42 80 42高速公路预应力混凝土连续梁桥上部结构设计.doc

摘 要 随着经济、技术实力的增进，预应力混凝土连续梁桥已成为现代公路、铁 路桥梁的首选，本设计为一高速公路客运专线预应力混凝土连续梁桥设计，预 应力混凝土连续梁的应用，尤其是悬臂施工法的应用非常广泛，使施工设备机 械化，生产工厂化，从而提高了施工质量，降低了施工费用。连续梁的突出优 点是：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。然而受时间等因素的限制，此次设计只涉及桥梁上部结构。 设计流程如下： 首先，确定主梁的主要构造和细部尺寸。考虑到抗弯刚度及抗扭刚度的需 要，采用箱形截面梁。主梁的高度变化曲线采用二次抛物线。该设计为 42+80+42客运专线预应力混凝土连续梁桥设计，其主跨 80，边跨mm 42，全桥采用单箱单室箱形梁，桥宽 12.5，中支座梁高 4.6,中跨跨中mmm 梁高 2.2。主梁采用悬臂挂篮施工，主梁 0#块和边跨现浇均采用满堂支架施m 工。 其次，根据悬臂施工挂篮的起吊能力对主梁进行施工节段的划分。 再之，利用 midas 软件分析结构的内力（包括恒载和活载的内力计算） 。 用于计算的内力组合结果、混凝土毛截面特征值也由 midas 软件自动生成，从 而估算出纵向预应力筋的数目，然后在截面上布置预应力钢束。 次之，计算预应力损失及各项次内力，并进行了截面的强度验算（包括承 载能力极限状态和正常使用极限状态） 。 最后，绘制工程图及编制说明书。 注明：本设计未考虑风荷载、地震以及结构动力特性等因素。 目录 第第 1 章章 绪论绪论.1 1.1 中国高速公路桥梁建设情况.1 1.2 预应力混凝土连续梁桥的发展.1 1.3 预应力混凝土连续梁桥的特点.2 1.4 悬臂体系和连续体系梁桥的施工特点.2 第第 2 章章 设计概况设计概况.4 2.1 设计依据及基本资料.4 2.1.1 主要技术指标.4 2.1.2 主要材料.4 2.1.3 设计依据.5 2.2 桥梁上部结构总体布置及尺寸 .5 2.2.1 桥型比选.5 2.2.2 桥跨布置.7 2.2.3 桥跨总体布置.8 2.3 上部结构主要尺寸拟定 .8 2.3.1 变截面箱梁.8 2.3.2 主梁高度.9 2.3.3 顶、底板厚度.9 2.3.4 腹板厚度.10 2.3.5 悬臂板布置.11 第第 3 章章 midas/civil 模型建立模型建立 .12 3.1 建立全桥模型.12 3.1.1 有限元模型的确定.12 3.1.2 单元划分.13 3.2 施工阶段模拟.13 3.3 荷载模拟.14 3.3.1 荷载工况.14 3.3.2 施工阶段荷载.15 3.3.3 温度荷载.18 3.3.4 温度梯度.18 3.3.5 移动荷载.23 3.3.6 基础沉降.26 第第 4 章章 结构内力计算结构内力计算.27 4.1 桥梁恒荷载内力计算.27 4.1.1 计算原理.27 4.1.2 计算阶段划分.27 4.1.3 验算截面选择.28 4.1.4 施工阶段内力计算.28 4.2 桥梁活载内力计算.31 4.3 荷载内力组合.35 4.3.1 承载能力极限状态组合.35 4.3.2 正常使用极限状态短期效应组合.36 4.3.3 正常使用极限状态长期效应组合.37 第第 5 章章 预应力钢束的估算与配置预应力钢束的估算与配置 .39 5.1 钢绞线与锚具.39 5.2 纵向预应力钢束概述.39 5.2.1 纵向预应力钢束布置原则.39 5.2.2 纵向预应力钢束受力特点.40 5.3 预应力钢束面积估算原则 .40 5.3.1 承载能力极限状态强度要求.41 5.3.2 使用阶段应力要求.42 5.4 预应力钢束的估算.42 5.4.1 预应力估算理论分析.42 5.4.2 预应力钢束估算电算.46 5.5 纵向预应力钢束布置结果 .49 5.6 纵向预应力钢束预应力损失 .50 5.6.1 概述.50 5.6.2 预应力钢束的张拉控制应力.50 5.6.3 预应力筋与管道壁间的摩擦引起的应力损失 .51 5.6.4 锚头变形、钢丝回缩和接缝压缩引起的预应力损失 .52 5.6.5 混凝土的弹性压缩引起的预应力损失.53 5.6.6 预应力钢绞线松弛引起的预应力损失.55 5.6.7 混凝土的收缩、徐变引起的预应力损失.56 5.6.8 钢筋有效应力的计算.62 5.6.9 有限元软件预应力损失的计算.62 第第 6 章章 次内力计算及内力组合次内力计算及内力组合.63 6.1 收缩次内力.63 6.1.1 混凝土收缩简介.63 6.1.2 收缩次内力计算结果.64 6.2 徐变次内力.64 6.2.1 混凝土徐变简介.64 6.2.2 徐变次内力计算方法.65 6.2.3 徐变次内力计算结果.67 6.3 预应力次内力.67 6.3.1 预应力次内力简介.67 6.3.2 预应力次内力计算方法.68 6.3.3 预应力次内力计算结果.68 6.4 温度荷载次内力.69 6.4.1 温度荷载次内力简介.69 6.4.2 温度荷载次内力对结构的影响.70 6.4.3 温度荷载次内力计算方法.70 6.4.4 温度荷载次内力计算结果.71 6.5 基础沉降次内力.73 6.5.1 基础沉降次内力简介.73 6.5.2 基础沉降次内力计算方法.74 6.5.3 基础沉降次内力计算结果.75 6.6 荷载内力组合.76 6.6.1 承载能力极限状态效应组合.76 6.6.2 正常使用极限状态效应组合.77 6.6.3 结构弯矩包络图.78 6.6.4 结构应力包络图.80 第第 7 章章 施工阶段和成桥阶段验算分析施工阶段和成桥阶段验算分析.82 7.1 施工阶段法向应力验算（短暂状况应力验算）.82 7.1.1 验算方法及验算公式.82 7.1.2 验算结果.84 7.2 受拉区钢筋拉应力验算 .84 7.2.1 验算方法及验算公式.84 7.2.2 验算结果.85 7.3 使用阶段正截面抗裂验算.86 7.3.1 验算方法及验算公式.86 7.3.2 验算结果.87 7.4 使用阶段斜截面抗裂验算 .88 7.4.1 验算方法及验算公式.88 7.5 使用阶段正截面压应力验算（长期状态应力验算）.89 7.5.1 验算方法和验算公式.89 7.5.2 验算结果.89 7.6 使用阶段斜截面主压应力验算 .90 7.6.1 验算方法和验算公式.90 7.6.2 验算结果.91 7.7 使用阶段正截面抗弯验算 .91 7.7.1 验算方法和验算公式.91 7.7.2 验算结果.93 7.8 变形验算.93 7.8.1 验算方法及验算公式.93 7.8.2 验算结果.94 7.9 施工阶段应力图.94 7.9.1 上翼缘应力图.94 7.9.2 下翼缘应力图.98 7.10 施工阶段和成桥阶段验算分析总结.101 第第 8 章章 主要工程数量主要工程数量.102 8.1 主梁混凝土用量.102 8.2 钢绞线用量估算.102 8.3 锚具用量估算.103 毕业设计总结毕业设计总结 .105 致致 谢谢 .106 参考文献参考文献.107 第 1 章 绪论 1.1 中国高速公路桥梁建设情况 1.2 预应力混凝土连续梁桥的发展 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，随着预 应力理论的不断成熟和实践的不断发展，预应力混凝土桥梁结构的运用必将越 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。 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。 1.3 预应力混凝土连续梁桥的特点 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。预应力混凝土能充分发挥材料的效能，在相同条件下，它比普通 钢筋混凝土构件截面小，重量轻、刚度大，抗裂性和耐久性好，能有效地控制 结构的挠度(甚至无挠度)，节约钢材 4050，节约混凝土 2040， 特别在大跨度结构中更为经济。在张拉预应力连续梁桥结构中，结构构件在承 受外荷载前，预先对外荷载产生拉应力部位的混凝土预加压应力，造成人为的 压应力状态，预加压应力可以抵消外荷载所引起的大部分或全部拉应力，这样 在外荷载作用下混凝土拉应力不大或处于受压状态，使混凝土结构不开裂，提 高结构的刚度和结构的耐久性。张拉法预应力混凝土施工是在浇筑混凝土前张 拉预应力钢筋，将其固定在台座或钢模上，然后浇筑混凝土，等混凝土达到规 定强度。保证预应力钢筋与混凝土有足够粘结力时放松预应力钢筋，借助预应 力筋的弹性回缩及与混凝土的粘结，使混凝土产生预压应力。同时其具有较强 的变形恢复能力，抗震性能明显高于普通钢筋混凝土结构，而且便于震后加固。 值得注意的一点是，预应力混凝土由于自重轻，按理含钢量应该少，但由于现 在的设计水平问题，此部分并没有减少。反而很多设计含钢量大了，很大程度 造成主体结构成本增加。 1.4 悬臂体系和连续体系梁桥的施工特点 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。 第 2 章 设计概况 2.1 设计依据及基本资料 2.1.1 主要技术指标 1孔跨布置：即跨径分布组合。孔跨的布置应与周围环境、地形地貌和地址条 件相适应，同事孔跨的跨径比例应达到桥梁整体造型美观的目的。 2.荷载标准：是桥梁基本功能要求的重要指标。荷载标准直接反映出桥梁同行 荷载类型和承载能力水平。就目前我国公用交通设施而言，一般有三种桥梁类 型，即公路桥梁、铁路桥梁和城市道路桥梁，其相应的荷载标准为： （1）公路荷载：公路 i 级 （1）人群荷载：2.5-4 2 /mkn 3.桥梁净空：是桥梁交通功能的基本指标之一。对于不同的交通类型，桥梁的 桥面净空条件各不相同。对于毕业设计，一般取典型类型作为代表，即高速公 路：2 0.50m 防撞护栏+11.75m 车行道（3m 应急车道+7.5m 车行道+1.25m 左侧 路沿带）+2m/2 中央分隔带=26.50m；净空高度不小于 5m。 4.桥下净空：实际工程设计要考虑桥梁跨越河道通航净空高度、高度以及过水 断面对设计洪水流量、洪水位高程等要求，或跨越公路、铁路净空宽度、高度 等方面要求。作为毕业设计，由老师选定桥跨进行相应设计。 5.桥面纵坡：桥面纵坡是桥梁线性设计的重要指标，属于线路设计的内容之一， 纵坡的大小及其变化还应与线路平面曲线线性设计综合考虑。桥面设置纵坡首 先有利于排水，同时，在平原地区，还可以满足桥下通航净空要求的前提下降 低墩台标高，减少桥头引道土方量，从而节省工程费用。桥面的纵坡，一般都 做成双向纵坡，在桥中心设置竖曲线，纵坡一般不超过 3%为宜。桥梁当受到两 岸地形限制时，运行修建坡桥。但大、中桥和城市桥梁桥面纵坡不宜大于 4%， 位于市镇混合交通繁忙出桥面纵坡不得大于 3%。在进行毕业设计是，由于主要 工作在于桥跨结构设计，为简便设计起见，可以考虑最简单情形，即取通过桥 跨线路纵坡为 0%（平坡）。 6.桥面横坡：桥面横坡的设置主要是为了桥面横向排水，由于公路和城市道路 桥梁桥面较宽，公路及城市道路 1.5-2.0%，而铁路桥面相对较窄，一般取 1.5%。横坡的设置是从桥跨线路中线向两侧放坡，在平面圆曲线和缓和曲线段， 还要结合设计行车车速所需要的线路超高同统一虑。本设计去 2.0%。 7.桥轴平面线形：桥跨结构轴线是线路中线的组成部分，平曲线的设置必须与 竖曲线（纵坡线形）结合考虑。但在毕业设计中，一般取桥跨轴线为直线，以 方便设计布置和计算。 8.设计行车速度：120km/h。 9.支座强迫位移：2mm。 2.1.2 主要材料 1、混凝土 主桥箱梁： c55 混凝土 主墩墩身： c30 混凝土 过渡墩墩身、盖梁： c30 混凝土 护栏： c30 混凝土 承台： c30 混凝土 钻孔灌注桩： c25 水下混凝土 2、钢材 1）普通钢筋：采用 r235 钢筋和 hrb335 钢筋。带肋钢筋的技术标准应符合 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（gb1499-98）的规定，光圆钢筋应符合钢筋 混凝土用热轧光圆钢筋（gb13013-91）的规定。钢筋直径12mm 者，采用 hrb335 热轧螺纹钢；钢筋直径12mm 及预应力锚下螺旋钢筋、伸缩装置锚固钢 筋，采用 r235 钢筋。 2）钢板采用符合 gb700-88 规定的 q235 钢板。 3）预应力钢绞线采用符合 astm a416m-98 标准的高强度低松弛钢绞线， 公称直径 15.2mm，截面面积 139mm2，钢绞线标准强度 fpk=1860mpa，弹性模 量 ep=1.95105mpa。 4) 主桥箱梁竖向预应力、主墩临时固接及 0 号块横隔板横向预应力采用 jl32 精轧螺纹钢筋，其技术标准应符合国标 gb1499-98 的规定，公称直径 32mm，截面面积 804.2mm2，标准强度 fpk=930mpa，弹性模量 es=2.0105mpa。 3、锚具 锚具采用 ovm 系列锚具及其配套设备，主桥纵向预应力束采用 ovm15-16 锚 具及 ovm15-19 锚具；横向预应力束采用 bm15-3 锚具；主桥箱梁竖向预应力、 主墩临时固接及 0 号块横隔板横向预应力采用采用 ygm 锚具。 4、预应力管道及压浆 本桥设计预应力钢束管道采用塑料波纹管。管道灌浆建议采用真空灌浆工 艺。 5、桥梁支座 主桥三跨 pc 变截面连续箱梁采用 gpz（）系列盆式橡胶支座，其性能 应符合交通行业相关标准的规定，具体支座型号、参数详见相关设计图纸及产 品说明书。 6、伸缩缝 根据高速公路的使用特点和平整度要求，主桥桥梁伸缩缝均采用 d160 模 数式伸缩缝。 7、护栏 外侧护栏采用组合式防撞护栏，内侧护栏采用波型梁护栏。 8、桥面铺装 主桥采用 8cm 厚沥青混凝土桥面铺装+10cm 厚水泥混凝土调平层。沥青混 凝土摊铺前，在箱梁顶板上涂二层 hkm1500 型防水材料。 2.1.3 设计依据 1)公路工程技术标准 (jtg b01-2003) 2)公路路线设计规范 （jtj011-94） 3)公路桥涵设计通用规范 (jtg d60-2004) 4)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(jtgd62-2004) 5)公路桥涵地基与基础设计规范 (jtj024-85) 6)公路圬工桥涵设计规范 (jtg d6