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南宁市英华大桥施工图设计 第 1 页 共 67 页 第 1 章 课题简介 1 1 设计说明 1 1 1 本课题设计 研究 的目的 根据设计使用的原始依据及技术标准 设计规范以及其它参考资料 拟定结构尺寸 进行方案比选 完成上部结构的受力计算及其配筋设计 主要材料数量的估算 施工 图纸的绘制 中 英文摘要 外文翻译 程序流程图 并与计算书装订成册 通过这个 过程熟悉桥梁设计的大体流程 加强对桥梁设计规范的了解和应用 掌握桥梁的基本概 念与设计规范的基本内容 提高桥梁结构分析能力和专业软件运用的能力 学会使用 MIDAS 软件 提高利用计算机辅助设计 AUTO CAD 的水平 培养独立解决实际工 程问题的能力 增强综合运用各种所学知识的能力 培养严肃认真 一丝不苟的学习态 度以及刻苦钻研 勇于创新的科学精神 1 1 2 技术标准和总体设计原则 1 技术标准 1 设计荷载 公路 级 2 通航等级 II级 3 设计基础风速 25 6m s 4 设计时速 60km h 5 桥梁宽度 17m 2 总体设计原则 结合本项目的主要控制因素及生态 人文环境等特点 桥梁设计遵循安全可靠 技 术先进 适用耐久 经济合理的要求 便于施工和养护 利于环保的原则进行综合考虑 力求技术先进 经济合理 采用新结构 新工艺 反映新世纪建桥水平 体现 节约全 寿命周期成本 的理念 桥梁的功能性是本桥设计的根本指导思想 在满足桥梁功能的 前提下 充分注重桥梁的美观 设计的总体思想有以下几点 1 根据当地的实际地形 地质 地物条件 路线平纵线形等因素合理进行桥孔的 南宁市英华大桥施工图设计 第 2 页 共 67 页 布置 桥梁孔跨以及基础布置 使桥梁整体线形与当地地形相协调 尽量减少工程对环 境的扰动 2 充分考虑桥梁结构耐久性及合理有效的施工方案及施工组织 减少施工环节 确保大桥快捷 优质建成 3 采用新结构 新工艺 拟定合理的桥梁主体结构构件规模 4 采用合理的桥梁结构形式 充分利用新技术和新材料 以保证桥梁的使用性能 5 注重桥梁与当地环境及邻近建筑的协调搭配及其景观效果 1 2 设计规范 1 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 2 城市桥梁设计规范 CJJ11 2011 3 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 2004 4 公路工程抗震设计规范 JTJ004 2008 5 公路工程技术标准 JTG B01 2003 6 公路桥涵施工技术规范 JTJ041 2011 7 公路桥涵地基与基础设计规范 JTJ024 2008 南宁市英华大桥施工图设计 第 3 页 共 67 页 第 2 章 桥型方案比选 2 1 方案比选 根据已有的水文地质资料 确定河床断面图 确定桥长 确定桥型 进行桥梁的分 孔 基础以及墩台的形式确定 桥梁横断面设计 上下部构造主要尺寸的拟订 桥面基 础以及墩台标高的确定 根据设计任务要求 依据现行公路桥梁设计规范 综合考虑桥位 的地质 地形条件 经初选后提出了原设计方案 45m 410m 45m 三跨地锚式悬索桥 100m 300m 100m V 腿单肋下承式系杆拱桥 135m 230m 135m 预应力混凝土刚构桥 三个比选桥型 按 实用 经济 安全 美观 的桥梁设计原则 比较三个方案的优缺 点 方案 1 45m 410m 45m 三跨地锚式悬索桥 大桥起于西岸凤亭路 上跨亭江路 向东跨越邕江后 在柳沙半岛接英华路与半岛 环线交叉口 该桥的建设对推进城市基础设施总体规划的实施 拓展城市空间具有十分 重要的意义 原设计方案为 45m 410m 45m 500m 三跨地锚式悬索桥 图 2 1 方案 1 45m 410m 45m 三跨地锚式悬索桥 单位 cm 方案 2 100m 300m 100m V 腿单肋下承式系杆拱桥 全桥布跨为 主桥为 100m 300m 100m 500mV 腿单肋系杆拱 主桥基础采用回旋 钻机进行钻孔施工 现浇基础和 V 腿 主拱肋主梁均采用落地支架施工 南宁市英华大桥施工图设计 第 4 页 共 67 页 图 2 2 方案 2 100m 300m 100m 系杆拱桥 单位 cm 方案 3 135m 230m 135m 预应力混凝土连续刚构桥 本方案采用 135m 230m 135m 500m 三跨变截面连续刚构桥 边中跨比为 0 587 主截面采用变截面箱梁 使抗弯更有力 全桥连续 行车舒适 整体性好 利于抗震 考虑到桥梁建设期间运河正常的通航 故采用悬臂挂篮浇筑混凝土的施工方法 保证混 凝土均能达到强度的要求 使主梁保持连续 这样保持了连续梁的无伸缩缝 行车平顺 的优点 为满足通航条件 需要增加桥墩高度 在不改变桥梁纵坡的前提下 必须使桥 梁的总长增加 从而加大投资 图 2 3 方案 3 135m 230m 135m 连续刚构桥 单位 cm 南宁市英华大桥施工图设计 第 5 页 共 67 页 表表 2 2 1 1 方案比选表方案比选表 桥 型 45m 410m 45m 三跨地锚 式悬索桥 100m 300m 100m V 腿单肋 下承式系杆拱桥 135m 230m 135m 预应 力混凝土连续刚构桥 适 用 性 施工工序多 且难度大 梁体为等截面形式 降低了桥 面标高 施工工序多 且难度 大 全桥伸缩缝只有两道 行 车舒适 此桥考虑通航要 求 跨径布置合理 安 全 性 施工阶段控制精度要求高 全桥后期运营维护要求高 施工阶段控制精度要求高 全 桥后期运营维护要求高 温度变化 混凝土收缩对 上下部结构产生的超静 定内力较小 有较好的抗 震能力 美 观 性 桥梁气势宏伟 非常符合桥 梁景观建设的要求 桥梁也非常宏伟 非常适合作 为城市主干道的景观要求 全桥梁高为二次抛物线 线形简洁明快 流畅 与 周围环境协调好 桥型美 观 经 济 性 施工控制要求高 整体费用 较高 施工控制要求高 工序较复 杂 受外界因素干扰大 悬臂施工技术成熟 施工 进程容易控制 整体费用 较低 且节省了大型支座 的费用 综上所述 本设计宜采用把 135m 230m 135m 三跨变截面连续箱梁桥作为主推荐设计 方案 2 2 桥跨布置 本设计方案采用预应力混凝土单箱单室变截面连续钢构结构 跨径布置为 135m 230m 135m 全长 500m 桥型布置如下图所示 图 2 4 桥型布置图 单位 cm 2 2 1 截面形式 1 立截面 从预应力混凝土连续刚构的受力特点来分析 连续刚构的立面应采取变高度布置 由于其在恒 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 本设计中采用以二次 南宁市英华大桥施工图设计 第 6 页 共 67 页 抛物线变化的变截面箱梁 2 横截面 梁式桥横截面的设计主要是确定横截面布置形式 包括主梁截面形式及其各细部尺 寸 由于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 箱形截面具有良好的动力特性 收缩变形数值较小 加之箱型截面都具 有较大的面积 使其能够有效地抵抗正负弯矩 并满足配筋要求 因而箱形截面是大 中跨预应力连续刚构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 由于单箱单室截面的优点是受力明确 施工方便 节省材料用量 故本设计采用箱 形梁 截面形式为单箱单室 详见下图 2 5 图 2 6 图 2 5 跨中处箱梁横断面图 单位 cm 南宁市英华大桥施工图设计 第 7 页 共 67 页 图 2 6 支点处箱梁横断面图 单位 cm 3 梁高 根据经验确定 预应力混凝土连续刚构桥的中支点主梁高度与其跨径之比通常在 1 15 1 20 之间 而跨中梁高与主跨之比一般为 1 50 1 60 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预应力束筋用量 而此设计采用呈 2 次抛物线变化的曲线 梁 支点截面梁高取 13 米 高跨比为 0 0565 跨中截面梁高取 4 米 高跨比为 0 0174 2 2 2 细部构件尺寸 1 上部结构 I 顶板 箱形截面的顶板顶板主要满足横向抗弯及纵向抗压要求 一般采用等厚设置 其厚 度主要由横向抗弯来控制 顶板两侧悬臂板的长度对活载影响不大 但恒载及人群荷载 弯矩值随悬臂长度几乎成平方比的关系增加 故悬臂长度一般不大于 5 米 当长度超过 3 米后 宜布置横向预应力束筋 本设计取悬臂端长 3 5 米 悬臂端部厚度不小于 10cm 顶板端部厚度取 20cm 顶板中部厚度取 30cm 南宁市英华大桥施工图设计 第 8 页 共 67 页 II 底板 箱形截面的支墩处底版需要承受很大的压应力 一般来讲 变截面的底板厚度也随 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 毫米 底板厚最 小应有 120 毫米 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 本设计中底板由支点处以直线的形式向跨中变化 底板在支点截面厚度为 120cm 在跨中底板厚 30cm III 腹板和其它细部结构 1 箱梁腹板的功能是承受截面的剪应力和主拉应力 由于在预应力混凝土箱型梁 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都比较小 因而腹板不 必设得太大 同时 腹板的最小厚度应考虑力筋的布置和便于混凝土浇筑振捣的要求 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 300 600mm 甚至可达到 1m 左右 本设计支座处腹板厚取 90cm 跨中腹板厚取 50cm 2 在顶板和腹板接头处设置的梗腋 可使力线过渡比较平缓 减弱了应力的集中 程度 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 本设计中 根据箱室的外形设置了高 300mm 长 1500mm 的上部梗腋 下部采用 高 300mm 长 900mm 的梗腋 3 横膈板构造 对于箱形截面 抗扭刚度大 故除支点和跨中部位设置横隔板外 主桥沿纵向不设 置横隔板 零号块横隔板传递的荷载较大 通常用一片刚性横隔进人孔加强钢筋网板 中部开设人洞 在各支座支承附近 一般将底板和腹板加厚 以起到柔性横隔板的作用 端横隔板除考虑受力的因素外 还要提供预应力钢筋弯起锚固位置 本设计墩顶处横隔梁厚度为 80cm 梁端及跨中的横隔梁厚度均取 40cm 2 下部结构 采用箱型截面双肢薄壁墩设计 承台厚 2 0m 长 10 0m 宽 8 0m 基础 采用 8 180cm 的钻孔灌注桩基础 桩尖均嵌入微风化或弱风化岩层一定深度 桩尖 岩体现场取样强度标准值 Ra 天然单轴极限抗压强度 微风化岩层不得小于 8 0MPa 弱风 化岩层 弱风化泥灰岩 弱风化细砂岩 不得小于 6 0MPa 嵌岩要求深度如下 南宁市英华大桥施工图设计 第 9 页 共 67 页 表表 2 2 桩基嵌岩深度表桩基嵌岩深度表 桩基类型 嵌入微风化泥灰岩深度 Ra 8 0MPa 嵌入中风化泥灰岩 细砂岩深度 Ra 6 0MPa 1 8m 主墩 边墩桩 2 0m4 0m 1 2m 桥台桩 1 5m3 0m 2 3 材料参数 1 混凝土 主梁采用 C65 Ec 3 6 104MPa 抗压强度标准值 fck 41 5MPa 抗压强度设计值 fcd 29 7MPa 抗拉强度标准值 ftk 2 93MPa 抗拉强度设计值 ftd 2 09MPa 防撞墙采用 C30 2 预应力钢筋 采用 ASTM A416 97a 标准的低松弛钢绞线 1 7 标准型 抗拉强度标准值 fpk 1860MPa 抗拉强度设计值 fpd 2060MPa 公称直径 15 24mm 公称面积 140mm2 弹性 模量 Ep 1 95 105MPa 锚具采用夹片式群锚 3 非预应力钢筋 R235 HRB400 钢筋标准应符合 GB13013 1991 和 GB1499 1998 的规定 凡钢筋 直径 12mm 者 均采用HRB400 热轧带肋筋钢 凡钢筋直径 12mm者 采用R235 钢 钢板应符合 GB700 88 规定的 Q235 钢板 4 材料规格 主梁 采用 65 号混凝土 容重为 25kN m3 弹性模量取 3 6 104MPa 桥面铺装 采用沥青混合料 厚度为 10cm 容重为 23kN m3 防撞墙中央分隔带 采用 C30 混凝土 容重为 25kN m3 横隔板 采用 C65 混凝土 容重为 25KN m3 弹性模量取 3 6 104MPa 5 单位约定 力 kN 弯矩 kN m 扭矩 KN m 线位移 m 角位移 Rad 应力 MPa 除基础 计算为 KPa 外 长度 m 面积 m2 2 4 施工方案 该桥采用挂蓝悬浇的施工方案 具体方案如下 主梁各跨每个悬臂端划分为 0 至 21 号块共计 22 个对称施工节块 其中 0 号块采用支架现浇施工 1 至 21 号块采用挂蓝悬 南宁市英华大桥施工图设计 第 10 页 共 67 页 浇 每个悬臂段分 21 次对称悬浇 边跨现浇段采用满堂支架现浇 主梁合拢顺序为 先边跨合拢后中跨合拢成桥 其中在合拢前均需要按规范进行配重处理 边跨合拢段采 用支架合拢 中跨合拢段采用吊篮合拢 南宁市英华大桥施工图设计 第 11 页 共 67 页 第 3 章内力计算 3 1 计算理论及模型 3 1 1 计算理论和计算方法 构件纵向计算均按空间杆系理论 采用 MIDAS CIVIL 2012 进行计算 具体分为两步 1 将计算对象作为平面梁划分单元作出构件离散图 主梁共划分 100 个节点和 99 个单元 每个箱形截面双肢薄壁墩划分为 6 个节点和 5 个单元 边跨现浇段支架及合拢 支架共设 12 个节点 计算模型结构参数如下表所示 表表 3 1 计算模型结构表格计算模型结构表格 位置单元号节点号 1 号边跨1 271 28 中跨28 7229 73 2 号边跨73 9974 100 1 号墩100 109101 112 2 号墩110 119113 124 现浇段支架 201 215 217 212 合拢段支架206 212 2 进行荷载组合 求得构件在各施工阶段和使用阶段时的应力 内力以及竖向 位移 并计算出各节段的预拱度值 3 1 2 计算模型 主桥上部结构根据实际截面尺寸建模 主梁各跨悬臂段分为 21 个对称节块 具体 划分如下 0 号块 2 5m 1 至 6 号块 4m 7 至 11 号块 5m 12 至 21 号块 6m 主梁两端各设一 9m 的现浇梁段 全桥设 3 个合拢段 其长度均为 2m 南宁市英华大桥施工图设计 第 12 页 共 67 页 图 3 1 MIDAS CIVIL 计算模型示意图 3 1 3 计算部位和计算内容 本计算为南宁市英华大桥上部结构纵向计算 跨度为 135 230 135 500m 连续刚构 桥 按全预应力控制计算 内力计算模型的荷载工况内容考虑各施工阶段以及成桥状态 下的一期恒载 二期恒载 活载 温度荷载 支座沉降以及混凝土的收缩和徐变 其中 一期恒载包括主梁自重和横隔梁自重 活载包括车道荷载和人群荷载 温度荷载包括整 体升温和整体降温以及梯度温度荷载 并计算持续 10 年的混凝土的收缩和徐变效应 3 2 截面几何特性值 表表 3 2 跨中截面几何特性值计算表跨中截面几何特性值计算表 A m 2 Asy m2 Asz m 2 z m z m 13 2707 6262 8141 5622 438 Ixx m 4 Iyy m 4 Izz m 4 y m y m 71 76432 913271 7718 5008 500 南宁市英华大桥施工图设计 第 13 页 共 67 页 表表 3 3 支点截面几何特性值计算表支点截面几何特性值计算表 A m 2 Asy m2 Asz m 2 z m z m 41 94015 52921 0666 6716 329 Ixx m 4 Iyy m 4 Izz m 4 y m y m 1073 5021003 925710 5488 5008 500 3 3 荷载取值及其组合 3 3 1 荷载取值 1 一期恒载 为梁部自重 混凝土容重取 25kN m3 箱梁按实际断面计取重量 2 二期恒载 包括 6cm 厚混凝土整平层 9cm 厚沥青混凝土铺装层 两道防撞墙 使用梁单元 荷载采用局部坐标系加载模拟 混凝土整平层 0 06x17x25 25 5 kN m3 沥青混凝土桥面铺装 0 09x17x23 35 19 kN m3 防撞墙 2x8 16 kN m3 二期恒载合计 65 98 kN m3 3 活载内力计算 根据 公路桥涵设计通用规范 4 3 1 条 公路 I 级的均布荷载标准值 qk和集中荷 载标准值 Pk为 qk 10 5kN m 计算弯矩时 Pk 360 kN m 计算剪力时 Pk 360 1 2 432 kN m 南宁市英华大桥施工图设计 第 14 页 共 67 页 桥梁结构的基频反映了结构的尺寸 类型 建筑材料等动力特性内容 它直接反映 了冲击系数与桥梁结构之间的关系 不管桥梁的建筑材料 结构类型是否有差别 也不 管结构尺寸与跨径是否有差别 只要桥梁结构的基频相同 在同样条件的汽车荷载下 就能得到基本相同的冲击系数 桥梁的自振频率 基频 宜采用有限元方法计算 对于连续刚构结构 当无更精确 方法计算时 也可采用下列公式估算 1 2 13 616 2 c c EI f lm 3 1 2 2 23 651 2 c c EI f lm 3 2 c mG g 3 3 式中 l 结构的计算跨径 m E 结构材料的弹性模量 N m2 Ic 结构跨中截面的截面惯矩 m4 mc 结构跨中处的单位长度质量 kg m G 结构跨中处延米结构重力 N m g 重力加速度 g 9 81 m s2 计算连续刚构的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应时 采用 f1 计算连续刚构的 冲击力引起的负弯矩效应时 采用 f2 本设计设 3 个车道 车道荷载采用公路 I 级荷载 程序自动考虑多车道加载时的横 向折减系数并自动计算活载工况的最不利组合 4 温度荷载 桥梁是置于大气环境的结构 温度毫不例外地对桥梁要产生影响 对于大跨度预应 力混凝土连续刚构箱形梁桥 温度产生的应力可以达到甚至超过活载产生的应力 已被 认为是预应力混凝土桥梁产生裂缝的主因 因此有必要对温度内力进行计算 温度影响 包括年温差影响 升温降温 与局部温差影响 年温差影响指气温随季节发生周期性变 化对结构整体所起的作用 当桥梁结构无水平约束时 年温差只引起结构的均匀伸缩 而不会产生温度次内力 它对结构产生的位移量可通过在桥面设置伸缩缝或者利用支座 位移等措施加以协调 局部温差一般指日照温差 它会导致结构产生温度次内力 是产 南宁市英华大桥施工图设计 第 15 页 共 67 页 生结构裂缝的主要因素 由于桥梁结构的长宽比较大 并且箱梁都带有一定长度的悬臂 加上其两侧腹板直 接受日照时间较短 箱梁底板终日不受日照 又处于高空 通风较好 只有箱梁顶板全 天受日照 因此 局部温差效应在箱梁结构中可以简化为一维传导问题 亦即主要考虑 桥面受日照后形成的沿箱梁高度变化的温度梯度 即 Ti f y t 温度效应的梯度模式一 般分为线性与非线性两种 计算时假定 1 梁的变形服从平面假定 2 沿桥长的温度分布是均匀的 3 混凝土材料是弹性匀质的 根据 公路桥涵设计通用规范 4 3 10 条规定 混凝土上部结构和带混凝土桥面的 钢结构的竖向日照反温差为正温差乘以 0 5 以下计算以正温差为例 如需反温差的值 以正温差的计算值乘以 0 5 即可 根据设计要求 本设计分别考虑系统温度及温度梯度 的影响 1 整体升降温 体系整体升温 21 体系整体降温 23 2 温度梯度 表格表格 3 43 4 温度梯度降 单元温度梯度降 单元 1 1 序号宽度 m 到箱梁顶距离 m 温度 C 1170 7 2170 2 2 75 表格表格 3 53 5 温度梯度升 单元温度梯度升 单元 1 1 序号宽度 m 到箱梁顶距离 m 温度 C 117014 2170 25 5 表格表格 3 63 6 温度梯度降 单元温度梯度降 单元 2727 序号宽度 m 到箱梁顶距离 m 温度 C 1170 7 2170 2 2 75 表格表格 3 73 7 温度梯度升 单元温度梯度升 单元 2727 序号宽度 m 到箱梁顶距离 m 温度 C 117014 2170 25 5 南宁市英华大桥施工图设计 第 16 页 共 67 页 5 混凝土收缩和徐变 程序中考虑 10 年 3650 天 的持续加载龄期 图 3 2C65 混凝土徐变系数函数图 图 3 3C65 混凝土收缩应变函数图 3 3 2 荷载组合 按公路桥涵通用技术规范 公路桥涵设计通用规范 第 4 1 6 条和第 4 1 7 条的规 定 根据可能出现荷载和工况来进行内力组合 桥梁结构按极限状态法设计时 分为两 种极限状态 即承载能力极限状态和正常使用极限状态 1 按承载能力极限状态进行设计 把永久作用的设计值效应以及可变作用设计值效应结合起来 其效应组合表达式如 南宁市英华大桥施工图设计 第 17 页 共 67 页 下 0ud011 12 mm GiGikQQ kcQjQjk ij SSSS 3 5 或 0ud01 12 mm GidQ dcQjd ij SSSS 3 6 其中 Sud 承载能力极限状态下基本组合对应的的效应组合设计值 0 结构重要性系数 其值按照 公路桥涵设计通用规范 中表 1 0 9 规定 的设计安全等级采用 当设计安全等级分别为一级 二级和三级时其值分别取 1 1 1 0 和 0 9 Gi 第 i 个永久作用效应对应的分项系数 其值按照 公路桥涵设计通用 规范 中表 4 1 6 的规定采用 SGik SGid 第 i 个永久作用效应的标准值对应的设计值 Q1 汽车荷载效应 含汽车冲击离心力 对应的分项系数 取值 Q1 1 4 SQlk SQld 汽车荷载效应 含汽车冲击离心力 对应的标准值和设计值 Qj 在各作用效应组合中除汽车荷载效应 含汽车冲击离心力 以及风荷 载外的其他第 j 个可变作用效应对应的分项系数 值取 Qj 1 4 但风荷载的分项系数 取值 Qj 1 1 SQjk SQjd 在各作用效应组合中除汽车荷载效应 含汽车冲击离心力 外 的其他可变作用效应对应的标准值以及设计值 c 在各作用效应组合中除汽车荷载效应 包括汽车冲击离心力 以外的 其他可变作用效应对应的组合系数 具体取值见 公路桥涵设计通用规范 第 4 1 6 条 对于本设计 根据 公路桥涵设计通用规范 第 4 1 6 条的规定 上述各种作用的 分项系数取值如下 结构重要性系数 取 0 1 1 基础变位作用效应的分项系数 取 G2 0 5 恒载作用效应的分项系数 取 Gl 1 2 对结构承载力不利 或 Gl 1 1 对结构 承载力有利 温度作用效应的分项系数 取 Q2 1 4 南宁市英华大桥施工图设计 第 18 页 共 67 页 汽车荷载效应的分项系数 取 Q1 1 4 其他可变作用效应的组合系数 取 c 0 8 则承载能力极限状态组合为 对结构承载力不利时 01212 1 0 1 2S0 5S1 4S0 8 1 4S udGGQQ r S 3 7 对结构承载力有利时 01212 1 0 1 0S0 5S1 4S0 8 1 4S udGGQQ r S 3 8 2 按正常使用极限状态进行设计 1 作用短期效应组合 此处采用永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相结合 其效应组合表达式如 下 1jk 11 mm sdGikjQ ij SSS 3 9 式中 SSd 作用短期效应组合对应的设计值 1j 第 j 个可变作用效应的频遇值系数 具体取值见 公路桥涵设计通 用规范 第 4 1 7 条的规定 SQjk 第 j 个可变作用效应的频遇值 对于本设计 根据 公路桥涵设计通用规范 第 4 1 7 条的规定 各种作用的分项 系数取值结果如下 汽车荷载 不计冲击力 效应的频遇值系数 取 11 0 7 温度作用效应的频遇值系数 取 12 0 8 则作用短期效应具体组合如下 1212 0 70 8 sdGGQQ SSSSS 3 10 式中 SG1 结构自重作用效应 SG 2 基础沉降 SQ1 汽车荷载效应 SQ2 温度效应 2 作用长期效应组合 南宁市英华大桥施工图设计 第 19 页 共 67 页 采用永久作用标准值效应跟可变作用准永久值效应相组合 其具体效应组合表达式 如下 2jk 11 mm ldGikjQ ij SSS 3 11 式中 S1 d 作用长期效应组合设计值 SQjk 第 j 个可变作用效应的准永久值 2 j 第 j 个可变作用效应的准永久值系数 取值见 公路桥涵设计通用 规范 第 4 1 7 条 根据 公路桥涵设计通用规范 第 4 1 7 条的规定 各种作用的分项系数取值如下 汽车荷载 不计冲击力 效应的准永久值系数取 21 0 4 温度作用效应的准永久值系数取 22 0 8 则作用长期效应组合如下所示 11212 0 40 8 dGGQQ SSSSS 3 12 对于本设计 内力计算模型的荷载工况内容考虑成桥状态下的一期恒载 二期恒载 活载 温度荷载 支座沉降以及混凝土的收缩和徐变 其中 一期恒载包括箱梁自重和 横隔梁自重 活载包括车道荷载和人群荷载 温度荷载考虑整体升 降温以及温度梯度 效应 混凝土收缩徐变考虑 10 年的持续时间 对于箱壁具有一定厚度且有横隔板加劲的箱形梁 可以忽略歪扭变形的畸变应力 并且可将活载偏心作用引起的约束扭转正应力和扭转剪应力分别估计为活载对称作用 下平面弯曲正应力的 15 和剪应力的 5 进行计算 在本设计的 MIDAS 模型中 程序自动生成 44 个组合工况 具体组合如下 MIDAS CIVIL Modeling Integrated Design Analysis Softvare MIDAS CIVIL Civil Lood Combinations c SINCE 1989 MIDAS CIVIL Infermation Technology Co Ltd MIDAS CIVIL IT MIDAS CIVIL CivilVercion 7 8 0 DESIGN TUPE 混凝土设计 南宁市英华大桥施工图设计 第 20 页 共 67 页 LIST OF LOAD COMBINATION NUMNAMEACTIWETYPE LOADCACE FACTOR LOADCACE FACTOR LOADCASE FACTOR 1cLCB1 基本组合 永久荷载 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 2cLCB2 基本组合 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 3cLCB3 基本组合 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4T 1 1 4TPG 1 4cLCB4 基本组合 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4T 1 1 4TPG 2 5cLCB5 基本组合 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4T 2 1 4TPG 1 6cLCB6 基本组合 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4T 2 1 4TPG 2 7cLCB7 基本组合 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 1 12T 1 1 12TPG 1 8cLCB8 基本组合 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 1 12T 1 1 12TPG 2 9cLCB9 基本组合 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 1 12T 2 1 12TPG 1 10cLCB10 基本组合 1 2 cD 1 2 cEL 1 2 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 1 12T 2 1 12TPG 2 11cLCB11 基本组合 永久荷载 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 12cLCB12 基本组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 13cLCB13 基本组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4T 1 1 4TPG 1 14cLCB14 基本组合 南宁市英华大桥施工图设计 第 21 页 共 67 页 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4T 1 1 4TPG 2 15cLCB15 基本组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4T 2 1 4TPG 1 16cLCB16 基本组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4T 2 1 4TPG 2 17cLCB17 基本组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 1 12T 1 1 12TPG 1 18cLCB18 基本组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 1 12T 1 1 12TPG 2 19cLCB19 基本组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 1 12T 2 1 12TPG 1 20cLCB20 基本组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 4M 1 12T 2 1 12TPG 2 21cLCB21 极限组合 永久荷载 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 22cLCB22 短期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 7 1 mu M 23cLCB23 短期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 0T 1 0 8TP 24cLCB24 短期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 0T 2 0 8TP 25cLCB25 短期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 0T 2 0 8TP 26cLCB26 短期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 0T 2 0 8TP 27cLCB27 短期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 7 1 mu M 1 28cLCB28 短期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 7 1 mu M 1 29cLCB29 短期组合 南宁市英华大桥施工图设计 第 22 页 共 67 页 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 7 1 mu M 1 30cLCB30 短期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 7 1 mu M 1 31cLCB31 长期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 4 1 mu M 32cLCB32 长期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 4 1 mu M 1 33cLCB33 长期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 4 1 mu M 1 34cLCB34 长期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 4 1 mu M 1 35cLCB35 长期组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 0 4 1 mu M 1 36cLCB36 弹性阶段应力验算组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 0M 37cLCB37 弹性阶段应力验算组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 38cLCB38 弹性阶段应力验算组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 39cLCB39 弹性阶段应力验算组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 40cLCB40 弹性阶段应力验算组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 41cLCB41 弹性阶段应力验算组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 42cLCB42 弹性阶段应力验算组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 43cLCB43 弹性阶段应力验算组合 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 44cLCB44 弹性阶段应力验算组合 南宁市英华大桥施工图设计 第 23 页 共 67 页 1 0 cD 1 0 cEL 1 0 cTP 1 0 cTS 1 0 cCR 1 0 cSH 1 3 4 计算结果统计 1 弯矩图 图 3 4承载能力极限状态组合 clCB8 包络图 主梁弯矩图 图 3 5荷载短期组合 clCB26 包络图 主梁弯矩图 图 3 6荷载长期组合 clCB31 包络图 主梁弯矩图 南宁市英华大桥施工图设计 第 24 页 共 67 页 2 支座反力图 图 3 7承载能力极限状态组合 clCB8 最大值 支座反力图 3 变形 位移 图 图 3 8承载能力极限状态组合 clCB8 最大值 节点位移图 南宁市英华大桥施工图设计 第 25 页 共 67 页 第 4 章 配筋计算 4 1 主控截面内力数据整理 表表 4 1 控制截面弯矩值表格控制截面弯矩值表格 单位单位 KN M2 节点号位置承载能力极限 荷载短期荷载长期 最大最小最大最小 1 边支点 截面 00000 8 边1 4跨 截面 175904 7258921 6255259 5982752 8159847 93 14 边跨中 截面 331793 85 119862 11 127519 08 89033 46 117962 03 20 边3 4跨 截面 1503546 17 409624 07 420832 1 376617 42 416203 43 28 中支点 截面 3533543 66 877518 65 893865 36 850441 38 928788 35 41 中1 4跨 截面 523517 82 186142 89 195221 84 172212 01 207192 11 51 中跨中 截面 275149 5654852 4654501 171085 7353974 15 60 中3 4跨 截面 523566 75 111386 36 120465 32 97489 63 132473 17 73 中支点 截面 3533632 39 877574 82 893921 52 850497 56 928844 53 81 边3 4跨 截面 1503610 13 419734 96 430942 98 386728 32 426314 31 87 边跨中 截面 331837 62 136562 83 144219 79 105734 18 134662 75 93 边1 4跨 截面 175883 6553224 2349562 2177055 4254150 54 100 边支点 截面 00000 4 2 预应力钢筋用量 截面面积 估算 4 2 1 材料性能参数 1 本设计采用的混凝土等级为 C65 其具体主要强度指标如下 强度标准值 ck f 41 5MPa tk f 2 93MPa 南宁市英华大桥施工图设计 第 26 页 共 67 页 强度设计值 cd f 29 7MPa td f 2 09MPa 弹性模量 c E 3 6 104MPa 2 本设计采用的预应力钢筋采用 16 j15 2 的钢绞线 其强度指标如下 抗拉强度标准值 pk f 1860MPa 抗拉强度设计值 pd f 1260MPa 弹性模量值 p E 1 95 105MPa 3 本设计采用的箍筋及构造钢筋采用 HRB400 钢筋 其强度指标如下 抗拉强度标准值 sk f 400MPa 抗拉强度设计值 sd f 330MPa 4 2 2 预应力筋用量估算 根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 预应力混凝土连续刚构桥 应满足使用阶段的正截面压应力要求 正截面抗裂要求要求以及承载能力极限状态下的 正截面强度要求 因此 预应力筋的数量估算可从以下三个方面来进行综合考虑 1 按正常使用极限状态正截面抗裂验算的要求进行估算 根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 第 6 3 1 条 预应力混凝土 受弯构件须对正截面的混凝土的拉应力进行验算 以满足正截面抗裂的要求 其表达式 如下 0 80stpc 4 1 对上式中 st是指在荷载短期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力大 小 式中不含正负号 是指扣除全部应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的预压应力 由于本节为估算预应力束 截面特性可以粗略的按毛截面特性计算 于是上式可按 截面上下缘的抗裂要求写成 当截面承受负弯矩 Mmin时 min 0 8 0 ysyssyxyxs s sss NNeNNe M WAWAW 4 2 当截面承受正弯矩 Mmax时 南宁市英华大桥施工图设计 第 27 页 共 67 页 max 0 8 0 ysyssyxyxs s sss NNeNNe M WAWAW 4 3 上式中 Nys Nyx 截面形心轴上侧和下侧配置的预应力筋的永存预应力 Mmax Mmin 荷载短期效应组合 弯矩最大值和最小值 Ws Wx 截面上缘和下缘的抗弯模量 sx sx II WW yy es ex 面形心轴上侧和下侧配置的预应力束与形心轴之间的距离 1 只在截面下缘布置预应力筋的时候 此时式 4 2 和式 4 3 可写成 max Ke 0 syxsx MN 4 4 min 0 8 Ke 0 syxsx MN 4 5 联立可得 max max 1 25 Ke 1 25 Ke s yx yconsx s yx yconsx M N A M N A 当 Kses 2 只在截面上缘布置预应力筋的时候 此时式 4 2 和式 4 3 可写成 max 0 8 Ke 0 syssx MN 4 7 min 0 8 Ke 0 syxsx MN 4 8 联立可得 min max 1 25 Ke 1 25 Ke s yx yconxs s yx yconss M N A M N A 当 Ks es 4 9 或 max 1 25 Ke s ys yconss M N A 当 Kses 4 13 或 kmin 0 5 Ke ckx ys yconss f WM N A 当 Kses 4 14 或 kmax 0 5 Ke cks yx yconxx f WM N A 当 Ks es 3 按承载能力极限状态的应力的要求进行预应力筋的估算 当预应力梁达到受弯极限状态的时候 其受压区混凝土应力达到混凝土抗压设计强 度值 受拉区钢筋达到抗拉设计强度值 此时其受力情况如图 1 所示 此时的截面的安 全性主要通过计算截面抗弯安全系数来保证 由于在初步估算预应力钢筋数量的时候 对于箱型截面 当中心轴位于受压翼缘以内时 可按矩形截面进行简化计算 当忽略实 际上存在的双筋影响 受拉区 受压区都配有预应力钢筋 的时候 计算结果将会有所 偏大 但作为预应力筋数量的估算是允许的 图 4 1按极限承载能力估算预应力钢筋计算图示 根据 公预规 要求 按破坏阶段估算预应力筋的基本公式如下 0X ycd Nfb x 4 15 0M 00 h 2 pcd x MMfb x 4 16 联立解得 2 0 00 2 cd M xhh fb 4 17 南宁市英华大桥施工图设计 第 30 页 共 67 页 由此可得 2 0 00 2 ycd cd M Nfbhh fb 4 18 或 2 0 00 2 cd y ypdcd fbM nhh Affb 4 19 式中 fcd 混凝土轴心抗压强度设计值 ny 按极限承载能力估算得预应力筋数量的最小值 fpd 预应力筋抗拉强度设计值 b 受压翼缘宽度 h0 截面的有效高度 0 桥梁结构重要性系数 注意 当截面承受双向弯矩时 可分别视为单筋截面 此时可分别计算上下缘所需 的预应力钢筋数量 4 2 3 预应力筋估算结果统计 综合考虑以上三种钢筋估算方法 得出了预应力预应力束筋得估算结果 为方便预 应力束筋布置和施工 在主梁各悬臂段均布设顶板直束和腹板弯起束 边跨现浇段布设 顶板直束 腹板弯起束以及底板束 合拢段布设顶板直束和底板束 各主控截面预应力 束筋面积具体见下表 表表 4 2 控制截面实际配束面积表格控制截面实际配束面积表格 节点号位置 配束面积 m2 顶板束底 腹板束合计 1边支点截面0 01450 02390 0384 8边1 4跨截面0 02120 04390 0651 14边跨中截面0 12860 01260 1412 20边3 4跨截面0 27280 01030 2831 28中支点截面0 41250 00950 422 41中1 4跨截面0 16270 01010 1728 51中跨中截面0 01030 06230 0726 60中3 4跨截面0 16270 01010 1728 73中支点截面0 41250 00950 422 81边3 4跨截面0 27290 01030 2832 87边跨中截面0 12860 01260 1412 93边1 4跨截面0 02120 04380 065 100边支点截面0 01450 02390 0384 南宁市英华大桥施工图设计 第 31