使工程建设不断完善。同时,树立良好的形象,不断提高设计水平,力求避免因为技术人员的设计失误造成生命和财产损失。
  参考文献:
  [1]游励晖.市政工程桥梁设计要点研究[J].铁道工程学报,2013,03:45-49.
  [2]苏庆波.桥梁设计要点分析[J].城市建筑,2013,06:255+258.
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