75+2×135+75m高速铁路预应力混凝土连续梁桥结构验算及施工监控方案设计

西 南 交 通 大 学 本科毕业设计 75+2 135+75m 高速铁路预应力混凝土 连续梁桥结构验算及施工监控方案设计 年 级： 2008 级 学 号： 20087216 姓 名： 向琪芪 专 业： 詹天佑班 指导老师： 康锐 2012 年 6月 西南交通大学本科 毕业设计 第 I 页 院系 土木工程系 专 业 詹天佑班 年级 2008级 姓 名 向琪芪 题目 75+2 135+75指导教师 评 语 指导教师 (签章 ) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章 ) 成 绩 答辩委员会主任 (签章 ) 年 月 西南交通大学本科 毕业设计 第 毕业设计任务书 班 级 2008 级詹班 1班 学生姓名 向琪芪 学号 20087216 发题日期： 2012 年 3月 1日 完成日期： 6月 10日 题 目 75+2 135+751、本设计的目的、意义 经过毕业设计，使学生了解并掌握 高速铁路预应力混凝土连续梁桥结构验算及施工监控方案设计 的基本过程，掌握 预应力混凝土连续梁桥结构验算及施工监控方案设计 的基本要素，包括 预应力混凝土连续梁桥结构模拟，结构受力计算分析，施工方法选择，施工监控方案设计 等。 通过本设计，学生应对 预应力混凝土连 续梁桥结构验算及施工监控方案设计 有较全面的了解，对 预应力混凝土连续梁桥 施工方法有较好地掌握，能独立进行同类型桥梁的 结构验算及施工监控方案设计 。 2、学生应完成的任务 完成 75+2 135+75m 高速铁路预应力混凝土连续梁桥结构验算及施工监控方案设计 ，具体任务如下： （ 1） 运用有限元软件建立桥梁结构有限元模型 （ 2） 桥梁结构验算 （ 3） 拟定桥梁施工监控方案 （ 4） 桥梁施工立模标高计算 （ 5） 编制设计说明书 （ 6） 绘制设计图 西南交通大学本科 毕业设计 第 3、设计各部分内容及时间分配：（共 16 周） 第一部分 运用有限元软件建立桥梁结构有限元模型 （ 5周） 第二部分 桥梁结构验算 （ 2周） 第三部分 拟定桥 梁施工监控方案 （ 2周） 第四部分 桥梁施工立模标高计算 （ 2周） 第五部分 编制设计说明书 （ 2周） 第六部分 绘制设计图 （ 2周） 评阅及答辩 （ 1周） 注 指导教师： 2012年 3 月 1 日 审批人： 2012年 3 月 1 日 西南交通大学本科 毕业设计 第 摘 要 本设计主要是关于 高速 铁路预应力混凝土连续梁桥的设计。设计 跨度为 75+2135+75m。 预应力混凝土连续梁桥以其结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、养护工程量小、抗震能力强等优点而成为最富有竞 争力的主要桥型之一。 连续梁桥与同等跨径的简支梁桥相比，截面正弯矩得以减小，同时由于平衡悬臂施工方法的大范围应用，连续梁桥已经成为 中等跨径桥梁中常用的一种桥梁结构形式 。 截面为单箱单室，桥面宽 梁施工采用悬臂浇筑施工，对称平衡浇筑混凝土。 设计过程如下： 首先，通过所给的设计图纸（梁体轮廓图，施工布置图，预应力钢束图），利用应力钢筋、边界条件、施工阶段，将桥梁的有限元模型建立起来。 其次，利用 件 分析结构内力 （ 包括恒载、活载 、施工阶段 以及收缩徐变、支座沉降 、温度变化 、横向摇摆力、制动力、风荷载等 产生的内力 ） 。 随后，进行截面检算，铁路桥梁设计采用容许应力法。根据 铁路桥梁规范，检查结构 内力组合结果 是否在正常范围状态。 检算包括： 梁体的正截面抗弯验算，斜截面抗剪；运营阶段混凝土压应力、拉应力，混凝土正截面抗裂验算，混凝土斜截面最大剪应力以及预应力钢筋最大应力；传力锚固阶段预应力钢筋控制应力验算和混凝土法向应力验算；变形验算中的竖向挠度、横向变形、梁端转角验算等。 最后，运用反应谱理论 对桥梁结构进行抗震计算分析。 此外，对工程数量进行了统计，编制了施工监控方案。 关键词 铁路预应力混凝土连续梁桥 ； 悬臂浇筑施工 ； 有限元分析 西南交通大学本科 毕业设计 第 V 页 is of of 5+2135+75m. of of to so of be of a in of of 3.4 m. is as is to to so we of is to to of by of of to of of is to on of be in s of of s of of 南交通大学本科 毕业设计 第 of of in of in so is to of is of 南交通大学本科 毕业设计 第 目 录 第 1章 绪论 . 1 速铁路上的桥梁 . 1 梁的设计荷载 . 1 梁结构型式 . 1 梁刚度 . 2 跨布置 . 2 梁动力响应 . 2 境的要求 . 2 梁设计方案介绍 . 3 型方案 . 3 部截面形式 . 6 工方案 . 7 . 8 础方案比选 . 8 第 2章 工程概况 . 10 体基本情况 . 10 跨布置 . 10 面形式 . 10 高 . 12 构细部尺寸 . 13 应力钢束基本情况 . 15 应力钢 束布置原则 . 15 应力钢束布置详情 . 16 梁分段与施工阶段的划分 . 20 段原则 . 20 工阶段的划分 . 20 第 3章有限元模型建立 . 22 西南交通大学本科 毕业设计 第 体模型建立 . 22 型分析步骤 . 22 立模型 . 22 系转换 . 24 界条件建立 . 26 应力钢束模拟 . 29 板束钢筋及张拉预应力模拟 . 29 板束钢 筋及张拉预应力模拟 . 30 板束钢筋及张拉预应力模拟 . 31 应力钢束布置效果 . 32 应力损失计算 . 33 效预应力计算 . 34 第 4章 内力计算 . 38 载内力计算 . 38 工阶段恒载内力计算 . 38 桥阶段恒载内力计算 . 42 载及附加力的内力计算 . 43 荷载 . 43 . 44 向摇摆力 . 46 动力 . 47 第 5章 次内力计算 . 49 度次内力计算 . 49 缩徐变次内力计算 . 50 座沉降次内力计算 . 51 应力产生的次内力计算 . 52 第 6章 结构验算 . 53 力组合 . 53 西南交通大学本科 毕业设计 第 截面抗弯验算 . 54 截面抗剪验算 . 56 营阶段的结构验算 . 58 截面抗裂验算 . 58 凝土压应力验算 . 60 应力钢筋应力验算 . 64 凝土剪应力验算 . 65 力锚固阶段的结构验算 . 65 应力钢筋锚下控制应力验算 . 65 凝土法向应力验算 . 66 形验算 . 67 向挠度验算 . 67 向变形验算 . 68 . 68 第 7章 动力计算分析 . 69 振特性分析 . 69 应谱分析 . 70 . 70 入地震波 . 71 . 71 . 75 第 8章 主要工程数量 . 79 . 79 . 81 第 9章 施工监控方案设计 . 83 况 . 83 义 . 83 . 84 西南交通大学本科 毕业设计 第 X 页 . 84 . 84 . 86 . 86 . 86 工控制误差分析 . 87 计参数识别及实时跟踪分析 . 87 告主梁下阶段立模标高 . 89 型优化 . 89 . 89 制截面应力监测 . 89 . 91 . 92 . 94 . 94 . 94 . 94 . 94 . 94 . 94 . 94 . 94 . 95 . 95 . 96 . 96 . 96 前进分析法 . 97 倒退分析法 . 97 西南交通大学本科 毕业设计 第 反馈控 制分析法 . 97 . 98 . 99 . 99 . 99 . 99 责 任和 义务 . 100 工监控主要仪器设备 . 101 论计算立模调整值 . 101 工监控注意事项 . 103 控工作使用的表格表式 . 105 结论 . 110 致谢 . 111 参考文献 . 112 附录 . 113 西南交通大学本科 毕业设计 第 1 页 第 1 章 绪论 速铁路上的桥梁 桥梁和隧道是铁路线上的重要建筑物 。 高速线上的桥梁结构不但要满足使用安全性的要求而且要与运行的列车相匹配，使旅客乘坐舒适，这是高速铁路桥梁与普通铁路桥梁的一个最主要的区别。 梁的设计荷载 以京沪高速铁路为例，该线是一条客运专线，在线路上运行的列车主要是高速列车和部分时速 200 公里左 右的中速列车。这就是说高速铁路的运营列车荷载要小于普通铁路的运营列车荷载。因此，高速铁路的桥梁设计荷载采用了较既有铁路桥梁设计荷载大约小 20%的客运专线桥梁设计荷载。另外，在荷载的表示图式上，二者也有所不同。既有铁路的桥梁设计荷载是现行规范中的中 活载，其表示图式上主要考虑的是建国初期普遍使用的，而且是起控制作用的蒸汽机车。而京沪高速铁路采用的是国际铁路联盟推荐的荷载图式，这种荷载图式更能适应目前运行的各种列车。 梁结构型式 我国普通铁路桥梁大量使用的是跨度在 32m 以下的中小跨度的预应力混凝土 简支梁和简支钢板梁。之所以大量使用这种结构型式的桥梁，一方面是因为这种型式的桥梁一般造价较低，而且施工方法相对简单，另一方面也是受当时的建桥能力及对桥梁功能的要求所决定的。普通铁路桥梁对列车运行速度的要求不是很高，桥梁的动力响应不显著，对桥梁的最主要的要求就是要保证使用的安全性。然而，由于高速铁路线上列车运行的速度很高，这就要求高速铁路的桥梁不但要保证使用的安全性，而且要保证乘坐的舒适性。因此在桥梁的设计中，要从结构型式等几方面来满足这一要求。总结国外几条已建的高速铁路线上的桥梁结构型式，对我们进一步认识高 速铁路桥梁也许能有一些帮助。 日本高速铁路大量使用的是钢筋混凝土连续刚构桥，跨度在 10m 左右，这种结构型式的桥梁约占全部新干线桥梁的 80%；法国高速铁路的主型桥梁是跨度为4060m 的钢 混凝土连续结合梁。韩国高速铁路桥梁全部为预应力混凝土连续梁，桥梁跨度有 25m 和 40m 两种 ， 从各国高速 铁 路桥梁的选用的主要结构型式看，整孔箱形 梁 、连续结构，应是高速铁路桥梁的首选结构型式 。 西南交通大学本科 毕业设计 第 2 页 梁刚度 高速铁路要求线路具有较高的平顺性，因而要求桥梁具有较高的竖向和横向刚度，减小桥梁变形。桥梁出现较大的变形会 直接影响桥上轨道的平顺性，造成结构承受很大的冲击力，旅客舒适度受到影响，甚至会影响运行安全。因此，适当增加桥梁的高度以得到桥上线路较高的平顺性，这也是高速铁路与普通铁路桥梁的一个区别。在现在的高速铁路桥梁设计研究中，在设计荷载作用下， 梁 体的竖向挠度不应大于表1列数值，在列车的摇摆力离心力和温度力的作用下，梁体的水平挠度应小于或等于 计 算跨度的 1/4000。此外，为保证线路的平顺性，还必须限制桥梁的预应力徐变上拱和不均匀温差引起的结构变形。 表 1 体的竖向挠度限值 跨度 L 40 m 40 m L 80 m L 80 m 250kN/h L/1400 L/1400 L/1000 300kN/h L/1500 L/1600 L/1100 350kN/h L/1600 L/1900 L/1500 跨布置 桥梁等跨布置，对于桥梁的设计、施工、管理以及外形的美观都是有益的。但是桥梁的等跨布置容易产生桥 梁 有规律的变形，进而易导致桥梁周期性的振动，在这种情况下，如果与列车的振动周期一样了，那么将引起共振或振动加剧。因此，在桥跨布置上要认真研究桥梁跨度、梁体刚度与运行列车之间的相互作用，要认真 考虑避开能引起共振的敏感跨度。 梁动力响应 虽然高速列车的轴重不是很大，但运行的速度很高，由此而引起的结构动力响应是不容忽视的。所以高速铁路必须考虑列车 轨道 桥梁的耦台作用，计算分析在高速列车的作用下，桥梁的动态挠度、梁端转角、扭转变形、加速度，使之满足结构的安全性和旅客乘坐舒适性的要求。研究桥梁结构与运行列车的匹配关系，这也是高速铁路桥梁与普通铁路桥梁的一个重要不同。 境的要求 高速铁路的桥梁建设要注重环境保护，并要与周边景观协调。 西南交通大学本科 毕业设计 第 3 页 如京沪高速铁路，途经几座我国著名的大城市， 穿越人口稠密区。因此，桥梁建设中的环保问题以及桥梁美学就显得尤为重要。故而要采取各种措施，努力减少由于列车的高速运行而产生的结构振动和噪声等环境污染问题。如适当增加桥梁的刚度，采用减振型橡胶支座，不使用无道砟的明桥面钢桥，加设防噪声的防护设施等，以最大限度地减少和降低振动及噪声。在结构型式的选择上要充分考虑铁路沿线的地物、地貌和景观，要与周围环境相协调，将桥梁结构融于周边环境之中，成为城市的一景，为人们欣赏，把每一座高速铁路的桥梁建成具有高速特征和时代气息的标志建筑。 梁设计方案介绍 型方案 桥梁的形式可考虑拱桥、梁桥、梁拱组合桥和斜拉桥。任选三种作比较， 应 从安全、功能、经济、美观、施工、占地与工期多方面比选，最终确定桥梁形式。 本设计模拟的是预应力混凝土连续梁桥。 梁设计原则 （ 1）适用性：桥上应保证车辆和人群的安全畅通，并应满足将来交通量增长的需要。桥下应满足泄洪、安全通航或通车等要求。建成的桥梁应保证使用年限，并便于检查和维修。 （ 2）舒适与安全性：现代桥梁设计越来越强调舒适度，要控制桥梁的竖向与横向振幅，避免车辆在桥上振动与冲击。整个桥跨结构及各部分构件，在制造、 运输、安装和使用过程中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。 （ 3）经济性：设计的经济性一般应占首位。经济性应综合发展远景及将来的养护和维修等费用。 （ 4）先进性：桥梁设计应体现现代桥梁建设的新技术。应便于制造和架设，应尽量采用先进工艺技术和施工机械、设备，以利于减少劳动强度，加快施工进度，保证工程质量和施工安全。 （ 5）美观：一座桥梁，尤其是座落于城市的桥梁应具有优美的外形，应与周围的景致相协调。合理的结构布局和轮廓是美观的主要因素，决不应把美观片面的理解为豪华的装饰。 应根据上述原则，对桥梁作出综合评 估。 梁形式 西南交通大学本科 毕业设计 第 4 页 （ 1）梁桥 :梁式桥是指其结构在垂直荷载的作用下，其支座仅产生垂直反力，而无水平推力的桥梁。预应力混凝土梁式桥受力明确，理论计算较简单，设计和施工的方法日臻完善和成熟。 预应力混凝土梁式桥具有以下主要特征： a) 混凝土材料以砂、石为主，可就地取材，成本较低； b) 结构造型灵活，可模型好，可根据使用要求浇铸成各种形状的结构； c) 结构的耐久性和耐火性较好，建成后维修费用较少； d) 结构的整体性好，刚度较大，变性较小； e) 可采用预制方式建造，将桥梁的构件标准化，进而实现工业化生产； f) 结构自重较大，自 重耗掉大部分材料的强度，因而大大限制其跨越能力； g) 预应力混凝土梁式桥可有效利用高强度材料，并明显降低自重所占全部设计荷载的比重，既节省材料、增大其跨越能力，又提高其抗裂和抗疲劳的能力； h) 预应力混凝土梁式桥所采用的预应力技术为桥梁装配式结构提供了最有效的拼装手段，通过施加纵向、横向预应力，使装配式结构集成整体，进一步扩大了装配式结构的应用范围。 （ 2）拱桥 :拱桥的静力特点是，在竖直荷载作用下，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。如在均布荷载 支梁的跨中弯 矩为 82全梁的弯矩图呈抛物线形，而拱轴为抛物线形的三铰拱的任何截面弯矩均为零，拱只受轴向压力。设计合理的拱轴，主要承受压力，弯矩、剪力均较小，故拱的跨越能力比梁大得多。由于拱是主要承受压力的结构，因而可以充分利用抗拉性能较差、抗压性能较好的石料，混凝土等来建造。石拱对石料的要求较高，石料加工、开采与砌筑费工，现在已很少采用。 由墩、台承受水平推力的推力拱桥，要求支撑拱的墩台和地基必须承受拱端的强大推力，因而修建推力拱桥要求有良 好的地基。对于多跨连续拱桥，为防止其中一跨破坏而影响全桥，还要采取特殊的措施，或设置单向推力墩以承受不平衡的推力。 （ 3）梁拱组合桥 :软土地基上建造拱桥，存在桥台抵抗水平推力的薄弱环节。为此采用大吨位预应力筋以承担拱的水平推力；预应力筋的寄体是系梁，即加劲纵梁，从而以梁式桥为基体，按各种梁桥的弯矩包络图用拱来加强。这样可以使桥梁结构轻型化，同时能提高这类桥梁的跨越能力。这类桥梁不仅技术经济指标先进、造价低廉，西南交通大学本科 毕业设计 第 5 页 同时桥型美观，反映出力与美的统一、结构形式与环境的和谐，增加了城市的景观。 （ 4）斜拉桥 :斜拉桥的特 点是依靠固定与索塔的斜拉索支撑梁跨，梁是多跨弹性支撑梁，梁内弯矩与桥梁的跨度基本无关，而与拉索的间距有关。他们适用于大跨、特大跨度桥梁，现在还没有其他类型的桥梁的跨度能超过他们。 斜拉桥与悬索桥不同之处是，斜拉桥直接锚于主梁上，称自锚体系，拉索承受巨大的拉力，拉索的水平分力使主梁受压，因此塔、梁均为压弯构件。由于斜拉桥的主梁通过拉紧的斜索与塔直接相连，增加了主梁抗弯、抗扭刚度，在动力特性上一般远胜于悬索桥。悬索桥的主缆为承重索，它通过吊索吊住加劲梁，索两端锚于地面，称地锚体系。 斜拉桥具有施工方便、桥型美观 、用料省、主梁高度小、梁底直线容易满足通航和排洪要求、动力性能好的优点，发展非常迅速，跨径不断增大。但实际跨度不大，此桥型不予考虑。 目前我国城市轨道交通高架桥结构一般考虑简支梁和连续梁结构形式。简支梁受力明确，受无缝钢轨因温度变化产生的附加力、特殊力的影响小，设计施工易标准化、简单化；但其梁高较大，景观稍差，行车条件也不如连续梁。连续梁结构与同等跨度的简支梁相比，可以降低梁高，节省工程数量，有利于争取桥下净空，并改善景观；其结构刚度大，具有良好的动力特性以及减震降噪作用，使行车平稳舒适，后期的维修养护工作 也较少。从城市美学效果来看，连续梁造型轻巧、平整、线路流畅，将给城市争色不少。但连续梁对基础沉降要求严格，特别是由于联长较大，桥上无缝钢轨因温度变化而产生的水平力很大，使得梁体与墩台之间的受力十分复杂，加大了设计难度。考虑到为高速铁路桥梁，结合国内外的实践经验，采用连续梁结构作为标准型式较为适宜。 方案比较见表 1 西南交通大学本科 毕业设计 第 6 页 表 1案比选 主桥跨桥型 第一方案 第二方案 第三方案 预应力混凝土连续梁 预应力混凝土简支梁 梁拱组合桥 主桥跨结构特点 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。结构造型灵活，可模型好，可根据使用要求浇筑成各种形状的结构，整体性好，刚度较大，变形较小。受力明确，理论计算较简单，设计和施工的方法日趋完善和成熟。 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。结构造型灵活，整体性好，刚度较大，其跨径较小；且简支梁梁高较大，与城市的景观不协调。 软土地基上建造拱桥，存在桥台抵抗水平推力的薄弱环节。为此采用大吨位预应力筋以承担拱的水平推力；预应力筋的寄体是系梁，即加劲纵梁，从而以梁式桥为基体，按各种梁桥 的弯矩包络图用拱来加强。这样可以使桥梁结构轻型化，同时能提高这类桥梁的跨越能力。 建筑造型 侧面上看线条明晰，与当地的地形配合，显得美观大方。 跨径一般，线条明晰，但比较单调，与景观配合很不协调。 跨径较大，线条非常美，与环境和谐，增加了城市的景观。 养护维修量 小 小 较大 设计技术水平 经验较丰富，国内先进水平。 经验丰富，国内先进水平。 经验一般，国内一般水平。 施工技术 悬臂施工法：不需要大量施工支架和临时设备，不影响桥下通航通车，施工不受季节、河道水位的影响，并能在大跨径桥上采用 。 预制 T 型构件，运至施工地点，采用混凝土现浇，将 T 型梁连接，其