主跨538553米预应力混凝土连续梁桥设计安溪东门大桥.docx

本科生毕业设计（一）题 目： 主跨53+85+53米预应力混凝土连续梁桥设计 （安溪东门大桥） 姓 名： 王 达 荣 学 号： S050800618 学 院： 土木工程学院 专 业： 土木工程 年 级： 2008 指导教师： （签名）系主任（或教研室主任）： （签章）2012年 5月 29日中文摘要 本设计是根据本专业毕业设计任务书的要求和公路桥涵设计规范的相关规定，对安溪东门大桥进行方案比选和结构设计。通过认真分析桥址的水文情况，调查地质勘测资料，绘制河床断面图，初步拟定了两种方案，即主跨为53m+85m+53m预应力混凝土连续梁桥设计方案和主跨为95m的钢管混凝土拱桥的设计方案。本着“安全，经济，美观，实用”的基本设计原则，并通过对设计，施工等多方面的综合考虑，最终确定以上两个方案中的连续梁桥为设计方案。根据第一个方案，结合工程概况资料，水文计算结果，技术标准要求，设计规范规定，并参考已有的桥梁设计实例进行该桥的总体布置设计，采用如下的设计方法：首先，确定桥址具体位置，桥梁总体结构，桥梁上部结构，下部结构及桥面系，并应用CAD软件绘制桥梁总体布置图和细部尺寸图；其次，利用“桥梁博士3.0”软件分析内力结构总的内力(包括恒载和活载的内力计算)。用于计算的内力组合结果也由“桥梁博士3.0”软件计算而得，从而估算出纵向预应力筋的数目，然后再布置预应力钢丝束。再次，计算预应力损失及次内力，次内力包括先期恒载徐变次内力、先期预应力徐变次内力、后期合拢预应力索产生的弹性次内力、局部温度变化次内力。然后进一步进行截面强度的验算，其中包括承载能力极限状态和正常使用极限状态。在正常使用极限状态验算中包括计算截面的混凝土法向应力验算、预应力钢筋中的拉应力验算、截面的主应力计算。最终设计的安溪东门大桥能够满足规范要求。关键词：预应力混凝土，连续梁桥，安溪东门大桥Design of 53+85+53m pre-stressed concrete continuous beam bridge AbstractThis is a comparing of design and structural design of the East Gate Bridge,according to designing assignment and the standard of road and bridge designs.With a scriously study of hydrologic and geology data in the bridge site ,I make the first two plans of the bridge:53m+85m+53m pre-stressed concrete continuous beam bridge and a Through CFST Rigid-Framed Tied Arch Bridge with Main Span 95m.For the purpose of making the type of the bridge corresponding with the ambience and cost saving,with the consideration of the design and construction,I choose the former to be my final design.According to the first plan, the union of the project survey material, the hydrology computed result, the technical standard request, the design standard stipulated that, and refers to the bridge design example which has carried on to make this bridge the general arrangement design. The procedure of the design is listed below ：The first step as to dimension the site position, bridge overall structure, bridge superstructure, substructure and floor system, and using CAD software plan bridge general layout and detail dimensional drawing.The second step is to use Doctor Bridge software to analyze internal gross force of the structures(including dead load and lived load), the internal force composition can be done by using the compute results. According to the internal force composited, the evaluated amount of longitudinal tendons can be worked out, then we can distribute the tendons to the bridge.The third steps is to calculate the loss of pre-stressing and secondary force due to pre-stressing, first dead loads and temperature, bearing displacement, and so on.The last steps is checking the main cross section. the work includes the load-caring capacity ultimate state and the normal service ability ultimate state as well as the main sections being out of shape.With the results, the final design of the East Gate Bridge meets the requirements of specification.Keyword : prestressed concrete, continuous beam bridge , East Gate Bridge 目 录中文摘要IAbstractII第一章 设计说明11.1 工程概况11.2 设计标准与规范11.3 技术标准及技术条件11.4主要材料21.4.1 混凝土21.4.2 预应力钢束及锚具21.4.3 非预应力钢筋21.4.4 其他材料21.5 主要地质条件31.6 设计要点51.6.1 设计特点51.6.2 上部结构51.6.3 下部结构61.6.4 施工要点6第二章 水文计算82.1 设计洪峰流量计算82.1.1 绘制经验频率曲线92.1.2 按无偏估计值公式计算统计参数92.1.3 适线法选配皮尔-型理论频率曲线102.2设计洪水位计算112.3确定桥孔长度132.3.1用经验公式计算132.3.2用冲刷系数法计算132.4桥面标高确定142.4.1雍水高度142.4.2波浪高度142.4.3桥面标高152.5冲刷计算152.5.1一般冲刷计算152.5.2局部冲刷计算17第三章 结构方案设计213.1桥型方案比选213.2 结构总体设计233.2.1桥孔分跨233.2.2截面形式233.2.3 梁高243.2.4顶板与底板253.2.5 腹板及其它细部结构253.3 施工方法及施工顺序的确定26第四章 结构计算274.1材料特性及关键输入数据说明274.1.1材料特性274.1.2 关键输入数据说明274.2 结构有限元计算模型294.3 主要施工阶段内力计算304.3.1 最大悬臂阶段内力图304.3.2 边跨合拢阶段内力图304.3.3 中跨合拢阶段内力图314.3.4 桥面铺装阶段内力图314.4 活载内力计算324.4.1汽车荷载结果324.4.2满人荷载结果334.4.3温度荷载结果334.5预应力钢束估算及其布置334.5.1 钢束估算方法334.5.2 预应力钢束的估算384.5.3 钢束布置384.6 内力组合394.6.1 承载能力极限状态组合I (基本组合）394.6.2 正常使用极限状态组合I(长期效应组合）394.6.3 正常使用极限状态组合II(短期效应组合）404.6.4 正常使用极限状态组合III(标准效应组合）404.7 持久状况承载能力极限状态验算404.8 持久状况正常使用极限状态验算494.8.1预应力损失494.8.2 混凝土拉应力验算544.8.3 混凝土压应力验算594.8.4 钢筋应力验算664.9 变形计算684.10 伸缩缝计算69第五章 桥墩计算685.1 墩身纵桥向地震力计算685.1.1 单位水平力作用于墩顶时，墩顶及承台顶位移685.1.2 结构基本周期T715.1.3 加速度反应谱值与基本振型参与系数的确定725.1.4 纵桥向设计地震力735.2 墩身横桥向地震力计算735.2.1 单位水平力作用于墩顶时，墩顶及地面处位移735.2.2 结构基本周期T765.2.3 加速度反应谱值与基本振型参与系数的确定775.2.4 纵桥向设计地震力775.3 截面强度验算775.3.1 承载能力极限状态基本组合775.3.1.1截面配筋775.3.1.2截面复核785.3.2 承载能力极限状态偶然组合（顺桥向）815.3.3 承载能力极限状态偶然组合（横桥向）83第六章 桩基验算876.1 承台底面作用力876.2 承台变位计算886.3 桩身各截面内力计算886.4桩身截面配筋计算906.4.1构造配筋906.4.2截面复核916.5 单桩容许承载力验算93谢辞94主要参考文献95第一章 设计说明1.1 工程概况安溪县为闽南沿海经济开发区之一，其城关镇紧靠晋江西溪西北岸，随着改革开发的进展，工农业经济迅速发展，外商在本县的投资日益增长，三资企业不断增多，城区范围逐渐扩大并发展至西溪东南岸，使两岸交通运输频繁，原有两座大桥已不相适应，根据城市发展规划，确定近期内在东门外建设大桥。本县为闽南侨乡，旅居海外的华侨和外籍华人众多，他们具有爱国爱乡，建设家乡，发展家乡的优良传统与美好愿望，本桥将由华侨集资兴建，因此要求大桥在造型上较为美观。1.2 设计标准与规范1、公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B20-01-2008）2、公路桥涵设计通用规范（JTJ D60-2004）3、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ D62-2004）4、公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）5、公路工程技术标准（JTG B01-2003）6、公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-2000）1.3 技术标准及技术条件1、设计荷载：公路II级；人群荷载为2.825kN/m22、桥面净宽：净14+人行道21.50米3、桥面横坡：1.5%；桥面纵坡：1%4、设计洪水频率：100年一遇，桥下不通航5、支座沉降：主桥边支点0.5cm6、跨径组成：53+85+53m。1.4主要材料1.4.1 混凝土主桥、引桥现浇箱梁 C50 混凝土墩台身 C40混凝土人行道、护栏等 C30 混凝土，不锈钢管承台 C30 混凝土桩基础、桥头搭板 C25 混凝土桥面铺装层 沥青混凝土锥坡 预制空心六棱块1.4.2 预应力钢束及锚具主梁纵向预应力钢筋选用19-s15.24、17-s15.24高强度低松弛钢绞线，单根钢绞线直径15.24mm，公称面积A140mm2，抗拉强度标准值fpk =1860MPa，抗拉强度设计值fpd =1330MPa；对应锚具分别为OVM15-19、OVM15-17；对应波纹管直径分别为(内径)100mm、90mm（外径比内径大7mm)。 主梁竖向预应力钢筋采用32冷拉IV级高强精扎螺纹粗钢筋，fpk =930MPa(冷拉应力)，每根张拉力673kN；对应锚具为YGM-32；对应孔道直径43mm，锚垫板边长a = 140mm，相邻锚板中心距离不小于15cm。 1.4.3 非预应力钢筋受力主钢筋用HRB335钢筋(1228)， =335MPa， =280MPa；非受力钢筋用R235钢筋(810)， =235MPa， =195MPa。 1.4.4 其他材料支座采用GPZ()盆式橡胶支座系列产品，其性能应符合有关规定。桥梁伸缩装置采用D160与D240 型伸缩装置。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（JTJ0412000）有关要求。1.5 主要地质条件根据区域地质构造资料，该场地没有大的地质构造影响，工程地质测绘工作未发现大的地质构造。基底岩层为燕山晚期花岗岩闪长石岩（r53x），上部为全风化下部逐渐过渡为强风化，场地横跨河床，该河段河床280m左右，枯水河槽左侧宽约8090m，河槽右侧有约190200m宽的沙滩依附。左岸为较的岸受水流冲刷而坍塌：阶地呈条带状沿河展布、上部第四系全新统洪积层（BIQ4）为现代堆积，堆积物为壤土，厚度1.5m左右，且上游向下游倾斜，下部延至山坡为第四弛坡积层（dlQ），厚度48m，由山坡向河床倾斜，并在岸边被切割而消失。右岸为凸岸，较平缓，阶地沿河分布范围较大，为第四系全新统洪积岩（PLQ4），属近代堆积，堆积物为砂壤土壤土，厚度48m，河槽及滩地均为第四系全新统冲积层（alQ4），为现代堆积，堆积物为含砾粗砂，厚度0.53.7m，且有上游和右岸厚、下游和左岸薄的特点，该层沿河广泛分布，但极松散、工程性能差、极易冲刷而不稳定，其下部为近代堆积的第四系全新统的冲、洪积层（al+PlQ4），堆积物为卵石，厚度2.510.5m，且有下游和左右两端厚、上游和中间薄的变化，该层位于河床粗砂层之下，并向右岸阶地内延伸，该层透水性大，易受冲刷，亦不稳定。全风化花岗闪长岩为基层岩层，较稳定，工程性能好，为主要持力层，层厚2130m，上部风化透彻，向深部逐渐减弱，项界靠右岸较平缓、上下游变化不大，而靠左岸却为上游向下游倾斜。该层与强风化岩层过渡关系 ，强风化花岗闪长岩，岩石破碎，但强度较高，亦是较好的持力层，高程1.17.6m。（黄河系下同）根据钻孔揭露各土层之特征及物理力学性质指标分述如下：（1）、砂壤土（PlQ4）褐黄色，以粉粒为主，含较多粉细粒，硬塑、稍湿、层厚3.23.7m，分布于右岸，属洪积层，主要物理力学性质指标：含水量14.0%，湿密度1.57 g/，干密度1.38g/，孔隙比0.96，饱和度38.5%，比重2.70，液限29.8%，塑限24.9%，压缩系数0.240.53MPa-1，属中高压缩性，压缩模量4.0MPa，凝聚力4KPa，内摩擦角，容许承载力160KPa。（2）、壤土（dlQ）：黄褐色，以粘粒为主，次为粉粒，含细砂，可塑硬塑，有碎块石夹于其间，属坡积堆积，分布于左岸，层厚48m，由山坡向河床倾斜，并在岸边被切割而消失，其主要物理力学性质指标：含水量28.1%，湿密度1.86 g/，干密度1.46g/，孔隙比0.844，饱和度91.3%，比重2.58，液限34.4%，塑限22.4%，压缩系数0.28MPa-1，属中压缩性，压缩模量6.23MPa，凝聚力15KPa，内摩擦角，容许承载力190KPa。（3）、含砾粗砂（alQ4）：土黄色，以石英砂为主，粗砂含量70%，含砾20%以上，局部砾25%，可称砾砂，下部逐渐含卵石增多，自然休止角39，松奈N（63.5）值为14击，层厚0.53.7m，分布于河床上部，且由左岸向右逐渐变厚。该层受水流冲刷极易流动，故河床之地面高程常有变化。（4）、卵石（Al+PlO4）：灰黑、杂色。主要由硅化英安岩、硅化安石岩，熔岩等火山岩组成，极坚硬，磨圆度较好，粒径415cm，含量50%以上，最大粒径达60cm，且随深度增加粒径增大，一般在层底部1m左右均为以漂石为主，砂、砂壤土填充，较密实，但未固结，常夹有0.40.6m之薄层砂壤土透镜体，层厚2.510.5m，左岸最厚达10.5m，层顶板高程为33.235.9m，容许承载力为400KPa。（5）、风化花岗闪长岩（r53x;）：灰白、灰黄色，风化透彻多已风化成壤土、砂壤土，呈硬塑坚硬状态，原岩结构清晰，随深度增加而风化9（6）全风化花岗闪长岩（r53x;）：灰白、灰黄色，风化透彻多已风化成壤土、砂壤土，呈硬塑坚硬状态，原岩结构清晰，随深度增加而风化较不透彻，多以砂壤土为主逐渐过渡到强风化，界线不清楚，局部有肉红色细晶岩脉穿插，呈强风化，偶见有石英脉，顶板高程为23.934.9m，且起伏变化较大，其主要物理力学性质指标：含水量23.6%，湿密度1.69g/，干密度1.37 g/，孔隙比0.953，饱和度57.5%，比重2.68，液限42.4%，塑限31.9%，压缩系数0.370.52MPa-1属中高压缩性，压缩模量3.7MPa，凝聚力18KPa，内摩擦角。容许承载力190KPa，20m高程以下为250KPa。（6）、风化花岗闪长岩（r53x）：灰白色，粗粒结构，岩石破碎、性脆，顶板高程1.17.6m，且呈波浪状，容许承载力500KPa。该场地工程地质条件尚简单，基底全风化花岗闪长岩为稳定地层，也是主要持力层。由于上部覆盖有不同厚度的卵石层，鉴于该层承载力不能满足荷载要求及冲刷等问题，宜采用桩基，并根据荷载选择适当的桩底高程，基础亦可置于强风化岩石上。石层属强极强透水，还有冲刷等问题影响基础稳定，建闸时应采取防渗防冲刷措施。建议在其上游采用铺盖或帷幕等防渗措施，在其下游需采取防冲刷措施。另外，该层下部均有漂石，尤其在河中处，层厚、多大粒径，会给施工带来一定的困难，应予重视。据JQ480规范提供钻孔冲孔灌注桩基参数经验数值如下表： 钻孔冲孔灌注桩基参数经验数值表 表1-1条件土名土的状态容许承载力Rj(KPa)容许摩阻力f（KPa）桩入土深度（m）51015地下位以下或以上壤土可塑30砂壤土坚硬35 续表1-1条件土名土的状态容许承载力Rj(KPa)容许摩阻力f（KPa）桩入土深度（m）51015地下位以下或以上含砾粗砂松散10030地下水位以下全风化花岗闪长岩ILVo，采用下式计算n采用式6-22计算桥墩局部冲刷最大深度：河槽桥墩冲刷最大深度按65-1公式和65-2修正公式计算结果，为安全计，取。（2）桥下河槽桥墩基底的埋置高程：若暂不考虑其他因素引起的冲刷深度，则自床面算起的总冲刷深度为查6-5，取基础安全埋入深度，河槽内桥墩基底的埋置高程(3)右河滩桥墩旁局部冲刷和桥基底高程确定 根据上述计算结果，一般冲刷后，右河滩冲刷线在第二层内，河床的平均粒径采用65-1修正公式计算局部冲刷深度： 采用65-2修正公式计算局部冲刷深度：采用式6-22计算桥墩局部冲刷最大深度：河滩桥墩局部计算冲刷最大深度按65-1修正公式和65-2修正公式计算，为安全起见，取若暂不考虑其他因素引起的冲刷深度，则自床面算起的总冲刷深度为查6-5，取基础安全埋入深度，右河滩桥墩基底的埋置高程由于左河滩一般冲刷与右河滩相等，左河滩基底高程可参考此高程埋置。第三章 结构方案设计3.1桥型方案比选桥梁设计的基本原则是：安全、适用、经济、美观，并使构造及造价合理。桥型方案研究的重点是主桥的桥型和跨径大小及布置。根据安溪东门大桥的地形，地质和水文等自然条件和美观的要求，主桥选择了预应力混凝土连续梁桥和钢管混凝土拱桥两种典型的桥梁体系作为比较选择。方案一：主桥采用预应力混凝土连续梁桥，跨径组成为：53+85+53米，全宽17米，上部结构采用悬臂施工法施工,下部结构采用薄壁空心墩及钻孔桩基础。引桥采用435米现浇连续箱梁，桥梁全长339.7米。（见附 1 方案一总体布置图）方案二：主桥采用钢管混凝土刚架系杆拱桥，引桥采用预应力T梁简支梁桥，跨径组成为：225m预应力简支T梁+95m钢管混凝土刚架系杆拱+630m预应简支T梁，桥面宽17m，桥梁全长339.5米，下部结构为柱式墩下接钻孔灌注桩基础，桥台采用埋置式肋型桥台。（见附 1方案二总体布置图）桥型的选择比较主要按照以下几个方面着手进行比较。 桥型方案比选 表3-1比较项目方案一方案二受力性能结构刚度大、变形小，抗震性能好；可有效地减少跨内弯矩的绝对值，降低主梁高度。管内混凝土处于三向受压状态，大大提高其承载能力与抗变形能力；支承拱的墩台和地基必须承受拱端强大推力，因而对地基要求较高。使用效果主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适。具有较大的跨越能力。美观性造型简洁美观与周围环境相协调，养护工程量小。现代感强，线条优美，能达到良好的建筑艺术效果，但结构复杂。施工及经济性设计施工技术均较成熟，施工质量及工期能得到有效控制缩短工期，显著加快建桥速度，提高经济效益。施工技术复杂，施工周期长，造价高。造价及工期比较见下页。对以上两方案的造价进行粗略估算如下： 方案一：主跨53+85+53m预应力混凝土连续梁桥 表3-2项目单位单价数量造价（元）桥墩m3180011222019600 大桥钻孔桩m340001935.4