根子洲大桥设计毕业设计(论文).docVIP

本科生毕业设计 论论 文文 学生姓名： 专业班级： 道路桥梁工程技术专科 指导教师： 工作单位： 交通学院 设计题目： 根子洲大桥设计 1 目目 录录 1绪论绪论.1 1.1预应力混凝土连续梁桥概述.1 1.2毕业设计的目的与意义.3 2基本资料基本资料3 2.1地形、地质.3 2.2水文.4 2.3气象.4 2.4地质构造及地震.4 2.5技术标准.5 3方案比选方案比选5 3.1桥型方案的选择原则.5 3.2比选方案.5 3.3推荐方案.8 4上部结构尺寸拟定及内力计算上部结构尺寸拟定及内力计算8 4.1桥梁立面布置.8 4.1.1桥梁总跨径的确定.8 4.1.2桥梁分孔.8 4.1.3梁高.9 4.1.4桥面标高的确定.9 4.2横截面设计.9 4.2.1桥面宽度.9 4.2.2箱形截面细部尺寸.10 4.3主梁内力计算.12 4.3.1恒载内力计算.12 4.3.2活载内力计算.14 4.3.3内力组合及内力包络图.15 5预应力钢筋计算及布置预应力钢筋计算及布置 .19 5.1预应力钢筋截面积的估算.19 5.2预应力钢束布置.25 5.2.1横截面布置.26 2 5.2.2立面及平面布置.27 5.2.3预应力锚具的选择.28 5.3非预应力钢筋的布置.28 6桥面板计算桥面板计算28 6.1桥面板内力计算.28 6.1.1单向板的计算.29 6.1.2悬臂板内力计算.31 6.2配筋及验算.32 6.2.1悬臂部分负弯矩配筋计算.32 6.2.2箱梁顶板正弯矩配筋计算.33 7主梁截面特性主梁截面特性 34 8预应力损失及有效预应力的计算预应力损失及有效预应力的计算 38 8.1预应力损失计算.38 8.1.1预应力筋与管道壁间摩擦引起的应力损失（）.38 1l 8.1.2锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失（）.39 2l 8.1.3钢筋与台座间的温差引起的应力损失（）.39 3l 8.1.4混凝土弹性压缩引起的应力损失（）39 4l 8.1.5钢筋松弛引起的应力损失（）41 5l 8.1.6混凝土收缩徐变引起的损失（）42 6l 8.2有效预应力计算.44 9截面验算截面验算45 9.1正截面承载力验算.45 9.1.1跨中截面承载能力计算.45 9.1.2支座截面承载能力计算.45 9.2斜截面承载力计算.46 9.2.1中间支点处截面.47 9.2.2梁端支点处截面.48 9.3应力计算.49 3 9.3.1短暂状况的正应力计算.49 9.3.2持久状况的正应力验算.51 10桥墩计算桥墩计算56 10.1桥墩内力计算.56 10.1.1永久荷载.56 10.1.2可变荷载.57 10.2桥墩配筋计算.59 10.3桩基础和承台计算.60 11施工方案设计施工方案设计 67 11.1确定主要工序的施工方法.67 11.2主要机具设备及使用的时间.69 11.3施工进度计划.70 11.4拟投入的技术工人和辅助作业人员.71 12结结 论论72 致致 谢谢72 参考文献参考文献73 1 1绪论绪论 1.1预应力混凝土连续梁桥概述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。 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 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 2 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。 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 3 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。 1.2毕业设计的目的与意义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midas civil 2006 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。 本设计主要涉及到连续梁的设计计算，这种桥型是目前国内外普遍应用的桥型， 其设计和计算的理论和方法比较成熟，这为本次设计提供许多可参考的资料，使得本 设计更加合理和接近实际，很好地到达了毕业设计的目的。 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，恳请各位 老师批评指正。 2基本资料基本资料 4 2.1地形、地质地形、地质 桥位位于某河流中游，流向由南向北偏东，河道巴拉贡岸为台地，属鄂尔多斯隆 起北缘，地面层覆盖风积沙。桥位河段河床基本趋于稳定，水流较通畅，河槽较窄且 稳定。 根据地质钻探揭示(最大揭露度 120 米),桥址地层划分如下： 粉细砂层：灰黄色，松散-稍密，湿-饱和，表层为薄层粘性土，局部为砾砂，最 大厚度 16.5 米。 粘土层：灰绿色，可塑-硬塑，湿-饱和，夹亚粘土、亚砂土及砂土层，最大厚度 37 米。 细砂层：灰黄色，密实，饱和，夹有粘土层及中、粗砾砂，最大厚度 30 米。 砂砾层：黄褐色，密实，饱和，分选差，含粘土，夹粘土及粉细砂层，最大厚度 20 米。 细砂层：灰黄色，密实，饱和，夹粘土及砾砂层，厚度 30 米未揭穿。 2.2水文水文 桥址上游 43 公里处水文站设有水文断面一处，控制集水面积 312849 平方公里， 共有 38 年实测洪水资料，水文计算结果如下： 三百年一遇设计流量 7746m3/s，相应流速 2.95m/s，设计水位 1053.38m，最大冲 深 14.40（主河槽） ，计算最高流冰水位 1051.85m，相应流速 0.43m/s，调查到桥位处 结冰期最高水位 1054.40（黄海高程） ，相应流速 0.68m/s，最高通航水位 1052.69m。 桥位段每年 12 月下旬翌年 3 月为结冰期，3-4 月为流凌期，桥位处调查到流冰最 大尺寸为 50140.65m，相应流速 2.40m/s。 2.3气象气象 项目区属温热带内陆性季风气候，四季分明，气候干燥，雨季 7-8 月，年降雨量 144.6m，年蒸发量 2380.6mm；平均风速 3m/s，最大风速 16m/s，主导风向为西北风 （WN） ；每年 11 月下旬至翌年 3 月下旬为冻结期，年平均气温 7.6。历年最冷月平 均气温 39.6；最大积雪厚度 12，最大冻土深度 108。 5 2.4地质构造及地震地质构造及地震 桥址区地形平坦、开阔，海拔 1053-1056 之间，地下水位较高，埋深约 4m 左右。 桥址位于临河断陷盆地西南边缘地带的磴口-西由嘴断裂上盘，距断裂约 3km 处，桥 址地质构造比较简单，地表均被第四系覆盖，地层进水平，由于地下水位高，场地土 质松软，当遭遇中强地震时，表层粉细砂液化为土层。 根据全国地震烈度区划图，该地区基本地震烈度为 VII 度。 2.5技术标准技术标准 (1)公路等级：一级公路 (2)计算行车速度：80 公里/小时 (3)设计荷载：公路 I 级，人群 3.5kN/m2 (4)桥面宽度：双向四车道 (6)地震烈度：按 VI 度设防。 3方案比选方案比选 3.1桥型方案的选择原则桥型方案的选择原则 1）认真贯彻国家的各项政策、法规，以及国家和部颁标准、规范、规定和办法； 2）使用安全耐久，保养维护方便，行车舒适； 3）技术先进可靠，施工方面、快捷，便于工厂化，标准化施工，确保施工工期； 4）经济上合理适度，上、下部工厂投资适当，节省投资； 5）充分考虑堤防要求，满足江堤防洪和通航的净空要求； 6）尽量减少拆迁、改线的工程量、减低投资。 3.2比选比选方案方案 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 6 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 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 0.611。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 55+90+55m 的 3 跨一联的预应力钢筋混凝土变截面箱梁。中间支点梁高 5.0 米， 边支座及跨中梁高 2.4 米。 图3.2-1 连续梁桥示意图 （2）梁拱组合桥方案 梁拱组合桥具有以下特点：梁与拱共同受力特性，既可 以发挥混凝土拱的优越性，又可避免桥梁墩台承担水平推力，结构外形轻巧，竖向刚 度大适用于承受较大竖向荷载桥梁。本方案桥跨拟采用 55+90+55（M)梁拱组合桥。 7 图3.2-2 梁拱组合桥示意图 （3）预应力混凝土简支梁桥方案 梁桥具有以下特点：受力简单，设计计算方 便，梁中只有正弯矩；体系温变，收缩徐变，张拉预应力不会在梁中产生附加内力， 静定结构，结构内力不受地基变形影响，对地基要求较低，能适用于地基较差的桥址 上建桥。本桥采用 8x25 预制预应力混凝土箱梁桥，先简支后连续。 图 3.2-3 简支梁桥示意图 方案比选 比较 项目 第一方案第二方案第三方案 桥型 预应力混凝土连续梁 桥 预应力混凝土简支梁桥梁拱组合体系 主跨结 构特点 在垂直荷载作用下， 只产生垂直反力而无 水平推力；结构刚度 大，变形小，动力性 能好，主梁变形挠曲 线平缓，有利于高速 行车。 受力简单，设计计算方便， 梁中只有正弯矩；体系温变， 收缩徐变，张拉预应力不会 在梁中产生附加内力，静定 结构，结构内力不受地基变 形影响，对地基要求较低， 能适用于地基较差的桥址上 建桥。 利用梁的受弯和拱的承 压特点组成联合结构， 预应力混凝土结构中， 梁体内可储备巨大的压 力来承受拱的水平推力， 使这类结构既具有拱的 特点，而又非推力结构 的特点。 建筑 造型 侧面上看线条明晰， 与当地的地形配合， 跨径一般，线条明晰，但比 较单调，与景观配合很不协 跨径较大，线条非常美， 与环境和谐，增加了城 8 3.3推荐方案推荐方案 依据上表，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推荐方案。 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. 4 上部结构尺寸拟定及内力计算上部结构尺寸拟定及内力计算 该设计经方案比选后采用三跨一联预应力混凝土变截面连续梁结构，全长 200m。根据桥下通航净空要求，主跨径定为 90m。 上部结构根据通行双向 4 个车道要求，双幅桥，采用单箱三室箱型梁，单幅桥桥 面宽度 12.25m。 显得美观大方调。市的景观 养护维 修费用 小小较大 设计 技术 经验较丰富，国内先 进水平 经验较丰富，国内先进水平经验一般，国内一般水 平 施工 技术 满堂支架就地浇筑： 施工平稳可靠，不需 大型起重设备；桥梁 整体性好，施工中无 体系转换，不产生恒 载徐变次内力，施工 方便。 选用 40m 标准跨径后张法简 支梁，采用装配式的施工方 法，可以节约大量模板支架， 缩短施工期限，加快建桥速 度；可选用的吊装机具有多 种。 转体施工法，可以利用 施工现场的地形安排预 制构件场地；施工期间 不中断通航，不影响桥 下交通；施工设备少， 装置简单，容易制作掌 握；减少高空作业；施 工难度较大。 工期较短较短较长 9 4.1 桥梁立面布置桥梁立面布置 4.1.1桥梁总跨径的确定桥梁总跨径的确定 桥梁墩台和桥头路堤压缩河床，使桥下过水断面减少，流速增大，引起河床冲刷 和桥位上游壅水，因此桥梁总跨径必须保证桥下有足够的排泄面积，对河床不产生过 大冲刷，并注意壅水可能淹没耕地和建筑物等危害。 4.1.2桥梁分孔桥梁分孔 连续梁跨径的布置一般采用不等跨的形式。边跨长度过短，边跨桥台支座处将会 产生负反力，支座与桥台必须采用相应抗拔措施或边梁压重来解决；边跨过长，将增 大，削弱了边跨刚度，将增大活载在中跨跨中截面处的弯矩变化幅值，增大预应力筋 数量。故一般边跨长度取中跨的 0.50.8 倍。确定标准跨径组合为 55m+90m+55m， 边跨长度为中跨 0.611 倍。 桥梁结构计算图示： 图图 4.1.2-14.1.2-1 桥梁计算简图桥梁计算简图 图中计算跨径为 55+90+55=200m。 4.1.3梁高梁高 从预应力混凝土桥梁的受力特点来分析，连续梁的立面宜采用变截面布置。根据 已建成桥梁的资料分析，支点梁高: H=(1/161/20)l=(1/161/20)90m=(4.55.6)m, 取 H=5.0m。 中跨跨中梁高： h=(1/301/50)l=(1/301/50)90m=(1.83.0)m，取 h=2.4m。 为方便计算与施工，边跨跨中梁高采用与中跨相同的值。 10 4.1.4桥面标高的确定桥面标高的确定 根据设计资料，最高通航水位 1052.69m，航道净空高度 6m ，梁底高程 1058.69m，则桥面标高为 1063.69 m。 4.2 横截面设计横截面设计 4.2.1桥面宽度桥面宽度 根据公路桥涵设计通用规范 （JTG D60-2004）第 3.3.1 条公路建筑界限规定： 设计时速 80km/h，车道宽度 3.75m，中央分隔带宽度 2.00m，左侧路缘带宽度 0.5m，右侧路肩宽度 L2,G 高速公路上桥梁应在右侧路肩内设右侧路缘带 0.5m，本桥 为双向四车道一级公路桥梁，宜采用 2.5m 的右侧硬路肩，土路肩宽度为 0.75m，路 基宽度：L=3.754+2.0+0.52+0.752+2.52=24.5m，双幅桥间净距取 0.5m，因此取桥 宽 24m，单幅桥桥宽 12m。 桥面做成双向纵坡，取坡度为 3%，横坡设为 2%，横坡采用将行车道板做成倾斜 面。防水层设置在铺装层以下，本桥采用铺装改性理清防水卷材，以及浸渍沥青的无 纺土工布作为防水层桥面排水系统。桥面纵坡大于 2%，而桥长大于 50 米时，为防止 雨水积滞，桥面需设置泄水管，每个十五米设置一个。 4.2.2箱形截面细部尺寸箱形截面细部尺寸 箱形截面由顶板、底板、腹板等几部分组成，它的细部尺寸的拟定既要满足箱梁 纵、横向的受力要求，又要满足结构构造及施工上的要求。 1底板厚度 在连续梁桥中，箱梁底板厚度随负弯矩的增大而逐渐加厚至根部，根部底板厚度 一般为根部梁高的 1/101/12，以符合施工和运营阶段的受压要求，并在破坏阶段使 中性轴尽量保持在底板以内，所以墩顶处地板厚度为（1/101/12） 500cm=(41.750)cm，取 45cm；跨中底板厚度一般为 2530，以满足跨中正负 弯矩变化及板内配置预应力钢筋和普通钢筋的要求，所以取跨中底板厚度为 30。 2顶板厚度 确定箱形截面顶板厚度一般考虑两个因素：满足桥面横向弯矩要求；满足布置纵 11 横向预应力钢筋的要求。腹板间距为 6.5m，取顶板厚度为 30。 3腹板厚度 箱梁腹板主要承受截面剪力和主拉应力。在预应力连续桥梁中，弯束对荷载剪力 的抵消使得梁内剪应力和主拉应力减小。除此之外，考虑预应力钢筋布置和混凝土浇 筑，腹板内有有预应力束锚固时采用 35。连续梁支点附近承受剪力较大，腹板宜 增高加宽，腹板宽度采用 60cm,腹板沿跨径加宽的方式采用斜直线过度型。 4梗液尺寸 梗液提高了截面抗扭刚度和抗弯刚度，减少了扭转剪应力和畸变剪应力。桥面板 支点刚度加大后，可以吸收负弯矩，从而减少桥面板跨中正弯矩。从构造上考虑，利 用梗液所提供的空间便于布置纵向预应力筋和横向预应力筋，同时也为减薄顶板和底 板厚度提供了构造上的保证。顶板梗液 15050，底板梗液 4040。 5横隔梁 箱梁横隔梁的主要作用是增加截面横向刚度，限制畸变应力。箱形截面的抗弯和 抗扭刚度较大，除了在支点处设置横隔梁以满足支座布置及承受支座反力需要外，可 不设置中间横隔梁。本设计下部结构采用无盖梁双柱式桥墩，A、D 处端内横隔梁宽 160cm，中支承 B、C 处内横隔梁宽度取 300。 主梁一般构造如图 4.2.2-1。 图图 4.2.2-14.2.2-1 主梁一般构造主梁一般构造 主梁截面构造如图 4.2.2-2-图 4.2.2-5。 12 图图 4.2.2-24.2.2-2 A-AA-A 截面截面 图图 4.2.2-34.2.2-3 B-BB-B 截面截面 图图 4.2.2-44.2.2-4 C-CC-C 截面截面 13 图图 4.2.2-54.2.2-5 D-DD-D 截面截面 A-A 截面面积 S1=34.63m2；B-B 截面面积 S2=16.61 m2； C-C 截面面积 S3=8.91 m2；D-D 截面面积 S4=17.73 m2。 4.3主梁内力计算主梁内力计算 4.3.1恒载内力计算恒载内力计算 恒载内力包括一期恒载（箱梁自重）和二期恒载（桥面铺装和栏杆等桥面系）作 用下的内力。 利用 MIDAS 桥梁计算软件建立有限元模型，将全桥等分为 200 个单元，每个单 元 1 米，共 201 个节点，计算得到主梁内力图。其中二期恒载集度为桥面铺装集度与 栏杆、人行道集度之和，本例桥为一级公路桥不设人行道，即： 1）二期恒载 q=10cm 厚沥青混凝土面层集度+8cm 厚 C50 混凝土垫层集度+栏杆 =（0.112）23+（0.0812）24+12=52.64KN/m 2）自重荷载 自重荷载采用等效荷载进行计算。 q1=34.63x26=900.38KN/m；q2=16.61 x26=431.61KN/m； q3=8.91x26=231.66KN/m；q4=17.73 x26=460.98KN/m。 由 MIDAS 可得恒载作用下的弯矩图和剪力图如图 2-5 至图 2-8。 14 图图 4.3.1-14.3.1-1 自重弯矩图自重弯矩图 图图 4.3.1-24.3.1-2 自重剪力图自重剪力图 图图 4.3.1-34.3.1-3 桥面铺装弯矩图桥面铺装弯矩图 15 图图 4.3.1-44.3.1-4 桥面铺装剪力图桥面铺装剪力图 4.3.2活载内力计算活载内力计算 由 MIDAS 可得活载作用下的弯矩图和剪力图如图 2-9 至图 2-10 图图 4.3.2-14.3.2-1 车道荷载弯矩图车道荷载弯矩图 16 图图 4.3.2-24.3.2-2 车道荷载剪力图车道荷载剪力图 4.3.3内力组合及内力包络图内力组合及内力包络图 1）承载能力极限状态内力组合 按照桥规规定进行作用效应组合。公路桥涵结构承载能力极限状态设计时， 应采用以下作用效应组合： 基本组合：永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合 表达式为： 11 12 mn udGiGikQQ kcQjQjk ij ssss 00 。 1 1.0,1.2,1.4,0.8,1.4 GiQcQj 0 Gik s为自重和铺装作用效应的标准值； Q1k s为汽车荷载效应的标准值； Qjk s为人群荷载效应的标准值。 作用基本组合的内力图如图 2-11 和图 2-12 17 图图 4.3.3-14.3.3-1 基本组合弯矩图基本组合弯矩图 图图 4.3.3-24.3.3-2 基本组合剪力图基本组合剪力图 2）正常使用极限状态内力组合 公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下 两种效应组合： （1）作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合， 其效应组合表达式为： 1 11 sdGikjQjk mn ij sss ，。 1 j 汽车荷载=0. 7 1 1.0 j 人群荷载 18 作用基本组合的内力图如图 2-13 和图 2-14。 图图 4.3.3-34.3.3-3 作用短期效应弯矩图作用短期效应弯矩图 图图 4.3.3-44.3.3-4 作用短期效应剪力图作用短期效应剪力图 （2）作用长期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合， 其效应组合表达式为： 2 11 mn ldGikj Qjk ij sss 22 0.40.4 汽车荷载，人群荷载 作用基本组合的内力图如图 2-15 和图 2-16。 19 图图 4.3.3-54.3.3-5 作用长期效应弯矩图作用长期效应弯矩图 图图 4.3.3-64.3.3-6 作用长期效应剪力图作用长期效应剪力图 5预应力钢筋计算及布置预应力钢筋计算及布置 根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范5.1.1 规定：公路桥涵的 持久状况设计应按承载能力极限状态的要求，对构件进行承载能力及稳定计算，必要 时尚应进行结构的倾覆和滑移的验算。在进行承载能力极限状态计算时，作用的效应 应采用其组合设计值；结构材料性能采用其强度设计值。 该桥所处环境为滨海环境，根据混规规定为类环境，普通钢筋及预应力钢 筋最小保护层厚度为 40。 20 预应力混凝土应进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态计算，并满足 公路桥规中对不同受力状态规定的设计要求，预应力钢筋面积就是根据这些限条 件进行的。在截面尺寸确定以后，结构抗裂性主要与预应力的大小有关。因此预应力 混凝土钢筋数量估算的一般方法是，首先根据结构正截面抗裂性确定预应力钢筋数量， 然后再由构件承载能力极限状态要求确定非预应力钢筋数量。 5.1预应力钢筋截面积的估算预应力钢筋截面积的估算 正截面抗裂应对构件正截面混凝土的拉应力进行验算，全预应力混凝土构件，在 作用（或荷载）短期效应组合下，应符合下列要求： 0.850 stpc 在作用短期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力 st 扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土的预 pc 压应力 全预应力混凝土梁按作用（活荷载）短期效应组合进行正截面抗裂性验算，计算 所得正截面混凝土法向拉应力应满足上式要求，则： 1 0.85()0 p s e M WAW 上式稍作变化，即可得到全预应力混凝土梁满足作用（或荷载）短期效应组合抗 裂验算所需的有效预加力，即： / 1 0.85() s pe p MW N e AW 使用阶段预应力钢筋永存应力的合力； pe N 按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值； s M A 构件混凝土全截面面积； W构件全截面对抗裂验算边缘弹性抵抗矩； 预应力钢筋合力作用点至截面中心轴的距离。1. 按构件正截面抗裂性要 p e 求估算预应力筋数量 21 支座处主梁截面重心位置图 3-1。 图图 5.1-1 主梁截面重心线主梁截面重心线 全预应力混凝土梁按作用短期效应组合进行正截面抗裂性验算，计算所得的正 截面混凝土法向拉应力应满足： 1 0.850 p s pe e M N WAW 上式稍作变化，即得到全预应力混凝土梁满足作用短期效应组合截面抗裂性验 算所需要的有效预加力，即： 1 0.85 s pe p MW N AW e 其中为正常使用极限状态按作用短期效应组合计算的弯矩值，由以上弯矩图 sM 得。mKNMs 232714 设预应力钢筋截面重心距截面上缘为，则预应力钢筋作用点至截面100 p mm a 重心轴的距离；钢筋估算时，截面性质近似取全mm a y p u 22801002380 ep 截面的性质来计算， ，全截面对抗裂验算边缘的弹性地 22 1661000061.16mmmA 抗拒为；所以有效预应力合力为 3 74.42 28. 2 45.97 m y I W u y 22 KN W e A W M N p S 27.59474 09155. 0 87.5444 74.42 28 . 2 61.16 1 85. 0 74.42 232714 1 85 . 0 pe 预应力钢筋采用高强低松弛钢绞线，公称直径 15.2，公称面15.20 7 5.0 s 积为 139，抗拉强度标准值为，预应力筋张拉控制应力为 2 mm 1860 pka fMP ，预应力损失按张拉控制应力 20%估算，则可得0.750.75 18601395 conpka fMP 需要预应力筋的面积为： 2 pe 36.53292 8 . 01395 27.59474 )2 . 01 ( mm N A con P 钢束拟定采用 50 束钢绞线，预应力钢筋的截面面积为1015.20 s 采用夹片式群锚（主要用于锚固 7 股5mm 的预应力钢 2 p 695001391050mmA 绞线） 。因为预应力塑料波纹管与传统金属波纹管相比具有以下明显优点： 1）具有良好的耐腐蚀性，提高了多预应力筋的防腐保护； 2）具有良好的物理性能，不导电，密封性好，可防止杂散电流腐蚀，不生锈； 3）荷载作用下不渗透，强度大，刚度大，抗冲击性好，不怕踩压； 4）可减少张拉过程中预应力的摩擦损失。 所以采用塑料波纹管成孔。 跨中截面重心位置如图 3-2。 23 图图 5.1-2 跨中截面重心跨中截面重心 同理可得跨中截面所需预应力钢筋面积： 100 p amm mmay pbp 22 8910000m91 . 8 mmA 3 b y 0261.13 40 . 1 2365.18 y I mW KN WA W M N p S 73.67034 18023 . 0 67.12081 0261.13 3 . 1 91 . 8 1 85. 0 0261.13 157377 e 1 85 . 0 pe 2 60067 8 . 01395 73.67034 2 . 01 mm N A con pe p 1x7 标准型 s15.2 钢绞线截面面积 Apl=139mm2。 所需钢绞线数为，采用 50 束钢绞线，预应力44 10139 60067 n 1 P P A A 1015.20 s 钢筋的截面面积为。 2 mm695001391050 P A 其它截面所需预应力筋数量见下列表格。 其它截面单元弯矩值可由 midas 查询功能查得，并可存为 excel 格式。 24 表表 5.1-1 边跨正弯矩配束表边跨正弯矩配束表 单元号面积弯矩值 抗弯惯 矩 W Npe（KN)配束数 实际配 束数 18.913622.59131544.696210 28.9110384.94134428.207410 38.9116536.8213.36966.394610 49.0122276.0513.69328.255710 59.1127631.0113.911503.69910 69.2132596.5814.213494.581010 79.3137167.6714.515302.611220 89.4141339.1814.816929.271320 99.5145106.0315.218309.211420 109.6148463.1615.619503.751520 119.7151405.511620516.11520 129.8153928.0316.421349.191620 139.9156025.716.822005.651620 1410.0157693.4717.222487.851720 1510.1158926.3517.722724.021720 1610.2159719.3318.222792.061720 1710.3160067.4218.722695.151720 1810.4159965.6519.222436.161720 1910.6159409.0319.722140.881620 2010.7158392.6220.221561.621620 2110.9156911.4720.720940.731620 2211.1154960.6521.220154.531520 2311.3152535.2221.819149.861420 2411.5149630.2922.417987.111320 2511.7146240.942316666.331220 2611.9142362.2923.615187.431120 2712.1137989.4524.213550.261010 2812.3133117.5624.811754.53910 2912.5127741.7625.59776.439810 3012.7121857.226.27649.964610 3112.9115459.0526.95374.99410 3213.118542.4927.72944.714310 表表 5.1-2 边跨负弯矩配束表边跨负弯矩配束表 25 单元号面积弯矩值 抗弯惯 矩 W Npe（KN)配束数 实际配 束数 3313.31-10527.428.53599.044310 3413.51-18530.329.36284.751510 3513.71-27049.930.19104.156710 3613.91-36091.430.912057.75910 3714.11-4566031.715146.081120 3814.31-55760.832.518369.741420 3914.51-66398.933.421687.791620 4014.71-77579.634.325131.21920 4114.91-8930835.228700.662120 4215.11-10159036.132396.962425 4315.31-11445137.236100.942630 4415.51-12791138.339922.752930 4515.81-14197239.444045.773240 4616.11-15663640.548316.593540 4716.41-17190841.652735.873840 4816.61-18786042.757098.054250 4916.61-20492042.762283.124550 5016.61-22315642.767825.84950 表表 5.1-3 中跨正弯矩配束表中跨正弯矩配束表 单元号面积弯矩值 抗弯惯 矩 W Npe（KN)配束数 实际配 束数 5116.61-22283142.767727.124950 5216.61-20380442.761944.134550 5316.61-18576542.756461.444150 5416.41-16865741.651738.823840 5516.11-15212840.546925.883440 5615.81-13611539.442228.713140 5715.51-12061638.537517.372730 5815.31-10562737.633085.682430 5915.11-91180.336.728767.812130 6014.91-77307.535.824573.951820 6114.71-6392934.920479.191520 6214.51-51041.13416482.271220 6314.31-38640.233.212557.561010 6414.11-26722.232.48741.856710 6513.91-15282.931.65033.925410 6613.71-4317.9530.91429.427210 表表 5.1-4 中跨负弯矩配束表中跨负弯矩配束表 26 单元号面积弯矩值 抗弯惯 矩 W Npe（KN)配束数 实际配 束数 6713.5114270.9930.24748.965410 6813.3124619.8529.58237.034610 6913.1134566.6628.811629.69910 7012.914411328.114927.671120 7112.7153259.1527.518090.111420 7212.5162003.1326.921141.721620 7312.3170335.4326.324079.21820 7412.1178255.4425.726902.252020 7511.9185767.6125.129612.292230 7611.7192876.3924.532210.782430 7711.5199586.262434610.152530 7811.31105901.723.536884.952730 7911.11111827.323.138932.642930 8010.91117367.422.640954.923030 8110.71122526.622.142856.943140 8210.61127309.621.644899.363340 8310.51131720.821.146851.213440 8410.41135764.820.648712.953640 8510.31139446.220.250334.83740 8610.21142769.619.851852.413840 8710.11145739.719.453266.293940 8810.0114836119.154406.914040 899.91150638.318.755607.924150 909.81152576.118.356706.534150 919.71154179.31857514.654250 929.61155452.317.858017.564250 939.51156400.117.658400.064350 949.41157027.317.458663.84350 959.31157338.617.258810.364350 5.2 预应力钢束布置预应力钢束布置 预应力钢筋布置应遵守以下原则： 1）应选择适当的预应力束筋的型式与锚具型式，对不同跨径的梁桥结构，要选 用预加力大小恰当的预应力束筋，以达到合理的布置型式。避免造成因预应力束筋与 锚具型式选择不当而是结构构造尺寸加大。当预应力束筋选择过大，每束的预加力不 大，造成大跨结构中布束过多，而构造尺寸限制布置不下时，则要求增大截面。反之， 27 在跨径不大的结构中，如选择预加力很大的单根束筋，也可能使结构受力过于集中而 不利。 2）预应力束筋的布置要求考虑施工的方便，也不能像钢筋混凝土结构中任意切 断钢筋那样去切断预应力筋，而导致在结构中布置过多的锚具。由于每根束筋都是一 个巨大的集中力，这样锚下应力区受力比较复杂，因而必须在构造上加以保证，为此 常导致结构构造复杂，而使施工不便。 3）预应力束筋的布置，既要符合结构受力的要求，又要注意在超静定结构体系 中避免引起过大的结构次内力。 4）预应力束筋的布置，应考虑材料经济指标的先进性，这样往往与桥梁体系、 构造尺寸、施工方法的选择都有密切的关系。 5）预应力束筋应避免使用多次反向曲率的连续束，因为这会引起很大的摩擦力 损失，降低预应的效益。 6）预应力束筋的布置，不但要考虑结构在使用阶段大弹性受力状态的需要，而 且也要考虑到结构破坏时的需要。 5.2.1横截面布置横截面布置 横截面布置满堂支架施工的预应力混凝土连续梁桥，绝大多数预应力钢束的穿束、 张拉锚固等均在箱梁内作业。因此控制截面布置钢束时，应尽量靠近腹板采用分散布 置分散锚固顶、底板束，钢束水平间距稍大一些，且不设平弯，一边布设齿板，方便 施工。布置边中孔正弯矩肋束时，将钢束置于梁肋截面中心线，且将来竖弯锚固于梁 顶。 分析梁端 1 号单元的预应力钢筋配置，=3622.59KNm，=69500，由 d M p A 2 mm 得： sdspdpcdf f AfAf b x mmmm bf Af fcd ppd 500 8 . 325 12000 4 . 22 695001260 x 由得： 0 0 2 df cd xxf bhM 28 所以预应力钢筋重心至mm x xbf Mr fcd d 4 . 208 2 8 .325 8 . 32512000 4 . 22 103622.591 . 1 2 h 6 0 0 梁顶板距离为 208.4mm。考虑保护层厚度和预应力束数量，实际取 300mm。 对于边跨最大正弯矩截面，17 号单元=60067.42KNm, d M =69500 , p A 2 mmmm bf Af fcd ppd 8 .325 120004 .22 695001260 x mm x xbf Mr fcd d 4 .917 2 8 .325 8 . 32512000 4 . 22