预应力混凝土连续刚构桥设计说明书

1 预应力混凝土 连续刚构桥设计说明书 第 1 章 绪论 计概述 应力混凝土连续刚构桥概述 预应力混凝土连续刚构桥是预应力桥梁中的一种，它具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓、桥面伸缩缝少、行车舒适等优点。 预应力混凝土连续刚构桥的主梁一般采用变截面箱梁 凝土收缩、徐变和温度变化引起的纵向位移。由于梁和墩固结，所以不设支座。合理地选择梁与墩的刚度，可以减小梁跨中弯矩，从而可以减少梁的建筑高度。所以连续刚构桥保持了 续刚构体系的主要特点 （ 1） 墩梁固结有利于悬臂浇筑施工，而且可以减少大型支座及其养护、维修和更换； （ 2）在构造方面，主梁常采用变截面箱型梁，桥墩多采用薄壁墩；桥梁两端的伸缩装置的设置应能适应结构纵向位移的需要，同时，桥台处需设置控制梁水平位移的挡块，以保证结构的水平稳定性； （ 3）受力方面，由于桥墩具有一定的柔度，与 根部的弯矩很小，而在墩梁结合处仍有刚架受力特点；随着墩高的增加，连续刚构桥墩顶以及跨中梁部弯矩趋近连续梁；墩的轴向力和墩底弯矩随墩高的增加急剧减少；两墩 之间的梁部所受到的轴向力随墩高的增加而急剧减少。 工方法及其特点 采用挂篮悬臂现浇法。悬臂施工法的优点是：施工支架采用的临时设备少，施工时不会影响桥下的通航、通车、也不受季节、河道水位的影响。 业设计的目的与意义 毕业设计是对大学学习的一个总结，也是对以前所学知识的概括与回忆，在设计 2 过程中可以把学到的各方面的知识综合运用，加强对知识的系统理解，增强对知识的糅合能力，把所学的知识运用到实践当中 ,希望通过这次的设计让自己的专业知识得到提升。 本次设计的内容是老窝河大桥连续刚构桥主梁设计。此次设 计可以更加深刻的理解连续刚构桥的设计思路，施工状况和受力情况，增强对桥梁设计的理解，增强对施工工艺的了解。 通过此次设计，能够大致了解桥梁设计的原理和设计思路，培养我们自主学习，独立分析、解决问题的能力，而且在这个过程中还能锻炼我们查阅文献、理解规范、运用标准的能力。 业设计的主要内容 本次的设计内容是完成老窝河大桥设计，设计的内容包括： （ 1）计算方面 定方案；方案点评）。 分析设计参数；制定施工方案；选择材料；拟定结构尺寸 )。 期恒载内力 ；二期恒载内力；活载内力；次内力计算；内力组合）。 向预应力钢筋）。 效预应力计算；控制截面的几何特性计算；抗弯及抗剪承载力计算；应力验算；变形验算）。 （ 2）绘图方面 (计算机出图 ) 3 第 2 章 桥跨总体布置和结构主要尺寸 案比选 根据老窝河的水文 ,地质 ,气温等条件初步拟定三种桥梁形式 :连续刚构桥、连续梁桥和斜拉桥。以下是各方案的具体分析： 刚构桥 桥梁分孔： 根据地质条件的分析，取定桥梁的跨径为 336m，分为三跨 ; 由于桥梁与桥墩是固结，边跨的长短对中跨恒载弯矩的调整的影响很小，而且边跨与主跨径之比在 不仅可以使中墩内基本没有恒载偏心弯矩，而且可以在边跨悬臂端用导梁支撑在边墩上，进行边跨合龙，从而取消落地支架，施工也变的比较方便（但本桥边跨现浇段仍采用满堂支架），故选取桥梁跨径为（ 88m+160m+88m）的形式。 主梁截面形式以及尺寸的选择： 主梁截面采用直腹式箱形截面；根据连续刚构的桥垮比的关系，顶处梁高为 ；底板厚度为适应受压的要求，支点处取梁高的 1/101/12，跨中处一般不低于 02 以支点底板厚度 85中底板厚度 35 施工方法的选择： 采用挂篮悬臂现浇施工法； 此桥只需两套施工设备（挂篮）便可进行全桥对称施工，便于缩短工期。由于墩梁固结，所以不存在临时固结和释放临时固结等施工内容，比连续梁施工更简单。 图 2梁总体布置图 4 图 2梁构造图 桥梁分孔 根据地质条件的分析，取定桥梁的跨径为 336m，分为三跨 ; 采用三跨连续梁时，为使边跨与中跨的最大正弯矩接近相等，达到经济目的以及综合考虑施工与其它因素时，边跨一般是中跨的 以连续梁跨形式是（ 98m+140m+98m）的形式。 主梁截面形式以及尺寸的选择 主梁截面采用直腹式箱形截面； 连续梁桥支点截面负弯矩的绝对值比跨中弯矩大 ,采用的截面形式应符合受力的特点 ,变截面梁与施工阶段的内力相适应，所以采用变截面梁的形式。支点梁高为最大跨径的 1/15 1/20，跨中梁 高为支点梁高的 1/1/支点处的梁高选择为 中处的梁高为 跨中底板厚度配有预应力筋，所以厚度一般取为 20 25桥取为 25 墩顶处底板厚度一般为支点梁高的 1/10 1/12，取为 80 施工方法的选择：采用挂篮悬臂浇筑法，墩顶的箱梁在墩旁的托架上立模现场浇筑，待桥墩与墩顶的箱梁临时固结后在进行悬臂浇筑施工。需要设置临时固结和拆除临时固结。 5 图 2续梁桥总体布置图 图 2梁构造图 3、斜拉桥 桥梁分孔 此处跨径选择为 336m,分为三跨，取双塔三跨斜拉桥的形式； 根据斜拉桥主跨与边跨跨度的比值在 96m+144m+96） 的跨度分布形式； 主梁截面形式以及尺寸的选择 此桥借鉴挪威的斯卡尔桑德桥的设计，对抗风比较有利，所以选取倒三角形 的主梁截面。梁高为 板厚度选取为 23撑厚度 15 施工方法的选择：根据此处的地形条件，由于不利于搭设支架所以采用悬臂 施工法中的双悬臂法（平衡施工），施工顺序大致分为：修建索塔，现浇混凝土 主梁阶段，安装并张拉斜索，两者 交替进行直至合龙。 6 图 2拉桥总体布置图 图 2拉桥截面构造图 工艺技术要求：本次设计比选方案都采用悬臂施工法 ,连续刚构桥由于墩梁固结 ,不需要设置临时固结装置和拆除临时固结装置 ,所以从施工角度对比连续刚构桥比连续梁桥更方便。在施工过程中斜拉桥还需要考虑拉索的影响，所以连续梁桥在施工时比较方便。 使用效果：连续刚构桥和连续梁桥都属于超静定结构，受力情况较静定结构好，连续刚构桥主桥桥面连续，行车条件好，养护容易 ,但是连续梁桥平整度容易受悬臂挠度的影响 ,行车条件不如 连续刚构桥 , 且桥面有伸缩缝 ,养护比较困难；斜拉桥属于超静定结构，但是在施工过程中受悬臂施工的影响，受力情况需中间实验进行验证，伸缩缝少，桥面平整。 造价：三种方案中连续刚构桥的钢材和其它材料的用量均最少，其次是连续梁，因为斜拉桥需要做中间实验，所以造价较高，用材较多。 综合以上描述，选择连续刚构桥的设计方案。 计概述 7 本设计为高速公路预应力混凝土连续刚构桥上部结构设计，设计跨度 （ 88+160+88） m，边中跨比为 宽 12m；桥面纵坡 3%；桥面横坡 2；桥轴平面线型为直线。 主梁采 用单箱单室箱型截面，梁高沿桥纵向呈二次抛物线变化。跨比为 1/跨跨中梁高 跨比为 1/梁顶板宽 12m，底板宽 板悬臂长 m；墩顶处截面底板厚度 85中底板厚度 35板厚度均为 26中腹板厚度 50墩处箱梁侧腹板厚度 70 梁底缘曲线方程 主梁梁底曲线设置为二次抛物线，建立直角坐标系，则梁底缘方程为 y=梁总体布置图 主桥全长为 336m,边跨 88m，中跨 160m。 如图所示： 图 2梁总体布置图 （单位： 面尺寸拟定 截面箱梁形式 在荷载作用下，当桥垮越大时，支点处的负弯矩越大。支点负弯矩绝对值相较于跨中正弯矩大得多，这种情况下采用变截面梁更能适应结构的内力分布规律。另外，大跨度桥梁采用变截面梁的形式受力状态与采用悬臂施工时的内力状态大致吻合。而且变截面梁的截面外形不仅可以增大桥下净空还可以给人以美感，所以大跨度桥梁的截面优选方案一般为变截 面形式。 8 变截面梁的梁高变化规律可以采用直线、圆弧线或二次抛物线。因二次抛物线的变化规律与连续梁的弯矩变化规律基本相近，故最为常用。除梁高变化外，对箱形截面，还可将其底板、腹板和顶板做成变厚度，以适应梁内各截面的不同受力要求。 截面箱梁的尺寸 公路变截面梁的高跨比 h/L，跨中截面可取 1/50 1/30,支点截面可取 1/251/16，支点截面与跨中截面高度之比在 跨与中跨的跨度比在 用悬臂施工法时宜取较小值，此桥采用 值过大，会导致 边跨正弯矩分布不合理；而比值过小（ 梁端支点将发生负反力，需要设置构造复杂的拉力支座。 箱形截面结构承受正、负弯矩的主要部位分别是箱形截面的顶板和底板。当采用悬臂施工方法时，梁的底板将承受很大的压应力（特别是靠近桥墩处者）。为适应受压要求，底板设计成变厚度。根部厚，通常取墩顶梁高的 1/10 1/12；跨中薄，其尺寸受跨中布置的预应力钢筋和普通钢筋的控制，一般在 梁顶板厚度的取值要考虑两个因素：一是满足桥面板横向抗弯的要求，二是要满足纵向力筋布置的要求。一般，当两腹板间距增大时， 顶板厚度也要相应增大。 箱梁腹板主要承受结构的剪应力和主拉应力。 腹板总厚度的一般经验公式： )501(50t 式中 B 桥面总宽度 (m)； L 为主跨跨度 (m)。 在箱梁腹板与顶、底板的结合处需要设置梗腋（或称承托）。梗腋布置的方式视具体情况确定。梗腋的作用在于：通过减少截面的扭转剪应力和畸变应力达到提高截面的抗扭和抗弯刚度的目的；使力线缓和过渡，减少次应力；提供一定空间来布置预应力钢筋；减少顶、底板的横向宽度并可适当减薄顶、底板厚度 。 综合以上描述，箱型截面顶板厚度采用 板厚度采用由跨中的 板厚度由跨中处的 梁截面图如下所示： 9 图 2梁截面示意图（单位： 造特点 号块 零号块是悬臂浇筑施工的中心块体。梁体的受力经零号段向墩身传递，因此零号块受力非常复杂。零号块一般作为施工机具和材料堆放的临时场地，故其顶板、底板、腹板尺寸都较大。 龙段 在合龙的过程中，各独立 箱梁 由双悬臂转化为新的受力状态，直到 连续梁的成桥，这个过程包括了悬臂施工的体系转换。在合龙段施工过程中必须采取相应的构造措施，使得合龙段和两侧梁体的变形保持一致，而且能够顺畅的传递内力，以避免温度变化、混凝土的收缩徐变以及结构体系转化等因素对未达到强度的混凝土造成的影响。 本桥跨中合龙段长度为 2m，边跨合龙段 2m，采用吊篮施工。 篮 挂篮是一个可移动的（钢）支架，它为悬臂灌注提供了架设模板、布置钢筋、灌注混凝土、张拉预应力等的一个工作平台。挂篮通常由承重梁、悬吊模板、锚固装置、行走系统、张拉平台等几部分组成。挂篮的形式很多，构 造各异。对挂篮的一般要求是，构造简单、使用方便、安全可靠、稳定性好、承载力大、拆移动灵活等。挂篮自身所用的材料重量与其所能承受的荷载重量之比，是衡量挂篮设计的主要技术指标。该比值越低，挂篮的使用效率越高，而施工荷载相对越小，一般该值在 段的划分 段划分 10 箱梁施工节段的划分主要考虑以下几个因素： (1)零号块托架施工，工作条件相对较好， 考虑到施工机具，临时物品堆放等 因素，可适当划分长一些。 (2)挂篮的承载能力与抗倾覆性。本设计挂篮承载能力 2000段划分长度不 宜超过 5m。 (3)梁段划分不宜过短，要满足预应力管道弯曲半径的要求。 (4)梁段划分的规格尽量减少，以利于施工。 本桥全长 336m，共分 98 个梁段。零号块长度 12m，悬臂浇筑梁段为 3m、跨合龙段长 2m，边跨合龙段 2m；边跨满堂支架施工长度为 7 m。 型的建立与分析 本桥使用 如提取内力图，截面验算等。单元划分与箱梁节段划分相同，主梁共 95个单元，以准确模拟施工过程。 图 2桥计 算模型 图 2梁计算模型 工阶段划分 施工方法及单元划分确定之后，就可以模拟实际的施工过程。预应力混凝土连续 刚构 桥 采用悬臂施工法需在施工中进行体系转换，经过一系列的施工阶段而逐步形成最终的连续刚构体系。 挂篮悬臂现浇施工的施工程序如下： 11 阶段 1：零号梁段现浇。架设主墩墩顶支架和托架，绑扎钢筋，浇筑零号块梁段。 阶段 2：悬臂浇筑 1#段。在零号段上对称架设挂篮 4 个（每个桥墩上架设两个）， 立模板，绑扎钢筋，预埋预应力管道，做好混凝土浇筑的准备工作。浇筑混凝土，养护至规定龄期 或强度达到设计值，张拉顶板束及腹板下弯束。 阶段 3：拆除模板，前移挂篮至新的位置锚固。 阶段 4：重复阶段 2和阶段 3的工作，直至梁体达到最大双悬臂状态。 阶段 5：搭设边跨现浇段满堂支架，安装边跨支座，铺设模板，绑扎钢筋，浇 筑混凝土。养护混凝土至相应龄期，张拉预应力钢束。 阶段 6：拆除边跨满堂支架，拆除中跨悬臂挂篮，安装中跨合龙段模板和挂篮。 现浇中跨合龙段。张拉预应力，拆除挂篮和模板。 阶段 7：施加二期恒载。 其中，悬臂现浇施工每一个梁段可模拟为以下四个阶段： (1)一次移动，均要先拆除挂篮在 原来临时锚固点的一对集中 力，然后再移动到新锚固点加载一对集中力。 (2)阶段需在挂篮锚固点增加因混凝土重量而产生的力。 (3)阶段梁段上的施工荷载保持不变。 (4)阶段梁段上的施工荷载保持不变。每个梁段的悬浇工期为 7天，其中混凝土浇筑及养生用 3 天（达到混凝土设计强度的 85），张拉预应力钢束 1天，移动挂篮 整标高 。 工注意事项 1、 梁段悬臂浇筑时，与前段混凝土结合面应凿毛，并清洗干净，纵向非预应力钢筋采用搭接的方式连接。 2、 悬灌施 工时，两端施工设备的重量要保持平衡。为使主梁施工达到高质量、高精度和高安全度，除要求混凝土强度达到 85%以后才可施加预应力外，对已灌注的梁段，要求通过以下三个方面的检查校核后，才能进行下一梁段的施工： (1) (2) (3) 12 第 3章 结构内力计算 载内力计算 预应力混凝土连续刚构桥恒载内力计算与所采用的施工方法有着直接的关系。主梁恒载内力，包括一期恒载和二期恒载，一期恒载主要考虑梁的 自重，二期恒载考虑铺装层，栏杆等。本设计采用 料特性 (1)混凝土： 弹性模量： 104 轴心抗压强度标准值： 轴心抗拉强度标准值： 轴心抗压 强度设计值： 轴心抗拉强度设计值： 容重： 26kN/m (2)混凝土 (用于桥墩）： 弹性模量： 104 轴心抗压强度标准值： 轴心抗拉强度标准值： 轴心抗压强度设计值： 轴心抗拉强度设计值： 容重： 25kN/m (3)钢绞线： 弹性模量： 195000 轴心抗拉强度标准值：1860 张拉控制应力： 1395 13 （ 4） 普通钢筋： 受力主钢筋用 12 28)， 330=330受力钢筋用 筋 ( 8 20)， 280=280筋（ 8 20），195=195 元特性 全桥上部结构共分 26个截面类型，悬臂施工阶段梁段单元长度分别为 3m、间合龙段长 2m，满堂支架段 7m。各梁段单元特性见表 3 表 3元特性 单元 位置 截面厚度 h(m) 面积 (m2) m4) m) m) 1 J J J J J J J J J 0 J 1 J 2 J 3 J 4 J 5 J 6 J 7 J 8 J 9 J 0 J 1 J 2 J 3 J 4 J 5 J ：表中 截面抗弯惯性矩， 截面重心轴距上缘的距离， 截面重心 14 轴距下缘的距离。由于整个桥是对称的，所以只列举出了其中 1/4长度的数据。 工荷载 本设计施工荷载的取值为：挂篮、机具、人群等施工荷载重按 800 当施工梁段达到一定强度后，前移挂篮开始浇筑下一梁段。此时作用于先前两个锚固点的施工荷载应解除，即施加反向的作用力，并在新的锚固位置上添加施工荷载。 期恒载 此桥二期恒载考虑 青混凝土面层 10撞护栏 取每侧15KN/m。 沥青混凝土面层 11m 21KN/m=m 11m 24KN/m=m 防撞护栏每侧取 15KN/m， 5KN/m 2=30KN/m 二期恒载： m+m+10KN/m=m 本设计二期恒载的设计值去为 m 。 载计算结果 恒载作用下结构内力见下表 3构弯矩图见下图 注：表中弯矩以截面下侧受拉为正，剪力与模型的局部坐标系正 Z 方向 相同为 正，与 向相同为负。 表 3载计算结果 单元 荷载 位置 轴向 (剪力 弯矩 kN*m) 1 一期恒载 J2 一期恒载 J3 一期恒载 J4 一期恒载 J5 一期恒载 J6 一期恒载 J7 一期恒载 J8 一期恒载 J9 一期恒载 J10 0 一期恒载 J11 1 一期恒载 J12 2 一期恒载 J13 3 一期恒载 J14 4 一期恒载 J15 15 15 一期恒载 J16 6 一期恒载 J17 7 一期恒载 J18 8 一期恒载 J19 9 一期恒载 J20 0 一期恒载 J21 1 一期恒载 J22 2 一期恒载 J23 3 一期恒载 J24 4 一期恒载 J25 5 一期恒载 J26 6 一期恒载 J27 7 一期恒载 J28 8 一期恒载 J29 9 一期恒载 J30 0 一期恒载 J31 1 一期恒载 J32 2 一期恒载 J33 3 一期恒载 J34 4 一期恒载 J35 5 一期恒载 J36 6 一期恒载 J37 7 一期恒载 J38 8 一期恒载 J39 9 一期恒载 J40 0 一期恒载 J41 1 一期恒载 J42 2 一期恒载 J43 3 一期恒载 J44 4 一期恒载 J45 5 一期恒载 J46 6 一期恒载 J47 7 一期恒载 J48 8 一期恒载 J49 9 一期恒载 J50 0 一期恒载 J51 1 一期恒载 J52 2 一期恒载 J53 16 53 一期恒载 J54 4 一期恒载 J55 5 一期恒载 J56 6 一期恒载 J57 7 一期恒载 J58 8 一期恒载 J59 9 一期恒载 J60 0 一期恒载 J61 1 一期恒载 J62 2 一期恒载 J63 3 一期恒载 J64 4 一期恒载 J65 5 一期恒载 J66 6 一期恒载 J67 7 一期恒载 J68 8 一期恒载 J69 9 一期恒载 J70 0 一期恒载 J71 1 一期恒载 J72 2 一期恒载 J73 3 一期恒载 J74 4 一期恒载 J75 5 一期恒载 J76 6 一期恒载 J77 7 一期恒载 J78 8 一期恒载 J79 9 一期恒载 J80 0 一期恒载 J81 1 一期恒载 J82 2 一期恒载 J83 3 一期恒载 J84 4 一期恒载 J85 5 一期恒载 J86 6 一期恒载 J87 7 一期恒载 J88 8 一期恒载 J89 9 一期恒载 J90 0 一期恒载 J91 17 91 一 期恒载 J92 2 一期恒载 J93 3 一期恒载 J94 4 一期恒载 J95 95 一期恒载 J99 元 荷载 位置 轴向 (剪力 弯矩 kN*m) 1 二期恒载 J2 1606 二期恒载 J3 二期恒载 J4 0 二期恒载 J5 二期恒载 J6 二期恒载 J7 二期恒载 J8 二期恒载 J9 二期恒载 J10 0 二期恒载 J11 1 二期恒载 J12 2 二期恒载 J13 3 二期恒载 J14 4 二期恒载 J15 5 二期恒载 J16 6 二期恒载 J17 7 二期恒载 J18 8 二期恒载 J19 9 二期恒载 J20 0 二期恒载 J21 1 二期恒载 J22 2 二期恒载 J23 3 二期恒载 J24 4 二期恒载 J25 5 二期恒载 J26 6 二期恒载 J27 7 二期恒载 J28 8 二期恒载 J29 9 二期恒载 J30 0 二期恒载 J31 1 二期恒载 J32 18 32 二期恒载 J33 3 二期恒载 J34 4 二期恒载 J35 5 二期恒载 J36 6 二期恒载 J37 7 二期恒载 J38 8 二期恒载 J39 9 二期恒载 J40 0 二期恒载 J41 1 二期恒载 J42 2 二期恒载 J43 3 二期恒载 J44 4 二期恒载 J45 5 二期恒载 J46 6 二期恒载 J47 7 二期恒载 J48 8 二期恒载 J49 9 二期恒载 J50 0 二期恒载 J51 1 二期恒载 J52 2 二期恒载 J53 3 二期恒载 J54 4 二期恒载 J55 5 二期恒载 J56 6 二期恒载 J57 7 二期恒载 J58 8 二期恒载 J59 9 二期恒载 J60 441 0 二期恒载 J61 1 二期恒载 J62 2 二期恒载 J63 3 二期恒载 J64 4 二期恒载 J65 5 二期恒载 J66 6 二期恒 载 J67 7 二期恒载 J68 8 二期恒载 J69 9 二期恒载 J70 19 70 二期恒载 J71 1 二期恒载 J72 2 二期恒载 J73 3 二期恒载 J74 4 二期恒载 J75 5 二期恒载 J76 6 二期恒载 J77 7 二期恒载 J78 8 二期恒载 J79 9 二期恒载 J80 0 二期恒载 J81 1 二期恒载 J82 2 二期恒载 J83 3 二期恒载 J84 4 二期恒载 J85 5 二期恒载 J86 6 二期恒载 J87 7 二期恒载 J88 8 二期恒载 J89 9 二期恒载 J90 0 二期恒载 J91 1 二期恒载 J92 2 二期恒载 J93 0 464 93 二期恒载 J94 4 二期恒载 J95 图 3期恒载弯矩图 20 图 3期恒载剪力图 图 3期恒载弯矩图 图 3期恒载剪力图 载内力计算 以梁桥的影响线程序计算各单元的影响线，并用 根据影响线布置可变荷载；用 群荷载作用 下的内力。 21 序可自动计算活载内力，但根据程序要求，需填写活载信息，包括活载类型及活载因子。 活载因子的作用是程序首先按一列车进行加载，然后将所得的加载结果再乘以活 载因子而得到最终的加载结果，其中包含了冲击系数等。 1+ ) 式中 1+ 冲击系数； n 车道数； 车道折减系数； 偏载系数，即横向分布系数本设计近似取 冲击系数的计算： 从桥梁抗震计算的结果内得到桥梁的基频 f，然后 根据以下计算出冲击系数。 当 f = f