河北工程大学机械论文开题报告

相关范文：超硬材料薄膜涂层研究进展及应用摘要：CVD和PVD TiN，TiC，TiCN，TiAlN等硬质薄膜涂层材料已经在工具、模具、装饰等行业得到日益广泛的应用，但仍然不能满足许多难加工材料，如高硅铝合金，各种有色金属及其合金，工程塑料，非金属材料，陶瓷，复合材料(特别是金属基和陶瓷基复合材料)等加工要求。正是这种客观需求导致了诸如金刚石膜、立方氮化硼(c-BN)和碳氮膜(CNx)以及纳米复合膜等新型超硬薄膜材料的研究进展。本文对这些超硬材料薄膜的研究现状及工业化应用前景进行了简要的介绍和评述。关键词：超硬材料薄膜；研究进展；工业化应用1 超硬薄膜超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。不久以前还只有金刚石膜和立方氮化硼(c-BN)薄膜能够达到这个标准，前者的硬度为50-100GPa(与晶体取向有关)，后者的硬度为50～80GPa。类金刚石膜(DLC)的硬度范围视制备方法和工艺不同可在10GPa～60GPa的宽广范围内变动。因此一些硬度很高的类金刚石膜(如采用真空磁过滤电弧离子镀技术制备的类金刚石膜(也叫Ta：C))也可归人超硬薄膜行列。近年来出现的碳氮膜(CNx)虽然没有像Cohen等预测的晶态β-C3N4那样超过金刚石的硬度，但已有的研究结果表明其硬度可达10GPa～50GPa，因此也归人超硬薄膜一类。上述几种超硬薄膜材料具有一个相同的特征，他们的禁带宽度都很大，都具有优秀的半导体性质，因此也叫做宽禁带半导体薄膜。SiC和GaN薄膜也是优秀的宽禁带半导体材料，但它们的硬度都低于40GPa，因此不属于超硬薄膜。最近出现的一类超硬薄膜材料与上述宽禁带半导体薄膜完全不同，他们是由纳米厚度的普通的硬质薄膜组成的多层膜材料。尽管每一层薄膜的硬度都没有达到超硬的标准，但由它们组成的纳米复合多层膜却显示了超硬的特性。此外，由纳米晶粒复合的TiN／SiNx薄膜的硬度竟然高达105GPa，创纪录地达到了金刚石的硬度。本文将就上述几种超硬薄膜材料一一进行简略介绍，并对其工业化应用前景进行评述。2 金刚石膜2．1金刚石膜的性质金刚石膜从20世纪80年代初开始，一直受到世界各国的广泛重视，并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球范围的研究热潮(Diamond fever)。这是因为金刚石除具有无与伦比的高硬度和高弹性模量之外，还具有极其优异的电学(电子学)、光学、热学、声学、电化学性能(见表1)和极佳的化学稳定性。大颗粒天然金刚石单晶(钻石)在自然界中十分稀少，价格极其昂贵。而采用高温高压方法人工合成的工业金刚石大都是粒度较小的粉末状的产品，只能用作磨料和工具(包括金刚石烧结体和聚晶金刚石(PCD)制品)。而采用化学气相沉积(CVD)方法制备的金刚石膜则提供了利用金刚石所有优异物理化学性能的可能性。经过20余年的努力，化学气相沉积金刚石膜已经在几乎所有的物理化学性质方面和最高质量的IIa型天然金刚石晶体(宝石级)相比美(见表1)。化学气相沉积金刚石膜的研究已经进人工业化应用阶段。表 1 金刚石膜的性质Table 1 Properties of chamond filmCVD 金刚石膜天然金刚石点阵常数 (Å)密度 (g/cm3)比热 Cp(J/mol,(at 300K))弹性模量 (GPa)910-12501220*硬度 (GPa)50-10057-100*纵波声速 (m/s)18200摩擦系数热膨胀系数 (×10 -6 ℃ -1)***热导率 (W/)2122*禁带宽度 (eV)电阻率 (Ω.cm)1012-10161016饱和电子速度 (×107cms-1)*载流子迁移率 (cm2/Vs)电子1350-15002200**空隙4801600*击穿场强 (×105V/cm)100介电常数光学吸收边 (□ m)折射率 ( □ m)光学透过范围从紫外直至远红外 ( 雷达波 )从紫外直至远红外 ( 雷达波 )微波介电损耗 (tan □)＜ 注:*在所有已知物质中占第一,**在所有物质中占第二,***与茵瓦(Invar)合金相当。2．2金刚石膜的制备方法化学气相沉积金刚石所依据的化学反应基于碳氢化合物(如甲烷)的裂解，如：热高温、等离子体CH4(g)一C(diamond)+2H2(g) (1)实际的沉积过程非常复杂，至今尚未完全明了。但金刚石膜沉积至少需要两个必要的条件：(1)含碳气源的活化；(2)在沉积气氛中存在足够数量的原子氢。除甲烷外，还可采用大量其它含碳物质作为沉积金刚石膜的前驱体，如脂肪族和芳香族碳氢化合物，乙醇，酮，以及固态聚合物(如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯)，以及卤素等等。常用的沉积方法有四种：(1)热丝CVD；(2)微波等离子体CVD；(3)直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet)；(4)燃烧火焰沉积。在这几种沉积方法中，改进的热丝CVD(EACVD)设备和工艺比较简单，稳定性较好，易于放大，比较适合于金刚石自支撑膜的工业化生产。但由于易受灯丝污染和气体活化温度较低的原因，不适合于极高质量金刚石膜(如光学级金刚石膜)的制备。微波等离子体CVD是一种无电极放电的等离子体增强化学气相沉积工艺，等离子体与沉积腔体没有接触，放电非常稳定，因此特别适合于高质量金刚石薄膜(涂层)的制备。微波等离子体CVD的缺点是沉积速率较低，设备昂贵，制备成本较高。采用高功率微波等离子体CVD系统(目前国外设备最高功率为75千瓦，国内为5千瓦)，也可实现金刚石膜大面积、高质量、高速沉积。但高功率设备价格极其昂贵(超过100万美元)，即使在国外愿意出此天价购买这种设备的人也不多。直流电弧等离子体喷射(DC Arc P1asma Jet)是一种金刚石膜高速沉积方法。由于电弧等离子体能够达到非常高的温度(4000K-6000K)。因此可提供比其它任何沉积方法都要高的原子氢浓度，使其成为一种金刚石膜高质量高速沉积工艺。特殊设计的高功率JET可以实现大面积极高质量(光学级)金刚石自支撑膜的高速沉积。我国在863计划"75”和"95”重大关键技术项目的支持下已经建立具有我国特色和独立知识产权的高功率De Are Plasma Jet金刚石膜沉积系统，并于1997年底在大面积光学级金刚石膜的制备技术方面取得了突破性进展。目前已接近国外先进水平。2．3金刚石膜研究现状和工业化应用20余年来，CVD金刚石膜研究已经取得了非常大的进展。金刚石膜的内在质量已经全面达到最高质量的天然IIa型金刚石单晶的水平(见表1)。在金刚石膜工具应用和热学应用(热沉)方面已经实现了，产业化，一些新型的金刚石膜高技术企业已经在国内外开始出现。光学(主要是军事光学)应用已经接近产业化应用水平。金刚石膜场发射和真空微电子器件、声表面波器件(SAW)、抗辐射电子器件(如SOD器件)、一些基于金刚石膜的探侧器和传感器和金刚石膜的电化学应用等已经接近实用化。由于大面积单晶异质外延一直没有取得实质性进展，n一型掺杂也依然不够理想，金刚石膜的高温半导体器件的研发受到严重障碍。但是，近年来采用大尺寸高温高压合成金刚石单晶衬底的金刚石同质外延技术取得了显著进展，已经达到了研制芯片级尺寸衬底的要求。金刚石高温半导体芯片即将问世。鉴于篇幅限制，及本文关于超硬薄膜介绍的宗旨，下面将仅对金刚石膜的工具(摩擦磨损)应用进行简要介绍。2．4金刚石膜工具和摩擦磨损应用金刚石膜所具有的最高硬度、最高热导率、极低摩擦系数、很高的机械强度和良好化学稳定性的异性能组合(见表1)使其成为最理想的工具和工具涂层材料。金刚石膜工具可分为金刚石厚膜工具和金刚石薄膜涂层工具。2．4．1金刚石厚膜工具金刚石厚膜工具采用无衬底金刚石白支撑膜(厚度一般为0．5mm～2mm)作为原材料。目前已经上市的产品有：金刚石厚膜焊接工具、金刚石膜拉丝模芯、金刚石膜砂轮修整条、高精度金刚石膜轴承支架等等。金刚石厚膜焊接工具的制作工艺为：金刚石自支撑膜沉积→激光切割→真空钎焊→高频焊接→精整。金刚石厚膜钎焊工具的使用性能远远优于PCD，可用于各种难加工材料，包括高硅铝合金和各种有色金属及合金、复合材料、陶瓷、工程塑料、玻璃和其它非金属材料等的高效、精密加工。采用金刚石厚膜工具车削加工的高硅铝合金表面光洁度可达V12以上，可代替昂贵的天然金刚石刀具进行“镜面加工"。金刚石膜拉丝模芯可用于拉制各种有色金属和不锈钢丝，由于金刚石膜是准各向同性的，因此在拉丝时模孔的磨损基本上是均匀的，不像天然金刚石拉丝模芯那样模孔的形状会由于非均匀磨损(各向异性所致)而发生畸变。金刚石膜修整条则广泛用于机械制造行业，用作精密磨削砂轮的修整，代替价格昂贵的天然金刚石修整条。这些产品已经在国内外市场上出现，但目前的规模还不大。其原因是：(1)还没有为广大用户所熟悉、了解；(2)面临其它产品(主要是PCD)的竞争；(3)虽然比天然金刚石产品便宜，但成本(包括金刚石自支撑膜的制备和加工成本)仍然较高，在和PCD竞争时的优势受到一定的限制。高热导率(≥10W／em．K)金刚石自支撑膜可作为诸如高功率激光二极管阵列、高功率微波器件、MCMs(多芯片三维集成)技术的散热片(热沉)和功率半导体器件(Power ICs)的封装。在国外已有一定市场规模。在国内，南京天地集团公司和北京人工晶体研究所合作在1997年前后率先成立了北京天地金刚石公司，生产和销售金刚石膜拉丝模芯、金刚石膜修整条和金刚石厚膜焊接工具及其它一些金刚石膜产品。该公司大约在2000年左右渡过了盈亏平衡点，但目前的规模仍然不很大。国内其它一些单位，如北京科技大学、河北省科学院(北京科技大学的合作者)、吉林大学、核工业部九院、浙江大学、湖南大学等都具有生产金刚石厚膜工具产品的能力，其中有些单位正在国内市场上小批量销售其产品。2．4．2金刚石薄膜涂层工具金刚石薄膜涂层工具一般采用硬质合金工具作为衬底，金刚石膜涂层的厚度一般小于30lxm。金刚石薄膜涂层硬质合金工具的加工材料范围和金刚石厚膜工具完全相同，在切削高硅铝合金时一般均比未涂层硬质合金工具寿命提高lO～20倍左右。在切削复合材料等极难加工材料时寿命提高幅度更大。金刚石薄膜涂层工具的性能与PCD相当或略高于PCD，但制备成本比PCD低得多，且金刚石薄膜可以在几乎任意形状的工具衬底上沉积，PCD则只能制作简单形状的工具。金刚石薄膜涂层工具的另一大优点是可以大批量生产，因此成本很低，具有非常好的市场竞争能力。金刚石薄膜涂层硬质合金工具研发的一大技术障碍是金刚石膜与硬质合金的结合力太差。这主要是由于作为硬质合金粘接剂的Co所引起。碳在Co中有很高的溶解度，因此金刚石在Co上形核孕育期很长，同时Co对于石墨的形成有明显的促进作用，因此金刚石是在表面上形成的石墨层上面形核和生长，导致金刚石膜和硬质合金衬底的结合力极差。在20世纪80年代和90年代无数研究者曾为此尝试了几乎一切可以想到的办法，今天，金刚石膜与硬质合金工具衬底结合力差的问题已经基本解决。尽管仍有继续提高的余地，但已经可以满足工业化应用的要求。在20世纪后期，国外出现了可以用于金刚石薄膜涂层工具大批量工业化生产的设备，一次可以沉积数百只硬质合金钻头或刀片，拉开了金刚石薄膜涂层工具产业化的序幕。一些专门从事金刚石膜涂层工具生产的公司在国外相继出现。目前，金刚石薄膜涂层工具主要上市产品包括：金刚石膜涂层硬质合金车刀、铣刀、麻花钻头、端铣刀等等。从目前国外市场的销售情况来看，销售量最大的是端铣刀、钻头和铣刀。大量用于加工复合材料和汽车工业中广泛应用的大型石墨模具，以及其它难加工材料的加工。可转位金刚石膜涂层车刀的销售情况目前并不理想。这是因为可转位金刚石膜涂层刀片的市场主要是现代化汽车工业的数控加工中心，用于高硅铝合金活塞和轮毂等的自动化加工。这些全自动化的数控加工中心对刀具性能重复性的要求十分严格，目前的金刚石膜涂层工具暂时还不能满足要求，需要进一步解决产品检验和生产过程质量监控的技术。目前国外金刚石膜涂层工具市场规模大约在数亿美元左右，仅仅一家只有20多人的小公司(美国SP3公司)，去年的销售额就达2千多万美元。国内目前尚无金刚石膜涂层产品上市。国内不少单位，如北京科技大学、上海交大、广东有色院、胜利油田东营迪孚公司、吉林大学、北京天地金刚石公司等都在进行金刚石膜涂层硬质合金工具的研发，目前已在金刚石膜的结合力方面取得实质性进展。北京科技大学采用渗硼预处理工艺(已申请专利)成功地解决了金刚石膜的结合力问题，所研制的金刚石膜涂层车刀和铣刀在加工Si-12％AI合金时寿命可稳定提高20-30倍。并已成功研发出“强电流直流扩展电弧等离子体CVD"金刚石膜涂层设备(已申请专利)。该设备将通常金刚石膜沉积设备的平面沉积方式改为立体(空间)沉积，沉积空间区域很大，可容许金刚石膜涂层工具的工业化生产。该设备可保证在工具轴向提供很大的金刚石膜均匀沉积范围，因此特别适合于麻花钻头、端铣刀之类细长且形状复杂工具的沉积。目前已经解决这类工具金刚石膜沉积技术问题，所制备的金刚石膜涂层硬质合金钻头在加工碳化硅增强铝金属基复合材料时寿命提高20倍以上。目前能够制备的金刚石膜涂层硬质合金钻头最小直径为lmin。目前正在和国内知名设备制造厂商(北京长城钛金公司)合作研发工业化商品设备，生产能力为每次沉积硬质合金钻头(或刀片)300只以上，预计年内可投放国内外市场。3 类金刚石膜(DLC)类金刚石膜(DLC)是一大类在性质上和金刚石类似，具有8p2和sp3杂化的碳原子空间网络结构的非晶碳膜。依据制备方法和工艺的不同，DLC的性质可以在非常大的范围内变化，既有可能非常类似于金刚石，也有可能非常类似于石墨。其硬度、弹性模量、带隙宽度、光学透过特性、电阻率等等都可以依据需要进行“剪裁”。这一特性使DLC深受研究者和应用部门的欢迎。DLC的制备方法很多，采用射频CVD、磁控溅射、激光淀积(PLD)、离子束溅射、真空磁过滤电弧离子镀、微波等离子体CVD、ECR(电子回旋共振)CVD等等都可以制备DLC。DLC的类型也很多，通常意义上的DLC含有大量的氢，因此也叫a：C—H。但也可制备基本上不含氢的DLC，叫做a：c。采用高能激光束烧蚀石墨靶的方法获得的DLC具有很高的sp3含量，具有很高的硬度和较大的带隙宽度，曾被称为“非晶金刚石”(Amorphorie Diamond)膜。采用真空磁过滤电弧离子镀方法制备的DLC中sp3含量也很高，叫做Ta：C(Tetragonally Bonded Amorphous Carbon)。DLC具有类似于金刚石的高硬度(10GPa-50GPa)、低摩擦系数(0．1一0．3)、可调的带隙宽度(1_2eV～3eV)、可调的电阻率和折射率、良好光学透过性(在厚度很小的情况下)、良好的化学惰性和生物相容性。且沉积温度很低(可在室温沉积)，可在许多金刚石膜难以沉积的衬底材料(包括钢铁)上沉积。因此应用范围相当广泛。典型的应用包括：高速钢、硬质合金等工具的硬质涂层、硬磁盘保护膜、磁头保护膜、高速精密零部件耐磨减摩涂层、红外光学元器件(透镜和窗口)的抗划伤、耐磨损保护膜、Ge透镜和窗口的增透膜、眼镜和手表表壳的抗擦伤、耐磨掼保护膜、人体植入材料的保护膜等等。DLC在技术上已经成熟，在国外已经达到半工业化水平，形成具有一定规模的产业。深圳雷地公司在DLC的产业化应用方面走在国内前列。不少单位，如北京师范大学、中科院上海冶金所、北京科技大学、清华大学、广州有色院、四川大学等都正在进行或曾经进行过DLC的研究和应用开发工作。DLC的主要缺点是：(1)内应力很大，因此厚度受到限制，一般只能达到lum～21um以下；(2)热稳定性较差，含氢的a：C-H薄膜中的氢在400℃左右就会逐渐逸出，sp2成分增加，sp3成分降低，在大约500℃以上就会转变为石墨。5 碳氮膜自从Cohen等人在20世纪90年代初预言在C-N体系中可能存在硬度可能超过金刚石的β-C>3N4相以后，立即就在全球范围内掀起了一股合成β-C3N4的研究狂潮。国内外的研究者争先恐后，企图第一个合成出纯相的β-C3N4晶体或晶态薄膜。但是，经过了十余年的努力，至今并无任何人达到上述目标。在绝大多数情况下，得到的都是一种非晶态的CNx薄膜，膜中N／C比与薄膜制备的方法和具体工艺有关。尽管没有得到Cohen等人所预测超过金刚石硬度的β-C3N4晶体，但已有的研究表明CNx薄膜的硬度可达15GPa-50GPa，可与DLC相比拟。同时CNx薄膜具有十分奇特的摩擦磨损特性。在空气中，cNx薄膜的摩擦因数为，但在N2，CO2和真空中的摩擦因数为。在N2气氛中的摩擦因数最小，为O．01，即使在大气环境中向实验区域吹氮气，也可将摩擦因数降至。因此，CNx薄膜有望在摩擦磨损领域获得实际应用。除此之外。CNx薄膜在光学、热学和电子学方面也可能有很好的应用前景。采用反应磁控溅射、离子束淀积、双离子束溅射、激光束淀积(PLD)、等离子体辅助CVD和离子注人等方法都可以制备出CNx薄膜。在绝大多数情况下，所制备薄膜都是非晶态的，N／C比最大为45％，也即CNx总是富碳的。与C-BN的情况类似，CNx薄膜的制备需要离子的轰击，薄膜中存在很大的内应力，需要进一步降低薄膜内应力，提高薄膜的结合力才能获得实际应用。至于是否真正能够获得硬度超过金刚石的B-C3N4，现在还不能作任何结论。6 纳米复合膜和纳米复合多层膜以纳米厚度薄膜交替沉积获得的纳米复合膜的硬度与每层薄膜的厚度(调制周期)有关，有可能高于每一种组成薄膜的硬度。例如，TiN的硬度为2l GPa，NbN的硬度仅为14GPa，但TiN／NbN纳米复合多层膜的硬度却为5lGPa。而TiYN／VN纳米复合多层膜的硬度竞高达78GPa，接近了金刚石的硬度。最近，纳米晶粒复合的TiN／SiNx薄膜材料的硬度达到了创记录的105GPa，可以说完全达到了金刚石的硬度。这一令人惊异的结果曾经过同一研究组的不同研究者和不同研究组的反复重复验证，证明无误。这可能是第一次获得硬度可与金刚石相比拟的超硬薄膜材料。其意义是显而易见的。关于为何能够获得金刚石硬度的解释并无完全令人信服的定论。有人认为在纳米多层复合膜的情况下，纳米多层膜的界面有效地阻止了位错的滑移，使裂纹难以扩展，从而引起硬度的反常升高。而在纳米晶粒复合膜的情况下则可能是在TiN薄膜的纳米晶粒晶界和高度弥散分布的纳米共格SiNx粒子周围的应变场所引起的强化效应导致硬度的急剧升高。无论上述的理论解释是否完全合理，这种纳米复合多层膜和纳米晶粒复合膜应用前景是十分明朗的。纳米复合多层膜不仅硬度很高，摩擦系数也较小，因此是理想的工具(模具)涂层材料。它们的出现向金刚石作为最硬的材料的地位提出了严峻的挑战。同时在经济性上也有十分明显的优势，因此具有非常好的市场前景。但是，由于还有一些技术问题没有得到解决，目前暂时还未在工业上得到广泛应用。可以想见随着技术上的进一步成熟，这类材料可能迅速获得工业化应用。虽然钠米多层膜和钠米晶粒复合膜已经对金刚石硬度最高的地位提出了严峻的挑战，但就我所见，我认为它们不可能完全代替金刚石。金刚石膜是一种用途十分广泛的多功能材料，应用并不局限于超硬材料。且金刚石膜可以做成厚度很大(超过2mm)的自支撑膜，对于纳米复合多层膜和纳米复合膜来说，是无论如何也不可能的。仅供参考，请自借鉴希望对您有帮助

桥梁毕业设计开题报告

毕业设计开题报告是我们每一个即将毕业的大学生要去撰写的，那么，关于桥梁专业的毕业设计开题报告要怎么写呢?下面是我搜集整理的桥梁毕业设计开题报告，欢迎阅读。

桥梁毕业设计开题报告一

题目：山东省马莱高速公路路基路面综合设计

一、 课题名称

《山东省马莱高速公路路基路面综合设计》是我们这次毕业设计的课题，这也是对我们大学4年所学知识的一次最重要的检验。

二、设计背景

我国公路建设方面成就十分显著。我国的高速公路从1992年的652公里增加到2003年的近3万公里，高速公路总里程仅次于美国，名列世界第二。全国有16个省区高速公路突破1000公里，其中山东省突破3000公里，江苏、广东省突破2000公里，河北、山西、辽宁、浙江、河南、湖南、湖北、江西、安徽、广西、四川、云南、陕西13个省突破1000公里。

公路的技术结构进一步改善。全国等级公路占公路总里程的比重达到了，比上一年提高了个百分点;二级及以上技术等级公路达到万公里，占公路总里程的比重达到，分别比上一年和“八五”末增加个和个百分点。

公路路面等级进一步提高。到2001年底，全国有路面公路里程达到万公里，占公路总里程的91%;路面铺有沥青、水泥的等级公路达到万公里，占公路总里程的。拥有二车道及以上的宽阔好路有22多万公里。其中高级、次高级路面公路里程达到万公里，占公路总里程比重达到，比上一年增加个百分点。

三、设计内容基本概况

马站至莱芜段高速公路是交通部规划的国家重点公路青岛至红其拉铺线的重要组成部分，是山东省“五纵、四横、一环”高等级公路网的组成部分。马莱高速公路的建设是加快山东半岛城市群的崛起和发展、打通青岛市向西出口通道的重大举措。本路段起点桩号K126+000，终点桩号K226+400。

所经地区属于温带大陆性季风气候，四季分明、光照充足、少雨多风、气候干燥，春夏季多偏南风、冬季多偏北风，年平均气温℃，最冷月平均气温℃，最热月平均气温℃，年极端最高气温℃，年极端最低气温 ℃，多年平均降雨量为690-900mm。降水量的季节变化很大，有明显的旱季和雨季。平均夏季降水量最大，冬季降水量为最小。山区降水量相比平原区降水量偏多。由于该沿线地区地形复杂，地面起伏较大，热量和降水分布不均，导致干燥度在地理分布上的较大差异，一般山区、山丘地区为湿润气候区，其它地区为半湿润气候区。气压的月季变化是夏季最低，冬季最高，最高值一般出现在12月至次年的一月份。春秋季为过渡型季节，春季气压逐渐下降，秋季迅速上升，一年之中气压的变化形势呈对称的“V”字型。工程沿线地处东亚季风地带，一般春末夏初多为偏南大风，冬季多为偏北风，季风气候显著。

四、设计方法与思路

本课题主要通过文献研究、社会调查、分析设计、等方法，坚持设计与实际情况相结合。

由于道路是一种带装的三维的空间结构物，包括来路面、路基、桥涵、隧道等工程实体。故本次设计是从几何和结构以及环境三个研究的。

在结构方面，对上述路面、路基、桥涵、隧道这些工程设计总的要求是：用最小的投资，尽可能少的外来材料以及合理的养护力量，使它们能在自然破坏力和汽车行驶所产生的各种力的作用下，在设计年限内保持使用质量。

对于设计的几何方面主要研究汽车行驶与道路的各个几何元素的关系，以保证在设计速度，预计交通量以及地形和其他自然条件下，行驶安全、经济、旅客舒适以及道路美观，因此，实际上我们要涉及的是人、车、路、环境的相互关系。驾驶者的心理汽车运行的轨迹、动力性能、以及交通流量和交通特性都和道路的几何设计有着直接的关系。

此外，道路修建和汽车交通对于环境的影响也必须加以注意，特别是在修建时期，一定要注意对于周边环境的保护，尽可能的减少对地物、地貌等自然环境的破坏。

五、主要设计内容

1.纵断面设计

根据平曲线的基本完成，然后按20米的里程桩读出每个桩号的'高程，其中包括百米桩，加桩，以及各主点里程桩，按水平1：2000，垂直1：200的比例初步绘出路段的纵断面图，然后对本路段的纵坡做出初步的安排，在设计纵坡时尽可能的使纵断面上填挖平衡，根据具体地形和规范确定纵坡度，后进行纵坡的调整，并推算出纵坡值，且要满足规范的要求，接着确定转坡点桩号、标高，然后设计竖曲线：①转坡角的计算：变坡角 W= I1-I2 (式中i1、i2分别为相交坡度线值，上坡为正，下坡为负)②确定竖曲线半径、计算其要素：竖曲线切线长T=L/2=RW/2;竖曲线长度L=RW;竖曲线半径R=L/W;③计算竖曲线起、终点桩号极标高。

2.横断面设计

路段路基横断面的结构形式和尺寸根据公路等级、土壤地质、任务书中规定的的指标和公路的使用条件、施工方法等拟定一般情况下的路基横断面形式和尺寸，对于特殊情况下的路基按具体情况作特殊的设计。本路段一般情况下的标准路基横断面形式和尺寸按规范中的要求拟定。横断面设计方法:(1)在计算纸上绘制横断面的地面线。(2)从“路基设计表”中抄入路基中心填挖高度，对于有超高和加宽的曲线路段，还应抄入“左高”、“右高”、“左宽”、“右宽”等数据。(3)根据现场调查所得来的“土壤、地质、水文资料”，参照“标准横断面图”，画出路幅宽度，填或挖的边坡坡线，在需要设置各种支挡工程和防护工程的地方画出工程结构的断面示意图。(4)根据综合排水设计，画出路基边沟、截水沟、排灌渠等的位置和断面形式，并注明尺寸。

3.路基路面排水设计

路基路面排水作为一个综合排水系统总体考虑。在本路段的排水设计当中,在所有的挖方路堑地段都相应的设置了路堑边沟以配合涵洞迅速的将路基范围的水排走.路基排水设计的原则应当因地制宜、全面规划,充分利用有利地形和自然水系。各种路基排水的沟渠的设置和联结应尽量的不占或者是少占农田,并应当与当地的农利的建设相配合。要结合当地水文条件和道路等级情况，就地取材、以防为主。

①路基在挖方路段，和原始地面线水平或倾向路基的填方处设置边沟。边沟采用*梯形断面，内侧边坡采用1：坡度。边沟纵坡同路线纵坡，采用浆切片石防护。路堑与高路堤衔接处边沟出水口延伸至坡脚以外。边沟水流流向涵洞进水口时，为避免冲刷，应作适当处治。

②挖方路基边坡坡顶5m以外设置截水沟，用以拦截并排除路基上方流向路基的地面径流。截水沟采用* 梯形断面，在山坡较陡时，采用浆砌片石梯形断形式。截水沟的沟底坡度不小于5%。

③将边沟、截水沟、边坡和路基附近的积水引排至路基范围以外时须设置排水沟。排水沟视实地情况布置。

4.边坡防护

一般路段夯实方格式植草，在高填路堤(填方超过8m)路段因填土较为松散，暴露在空气中，易受风、雨、尤其是雨水的冲刷侵蚀，设计中采用人字型大骨架护坡，骨架内夯实种草，保证边坡不裸露于大气中，防止路堤边坡或基底滑动，确保路基稳定，同时可以收缩坡脚，减少填方数量，减少拆迁和占地面积。本设计路段主要采用人字型骨架护坡，高路堑路段汇水面积较大，加之它直接位于路面上侧，所以在雨水的作用下的碎落会影响路面行车的安全。同时从美观的角度，选用了孔窗式护面墙，护面墙用浆切片石砌筑，基础应设置在稳定的地基上，前趾应低于边沟铺砌底面。路堑边坡每6-10m设置成一级护面墙，上下级台阶间设置平台并进行封闭。护面墙厚视墙高确定，顶宽40-60cm，底宽为顶宽加倍墙高。护面墙每隔10-20m设置宽2m伸缩缝一道，每隔2-3m设泄水孔，孔径。

5.挡土墙的布置

为保证坡角稳定，并尽可能节约用地，在坡角处设置了挡土墙。挡土墙设计为重力式，底部设墙趾台阶，增加路基的稳定性;沉降缝及泻水孔的布置：沉降缝每隔10至186米设一道，缝宽厘米，用沥青木板沿墙的内侧、外、顶三侧填塞，深度为20厘米。离地面米的设泄水孔，每隔两米设一排，。孔与孔的横向间距为2米，上下排交错部置。

6.路面设计

本设计拟定了水泥混凝土路面，按设垫层和不设垫层两种路面结构方案。路面是公路的重要组成部分，路面的设计应根据公路交通量及公路的使用任务、性质，并结合当地的气候、水文、土质、材料条件及实践经施工养护条件，遵循“因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资的原则。通过技术经济比较，作出符合使用并以环境条件相适应的经济合理的路面设计。

路面：⑴ 预计交通分析：水泥混凝土路面设计使用年限为30年。参照设计规范，交通量和水泥混凝土路面设计年限累计标准轴次均按一级公路的标准换算。故属于道路重交通。拟定面层厚度采用24cm水泥混凝土。(2)本设计一共拟定了二种干湿状态共4种路面的结构类型。其具体结构的类型见路面结构设计图，推荐采用路面方案为第一种。上面层为4cm细粒式沥青混凝土,中间层为5cm中粒式沥青混凝土，下面层为9cm粗粒式沥青混凝土。基层采用15cm二灰碎砾石和20cm石灰碎砾土石。在地下水较丰富的中湿路段可以加设20cm天然砂砾垫层。

7.路基土石方调配

(1) 填半挖断面中，应首先考虑在本路段内移挖作填进行横向平衡，然后再作纵向调配，以减少总的运输量。(2)土石方调配应考虑桥涵位置对施工运输的影响，一般大沟不作跨越调运，同时尚应注意施工的可能与方便、尽可能避免和减少上坡运土。(3)为使调配合理，必须根据地形情况和施工条件，选用适当的运输方式，确定合理的经济运距，用以分析工程用土是调运还是外借。(4)土方调配“移挖作填”固然要考虑经济运距问题，但这不是唯一的指标，还要考虑弃方或借方占地，赔偿青苗损失及对农业生产的影响等。(5)不同土方和石方应根据工程需要分别进行调配，以保证路基稳定和人工构造物的材料供应。(6)位于山坡上的回头曲线路段，要优先考虑上下线的土方竖向调运。(7)土方调配对于借土和弃土应事先同地方商量，妥善处理。具体步骤:(1)土石方调配是在土石方数量计算与复核完毕的基础上进行的，调配前应将可能影响运输调配的桥涵位置、陡坡、大沟等注在表旁，供调配时参考。(2)弄清个桩号间路基填挖方情况并作横向平衡，明确利用、填缺与挖余数量。(3)在作纵向调配前，应根据施工方法及可能采取的运输方式定出合理的经济运距，供土石方调配时参考。(4)根据填缺挖余分布情况，结合路线纵坡和自然条件，本着技术经济和支农的原则，具体拟定调配方案。(5)经过纵向调配，如果仍有填缺或挖余，则应会同当地政府协商确定借土或弃土地点，然后将借土或弃土的数量和运距分别填注到借方或废方栏中。(6)土石方调配后，应按下式进行复核检查:横向调运+纵向调运+借方=填方;横向调运+纵向调运+弃方=挖方;挖方+借方=填方+弃方。

六、毕业调研情况简介

四月五日早晨，我们设计组一行三十余人前往位于衡阳市附近的衡大高速公路进行为期三天的毕业调研。

衡大高速公路设计全线为重交沥青混凝土路面，分三层摊铺施工。层厚分别为4cm、5cm、6cm，体现了“强基薄面”的设计原则。基层采用水泥稳定类刚性基参层：底基层厚20cm，下基层和上基层各17cm。用摊铺机摊铺。基层上面采用三层稀浆(乳化沥青)封层防水。现在基层一般不采用防水土工布防水，因为土工布和面层黏结性不好，容易产生路面滑移和车辙。基层摊铺、碾压完成后，要注意养护：铺麻袋防曝晒、及时洒水等。分层压实的路基顶面能防止水分干湿作用引起的自然沉陷和行车反复作用产生的压实变形，确保路面的使用品质和使用寿命。

边坡防护一般包括坡面植被防护和工程防护。衡大高速两边的边坡采用的是种草、铺草皮和喷播植草三种方法。沿线工程防护多采用网格式、弧形、“v”字形等轻型挡土墙。

我们同时还参观了沿线一座大桥的施工以及排水设施和拌和厂。

通过此次调研，我亲身体验了许多课本上的知识在实际施工过程中的应用。对路基、路面、挡土墙、边沟、截水沟、拌和场、实验室等以往觉得比较抽象的概念有了具体和直观的认识。我深深地感受到自己还有许多不懂的地方需要向施工技术人员认真请教。从而也让我认识到学习是没有止境的。相信在以后的工作中，我会不断学习，不断总结经验，从而升华自己所掌握的理论知识。

七、设计进度安排

⑴熟悉毕业设计任务，收集资料，作好毕业设计前的准备工作;(一周)

⑵毕业调研;(一周)

⑶纵断面、横断面的设计及土石方的计算和调配。在这一阶段，主要是设计纵断面纵坡，绘制纵断面图，确定坡度;横断面设计，绘制横断面图;计算土石方并进行调配，填写路基设计表;(五周)

⑷路基工程设计。路基排水设计，路基防护工程设计，路基支挡工程设计，软基处理。包括:边沟、排水沟、截水沟、急流槽、挡土墙和涵洞，以及边坡防护和软基处理;(四周)

⑸路面工程设计。包括:路面横断面设计，沥青路面结构设计，路面结构方案比选，路面排水设计;(一周)

⑹公路小桥涵洞设计。针对桥梁、涵洞的结构特点进行强度设计，挠度、荷载、承载力计算;(两周)

⑺编写英文摘要与专业英语文献翻译;(一周)

⑻编制及应用计算机程序;(一周)

⑼编写说明书、文件装订、毕业设计答辩。(一周)

从三月一日至六月二十日，共计十七周。

七、主要参考文献

⑴公路工程技术规范《JTJ01-97》公路管理司;

⑵公路路线设计规范《JTJ011-94》第一公路勘测设计院94;

⑶公路路基设计规范《JTJ013-94》第二公路勘测设计院;

⑷公路水泥混凝土路面设计规范《JTJ012-94》公路规划设计院;

⑸公路沥青路面路面设计规范《JTJ014-94》公路规划设计院;

⑹公路路基施工技术规范《JTJ033-95》;

⑺《路线》设计手册、《路基》设计手册(第二版)第二公路勘测设计院;

⑻《小桥涵设计》手册 河北省交通规划设计院 ;

⑼《公路工程基本建设项目设计文件编制办法》(交公路发[612]-96)工程定额站96;

⑽《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》;

⑾《道路交通标志标线》;

⑿《交通管理于控制》。

八、毕业设计态度

毕业设计是大学学习生活的最后阶段，也是对大学四年所学知识全面化、系统化、延伸化的一个过程，将为以后的工作打下一个良好而坚实的基础。重要性不言而喻，因此在这次毕业设计过程中，我将以端正的态度面对;合理安排自己的作息时间，不无故早退、旷课，严格遵守校纪校规;独立完成自己的任务，遇到问题虚心请教老师和同学。争取以优秀的成绩完成本次设计。

谢谢各位老师!

桥梁毕业设计开题报告二

一、现状及趋势

桥梁是公路、城市道路或铁路的重要组成部分，也是国家工业和技术水平的综合水平体现。

桥梁在我国的应用历史悠久，最早出现的桥梁是木桥，但因木材本身的特性，如质松易腐以及受材料强度和长度支配等，不仅不易在河面较宽的河流上架设桥梁，而且也难以造出牢固耐久的桥梁来因此被石桥所取代，例如赵州桥就是典型的石拱桥。而在我国南方常见的桥梁是竹桥和藤桥，他的优点是轻巧韧性好。随着我国交通运输业的发展，人们对公路桥梁的建设提出了更高的要求，例如行车要舒适、平稳，建设周期要短等等。于是，简支的桥梁型式应运而生，并得以大量的使用，这种桥梁具有连续梁行车舒适的优点，同时它的主梁可以先期预制，在简支状态下安装，然后浇筑接头混凝土完成体系转换，因而可以大大缩短建设工期。目前公路上中小跨径的桥梁大量采用了这种型式的桥梁。简支变连续的方法是:在预制场预制好大梁，分片进行安装，安装完成后经调整位置，浇筑墩顶处接头混凝土，更换支座，完成一联简支变连续的过程。其受力特点是:主梁自重内力即简支状态下的内力，即主梁在简支状态承受自身重量;经过体系转换成为连续结构后，承受二期恒载及使用活载。

二、设计的意义

在大四我所选的是道路桥梁方向，在今后的工作当中我将主要从事公路桥梁这方面的建设与施工，设计的好坏将直接影响实际应用中道路建设以及其美观，一座桥不会因其单独孤立地存在而被人欣赏，它必然是与周边环境物像一起映人人们的眼帘，成为景观设计的一个重要组成部分而存在，因此桥梁的型式要服从于周边环境。桥作为一种人文景观，在桥型与地形紧密结合的同时，应注重与周围环境协调，造型优美的天桥与周围环境的完美结合，给人们带来的不仅是物质上的满足，更是精神上的愉悦与享受。

毕业设计是我们大学阶段最后一个重要的教学实践环节，通过毕业设计使我们能将以前所学的理论知识和工程实际结合起来，同时加深我们对知识的理解并进一步掌握桥梁设计的基本程序、基本方法和设计步骤，培养我们分析、解决问题的能力。同时要求我们设计过程中熟悉相关的行业规范、标准，能正确使用哪

个规范及相关的标准图集，并在设计过程中要充分考虑施工的方便性，能进行有关专业外文资料的翻译，加强计算机应用能力的训练。通过毕业设计的各个环节的综合训练，为毕业后尽快投入实际工作做准备，独立系统的完成一项工程设计，解决与之有关的所有问题，这使得我们要通过运用各种资料，完成桥梁的结构布置，结构设计及结构图、施工图的绘制，培养了我们分析和解决实际问题的能力，还有独立思考、独立设计、创新的精神。提高计算、绘图、查阅文献、编写技术文件及计算机辅助设计计算等基本技能，使我们了解生产设计的主要内容和要求。

三、主要问题

本选题主要进行狗子沟小桥的设计与计算，锻炼我们的知识运用能力。

1、熟悉桥梁的荷载标准、自然条件与周围环境、桥位选择、桥址处水文、工程地质情况等;

2、初步设计阶段的主要工作;

3、了解和熟悉规范的规定;

4、结构计算

(1)、桥梁设计荷载、内力及内力组合计算;

(2)、桥梁上部结构(主梁、桥面板)设计计算;

(3)、桥梁下部结构(桥墩、桥台、承台、基础)设计计算;

5、绘图

(1)、进行全桥整体布置、并绘制桥型布置图;

(2)、绘制桥梁各构件一般构造图、钢筋构造图;

四、预期目的

保质保量的完成毕业设计，能达到实际应用的要求。同时培养我们综合应用所学基础理论、专业知识和基本技能解决一般工程技术问题的能力;培养自己的独立工作能力、沟通能力、实践能力、高度的社会责任感和勇于探索的创新精神;为未来从事相关工作打下坚实的基础。

五、难点

1、虽然通过四年的时间对土木工程方面的知识进行了系统的学习，但是对于实际应用还是盲区，因而可能产生设计指导实践生产的困难。

2、对国家规范的了解不够深刻，可能出现设计上得错误。

3、对于桥梁现场地形地貌的资料不足带来的承载力及荷载计算的偏差。

六、步骤

1、查资料，准备开题报告

2、桥的支座以及墩台的选型，梁尺寸拟定

3、按相关设计规范进行荷载及内力计算

4、进行桥梁上部结构设计计算

5、确定上部结构尺寸及配筋，绘制相关图

6、进行下部结构设计计算

7、确定下部结构尺寸及配筋，绘制相关图

8、编制设计说明书，整理结构结算书，修改桥梁结构施工图

七、计划