土木工程毕业论文-杭州湾跨海大桥设计第1章选题简介1.1工程概况杭州湾跨海大桥Ⅱ合同桩号K51+579～K52+977，包括北航道桥和北侧高墩区引桥下构，桥长1398m，包括B1 ～B13共计13座桥墩桥位处水文地质情况较复杂，潮差大，为方便水上施工，减少水上船舶施工组织管理难度，减轻水上施工安全风险，本合同段B1 ～B10墩采用搭设栈桥辅助施工方案，因此本合同段施工栈桥除了共用Ⅰ合同段已搭设到B1墩的栈桥外，需将栈桥从B1墩延伸到B10墩，新建栈桥699m栈桥按单向行车道设计,桥面宽6.0m，会车点为B1～B10各墩平台与栈桥相接处，栈桥设计使用年限4年栈桥整体布置（图1.1）图1.1 新建栈桥总体布置图栈桥总长699m，按连续梁设计（每联划分见附图），根据结构形式及施工工艺分成三个区，一区长75m包括1#～7#墩；二区长486m包括8#～32#墩；三区长138m包括33#～40#墩我所进行分析的第Ⅲ联立面布置图如图1.2图1.2平纵设计栈桥桥面始点（K51+579）设计高程为+7.00m，栈桥1#～33＃墩（K51+579～K52+138）559m范围按平坡设计，33#～40＃墩（K52+138～K52+278）140m 范围内按1.07%纵坡设计，终点桥面设计高程为+8.50m。
栈桥按单向行车道设计，桥面宽6.0m，栈桥轴线距主桥中心线26m栈桥与钻孔桩施工平台连成整体，提高结构的横向刚度从而增加结构的整体稳定性基础栈桥基础采用φ1000mm×12mm钢管桩，共40个墩栈桥桩根据不同的地质条件、冲刷深度选择不同的桩底标高，详见图纸（图号HⅡ-ZQ-001）栈桥1#~7#墩（B1～B2之间）钢管桩基础采用履带起重吊机配合振动锤施打，桥墩纵向间距12m，1#~3#墩各墩设2条直桩，横向间距4.4m4#~7#墩设每排3条直桩，横向桩距2.2m，其中7#墩设间距为3m的双排桩加强8#～40#墩钢管桩基础采用打桩船插打，设普通墩及加强墩8#～39#墩普通墩横向每排2条钢管桩，布置为两边各设一根14°的斜桩，桩顶横向间距4.4m，钢管排桩纵向间距18m每72m或54m在靠近桥墩承台处设双排桩作加强墩加强墩为四边形布置的4条钢管斜桩，钢管桩竖角11°,水平扭角15°，横向间距4.0m，纵向间距3.0m40#加强墩每排为3条钢管桩，中间1直桩，两边各1斜桩如图1.3）横联横向每排桩顶面用双拼45a型工字钢嵌钢管用作上横联及支承贝雷梁的横向承重梁桩间下横联用φ426mm×6mm钢管，斜撑用双拼16#槽钢。
主梁纵向主梁采用贝雷桁架结构，由七排贝雷组成，两边各两排贝雷之间用102cm贝雷支撑架联结，中间三排贝雷用加工的204cm贝雷支撑架联结成整体，两侧与中间贝雷梁用单片10#槽钢剪刀撑联结，6排贝雷横向联结间距示意：102+96+102+96+102 如图1.4）如图1.4桥面系贝雷梁上铺14#工字钢作分配梁，分布梁间距30cm，单根长6.0m14#工字钢上面铺δ8mm钢板作行车面板护栏高1.2m，竖杆用φ48mm焊管，每1.8m设置一道焊接在桥面系横梁上，水平横联用L50×50×5角钢1.2水文、地质与气候情况1.2.1）水文1．潮位杭州湾属强潮河口湾，潮汐类型为不规则半日浅海潮，并有明显的日、夜潮不等现象北航道桥潮汐特征值根据附近乍浦水文站长期验潮(1930～1999)资料（潮位基准面采用1985国家高程基准）统计：平均高潮位：+2.52m 平均低潮位：-2.12m平均涨潮历时：5小时27分平均落潮历时：6小时59分平均潮差：4.65m 最大潮差：7.57m另据设计图，高潮累积频率10%的潮位+3.54m，低潮累积频率90%的潮位-2.75m，按重现期20年的计算条件，极值高潮位+5.3m。
2．潮流杭州湾内潮流基本垂直桥轴线方向流动，为往复流，按20年重现期，乍浦站2001垂线号涨、落潮垂线平均最大流速分别为1.85m/s、2.56m/s,2002垂线号涨、落潮垂线平均最大流速分别为2.50m/s、1.88m/s， 2002垂线号可能最大流速2.81m/s3．波浪全年波高平均0.2m最大波高3.5m（台风所致）平均波高≤0.5米的波浪出现最多，全年1.5m以上的波高仅占0.6％夏季平均波高略高按重现期二十年计算条件，设计波要素见表1:表14．水文地质地下水主要为第四系松散岩类孔隙水，地下水对混凝土无腐蚀性，海水对混凝土具弱腐蚀性；地下水及海水对钢结构具中等腐蚀性1.2.2）气候本地区属南亚热带季风气候，温湿多雨，是重大灾害天气多发地带该区年平均气温16℃左右，累计年均降雨量为1220.2mm夏、秋季台风为主要自然灾害，1949～2000年共有133个影响台风；全年平均风速3m/s,年平均大风日数16.3天该地区雷暴频繁，全年平均雷暴日数为32.1天，全年平均雾日数35.6天，年均降雪日数9.7天，1949～2000年桥位周围6个县市出现39次龙卷风1.2.3）工程地质桥位区段表层为亚砂土（厚度为1.3～6.6m），其下（不按顺序）主要由粘土、亚粘土、淤泥质亚粘土、粘性土、亚砂土、中细砂、粉砂、粉细砂层组成，厚约130m。
栈桥海床在B1至B2墩间变化较大， 50m范围内海床面高程由-4.1m变化到-12.5m，B2至B10之间海床面较平缓，高程在-12.0m左右注：水文及气候方面详见：《杭州湾大桥施工图设计阶段工程地质勘察报告》（第二合同段）《杭州湾跨海大桥工程施工招标参考资料》《杭州湾跨海大桥Ⅱ标段技术交底》1.3、栈桥功能构造1.3.1）栈桥功能要求栈桥与高墩区引桥各墩及北侧主墩、辅助墩及边墩施工平台衔接，作为北航道桥及高墩区引桥施工材料、机械设备转运的主要通道，同时作为施工人员上下班便道由于施工栈桥作为施工中的通道和平台，除承受竖向施工车辆荷载外，还受到海湾风、浪的作用，因此栈桥必须满足以下要求：①在工作状态下，栈桥应满足正常车辆通行的安全性和适用性要求，并具有足够的安全储备②在非工作状态下，栈桥停止车辆荷载通行，此时栈桥应能满足整体安全性的要求，允许出现局部可修复的损坏③在栈桥施工状态下，栈桥应满足自身施工过程的安全，但6级风以上时，应停止栈桥施工第2章杆件系统有限元方法原理2.1引言有限元(Finite Element Method)是随着电子计算机的广泛应用而产生的一种计算方法，是求解一般连续体问题的数值方法，有限元法是工程分析中广泛应用的数值计算方法。
从物理方面看：它是用仅在单元结点上彼此相连的单元组合体来代替待分析的连续体，也即将待分析的连续体划分成若干个彼此相联系的单元，通过单元的特性分析，来求解整个连续体的特性从数学方面看：它是使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题，使问题大大简化，或者说使不能求解的问题能够求解一经求解出单元未知量，就可以利用插值函数确定连续体上的场函数显然，随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，解的近似程度将不断得到改进如果单元是满足收敛要求的，近似解将收敛于精确解有限元法借助于两个重要工具：在理论推导上采用了矩阵方法，在实际计算中采用了计算机技术有限元法[3]的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元组合体由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域有限元法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，分片地表示全求解域上待求的未知场函数单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数表达这样，一个问题的有限元分析中，未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量(即自由度)，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
一经求解出这些未知量，就可通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解显然，随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解2.2有限元法求解的基本步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同有限元请求解问题的基本步骤通常为：1.问题及求解域定义根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域2.求解域离散化将求解域近似为具有不同大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分显然单元越小(网络越细)则离散域的近似程度越好、计算结果也越精确，但是计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一3.确定状态变量及控制方法一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函数形式4.单元推导对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元式函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵(结构力学中称刚度阵或柔度阵)。
为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺值的危险，将导致无法求解5.总装求解将单元总装形成离散域的总矩阵方程(联合方程组)，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数(可能的话)连续性建立在结点处6.联立方程组求解和结果解释有限元法最终导致联立方程组联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法求解结果是单元结点处状态变量的近似值对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算概括起来，有限元法可分成三个阶段，前处理、处理、后处理前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使人们能简便提取信息，了解计算结果2.3有限元法在应用方面的特点从有限元法的上述计算步骤，可以看出它有以下应用特点：1.对于复杂几何构型的适应性由于单元在空间可以是一维、二维、三维的，而且每一种单元可以有不同的形状(例如三维单元可以是四面体、五面体或六面体)各种单元之间可以采用不同的联接方式(例如两个面之间可以是场函数保持连续。
可以是场函数的导数也保持联系，还可以仅是场函数的法向分量保持连续)，因此可对计算区域做任意形状的划分，能处理复杂边界，具有很强的适应能力这样一来，工程实际中遇到的非常复杂的结构、构造，都可以离散为单元组合体表示的有限元模型2.对于各种物理问题的可能应用性由于用单元内近似函数分片地表示全求解域的未知场函数，并未限制场函数所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须是相同的形式，所以尽管有限元法开始是对线弹性的应力问题提出的，很快就发展到弹塑性问题、粘弹塑性问题、动力问题、屈服问题等，并进一步应用于流体力学问题、热传导问题等而且可以利用有限元法对不同物理现象耦合的问题进行有效的分析3.建立于严格理论基础上的可靠性由于用于建立有限元方程的变分原理或加权余量法在数学上证明是微分方程和边界条件的等效积分形式只要原问题的数学模型是正确的，同时用来求解有限元方程的算法是稳定的、可靠的，则随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小或者随着单元自由度数目的增加及插值函数阶次的提高，有限元解的近似程度将不断地被改进如果单元是满足收敛准则的，则近似解是最后收敛于原函数数学模型的精确解4.适合计算机的高。