毕业设计---大桥初步设计.doc

1 怀化芷江舞水大桥初步设计 摘要: :本次毕业设计主要是关于怀化芷江舞水大桥上部结构的设计。根据市勘测设计院提供 的工程地质资料，和工程实际，提出三种不同的桥型方案进行比较和选择：预应力混凝土连 续梁桥、预应力混凝土刚构桥、斜拉桥。本着“安全、经济、美观、实用”的八字原则， 及预应力混凝土连续梁桥结构受力性能好、行车平顺舒适等优点，确定该桥型为推荐方案。 设计过程中，通过分析桥梁结构在使用过程中的恒载及活载作用，考虑不同的荷载安全系 数进行荷载组合，将极限状态的两种内力组合结果作为估算钢束的计算内力。估算出各截面的 钢束后，按照一定要求将钢束布置好，重新模拟施工并考虑预应力作用，进行作用的第二次组 合，以进行施工及使用过程中的截面强度验算、应力验算及变形验算。各项验算均满足要求且 设计合理，则设计通过。为提高设计效率及准确度，设计中我采用桥梁博士软件进行计算，并 充分利用了 cad、word、excell 等办公软件来整理设计文件。 本设计桥梁跨度为 60m+3100m+60m, 采用单箱单室，桥面宽 17.6m，分为 4 车道。主梁采 用采用平衡悬臂浇筑施工。 关键词：预应力混凝土连续梁桥；极限状态；平衡悬臂浇注 2 huaihua zhijiang wushui bridge prelimilary disign abstract:the graduate design is mainly about the design of superstructure of huaihua wushui long-span pre-stressed concrete continuous box girder bridge. according with the geol ogical condition provided by design situation and the local condition i present three design plan: pre-stressed concrete continuous box girder bridge,rigid frame bridge,cable-stayed bridge. c onsidering the principle of “safety、economy、beauty、practicability” and the advantage of pre-s tressed concrete continuous girder bridge i take that plan as the prior plan. through analyzing internal force of the dead loads and live loads at the stage of using an d considering the different safety factor of the force i calculate the design value of combinatio n for action effects of the limit states and estimate the area of steel of the bridge. as the steel is assigned reasonably, we should imitate the construction process secondly and consider the aff ect of the pre-stressed steel, then calculate the combined force of the limited condition again, which is for checking the force of the construction stage and the using stage. if the force can meet the need and the design is reasonable then the design is advisable. during the process of the design i make good use of the software such as doctorbrige、cad、word and ex cell to optimize my design. the spans of the bridge are 60+3100+60m,which the main beam is respective designed, each suit has one box one room and four traffic ways, the width of the bridge surface is 17.6 m.the main beam is constructed in a balanced cantilever construction way. key words: grade separated pre-stressed concrete continuous girder bridge；limit states；balanced cantilever construction 3 目 录 摘要1 abstract 2 设计总说明.5 第 1 章 绪论12 1.1预应力混凝土连续梁桥概述12 1.2毕业设计的目的与意义14 第 2 章 方案比选15 2.1桥型方案的选择原则15 2.2比选方案15 2.3推荐方案18 第 3 章 桥跨总体布置及结构尺寸拟定19 3.1尺寸拟定19 3.1.1桥孔分跨.19 3.1.2截面形式.19 3.1.3梁高.21 3.1.4细部尺寸.21 3.2结构离散原则22 第 4 章 桥梁结构计算24 4.1恒载内力计算24 4.1.1一期恒载结构内力计算.26 4.1.2二期恒载结构内力计算（在此仅列出其内力图）.30 4.2活载内力计算31 4.2.1公路一级汽车荷载结构内力计算（半桥）.31 4.2.2人群荷载、满人荷载结构内力计算（在此仅列出其内力图）.35 4.3结构次内力计算36 4.3.1结构由于温度引起的次内力.37 4.3.2结构由于支座沉降引起的次内力.42 第 5 章 内力组合计算47 5.1承载能力组合极限状态计算47 5.2正常使用极限状态计算48 第 6 章 预应力钢束的估算与布置51 6.1力筋计算51 6.1.1计算原理.51 6.1.2预应力钢束的估算.55 6.2预应力钢束的布置57 6.2.1 布束原则.57 4 6.2.2 具体布置.58 第 7 章 结构验算60 7.1施工阶段验算60 7.2正常使用极限状态应力验算64 7.3正常使用极限状态挠度验算71 7.4承载能力极限状态正截面强度验算72 7.5预应力钢筋拉应力验算74 7.6钢束引伸量及长度78 7.7结构剪力效应80 第 8 章 施工方法要点及注意事项81 8.1施工概述81 8.2施工的机具设备83 8.2.1锚具.83 8.2.2施工挂篮.83 8.3施工步骤84 第 9 章 主要工程数量计算86 9.1混凝土总用量计算86 9.2钢绞线及锚具总用量计算86 外文文献翻译87 参考文献97 毕业设计任务书、指导书98 致谢语99 5 设计总说明 1 概述 芷江舞水大桥桥起点桩号 k0+0.000，终点桩号 k0860，桥梁全长 860m。舞 水大桥主桥为主跨 100m 的预应力混凝土变截面连续箱梁，其跨径组合为 （60+3100+60）m。引桥为跨径 40m 的装配式预应力混凝土简支梁。 2 设计标准与规范 公路工程技术标准 （jtg b01-2003） 公路桥涵设计通用规范 （jtg d60-2004） 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （jtg d62-2004） 公路桥涵钢结构及木结构设计规范 （jtj025-86） 公路桥涵地基与基础技术规范 （jtj024-85） 公路桥涵施工技术规范 （jtj041-2000） 高速公路交通安全设施设计与施工技术规范 （jtj074-94） 公路桥位勘测设计规范 （jtj062-91） 交通行业标准公路桥梁板式橡胶支座 （jt/t4-93） 3 技术标准及技术条件 设计荷载：公路i 级。 桥面宽度： 1.5m 人行道+14 m（行车道）+1.5m 人行道+0.6m（护栏） ， 全宽 17.6m 通航标准 航道等级 三级通航标准 通航净空 净高 10m 净宽 75m 度荷载：箱梁体系温度 0-40，合拢温度 20。 桥面纵坡 i=1% 桥面横坡 i=2%（单向） 支座沉降：主桥各支点 2.0cm。 跨径组成：(60+3100+60)m。 6 4 主要材料 混凝土 主桥现浇箱梁、引桥预制箱梁 50 号混凝土 墩台身、护栏、防震挡块等 40 号混凝土 桥头搭板 30 号混凝土 桥面铺装层 沥青混凝土 钢材 低松弛高强度预应力钢绞线应符合 astm a41697 的规定，单根钢绞线直 径 15.24mm，公称面积 a140mm2，标准强度，弹性模量mparb y 1860 1.9105mpa。ey l32 精轧螺纹粗钢筋、级钢筋和 i 级钢筋应符合 gb149991 和 gb130391 的规定；凡钢筋直径 12mm 者，采用级钢筋；凡钢筋直径12mm 者， 采用 i 级钢筋。 钢板应符合 gb70088 规定的 q235 钢板。 主桥连续箱梁底板、腹板、中横隔板防裂钢筋网、桥墩承台底面钢筋网及引 桥混凝土调平层内 d5 冷轧带肋钢筋焊接网，其各项性能应符合钢筋焊接网混凝 土结构技术规程jgj/t 114-97 的有关规定。 本桥结构用材（包括砂、石、水等）质量要求应符合公路桥涵施工技术规范 （jtj 0412000）有关要求。 其它材料 锚具及管道成孔：主桥及引桥纵向采用符合质量要求的群锚及配套的设备， 管道成孔采用钢波纹管；主桥桥面板横向及引桥墩顶连续处采用 ovm15 型锚具及 配套的设备，管道采用扁钢波纹管成孔；主桥变截面连续箱梁竖向预应力及 0 号块 横隔板采用 l32 精轧螺纹粗钢筋，其技术标准应符合 gb1499-91 的规定，其标准 强度为 750mpa， ；墩梁临时固结采用 l32 精轧螺纹粗钢筋，其标准强度为 750mpa， 。 主桥支座采用 gpz()盆式橡胶支座系列产品，其性能应符合有关规定。引 桥连续墩支座部分采用板式橡胶支座，非连续墩台顶和连续墩支座部分采用四氟滑 7 板橡胶支座，板式支座的各项性能须满足部颁标准的有关要求。 桥梁伸缩装置采用 d80 和 d160 型伸缩装置。 5 设计要点 上部结构 主桥上部为（60+3100+60）m 五跨预应力混凝土变截面连续箱梁桥宽 17.6m， ，单箱单室箱形截面，箱梁根部梁高 6m，高跨比为 1/16.7；跨中梁高 2.5m， 高跨比为 1/40。箱梁顶板宽 17.6m，底板宽 9.6m，翼缘板悬臂长为 4.0m。箱梁高度 从距墩中心 3m 处到跨中合拢段按二次抛物线变化(6m-2.5m)，除墩顶 0 号块设一个 厚 100cm 的横隔板其余部位均不设横隔板。箱梁采用三向预应力体系。 0 号块两侧距墩中心 3m49m 范围内底板厚度由 0.6m 变化至 0.32m；箱梁顶板 厚度均为 0.28m 等厚度，底板厚度按二次抛物线变化。腹板 3 号块以前为 0.5m，按 直线变化至合拢段块的 0.35m。 主桥连续箱梁采用挂蓝悬臂现浇法施工。箱梁纵向分段长度为 3.5m，3.0m。0 号块总长 6.0m，中跨、边跨合拢段长度均为 2.0m。边跨现浇段路线中心线处长度为 9m。悬臂现浇梁段最大重量为 111 吨，挂蓝自重按 60 吨考虑。 主桥范围桥面铺装层为 10cm 厚的沥青混凝土。横坡 2%。 主桥上部结构静力分析 主桥上部纵向计算采用桥梁博士进行计算与校核，进行了成桥状态下恒载、 活载、预应力、混凝土收缩徐变、支座强迫位移、 、温度变化等作用的计算。计算考 虑不同的荷载安全系数进行荷载组合，以恒载活载收缩徐变预应力温度变 化的荷载组合控制设计。 施工计算共分 52 力阶段，阶段划分根据施工进度和施工顺序安排，用桥梁 博士计算。 主桥施工过程中单“t”进行了几种施工工况的验算，并以此控制临时固结所 需的预应力钢筋及临时支承。 主桥合拢温度按 20计算，施工时建议合拢选择在日平均气温变化最小的时 段进行即可。合拢顺序为先合拢边跨，后合拢中跨。 计算结果表明，在上述各种工况下截面应力分布较为均匀，箱梁顶、底板均均 未出现拉应力并有一定的压应力储备。 8 预应力体系 c50 号混凝土设计强度：ra28.5mpa rl2.45mpa 预应力钢材： 标准强度 mparb y 1860 锚下控制应力 k0.75 b y r 孔道偏差系数 k0.003 孔道摩擦系数 0.25 锚具回缩 6mm l32 精轧螺纹粗钢筋 mparb y 750 主桥纵向预应力采用 15j15.24、12j15.24、9j15.24 钢束。纵向预应力在 箱梁根部几个梁段布设腹板下弯钢束，其余梁段布设顶板束和底板束。主桥箱梁横 向预应力采用 4j15.24 钢铰线，154 型扁锚，以 75cm 的间距布设，一端张拉， 交替锚固，单根设计张拉吨位为 195.3kn。竖向采用 l32 精轧螺纹粗钢筋，设计 张拉吨位为 540kn，以 50cm 等间距布置，在近支点 18.7m 范围内每侧腹板按双肢 配置，其余梁段按单肢配置，为方便施工竖向预应力可兼做悬臂施工时挂蓝的后锚 点，挂篮前移后，建议对竖向预应力粗钢筋进行补拉并封锚。 6 施工要点 有关桥梁的施工工艺及其质量检验标准，均按公路桥涵施工技术规范jtj 0412000 中的规定执行。同时，根据本桥的具体情况，要求施工、监理及监测单 位在施工前充分阅读图纸并提出以下注意事项： 主桥上部构造 a 主桥采用临时支座及精轧螺纹粗钢筋使梁、墩临时固结，按悬臂浇筑法施工， 合拢后经体系转换成为连续体系。 b 浇筑墩身混凝土时应注意预埋支架临时固结件。0 号块在墩旁的支架或托架 上浇筑，支架、牛腿及托架应认真设计验算，且支架需进行 100预压，其余梁段 采用临时支座和粗钢筋使 0 号块与墩身固结后，各单“t”用挂篮悬臂对称、平衡浇 筑施工至各单“t”最大悬臂，然后浇筑边跨合拢段。边跨合拢段钢束张拉完成后， 拆除临时固结，合拢中跨。建议各梁端内预应力的张拉顺序为：纵向预应力钢束 9 横向预应力钢束竖向预应力粗钢筋；同一批钢束张拉顺序为：先长束，后短束。 c 0 号块箱梁混凝土浇筑时可分层进行，但第一次浇筑时应浇至腹板高度至少 1.50m 以上。其余梁段应一次浇筑完成。 d 由于 0 号块体积较大，预应力管道及钢筋密集，施工中应确保管道定位准确， 注意混凝土的振捣，浇筑混凝土应采取有效措施减少水化热，避免发生温度、收缩 裂缝。此外应注意各节段混凝土的养护，控制拆模时间。 e 箱梁底板应设置一定数量的排水孔和通气孔。 f 预应力管道采用钢波纹管成形，其钢带厚度不小于 0.35mm。为了管道严格保 证弯曲坐标及弯曲角度，用“井”字形定位架进行管道的定位，同时保证管道顺畅， 以减少摩阻损失。所有的定位钢筋均应采用点焊成形。定位钢筋间距在直线段为 100cm，曲线段 50cm。 g 挂篮结构应轻便合理。墩旁托架支架及挂篮拼装好后应进行预压和加载试验， 以检验其承载能力，并实测其变形值，为箱梁悬臂浇注施工提供可靠的依据。 h 安装施工挂蓝，从 1 块至 14 块逐块、对称、平衡进行悬臂浇筑施工。待浇筑 梁段混凝土强度达到设计强度的 90，混凝土龄期6 天时方可张拉该梁段预应力 钢束。挂蓝应在钢束张拉完成及管道压浆并经监理验收后方可向前移动。 i 悬臂浇筑时，挂篮自重按照 60 吨控制，合拢吊架按照 40 吨控制。移动挂篮 过程中，挂篮移动不同步差不得大于半个本施工阶段梁段长度。 j 为了减小箱梁悬浇过程中的不平衡自重的影响，各梁段的悬臂浇注过程中， 应严格控制浇筑梁段混凝土的超方量。任何梁段实际浇筑的混凝土量不得超过本梁 段理论数量的 3%，并且各梁段的混凝土浇筑应同时进行，最大浇筑混凝土重量差不 得大于本梁段自重的 30%。 k 悬臂浇筑过程中，在每个块件的前端顶、底板应设置几处观测点，测出每个 阶段的标高变化情况，以控制节段的抬高量和各梁段预拱度设置。 l 预应力张拉以张拉吨位和引伸量双控。张拉设备应按照有关规定定期标定。 引伸量低于6或超过6时，应停下检查，分析原因并处理完后方可继续张拉。 m 钢束张拉时，应尽量避免滑丝、断丝现象，当出现滑丝、断丝时，其滑丝、 断丝总数量不得大于该断面总数的 1，每一钢束的滑丝、断丝数量不得多于一根， 10 否则应换束重新张拉。 n 为确保结构受力符合要求，应严格控制竖向预应力的张拉质量，要求每根竖 向预应力钢筋锚固后，必须进行复拉。竖向预应力和 0 号块横隔板内的预应力粗钢 筋张拉做好张拉记录，监理需进行旁站监理。 o 预应力钢束（筋）张拉完成后，应尽早进行孔道压浆并保证压浆质量。压浆 所用材料、外加剂及水泥浆配比应根据管道的成型方法、压浆方式、材料性能计算 和通过试验确定。原则上要求尽量减小灰浆收缩，保证压浆密实饱满。此外。压浆 所用的水泥浆标号不得低于 50 号，建议水灰比 0.40.45。 p 各悬浇单 t 完成后，相邻两悬臂端的相对竖向挠度差不应大于 1cm，轴线偏 差不大于 1cm。 q 设计推荐靠近过渡墩的边跨现浇段采用支架浇筑（支架需进行 100预压） ， 合拢段采用吊架施工。施工单位也可采用其它成熟的施工方案，但需经监理工程师 和设计单位认可。 r 按先边孔后中孔的顺序进行合拢段施工及拆除相应的临时支座，完成体系转 换，形成三跨连续箱梁。合拢段采用劲性骨架和合拢预应力钢束进行临时锁定，根 据实际控制情况在悬臂端加水箱进行配重。劲性骨架的焊接要求迅速完成并形成刚 接，焊接时在预埋件周边混凝土浇水降温，避免烧伤混凝土。合拢段混凝土的浇筑 应在一天中气温较低且变化最小时进行，并应在尽可能短的时间内完成。合拢钢束 可在合拢骨架安装完成后按照设计吨位的 60进行张拉，合拢段混凝土达到设计强 度的 90后方可进行箱梁底板钢束的张拉、合拢钢束补拉及体系转换。 s 在浇筑边跨现浇段过程中，应观测支架的变形及沉降，并应采取措施使现浇 段与悬臂端标高及轴线的偏差最小。边跨合拢段浇筑完成后，合拢段混凝土达到设 计强度的 90后，方可进行边跨箱梁底板钢束的张拉。 t 预应力管道压浆在各阶段钢束张拉完后进行，建议采用真空吸浆法。如采用 真空吸浆法压浆，那么预应力成孔应采用对应的管道成孔材料，压浆工作应连续， 压浆所用的水泥浆标号不得小于 50 号，强度不得低于有关规定。 u 梁墩临时固结及体系转换 进行悬臂浇筑时，首先应锁定墩顶盆式橡胶活动支座，使其暂时成为固定支座， 在 13、14 号主墩均需采用临时墩梁固结措施，设计推荐在每个“t”的墩顶设 c50 11 硫磺砂浆混凝土临时支座（或其它可靠、方便的工艺） ，以利于体系转换。在 0 号块 两道外侧横隔板及墩壁内预埋精轧螺纹粗钢筋，以抵抗施工或使用过程中由于应力 集中过程中可能出现的裂缝等现象，0 号块临时固结采用精轧螺纹钢粗钢筋，也可 以采用其它成功的施工方法进行梁、墩临时固结和体系转换。为保证纵向预应力管 道不出现塌孔等现象，临时锚固的精轧螺纹粗钢筋下 0 号块梁顶设置高 30cm 的 50 号混凝土垫层，体系转换完成后，凿除梁顶垫层。 v 在跨中合拢段混凝土未达到设计强度的 80之前，不得在跨中范围内堆放重 物或行走施工机具。 w 箱梁顶板顶面混凝土的不平整度不得大于 5mm，箱梁底板也应在浇筑工程中 采取可靠措施，保证其误差在规范允许范围以内。 x 如普通钢筋与预应力钢束或预应力粗钢筋位置发生干扰，其处理原则为适当 移动普通钢筋位置以保证预应力钢束或预应力粗钢筋的位置，若需截断普通钢筋， 则需与监理工程师和设计代表协商；如纵向预应力钢束与横向预应力钢束或预应力 粗钢筋位置发生干扰且相应图纸中并未提及避让原则，建议按照先保证纵向预应力 钢束的位置准确，然后再保证竖向预应力粗钢筋和横向预应力钢束的位置。 y 主、引桥过渡处设置的 d160 型伸缩装置，安装要求衔接桥面的平整度高， 须严格控制标高和平整度。并应按照厂家提供的安装指导说明书进行安装。 z 内外侧防撞护栏应分段浇筑。浇筑时应注意有无通讯等设备预埋件的预埋， 并每隔 30m 设置一道断缝。 其它 应注意在主梁上预埋标识桥下通行净空的钢板等。 凡设槽口的埋入式锚头灌浆后均须封锚，外露的锚头应涂二道红丹一道灰漆 进行防锈蚀处理。 防撞护栏钢支架、钢管扶手以及桥梁上部结构的所有外露钢构件均须进行防 锈、防蚀处理。 为保证大桥的质量，建议另行委托有关单位进行大桥施工控制，施工单位应 予以积极配合与帮助。 施工前，施工单位应认真复查工程数量、各构造设计高程以及基桩坐标，如 有疑问，应及时与设计单位沟通。 12 未尽事宜，请按公路桥涵施工技术规范jtj 0412000 有关规定严格执行。 绪论 预应力混凝土连续梁桥概述 预应力混凝土连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、 造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。 本章简介其发展： 由于普通钢筋混凝土结构存在不少缺点：如过早地出现裂缝，使其不能有效地 采用高强度材料，结构自重必然大，从而使其跨越能力差，并且使得材料利用率低。 为了解决这些问题，预应力混凝土结构应运而生，所谓预应力混凝土结构，就 是在结构承担荷载之前，预先对混凝土施加压力。这样就可以抵消外荷载作用下混 凝土产生的拉应力。自从预应力结构产生之后，很多普通钢筋混凝土结构被预应力 结构所代替。 预应力混凝土桥梁是在二战前后发展起来的，当时西欧很多国家在战后缺钢的 情况下，为节省钢材，各国开始竞相采用预应力结构代替部分的钢结构以尽快修复 战争带来的创伤。50 年代，预应力混凝土桥梁跨径开始突破了 100 米，到 80 年代 则达到 440 米。虽然跨径太大时并不总是用预应力结构比其它结构好，但是，在实 际工程中，跨径小于 400 米时，预应力混凝土桥梁常常为优胜方案。 我国的预应力混凝土结构起步晚，但近年来得到了飞速发展。现在，我国已经 有了简支梁、带铰或带挂梁的 t 构、连续梁、桁架拱、桁架梁和斜拉桥等预应力混 凝土结构体系。 虽然预应力混凝土桥梁的发展还不到 80 年。但是，在桥梁结构中，随预应力理 13 论的不断成熟和实践的发展，预应力混凝土桥梁结构的运用将越来越广泛。 连续梁和悬臂梁作比较：在恒载作用下，连续梁在支点处有负弯矩，由于负弯 矩的卸载作用，跨中正弯矩显著减小，其弯矩与同跨悬臂梁相差不大；但是，在活 载作用下，因主梁连续产生支点负弯矩对跨中正弯矩仍有卸载作用，其弯矩分布优 于悬臂梁。虽然连续梁有很多优点，但是刚开始它并不是预应力结构体系中的佼佼 者，因为限于当时施工主要采用满堂支架法，采用连续梁费工费时。到后来，由于 悬臂施工方法的应用，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 在中等跨预应力混凝土连续梁中，应用了逐跨架设法与顶推法；在较大跨连续梁中， 则应用更完善的悬臂施工方法，这就使连续梁方案重新获得了竞争力，并逐步在 40200 米范围内占主要地位。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优势，成为优胜方案。目前，连续梁结 构体系已经成为预应力混凝土桥梁的主要桥型之一。 然而，当跨度很大时，连续梁所需的巨型支座无论是在设计制造方面，还是在 养护方面都成为一个难题；而 t 型刚构在这方面具有无支座的优点。因此有人将两 种结构结合起来，形成一种连续刚构体系。这种综合了上述两种体系各自优点的 体系是连续梁体系的一个重要发展，也是未来连续梁发展的主要方向。 另外，由于连续梁体系的发展，预应力混凝土连续梁在中等跨径范围内形成了 很多不同类型，无论在桥跨布置、梁、墩截面形式，或是在体系上都不断改进。在 城市预应力混凝土连续梁中，为充分利用空间，改善交通的分道行驶，甚至已建成 不少双层桥面形式。 在我国，预应力混凝土连续梁虽然也在不断地发展，然而，想要在本世纪末赶 超国际先进水平，就必须解决好下面几个课题： （1）发展大吨位的锚固张拉体系，避免配束过多而增大箱梁构造尺寸，否则混 凝土保护层难以保证，密集的预应力管道与普通钢筋层层迭置又使混凝土质量难以 提高。 （2）在一切适宜的桥址，设计与修建墩梁固结的连续刚构体系，尽可能不采 用养护调换不易的大吨位支座。 （3）充分发挥三向预应力的优点，采用长悬臂顶板的单箱截面，既可节约材料 减轻结构自重，又可充分利用悬臂施工方法的特点加快施工进度。 14 另外，在设计预应力连续梁桥时，技术经济指针也是一个很关键的因素，它是 设计方案合理性与经济性的标志。目前，各国都以每平方米桥面的三材（混凝土、 预应力钢筋、普通钢筋）用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁的技术 经济指针。但是，桥梁的技术经济指针的研究与分析是一项非常复杂的工作，三材 指标和造价指标与很多因素有关，例如：桥址、水文地质、能源供给、材料供应、 运输、通航、规划、建筑等地点条件；施工现代化、制品工业化、劳动力和材料价 格、机械工业基础等全国基建条件。同时，一座桥的设计方案完成后，造价指针不 能仅仅反应了投资额的大小，而是还应该包括整个使用期限内的养护、维修等运营 费用在内。通过连续梁、t 型刚构、连续刚构等箱形截面上部结构的比较可见： 连续刚构体系的技术经济指针较高。因此，从这个角度来看，连续刚构也是未 来连续体系的发展方向。 总而言之，一座桥的设计包含许多考虑因素，在具体设计中，要求设计人员综 合各种因素，作分析、判断，得出可行的最佳方案。 毕业设计的目的与意义 毕业设计的目的在于培养毕业生综合能力，灵活运用大学所学的各门基础课和 专业课知识，并结合相关设计规范，独立的完成一个专业课题的设计工作。设计过 程中提高学生独立的分析问题，解决问题的能力以及实践动手能力，达到具备初步 专业工程人员的水平，为将来走向工作岗位打下良好的基础。 本次设计为(60+3x100+60)m 预应力砼连续梁，桥宽为 17.6m，设计时考虑单幅 的设计。梁体采用单箱单室箱型截面，全梁共分 144 个单元一般单元长度分为 3m、3.5m。除顶板外底板、腹板厚度均采用变厚度。由于多跨连续梁桥的受力特点， 靠近中间支点附近承受较大的负弯矩，而跨中则承受正弯矩，则梁高采用变高度梁， 按二次抛物线变化。这样不仅使梁体自重得以减轻，还增加了桥梁的美观效果。 由于预应力混凝土连续梁桥为超静定结构，手算工作量比较大，且准确性难以 保证，所以采用有限元分析软件doctorbrige3.03 进行，这样不仅提高了效率， 而且准确度也得以提高。设计过程设计软件及办公软件的频繁使用也锻炼我软件操 作的能力。 由于本人水平有限，且又是第一次从事这方面的设计，难免出现错误，恳请各 15 位老师批评指正。 方案比选 桥型方案的选择原则原则 （1） 桥型方案要求符合安全适用，经济合理，施工难易程度，并综合考虑美 观。 （2） 桥孔设计要满足通车要求。 比选方案 以桥梁结构的经济性、适用性、安全性、美观性和施工难易程度为考虑因素， 综合考虑各设计方案的优缺点，从三个合理方案中比选一个最优方案，作为此次的 设计方案。 在方案设计中，本设计提出以下三种方案供比选。 （1）预应力钢筋混凝土连续箱梁桥 预应力砼充分发挥了高强材料的特性， 具有可靠强度、刚度以及抗裂性能。结构在车辆运营中噪音小，维修工作量小。其 施工方法已达到相当先进的水平，工期短效益明显。伸缩缝少，行车舒适，满足高 速行车的要求。再用滑动支座时，连续长度可增大。温度、砼收缩徐变产生的附加 内力较小。且全桥有较好的抗震性能。连续梁内力的分布较合理，其刚度搭，对活 载产生的动力影响较小。混凝土收缩徐变引起的变形也是最小的。连续梁超载时有 可能发生内力重分布，提高梁部结构的承载力。除动墩外，连续梁的桥墩及基础尺 寸都可以做得小些。 在预应力混凝土连续梁桥的设计中分跨、主梁高度、横截面形式和主要尺寸的 16 拟定是方案设计中的关键所在。通过以上资料对比，当采用多跨连续梁时，中间部 分采用等跨布置，边跨跨径约为中跨跨径的 0.60.8 倍。此方案中的边中跨比值为 0.60。当边跨采用主跨径的 0.5 倍或更小时，则在桥台上要设置拉力支座。本桥采 用 60+3*100+60m 的五跨一联的预应力钢筋混凝土变截面箱梁。中间支点梁高 6.0 米，边支座及跨中梁高 2.5 米。 图2-1 连续梁桥方案 （2）刚构桥方案 刚构桥具有以下有点：1，施工无体系转换。2，主墩无支座。 3，静定结构基本不产生次内力。 同时它也具有以下几个缺点：1，全桥伸缩缝道数为 桥孔数的两倍，行车舒适性较差。2，若设计不当在跨中容易产生较大的收缩徐变挠度。 3，顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度小，难以满足特大跨径对悬臂施工和横向抗风的 要求。本方案桥跨拟采用80+135+80（m)，变高度箱形截面，高度从跨中2.5m向支座6m 以二次抛物线形式渐变，采用悬臂现浇施工方法。 图2-2 连续刚构方案 17 （3）斜拉桥方案 本方案采用的斜拉桥为双塔双索面斜拉桥，由地质、通航、 水文等方面的要求，桥跨拟定为 125+300+125（m）。密索体系斜拉桥加劲梁高通 常为跨径的 1/701/200。本桥梁高取 2.75m。混凝土主梁上索间距一般为 8m、4m,拉索的最小倾角在 25以上，塔上索间距一般取为 1.62.2m。本桥的索 塔高取为 80m,h/l1=0.27。施工方案:主桥主塔施工采用滑模施 工。在索塔中,塔柱 施工的同时,在索塔下利用托架横梁处拼装零号块主梁;塔索上塔柱施工的 同时,拼 装塔索上横梁处用于起吊主塔处无索各梁段的斜拉式天车。塔索封顶后,利用天车起 吊已在工厂完成的零号块各梁段,并在托架上焊接梁间接头,焊接完成后张拉第一对 斜拉索, 张拉到位后利用天车起吊主梁吊机散件并在梁段拼装完成。此外开始对称 吊装 8标准梁段,至边跨合拢后,中跨继续吊装,直至中跨合拢。 图 2-3 斜拉桥方案 表 1-1 方案比选表 经济性适用性美观性施工难易程度 方案一方案一 其施工方法已达 到相当先进的水 平，工期短效益 明显。维修、养 护工作量小。 结构受力性能好、 变形小、伸缩缝 少、行车平顺舒 适、抗震能力强 造型简洁美观 采用悬臂施工方 法，缩短了工期， 且不影响通航。 方案二方案二 施工无体系转换， 主墩无支座，全 桥伸缩缝道数为 桥孔数的两倍。 行车舒适性较差， 若设计不当在跨 中容易产生较大 的收缩徐变挠度， 造型简洁美观 采用悬臂施工方 法，工期较短。 18 难以满足特大跨 径对悬臂施工和 横向抗风的要求。 方案三方案三 全桥总的技术经 济合理性不易简 单的由结构体积 小、质量轻、或 者满应力等概念 准确表示，相对 来说造价相当高 主梁在斜拉索的 各点支承作用下， 使弯矩值得以大 大降低，可以减 小主梁尺寸减轻 结构自重，又能 大幅度的增大桥 梁的跨越能力 外形美观 结构轻巧 相对前两种方案 技术要求高、施 工复杂、工期较 长。 推荐方案 基于经济性、适用性、安全性、美观性和施工难易程度的综合考虑，本次设 计我选择方案一为设计方案。本人推荐采取第一方案。 结论： 综合上述各方案的优缺点的比较，结合设计的实际，本设计采用方 案一，即：预应力钢筋混凝土连续箱梁方案. 19 桥跨总体布置及结构尺寸拟定 尺寸拟定 本设计方案采用五跨一联预应力混凝土变截面连续梁结构，全长 420m。设计主 跨为 100m。 桥孔分跨 连续梁桥有做成三跨或者四跨一联的，也有做成多跨一联的，但一般不超过六 跨。对于桥孔分跨，往往要受到如下因素的影响：桥址地形、地质与水文条件，通 航要求以及墩台、基础及支座构造，力学要求，美学要求等。若采用五跨不等的桥 孔布置，一般边跨长度可取为中跨的 0.50.8 倍，此外，边跨跨长与中跨跨长之比 还与施工方法有着密切的联系。本设计采用边中跨之比为 0.6，其跨度组合为： (60+3*100+60)m,基本符合以上原理要求。 截面形式 3.1.2.1 立面 图 3-1 连续梁桥立面形式 从预应力混凝土连续梁的受力特点来分析，连续梁的立面应采取变高度布置为 宜；在恒、活载作用下，支点截面将出现较大的负弯矩，从绝对值来看，支点截面 的负弯矩往往大于跨中截面的正弯矩，因此，采用变高度梁能较好地符合梁的内力 分布规律，另外，变高度梁使梁体外形和谐，节省材料并增大桥下净空。但是，在 采用顶推法、移动模架法、整孔架设法施工的桥梁，由于施工的需要，一般采用等 高度梁。等高度梁的缺点是：在支点上不能利用增加梁高而只能增加预应力束筋用 量来抵抗较大的负弯矩，材料用量多，但是其优点是结构构造简单、线形简洁美观、 施工方便。一般用于如下情况： 20 （1）桥梁为中等跨径，以 4060 米为主。采用等截面布置使桥梁构造简单， 施工迅速。由于跨径不大，梁的各截面内力差异不大，可采用构造措施予以调节。 （2）等截面布置以等跨布置为宜，由于各种原因需要对个别跨径改变跨长时， 也以等截面为宜。 （3）采用有支架施工，逐跨架设施工、移动模架法和顶推法施工的连续梁桥较 多采用等截面布置。 （4）双层桥梁在无需做大跨径的情况下，选用等截面布置可使结构构造简化。 结合以上的叙述，所以本设计中采用悬臂现浇施工方法，变截面主梁。 3.1.2.2 横截面 图 3-2 主梁横截面构造 梁式桥横截面的设计主要是确定横截面布置形式，包括主梁截面形式、主梁间 距、主梁各部尺寸；它与梁式桥体系在立面上布置、建筑高度、施工方法、美观要 求以及经济用料等等因素都有关系。 当横截面的核心距较大时，轴向压力的偏心可以愈大，也就是预应力钢筋合力 的力臂愈大，可以充分发挥预应力的作用。箱形截面就是这样的一种截面。此外， 箱形截面这种闭合薄壁截面抗扭刚度很大，对于弯桥和采用悬臂施工的桥梁尤为有 利；同时，因其都具有较大的面积，所以能够有效地抵抗正负弯矩，并满足配筋要 求；箱形截面具有良好的动力特性；再者它收缩变形数值较小，因而也受到了人们 的重视。总之，箱形截面是大、中跨预应力连续梁最适宜的横截面形式。 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 21 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；由框架分析可知：两者对顶板厚度的影响显著不同，双室式顶板的正 负弯矩一般比单室式分别减少 70%和 50%。由于双室式腹板总厚度增加，主拉应力和 剪应力数值不大，且布束容易，这是单箱双室的优点；但是双室式也存在一些缺点： 施工比较困难，腹板自重弯矩所占恒载弯矩比例增大等等。本设计采用的横截面形 式为单箱单室。 梁高 根据经验确定，预应力混凝土连续梁桥的中支点主梁高度与其跨径之比通常在 1/151/25 之间，而跨中梁高与主跨之比一般为 1/401/50 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。 连续梁在支点和跨中的梁估算值： 等高度梁： h=（）l，常用 h=（）l。 15 1 30 1 18 1 20 1 变高度（曲线）梁：支点处：h=（）l，跨中 h=（）l。 16 1 20 1 30 1 50 1 变高度（直线）梁：支点处：h=（）l，跨中 h=（）l。 16 1 20 1 22 1 28 1 而此设计采用变高度的曲线梁，支点处梁高为 6 米，跨中梁高为 2.5 米。 细部尺寸 3.1.4.1 顶板与底板 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，一般来讲：变 截面的底版厚度也随梁高变化，墩顶处底板为梁高的 1/10-1/12，跨中处底板一般 为 200-250。底板厚最小应有 120。箱梁顶板厚度应满足横向弯矩的要求和布置纵向 预应力筋的要求。 本设计中采用双面配筋，且底板由支点处以抛物线的形式向跨中变化。底板在 支点处设计为实心箱型截面,在跨中厚 25cm，支座处厚 60cm；顶板厚 28cm。 3.1.4.2 腹板和其它细部结构 22 （1）箱梁腹板厚度 腹板的功能是承受截面的剪应力和主拉应力。在预应力梁 中，因为弯束对外剪力的抵消作用，所以剪应力和主拉应力的值比较小，腹板不必 设得太大；同时，腹板的最小厚度应考虑力筋的布置和混凝土浇筑要求，其设计经 验为： 腹板内无预应力筋时，采用 200mm。 腹板内有预应力筋管道时，采用 250300mm。 腹板内有锚头时，采用 250300mm。 大跨度预应力混凝土箱梁桥，腹板厚度可从跨中逐步向支点加宽，以承受支点 处交大的剪力，一般采用 300600mm，甚至可达到 1m 左右。本设计支座处腹板厚 取 50cm.，跨中腹板厚取 35cm。 （2）梗腋 在顶板和腹板接头处须设置梗腋。梗腋的形式一般为 1：2,1：1,1：3,1：4 等。梗腋的作用是：提高截面的抗扭刚度和抗弯刚度，减少 扭转剪应力和畸变应力。此外，梗腋使力线过渡比较平缓，减弱了应力的集中程度。 本设计中，根据箱室的外形设置了宽 200mm，长 600mm 的上部梗腋，而下部采用 1：1 的梗腋（长宽为 300mm） 。 （3）横隔梁 横隔梁可以增强桥梁的整体性和良好的横向分布，同时还可以限 制畸变；支承处的横隔梁还起着承担和分布支承反力的作用。由于箱形截面的抗扭 刚度很大，一般可以比其它截面的桥梁少设置横隔梁，甚至不设置中间横隔梁而只 在支座处设置支承横隔梁。因此本设计采用支点横隔板厚 1.0 米，沿桥跨方向不设 其他横隔板。 结构离散原则 对于所关心截面设定单元分界线，即编制节点号 构件的起点和终点以及变截面的起点和终点编制节点号； 不同构件的交点或同一构件的折点处编制节点号； 施工分界线设定单元分界线，即编制节点号； 当施工分界线的两侧位移不同时，应设置两个不同的节点，利用主从约 束关系考虑该节点处的连接方式； 边界或支承处应设置节点； 23 不同号单元的同号节点的坐标可以不同，节点不重合系统形成刚臂； 对桥面单元的划分不宜太长或太短，应根据施工荷载的设定并考虑活载的计算 精度统筹兼顾。因为活载的计算是根据桥面单元的划分，记录桥面节点处位移影响 线，进而得到各单元的内力影响线经动态规划加载计算其最值效应。对于索单元一 根索应只设置一个单元。 图 3-3 全桥结构离散图 本桥全长 420 米，全梁共分 144 个梁段，一般梁段长度分成 3m，3.5m。 24 桥梁结构计算 结构内力计算是参照以有的设计拟定的结构几何尺寸和材料类型，模拟实际的 施工步骤，计算出恒载及活载内力；然后根据实际情况确定温度、沉降等引起的结 构次内力。连续梁桥的内力与应力状态，与形成结构的顺序及过程密切相关，不同 的施工方案及施工顺序将导致结构产生不同的受礼状况。 恒载内力计算 主梁恒载内力，包括自重引起的主梁自重（一期恒载）内力 sg1和二期恒载（如 铺装、栏杆等）引起的主梁后期恒载内力 sg2。主梁的自重内力计算方法可分为两类： 在施工过程中结构不发生体系转换,如在满堂支架现浇等，如果主梁为等截面，可按 均布荷载乘主梁内力影响线总面积计算；在施工过程中有结构体系转换时，应该分 阶段计算内力。本设计采用选臂浇筑施工方法,一期横载的重度取 26kn/m,二期恒载 (又称后期恒载)为:q =0.1x14.6x24+10x2+2x6.5=68kn/n（桥面铺装，栏杆，人行 2 道） 。在计算中将二恒看成是均布荷载作用于全桥.在计算恒载内力时不考虑预应力 （也不可能考虑） 和徐变的影响。 且施工中的外荷载可用集中力近似代替， 这样计算 的自重内力才会与实 际情况比较符合。由 doctorbrige3.03doctorbrige3.03 系统计算而得的有关结 果以列表方式列出。 表 4.1 单元截面特征 单元截面特征 单元 号 节点 号 节点x 坐标 节点y 坐标 截面高 度(m) 截面面积 (m2) 截面抗弯 惯距 中性轴高 度(m) 单元重 (t) 1002.58.827048.837381.55 1 2302.58.827048.837381.55 689 2302.58.827048.837381.55 2 3602.58.827048.837381.55 689 3602.58.827048.837381.55 3 4902.58.827048.837381.55 689 4902.58.827048.837381.55 4 51002.58.827048.837381.55 230 551002.58.827048.837381.55230 25 61102.58.827048.837381.55 61102.58.827048.837381.55 6 714.502.568.932659.463081.58 808 续表 4.1 单元 号 节点 号 节点x 坐标 节点y 坐标 截面高 度(m) 截面面积 (m2) 截面抗弯 惯距 中性轴高 度(m) 单元重 (t) 714.502.568.932659.463081.58 7 81802.669.0957810.44831.63 820 81802.669.0957810.44831.63 8 921.502.789.3262911.86131.69 838 921.502.789.3262911.86131.69 9 102502.949.6000113.75541.76 861 102502.949.6000113.75541.76 10 1128.503.129.945816.28011.84 889 1128.503.129.945816.28011.84 11 123203.3410.343119.51731.93 923 123203.3410.343119.51731.93 12 1335.503.5910.8