桥梁毕业设计论文--大桥设计

本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 大桥设计 系 （部）： 专 业： 土木工程 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2015 年 04 月 毕业设计（论文）任务书 系 别 专 业 土木工程 班 姓 名 学 号 文）题 目 ： 大桥毕业设计 背景和意义该桥位于山西汾阳境内，属于青岛至银川国道主干线山西省汾阳至离石段高速公路第 五 合同段。该桥的建设可使当地的煤矿资源的更好的开发和利用，对当地的经济发展起较大的推动作用。学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解公路预应力混凝土桥梁在桥式方案比选、结构计算及施工架设等方面的设计规范、计算方法及设计思想等内容。为学生在毕业后 从事桥梁技术工作打好基础。 论文 )的主要内容（理工科含技术指标）： 主要技术指标： 桥面宽：净 7m 2 撞墙 ， 设计时速： 100公里 /小时 ， 桥面铺装 : 10 桥面横坡： 桥面纵坡： 2 设计荷载：公路 地震烈度： 6度 ； 设计水位：自 拟 起始时间、设计地点）： （ 1）基本要求：根据所给的桥位地质、地形和水文资料，按适用、经济、安全、美观的原则，至少选择 3 个可比性桥型方案，推荐一种桥型方案。就推荐的设计方案完成下列内容： 全桥的纵、横、平面布置，并合理拟订上、下部结构的细部尺寸；对一跨或一个受力单元进行受力分析，计算各种作用荷载及非荷载因素所产生的内力进行荷载组合、配筋计算及验算；根据桥梁所处位置、环境和施工力量的配备情况，选择合理可行的施工方案与方法，以及主要的施工程序（ 2）进度安排：熟悉设计任务、查阅资料：第七学 期第 12 周 14 周； 方案比选：第七学期第 15 周 17 周；内力及配筋计算：第七学期第 18 周 9 周 第八学期第 1 周 周；绘制设计图纸：第八学期第3 周 周；撰写论文：第八学期第 5 周 周；毕业答辩：第八学期第 7 周 周。 （ 3） 设计地点 西安工业大学 文）的工作量要求 字以上 实验（时数） *或实习（天数）： 2 周 图纸（幅面和张数） *： 不少 6 张 纸 其他要求： 英文翻译不少于 3000 字 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批 ： 年 月 日 I 大桥设计 摘 要 本设计是大桥设计，全桥长 160 米 ,桥宽 2 。 根据设计任务书的要求和该桥所处的地质地貌特点，提出了三种不同的桥型方案进行比较和选择：方案一为预制预应力混凝土连续梁桥；方案二上乘式箱型拱桥；方案三为预应力混凝土刚构桥。经详细技术比选，确定采用预制预应力混凝土连续梁桥作为推荐方案。 在设计过程中，采用桥梁博士软件建模并对结构进行了仿真分析。求解主梁各项内力并进行荷载组合配筋计算。验算结构在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的强度和刚度，以期最优设计。 关键词 ： 预应力混凝土；连续梁桥；内 力计算；桥梁博士 he 40 to of of is on in of ox as In r of in of of of of as of in of a to of 要符号表 边长为 150混凝土立方体抗压强度； 边长 150混凝土立方体抗压强度标准值； 混凝土轴心抗压强度标准值，设计值； 混凝土轴心抗拉强度标准值、设计值； 普通钢筋抗拉强度标准值、设计值； 预应力钢筋抗拉强度标准值、设计值； 箍筋抗拉设计强度； 普通钢筋、预应力钢筋弹性模量； 预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比； T 形或 I 形截面受 拉区、受压区的翼缘宽度； T 形或 I 形截面受拉区、受压区的翼缘厚度； o 桥梁结构的重要性系数； 弯矩组合标准值； 剪力组合设计值； 车道均布荷载标准值； 车道集中荷载标准值； 由预加力产生的混凝土法向预压应力； 由预加力产生的混凝土法向拉应力； 、 构件混凝土中的主拉应力、主压应力； 录 1 绪 论 . 1 题背景 . 1 究意义 . 1 内外相关研究 . 1 究的主要内容 . 1 2 方案设计 . 2 计标准及依据 . 2 位概述 . 2 术标准 . 2 计依据 . 2 计思路和原则 . 3 计思路 . 3 计原则 . 3 3 方案比选 . 4 一方案 :预应力混凝土连续箱型梁桥 . 4 二方 案：上承式箱型拱桥 . 5 方案 :预应力混凝土连续刚构桥 . 6 型方案比选表 . 8 术建议 . 10 4 结构 细部尺寸拟定 . 11 面形式 . 11 梁横截面特征值计算 . 12 面板的计算 . 14 载内力计算 . 14 载作用内力计算 . 22 力增大系数计算 . 34 5 计算标准和内力组合 . 35 算标准 . 35 算内容 . 35 算要点 . 35 力组合 . 36 V 本组合 . 36 期组合 . 37 期组合 . 37 6 预应力钢束配筋设计 . 38 应力钢束的确定 . 38 应力束的布置 . 42 应力损失的计算 . 43 7 内力计算 . 46 久状况承载能力极限状态验算 . 46 截面抗弯承载力验算 . 46 8 持久状态承载能力极限状态计算 . 54 截面抗弯承载力计 . 54 截面抗弯承载力计算 . 56 9 持久状况正常使用极限状态计算 . 57 算应力结果 . 57 用阶段荷载组合 应力（长期效应） . 57 面抗裂验算 . 59 算条件 . 59 常使用阶段竖向最大位移（挠度）计算 . 59 10 持久状况应力计算 . 60 凝土截面法 向压应力验算 . 60 压区混凝土的最大压应力 . 60 拉区预应力钢筋的最大拉应力 . 60 拉区预应力钢束拉应力验算 . 60 截面主压应力验算 . 61 11 短暂状况构件的应力计算 . 62 12 设计心得 . 65 参考文献 . 66 致 谢 . 67 毕业设计（论文）知识产权声明 . 68 毕业设计（论文）独创性声明 . 69 1 绪论 1 1 绪 论 题背景 背景和意义该桥位于山西汾阳境内，属于青岛至银川国道主干线山西省汾阳至离石段高速公路第 五 合同段。该桥的建设可使当地的煤 矿资源的更好的开发和利用，对当地的经济发展起较大的推动作用。 究意义 根据该桥梁所处的地形、地质和水文资料，充分发挥想象力， 将所学的基础理论和专业理论知识联系 ，针对当地造桥条件， 为指定的桥位提出各种可能采用的桥型 方案，进行比较，择优推荐 ， 为选出的桥型进行结构设计，绘制设计图 。通过毕业设计， 使学生掌握桥梁设计的过程 和方法 ，学会考虑问题、分析问题和解决问题的方法，进一步巩固己学课程，并能查阅资料，熟悉公路工程技术标准，正确地应用公路桥涵设计规范。 为以后的工作实践中，能够逐步掌握桥梁结构的设 计方法。 内外相关研究 连续梁在预应力混凝土结构中有了飞速的发展。 60年代初期在中等跨径预应力混凝土连续梁中，应用了逐跨架设法与顶推法；随着施工法的不断改进、完善和推广应用，在跨度为 40续梁桥独步占据了主导地位。目前，无论是城市桥梁、高架道路、山谷高架栈桥，还是跨河大桥，预应力混凝土连续梁都发挥了其独特的优势，成为优胜方案。 近 20年来，我国主跨 4000多座，在建 18座；主跨 8001座，在建 5座；主跨 1000m 以上的桥梁建成 9座，在建 4座。已建的梁桥、拱桥、斜拉桥的最大跨径分别达到了 330m、 552m、 1088m。 究的主要内容 a. 全桥的纵、横、平面布置，并合理拟订上、下部结构的细部尺寸。 b. 对主梁进行受力分析，计算各种作用荷载及非荷载因素所产生的内力，并进行荷载组合及配筋设计。 c. 按照荷载效应不超过结构抗力效应的原则，验算结构构件的强度、刚度与稳定性。如不符合要求，则需修改设计或提出修改设计的措施。 d. 根据桥梁所处位置、环境和施工力量的配备情况，选择合理可行的施工与方法，以及主要的施工流程。2 方案设计 2 2 方案设计 计标准及依据 位概述 该桥位于山西汾阳境内，属于青岛至银川国道主干线山西省汾阳至离石段高速公路第 五 合同段。 桥址属沉积岩为主的丘陵地貌，顶面呈舒缓波状，山坡坡度较大。据钻探、物探揭示及工程地质调绘，桥址区地层自下而上由第三系痘姆组泥质砂岩以及第四系全新统冲洪积物组成。桥位处无不良地质情况，地下水无腐蚀性，适宜建桥。 术标准 主要技术标准： 公路等级：级公路 环境类别：类环境 设计荷载：公路 级 桥面净宽：净 7m 2 面铺装： 10青砼； 桥面横坡： 桥面纵坡： 1 桥面设计标高： 计依据 公路桥涵设计通用规范 2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 2004 公路桥涵地基与基础设计规范 85 公路交通安全设施设计规范 2006 3 计思路和原则 计思路 a. 认真贯彻安全耐久节约和谐的方案设计总方针。 b. 在满足桥梁使用功能的基础上，使用成熟可靠的技术工艺和材料，通过多方案的必选， 尽量降低工程造价，缩短施工工期，减小施工风险。 c. 针对桥梁使用功能和桥位的自然条件，选取多个适宜的桥型桥跨方案，从经济可靠性施工难度工程工期和美观等多角度进行综合比较，择优选取。 设计原则 a. 安全合理 安全标准可以从行车安全基础地质条件的安全与施工安全等多方因素综合考虑。行车安全主要通过桥面设施的布置来实现。如根据公路等级和车流具体情况决定是否需要设置相关构件以保证行车安全。基础安全应满足规范中规定的基础埋深与河流的冲刷深度和冰冻深度的关系，检查桥梁分孔是否合 理。施工期间安全也是应考虑的重要因素，要注意洪水对桥身的不利影响，一般要求在洪水来临之前桥墩的施工面要高出设计洪水位，对于本桥为旱桥顾不考虑水位要求。 b. 适用耐久 桥上应保证车辆和人群的安全畅通，并满足将来交通量增长的需要。桥下应满足泄洪通行等要求。建筑的桥梁应保证使用年限，并便于检查和维修。桥梁还应满足战时的国防要求。 c. 经济节约 桥梁建设必须经过技术经济比较，使桥梁在建造时消耗最少材料工具和劳动力，在使用期间养护维修费用最低，且经久耐用。另一方面，桥梁设计还应满足快速施工的要求，缩短 工期不仅可降低施工费用，而且提早通车给运营商带来很大经济效益。因此结构形式要便于施工和制造，能够采用先进的施工技术和施工机械，以便加快施工速度，保证施工质量和施工安全。 d. 美观和谐 在适用安全和经济的前提下尽可能使桥梁具有优美的外形，并与周围环境相协调，此为美观的要求。合理的轮廓也是美观的主要因素，应当考虑桥梁的建筑艺术。同时，现阶段更应注意环保问题，提倡和谐文明的设计施工。 3 方案比选 4 3 方案比选 本设计共做了三个方案以供必选，第一方案为预应力混凝土连续箱型梁桥，第二方案为上承式箱型拱桥，第三方案为预 应力混凝土连续刚构桥。以下对各方案在总体布置、孔径布置、桥型及施工方案方面作简要叙述。 一方案 :预应力混凝土连续箱型梁桥 （一）桥跨布置 全桥分左右两幅桥，即 4 40m 预应力混凝土连续箱梁，桥长 160m。 （二）结构设计 桥梁上部结构为预应力混凝土连续箱梁，横截面形式为单箱单室截面，下部结构为柱式墩、肋板式台，钻孔灌注桩基础。 （三）施工方法 全桥主跨部结构采用先简支连续的施工方法，先将预制好的梁段吊装就位，然后通过张拉预应力筋使梁连续。 5 如图 应力连续 梁桥 二方案：上承式箱型拱桥 （一）桥跨布置 采用跨径为 140m 的上承式箱型拱桥，主跨 108m。矢跨比为 用箱型主拱。 （二）结构设计 全桥采用钢筋混凝土箱型拱桥，净跨径 140m，桥梁横截面采用箱形截面，下部结构采用柱式墩、肋板式台，钻孔灌注桩基础。 （三）施工方法 6 本桥采用转体施工施工法，通过现场预制然后进行分段吊装，最后进行拼接形成全桥。 图 方案 :预应力混凝土连续刚构桥 （一）孔径布置 本桥的孔径布置为 40m+80m+40m，桥梁全长 160m。由于此桥梁为旱桥，故不考虑通航要求。 （二）结构设计 7 全桥采用变截面箱型梁，单箱单式室截面，最大跨径 80m，下部结构采用双薄壁柔性墩，基础采用钻孔灌注桩基础。 （三）施工方法 全桥采用悬臂浇筑施工法，先浇筑两桥墩，然后从桥墩对称悬臂施工先将两边跨合拢，最后中间合拢。如图 示 8 图 型方案比选表 根据桥型设计原则和总体设计思路，对三个桥型方案进行综合比较论述， 表 案比选 方案比选 桥型方案 方案 一 方案二 方案三 预应力混凝土连续梁桥（ 40+40+40+40m） 上承式箱型拱桥 （ l=108m；f/l= 预应力混凝土连续刚构梁桥 (40+80+40m) 桥长 160m 140m 160m 横坡 9 续表 桥跨 结构 特点 预应力混凝土连续梁桥在垂直荷载的作用下，其支座仅产生垂直反力，而无水平推力。受力明确，理论计算较简单，设计和施工的方法日臻完善和成熟。 钢筋混凝土拱桥在竖直何在作用下，拱的两端不仅有竖直反力，而且还有水平 反力。由于水平反力 的作用，拱的弯矩大大减少。是大跨径桥梁中较经济、合理的桥型。耐久性好。 预应力混凝土连续刚构桥总体造型美观线条流畅与周围环境协调较好；结构整体性强，抗扭刚度大，变形小行车舒适。 施 工 技 术 顶推施工法：占地小，施工质量易保证，设备简单，施工平稳 ，施工技术易于掌握，施工方便，施工进度易于控制。 转体施工法：对周围的影响较小，将结构分开建造，再最后合拢，可加快工期，是近十年来新兴的施工方法，施工难度较大。 悬臂施工法：使结构的整体性增强，能满足结构的刚度要求，由于悬臂浇筑施工难度大，并且施工进度慢，这 将导致工程费用增加 使 用 效 果 超静定结构，使用性能好。结构刚度大，变形小，主梁变形挠曲线平缓。行车平顺，无伸缩缝，通畅，安全，造型简洁美观，养护工程量小，可满足交通运输要求，施工技术成熟 上承式拱桥采用工厂预制现场 拼装 ，施工速度快。采用转体施工法，可不搭建支架，减少施工工序，且不需要复杂的高空作业。施工费用少，工期短，可减少施工用地。但对地基要求较高。 行车舒适，结构轻型化，桥下净空大，视野开阔，线形优美，无支座，连续刚构正弯矩比连续梁小，施工时不需要体系转换，工期较短。 综合 对比 经济性较好，使用性能好，行车舒适，施工简单 桥型优美，观赏性强，但施工复杂，造价高。 造价较高，施工方便，桥形优美，墩的抗撞性差 10 综合评价 本方案结构受力明确，行车舒适，施工期短，施工工艺成熟，养护量小，造价低，故作为推荐方案 本方案桥跨布置和合理，跨越能力大，外型美观但造价高施工难度相对较大因此作为第二方案 本方案桥跨布置合理，跨越能力大，外型美观但造价高施工难度相对较大，故为第三方案 术建议 经过详细的技术比选，推荐第一方案，即“预应力混凝土连续箱梁”作为本桥施工图设计的方案。下阶段拟进行详细的结构计算 分析，并对结构尺寸进行优化和细部设计。 4 结构细部尺寸拟定 11 4 结构细部尺寸拟定 面形式 常见的箱形截面形式有：单箱单室、单箱双室、双箱单室、单箱多室、双箱多室等等。单箱单室截面的优点是受力明确，施工方便，节省材料用量。拿单箱单室和单箱双室比较，两者对截面底板的尺寸影响都不大，对腹板的影响也不致改变对方案的取舍；但是双室式存在一些缺点：施工比较困难，腹板自重弯矩所占恒载弯矩比例增大等等。本设计是一座公路连续箱形梁，采用的横截面形式为单箱单室。 根据经验确定，预应力混凝土连续梁桥的主梁高度与其跨径之比通常 1/12 1/16之间。当建筑高度不受限制时，增大梁高往往是较经济的方案，因为增大梁高只是增加腹板高度，而混凝土用量增加不多，却能显著节省预应力钢束用量。本设计采用等高度的直线梁。箱形截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位。其尺寸要受到受力要求和构造两个方面的控制。支墩处底版还要承受很大的压应力。 确定梁高为 板厚为 30板厚为 25板为 30腹板与顶、底板相接处，上部为 6030部为 6030利于脱模并减小转角处的应力集中。 箱型截面示意图如下 所示： 图 12 图 桥梁横截面特征值计算 图 其形心和抗弯惯性矩的 计算过程如下所示： 13 表 心和抗弯惯性矩 S N i i 1 1 340*25=8500 018750 2 1 400*30=12000 15 180000 3 2 2*220*30=13200 140 1848000 4 2 2*200*20=8000 240 1920000 5 2 2*200*40/2=8000 733600 6 2 2*60*30/2=1800 215 387000 7 2 2*60*30/2=1800 40 72000 53300 8159350 表 心距下边缘的距离： 下Z= 形心距上边缘的距离： 上Z= 表 弯惯性矩 S i 20 I 1 8500 0548560 9000000 12000 28859320 237859320 3 26620000 13200 265252 28885252 4 000 0412880 000 2359680 45000 1800 896898 6941898 7 45000 1800 3024898 23069898 于 =m 表 弯惯性矩 S i 20 I 1 8500 0 0 160000000 12000 0 0 160000000 3 495000 13200 185 451770000 452265000 4 000 300 720000000 000 6903112 180000 1800 150 40500000 40680000 7 180000 1800 150 40500000 40680000 2013066676 表 于 =m 14 面板的计算 桥面板的计算采用标准车加局部荷载，对板进行局部验算和配筋。该桥是上下分行的 ,桥总宽为 16米，一侧是 8米按双个车道设计。 其内力的计算在后边的恒载内力计算。 一期恒载内力即梁的恒载内力计算 : 梁的恒载集度：=5= 二期恒载桥面铺装和栏杆的内力计算： 桥面的恒载集度：23 4= 恒载集度：gq= 结构重力作用效应见下表。 15 表 用阶段结构重力效应表 16 17 18 19 20 21 22 图 用阶段结构重力结构内力图 载作用内力计算 荷载设计等级为公路 I 级，0.5 ， 对各跨：20 表 使用阶段汽车 3 24 25 26 表 使用阶段汽车 27 28 29 30 表 使用阶段汽车 1 32 33 表 使用阶段汽车 4 应用规范给定的公式进行计算 ,由于梁体取 凝土，混凝土的弹性模量取E = 。 G/g=* m 对于主跨： 6221 因为 ，故 =6221 因为 ，故 2 =f ： 1，当计算连续梁的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应时，采用 1u ； 2，计算连续梁冲击引起的负弯矩效应时，采用 2u 。 力增大系数计算 截面特性： 面积 A=m ，抗弯惯性矩 I=m 。 整个截面的抗扭惯性矩 修正系数2211112l a E 为混凝土弹性模量 4c 3 . 4 5 1 0E M P a， G 为混凝土剪切模量G 对于跨中处截面， 9 9 7 529 9 2185x 活载内力增大系数； =2 5 计算标准和内力组合 35 5 计算标准和内力组合 算标准 算内容 结构的计算状态： 1. 承载能力极限状态计算（ 2. 正常使用极限状态计算（ 算要点 a. 计算软件 结构计算分析采用土木工程专用的软件 行。并按相关标准验算结构在各种状态下内力应力变形等。 桥梁博士计算软件是一个即可视化数据处理，数据管理，结构分析，打印与帮助为一体的综合性桥梁结构设计与施工计算系统。他可以分析直线桥，斜弯桥，斜拉桥等结构形式，可做主 梁内力计算，横向分布系数的计算，应力分析，强度验算等。此设计用的是软件的新版本即 b. 结构建模 全桥整体及局部构件分析时，采用土木工程专用的软件 立仿真模型，以实现自动化设计，计算和结构安全检查。 根据该桥梁结构的特性，全桥共分 163 个单