三跨预应力混凝土连续梁桥毕业设计计算书.doc

1 摘要摘要 在本设计中 根据地形图和任务书要求 依据现行公路桥梁设计规范提出了两种预应 力混凝土连续梁桥 拱桥三种桥型方案 经过对各种桥型的比选最终选择三跨预应力混凝 土连续梁桥为本次的推荐设计桥型方案 本设计应用 midas 软件对预应力混凝土连续梁桥进行结构分析 根据拟定的桥梁尺寸 建立桥梁基本模型 对主梁恒载内力和活载内力进行计算 并进行内力组合得到内力包络 图 然后进行预应力钢束估算和预应力损失的计算 最后对结构进行强度和应力验算以及 行车道板的计算 经过分析验算表明该设计计算方法正确 基本满足要求 关键词关键词 midas 软件 混凝土连续梁桥 内力 结构分析 验算 2 abstract in this design according to the topography and project requirements according to the current highway bridge design specification of prestressed concrete continuous girder bridge forward arch bridge three schemes structure after the bridge of various final choice of three span prestressed concrete continuous girder bridge design for this recommendation this design uses midas software for prestressed concrete continuous beam bridge structural analysis building bridges basic model developed based on the size of the bridge and then to internal force on the girder dead load and live load force calculated to obtain a combination of internal forces and internal forces envelope then calculate estimates prestressed steel beams and prestressed losses finally the calculation of the structure and the strength and stress checking carriageway board after checking the analysis shows that the design calculations correctly basically meet the requirements key words midas software concrete continuous girder bridge internal forces structure analysis checking computation 1 目录目录 第一章第一章 概述概述 1 1 1 预应力混凝土连续梁桥概述 1 1 2 技术标准 3 1 3 地质状况 3 1 4 采用材料 3 1 5 设计依据 3 第二章第二章 方案比选方案比选 4 2 1 构思宗旨 4 2 2 比选标准及设计原则 4 2 3 设计方案 4 2 4 方案比选 7 2 5 方案确定 8 第三章第三章 三跨预应力混凝土连续梁桥总体布置三跨预应力混凝土连续梁桥总体布置 9 3 1 桥型布置 9 3 2 桥梁截面形式 9 3 3 桥梁下部结构 12 3 4 本桥使用材料 12 第四章第四章 内力计算内力计算 13 4 1 全桥结构单元的划分 13 4 2 全桥施工节段划分 13 4 3 主梁恒载内力计算 15 4 4 主梁活载内力计算 18 4 5 内力组合 21 第五章第五章 预应力钢束的估算与布置预应力钢束的估算与布置 27 5 1 钢束估算 27 5 2 预应力钢束布置 37 5 3 预应力损失的计算 39 第六章第六章 强度和应力验算强度和应力验算 47 6 1 正截面抗弯承载力验算 47 2 6 2 斜截面抗剪承载力验算 50 6 3 正截面抗裂验算 53 6 4 斜截面抗裂验算 56 6 5 短暂状况预应力混凝土受弯构件应力验算 59 第七章第七章 行车道板的计算行车道板的计算 67 7 1 主梁桥面板按单向板计算 67 7 2 活载内力计算 67 7 3 主梁悬臂板的计算 68 7 4 行车道板的设计内力 69 7 5 桥面板配筋 69 参考文献参考文献 71 外文原文外文原文 72 外文翻译外文翻译 82 致谢致谢 99 1 第一章第一章 概述概述 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 本章简介 其发展 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 40 200 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 2 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 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 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 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 本次设计为 105 130 105 m 预应力混凝土连续梁 桥宽为 19m 分为两幅 设计时 只考虑单幅的设计 梁体采用单箱单室箱型截面 全梁共分 340 个单元 单元长度均为 1m 由于多跨连续梁桥的受力特点 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 3 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 midas 设计软件进行 这样不仅提高了效率 而且准确度也得以提高 1 2 技术标准技术标准 1 设计桥梁的桥位地型及地质图一份 2 设计荷载 公路 级 3 桥面宽度 2 7 5m 2 2 0m 人行道 4 通航要求 级 5 纵坡 2 横坡 1 5 1 3 地质地质状况状况 该处地质条件较好 地面上部为粘土 往下为圆砾 再往下为石灰岩 详细地质状况 标高地质状况 180 粘土 164 圆砾 145 石灰岩 1 4 采用材料采用材料 混凝土 主梁采用 c55 混凝土 桥台桥墩采用 c40 混凝土桥面铺装材料 c50 混凝土 预应力钢筋 1860 级钢绞线 非预应力钢筋 hrb335 r235 锚具 ovm 锚具 1 5 设计依据设计依据 jtg d60 2004 公路桥涵设计通用规范 jtg d62 2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 jtg d63 2007 公路桥涵地基与基础设计规范 4 第二章第二章 方案比选方案比选 2 1 构思宗旨构思宗旨 1 符合城市发展规划 满足交通功能需要 2 桥梁结构造型简洁 轻巧 反映新科技成就 体现人民智慧 3 设计方案力求结构新颖 保证结构受力合理 技术可靠 施工方便 4 与高速公路的等级和周边环境相宜 5 学习变截面梁桥的设计过程 2 2 比选标准比选标准及设计原则及设计原则 在我国 安全 经济 适用 美观 环保是桥梁设计中的主要考虑因素 同时也是桥 梁设计基本原则 其中以安全最为重要 具体设计原则如下 1 安全性 桥梁的设计要能满足施工及运营阶段的受力需要 能够保证其耐久性和 稳定性以及在特定地区的抗震需求 2 适用性 桥梁必须实用 要有足够的承载力 能保证行车的畅通 舒适和安全 既满足当前的需要 又要考虑今后的发展 要能满足交通运输本身的需 要 也要考虑到 支援农业等等 3 经济性 在社会主义市场经济体制的今天 经济性是不得不考虑的重要因素 在 能够满足桥两个方面需求的情况下要尽量考虑是否经济 是否以最少的投入获得最好的效 果 4 美观性 在桥梁设计中应尽量考虑桥梁的美观性 桥梁的外形要优美 要与周围 环境相适应 合理的轮廓是美观的主要因素 5 环保性 随着经济的发展 生活水平的不断提高 人们对环境保护提出了更高的 要求 在建筑领域 一个工程的建设不能以牺牲环境作代价 在保证顺利工的前提下要尽 量避免对环境的破坏以实现经济的可持续发展 2 3 设计方案设计方案 2 3 1 设计方案一设计方案一 三跨变截面预应力混凝土连续梁桥 1 孔径布置 105m 130m 105m 全长 340m 宽 19m 箱梁根部梁高 7m 跨中 梁高 3m 由桥面设有 1 5 的横坡 2 的纵坡 其中中间标高高于 两侧标高 5 2 主梁结构构造 上部结构为变截面箱梁 采用双幅分离的的单箱单室形式 主 要采用高强混凝土以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化 3 下部结构 桥墩基础是连成整体的 全桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩 桥墩为 缘端型实体墩 4 施工方法 全桥主体采用悬臂节段浇筑施工法 边跨使用满堂支架整体现浇法 5 总体布置如图 2 1 所示 横断面如图 2 1 所示 2 34000 105001300010500 图 2 1 三跨预应力连续梁桥总体布置图 尺寸 cm 3 2 11 5 700 105 200 550 90 40 50 300 35 45 50 图 2 2 三跨预应力连续梁桥横断面图 尺寸 cm 2 3 2 设计方案二设计方案二 五跨变截面预应力混凝土连续梁桥 1 孔径布置 55m 70m 90m 70m 55m 全长 340m 宽 19m 桥面设有 1 5 的横坡 2 的纵坡 其中间标高高于外侧标高 2 主梁结构构造 上部结构为变截面箱梁 采用双幅分离的单箱单室形式 主要 采用高强混凝土以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化 6 3 下部构造 全桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩 桥墩为圆端形实体墩 4 施工方案 全桥采用悬臂节段浇筑施工法 边跨使用满堂支架整体现浇法 5 总体布置如图 2 3 所示 横断面如图 2 4 所示 2 2 34000 55007000900070005500 图2 3 五跨预应力连续梁桥总体布置图 尺寸 cm 1 5 3 2 1 600 35 80 25 70 25 200 50 图2 4 五跨预应力连续梁桥横断面图 尺寸 cm 2 3 3 设计方案三设计方案三 上承式拱桥 1 孔径布置 跨径95m 150m 95m 全长340m 桥面设有 1 5 的横坡 护栏采 用金属制桥梁护栏 2 结构构造 主桥采用劲性骨架钢筋混凝土拱桥 主跨 340m 拱圈高 28m 矢跨 比为 1 6 主梁采用单箱单室 拱肋截面形式采用三角形格构型形式 这种形式纵向刚度大 横向刚度也大 钢管采用 16mn 钢 即可采用 成品无缝钢管 也可由钢板卷制加工而成 横撑钢管采用 d60 12mm 与 d80 12mm 钢管 3 主梁施工 主梁采用加劲骨架下的挂篮现浇施工 4 下部构造 全桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩 7 5 施工方案 岸跨及边跨采用有支架施工 主拱圈建成后 进行进行骨架下吊篮 现浇施工 6 总体布置如图 2 5 所示 横断面如图 2 6 所示 2 2 33000 9000150009000 图 2 5 上承式拱桥总体布置图 尺寸 cm 140 130 120 110 100 附注 1 本图中尺寸均以厘米计 2 本图中单箱单室纵梁在支柱处或与支柱 等间距的实腹梁处设置横隔板 横梁 厚度为30cm 3 表示80mm厚c50混凝土垫层 表示防水层 表示100mm厚c50混凝土铺装层 1 5 行 车 道 行 车 道 行 车 道 行 车 道 16500 200800 2000 300 60 83 1200 2000 3 2 1 50 200 200 200 立面图1 1000 平面图1 200 横断面图1 200 图 2 6 上承式拱桥横断面图 尺寸 cm 2 4 方案比选方案比选 1 根据设计构思宗旨 桥型方案应满足结构新颖 受力合理 技术可靠 施工方 便 造价合理的原则 以上三种方案基本都满足着一要求 2 方案一与方案二都属于预应力混凝土梁桥 与方案三的拱桥相比 他们具有很 多梁桥所有的优点 预应力混凝土结构 由于能够充分利用高强度材料 高强度混凝土 高强度钢筋 所以构件截面小 自重弯矩占总弯矩的比例大大下降 桥梁的跨越能力得到提高 与钢筋混凝土梁桥相比 一般可以节省钢材 30 40 跨径愈大 节省愈多 全预应力混凝土梁在使用荷载下不出现裂缝 即使部分预应力混凝土梁在常遇荷 载下也无裂缝 鉴于全截面参加工作 梁的刚度就比通常开裂的钢筋混凝土梁要大 因此 预应力梁可显著减少建筑高度 使大跨径桥梁做得轻柔美观 由于能消除裂缝 这就扩大 了对多种桥型的适应性 并提高了结构的耐久性 8 预应力技术的采用 不但使钢桥采用的一些施工方法 如 悬臂拼装 顶推法 由钢桥的纵向拖拉施工方法演化而成 和旋转施工法在预应力混凝土梁桥中得到新的发 展与应用 而且为现代预制装配式结构提供了最有效的接合和拼装手段 根据需要可在结 构纵 横和竖向任意分段 施加预应力 即可集成理想的整体 此外还发展了逐段或逐孔 现浇施工方法 这种分段现浇或分段预制拼装的施工方法 国外统称为节段施工法 用这 种施工方法建成的预应力混凝土桥梁统称为预应力混凝土节段式桥梁 3 方案一与方案二相比 一个是三跨预应力混凝土连续梁桥 一个是五跨预应力 混凝土连续梁桥 在造价方面 三跨预应力混凝土连续梁桥下部结构造价明显低于五跨预 应力混凝土连续梁桥 而且下部结构施工方案一由于方案二 2 5 方案确定方案确定 综上所述 根据安全 经济 适用 美观 环保的设计原则 最终选定三跨变截面预 应力混凝土连续梁桥为本次设计的推荐方案 9 第三章第三章 三跨预应力混凝土连续梁桥总体布置三跨预应力混凝土连续梁桥总体布置 3 1 桥型布置桥型布置 本设计推荐方案采用三跨预应力混凝土变截面连续梁结构 桥全长 340m 3 1 1 孔径布置孔径布置 连续梁跨径布置一般以采用不等跨形式 以三跨连续梁为例 若为三孔等跨连续梁 其中孔跨中活载正弯矩与活载负弯矩的绝对值之和 即弯矩变化峰值 与同跨简支梁弯矩 相同 如果减小边跨长度 则边跨和中跨的跨中弯矩都将减小 一般边跨长度可取为中跨 长度的 0 5 0 8 倍 这样可使中跨跨中弯矩不致产生异号弯矩 由于某些因素的影响 连续梁的分跨问题不能够按最理想的跨长来选择 以致有些跨 度过长 有些跨度过短 这时可根据不同情况灵活处理 例如 对于城市桥梁或跨线桥 有时为了增大中跨跨径 使边跨跨长与中跨跨长之比小于或等于 0 3 此时边跨端支点上 将出现较大的负应力 为此就要设计专门的能抵抗拉力的支座 或者在跨端部分设置巨大 的平衡重来消除负应力 从结构受力性能分析 等跨连续梁要比不等跨的连续梁差一些 但在某些条件下 特 别由于施工工艺要求 也需要采用等跨布置 例如 当桥梁总长度很大 设计者决定采用 顶推或先简支后连续梁施工方法时 则等跨结构受力性能较差所带来的欠缺完全可以从施 工经济效益的提高而得到补偿 所以跨湖 过海湾的长桥多采用等跨连续梁的布置 本设计推荐方案根据任务书要求以及桥址地形 地质与水文条件 通航要求等确定为 105m 130m 105m 的形式 3 2 桥梁截面形式桥梁截面形式 1 桥梁立面如图 2 1 所示 从预应力混凝土连续梁桥的受力特点来分析 连续梁的立面应采取变高度的布置为宜 连续梁在恒 活载作用下 支点截面的负弯矩往往大于跨中正弯矩 因此采用变高度梁能 较好的符合梁的内力分布规律 同时 采用悬臂法施工的连续梁 变高度梁又与施工时的 内力状况相吻合 另外 变高度梁使梁体外形和谐 节省材料并增大桥下净空 所以从已 建桥梁统计资料分析 跨径大于 100m 的预应力混凝土连续梁桥有 90 以上是选用变高度 梁 再者在恒 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 变高度与等高度相比较 等高度梁的缺点是 在支点上不能利用增加梁高而只能增加 10 预应力束筋用量来抵抗较大的负弯矩 材料用量多 综上所述 推荐方案采用的是变截面预应力连续梁桥 其中箱梁根部梁高 7m 跨中 梁高 3m 梁截面采用二次抛物线形 二次抛物线的变化规律与连续梁的弯矩变化规律基 本相近 2 桥梁横截面如图 2 2 所示 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 主梁间距 主 梁各部尺寸 它与梁式桥体系在立面上布置 建筑高度 施工方法 美观要求以及经济用 料等等因素都有关系 在目前已建成的大跨径预应力混凝土梁桥中 当梁桥的跨径继续增大超过 60m 后 箱形截面是最适宜的横截面型式 箱型截面还有如下优点 这种闭合薄壁截面抗扭刚度很 大 对于采用悬臂施工的桥梁尤为有利 同时 因其顶板和底板都有较大的面积 所以能 有效的抵抗正 负弯矩 并满足配筋要求 箱形截面亦具有良好的动力特性 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 从对箱形截面的受力状态分析表明 单箱单室截面受力明确 施工方便 节省材料用量 一般常用在桥宽 14m 左右的范围 综上所述 根据任务书设计要求本推荐桥型方案横截面采用的是单箱单室的箱型截面 如上图 顶板厚度取 45cm 跨中处底板厚 40cm 支点处底板厚为 90cm 中间底板板厚成 二次抛物线性变化 跨中处腹板厚度采用 50cm 支点处腹板采用 105cm 中间腹板厚度 采用二次抛物线性变化 3 梁高的选取 连续梁在支点和跨中的梁估算值 根据已建成桥梁的资料分析 梁高可按下表采用 桥型支点梁高 m 跨中梁高 m 等高度连续梁h 1 15 1 30 l 常用 1 18 1 20 l 变高度 折线形 连续梁h 1 16 1 20 lh 1 22 1 28 l 变高度 曲线形 连续梁h 1 16 1 20 lh 1 30 1 50 l 根据以上估算值 本推荐方案取得支点处梁高为 7m 跨中梁高为 3m 3 2 1 桥梁细部尺寸桥梁细部尺寸的选取的选取 1 顶板与底板 箱形截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位 除承受竖向荷载外 还 承受轴向拉 压荷载 竖向荷载是指自重 桥面活载和施工荷载 轴向荷载是指桥跨方向 上 恒 活载转换过来的轴向力以及纵向和横向的预应力荷载 因此 顶板 底板除按板 11 的构造要求决定厚度之外 还要按桥跨方向上总弯矩决定其厚度 箱梁根部底板厚度箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚至墩顶 以适应受压 要求 底板除须符合使用阶段的受压要求外 在破坏阶段还宜使中和轴保持在底板以内 并有适当的富裕 一般约为墩顶梁高的 1 10 1 12 箱梁跨中底板厚度一般按构造选定 若不配预应力筋 厚度可取 15 18cm 当跨度较 大 跨中正弯矩较大 需要配置一定数量的钢束或钢筋时 厚度可取 20 25cm 当设有横向预应力筋时 顶板厚度须足够布置预应力筋的套管并留有混凝土的注入间 隙 在结构设计时 尽可能用长悬臂或利用横向坡度和弯折预应力筋以调整板中横向弯矩 本推荐设计方案底板由支点处以二次抛物线的形式向跨中变化 底板在支点处厚 90cm 在跨中厚 40cm 顶板厚 45cm 2 腹板 腹板的功能是承受截面的剪应力和主拉应力 在预应力梁中 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比较小 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混凝土浇筑要求 其设计经验为 1 腹板内无预应力筋时 采用 200mm 2 腹板内有预应力筋管道时 采用 250 300mm 3 腹板内有锚头时 采用 250 300mm 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 以承受支点处较大 的剪力 一般采用 300 600mm 甚至可达到 1m 左右 本推荐设计方案支座处腹板厚取 105cm 跨中腹板厚取 50cm 中间腹板厚度采用二 次抛物线性变化 3 2 2 桥面铺装桥面铺装 桥面铺装 根据 公路桥涵设计通用规范 jtg d60 2004 中 3 6 条规定 桥面铺装 一般选用 0cm 7 5cm 厚的防水混凝土 重度为 25kn m3 作为调平层 上加 6cmac 20 中 粒式沥青混凝土 重度为 24kn m3 其上再加 5cmac 13a 型沥青混凝土抗滑表层 重度 为 24kn m3 因此本方案选用 8cm 厚的防水混凝土作为铺装层 上加 8cm 厚的混凝土作 为垫层 桥面横坡 根据规范规定为 1 5 3 0 按照设计要求取 1 5 该坡度由混凝土垫层 控制 桥面纵坡 根据规范规定为 1 5 3 0 按照设计要求取 2 0 该坡度由混凝土垫层 控制 12 3 2 3 横隔梁横隔梁 横隔梁可以增强桥梁的整体性和良好的横向分布 同时还可以限制畸变 支承处的 横隔梁还起着承担和分布支承反力的作用 由于箱形截面的抗扭刚度很大 一般可以比其 它截面的桥梁少设置横隔梁 甚至不设置中间横隔梁而只在支座处设置支承横隔梁 由于 中间横隔梁的尺寸及对内力的影响较小 在内力计算中也可不作考虑 本设计为了偏安全 起见 本设计在支点处设置横隔梁 横隔板共设 2 道 两支点各一道 厚度支点取 50cm 板上留有人孔 尺寸为 200cm 200cm 3 3 桥梁下部结构桥梁下部结构 全桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩 桥墩为缘端型实体墩 具体尺寸详图见 cad 图纸 中图 05 和图 06 3 4 本桥使用材料本桥使用材料 1 使用混凝土 箱梁采用 55 号混凝土 墩身采用 40 号混凝土 承台 盖梁 耳背墙 防撞护栏 采 用 40 号混凝土 2 使用钢材 纵向预应力采用 1860 级钢绞线 标准强度为 1860mpa 直径为 15 24mm 面积 139mm2 弹性模量为 1 9 105 mpa 锚具采用 ovm15 27 带肋钢筋应符合 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋 gb1499 91 的规定 光圆钢筋应符合 钢筋混凝土用热轧光圆钢筋 gb1499 91 的规定 非预应力钢筋 直径 12mm 的用 级螺纹钢筋 直径2 故按单向板计算 人行道及栏杆的重量为 3kn m 7 1 1 每延米板上的恒载每延米板上的恒载 g 1 沥青混凝土面层及防水层 g 0 08 1 0 23 1 84n m 1 2 混凝土垫层 g 0 08 1 0 25 2 0kn m 2 3 将承托的面积平摊于桥面板上 则 t 45 30 40 450 47 7cm 4 主梁自重 g 0 477 1 0 26 12 40kn m 3 合计 g 1 84 2 0 12 40 16 24kn m 7 1 2 计算计算 og m 计算跨径 min ltl 0 bl 0 4 5 0 477 4 9771 4m 两后轮轴距 则说明两后轮l 的有效分布宽度发生重叠 应一起计算其有效分布宽度 纵向 2 个车轮对于单向板跨中与 支点的有效分布宽度分别为 a a1 d 3 0 6 1 4 4 997 3 3 659m 2 3 d 2 4 977 3 1 4 4 718m ll 所以 a 4 718m a a1 t 0 6 0 477 1 077m 1 4m 说明支点处有效分布宽度无重叠 即可得板的有效宽度分布图 在影响线上进行最不利情况的加载 利用结构力学计算 得出简支单向板的内力 69 作用于每米宽板条上的弯矩为 见图 9 1 p 2p 2 p 2 180130 225 9 107 7 59 1 3610086 1 244 0 11 0 27 14 497 7 69 51 30 99 0 26 0 52 0 50 1 000 0 96 0 90 0 25 471 8 图 9 1 主梁桥面单向板内力计算图式 尺寸 cm iip yam 1 1 3 2 38 52 0 591 0 5 0 11 30 99 0 409 0 26 30 99 1 0 1 244 30 99 0 86 0 52 38 52 0 14 0 5 0 27 149 98kn m ii yaq 1 p 支 1 3 38 52 0 591 0 5 0 96 30 99 1 0 0 9 30 99 1 0 0 5 54 31kn 内力组合 opogo mmm4 12 1 1 2 50 28 1 4 149 89 270 18kn m gp 2 14 1 支支支 qqq 1 2 36 04 1 4 54 31 119 28kn 由于 t h 47 7 300 0 1591 4m 两轮轴距 由此说明后轮的有效分布宽度有重叠 1 2ba 应一起计算其有效分布宽度 则车辆荷载纵向 2 个车轮对于悬臂根部的有效分布宽度为 a 0 6 1 4 2 1 4 0m 1 2bda 作用于每米宽板条上的弯矩和剪力为 见右图 9 2 2 2 1 01 1 0 lb b l a p map 1 3 21 5 68 25kn m 42 140 1 1 3 2 45 5kn ap q a p 2 42 140 kn m625 2 75 1 5 00 10 3 ar m 1 5kn 图 9 2 内力计算图式 尺寸 cm ar q 0 35 00 1 7 4 行车道板的设计内力行车道板的设计内力 故箱形梁顶板截面的设计弯矩为 155 466kn m 189 13kn m 支点 中 m 支 m 处的设计剪力为 122 356kn 支 q 7 5 桥面板配筋桥面板配筋 7 5 1 支点处配筋 沿纵向取支点处配筋 沿纵向取 1m 宽板条计算宽板条计算 其中混凝土强度等级为 c55 钢筋采用 hrb335 则 mpafcd 4 24 mpafsd280 mpaftd89 1 mpaf kcu 5 35 其中取 0 561 1 0 b 截面计算高度 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 jtg d60 2004 第 4 1 6 条规定 300 1275 0 33 720 75mm tan shh fe 50 100 50 140 400 mknmmmm arapaga 466 1554 18 04 12 1 knqqqq arapaga 356 1224 18 04 12 1 71 设mm 720 75 40 680 75mm 40 s a 0s ahh 由式 将各参数代入数值得 2 00 x hbxfmm cdud 1 1 189 13 24 4 1000 680 75 6 10 x 2 x 整理得 0 7 1705250 1361 2 xx 解得 13 48mm 0 56 680 75 381 22mmx b 0 h 1174 68 sd cd s f bxf a 280 48 1310004 24 2 mm 取 4 20hrb335 钢筋 1256 s a2 mm 7 5 2 跨中处配筋 沿纵向取跨中处配筋 沿纵向取 1m 宽板条计算宽板条计算 假设 则 300 40 260mm 将各参数代入数值 40 s a s ahh 0 1 1 155 466 24 4 1000 260 6 10 x 2 x 整理后得到 056 9027520 2 xx 解得 16mm x sd cd s f bxf a 28 1394 280 161000 4 24 2 mm 取 6 18hrb335 钢筋 1527 s a 2 mm 7 5 3 抗剪验算抗剪验算 由 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 jtg d60 2004 第 5 2 9 条规 定 抗剪截面应符合下列要求 1051 0 0 3 0 knbhfv kcud knkn88 188875 6801000 6 291051 0 59 134356 1221 1 3 由 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 jtg d60 2004 第 5 2 10 条规 定 当符合下列条件时 1051 0 02 3 0 knbhfv tdd 其中 对于板式受弯构件 该公式右边计算值可乘以 1 25 提高系数 可不进行斜 截面抗剪承载力的验算 仅需按上述规范 9 3 13 条构造要求配置箍筋 代入各参数值得 knkn316 74025 1 75 680100074 1 0 11050 0 59 13456 1231 1 3 故无需再进行专门的配筋设计 72 参考文献参考文献 1 中华人民共和国交通部标准 公路桥涵设计通用规范 jtg d60 2004 北京 人民交通出版社 2 中华人民共和国交通部标准 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 jtg d62 2004 北京 人民交通出版社 3 范立础主编 桥梁工程 上册 北京 人民交通出版社 2001 4 叶见曙主编 结构设计原理 北京 人民交通出版社 1997 5 邵旭东编著 桥梁设计与计算 北京 人民交通出版社 2007 6 陈忠延主编 土木工程专业毕业设计指南 桥梁工程分册 北京 中国水利水 电出版社 2000 7 凌志平 易经武主编 基础工程 北京 人民交通出版社 2007 8 中华人民共和国交通部标准 公路桥涵地基与基础设计规范 jtg d63 2007 北京 人民交通出版社 9 高冬光 王亚玲主编 桥涵水文 第四版 北京 人民交通出版社 2008 10 李嘉主编 专业英语 第四版 北京 人民交通出版社 2008 11 hern ndez s jurado ja 2004 sensitivity analysis and computer animations of the aeroelastic behaviour of the proponed messina bridge proc in vento 2004 reggio calabria italy 12 choi kk kim nh 2004 structural sensitivity analysis and optimization vol 1 linear systems and vol 2 nonlinear systems and applications springer 73 外文原文外文原文 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 外文翻译外文翻译 针对大跨度悬索桥气体弹性研究的多学科方法 s 埃尔南德斯 ja 胡拉多 f 涅托 a 莫斯克拉 收稿日期 2006 年 9 月 5 日 修订 2007 年 3 月 24 日 接受日期 2007 年 3 月 25 日 在线发布时间 2007 年 5 月 9 日 施普林格出版社柏林海德堡 2007 年 摘要 本文的研究重点是在空气弹性变形约束条件下所设计的大跨度悬索桥 这种受力方面 具有挑战性的结构最大的难点在于如何防止其在风振作用下产生的不稳定的颤动 作者设 想目前未曾使用于桥梁工程中的一些科学学科可能对悬索桥的设计过程和结构组成提供相 应的帮助 第一 灵敏性颤振速度分析仪的公式指示出如何在计算机上描述这项技术成为 了工程师在原型的基础上再进行更改的指南 比如两座大型的跨海湾悬索桥 大贝尔特海 峡悬索桥和墨西拿海峡悬索桥 在现实中显示了灵敏性颤振速度分析仪这项技术的能力 然后在这种想法的前提下我们利用制作的计算机动画以图片的方式准确的反映了风洞中模 拟的塔科马海峡悬索桥和墨西拿悬索桥的模型在空气中的弹性变形 最后 引入了分布式 计算的优点使得更加容易展示上文中所提到的相关技术 关键词 桥梁设计 优化灵敏度分析 颤振 并行处理 引言 克服了桥梁缆索承重施工和设计中的种种困难后 其独特的结构令人印象深刻 在过 去的十年里悬索桥的最大跨度达到了 1991 米 这就是建造在日本的明石湾海峡大桥 墨 西拿海峡悬索桥借鉴了日本 ito 1998 或 r as 阿尔津轻海峡大桥成功的施工方法和其 他具有富有挑战性的建议后 其做在项目部正在充满信心的研究穿越 埃尔南德斯 2001 西班牙的悬索桥 对于这些大跨度桥梁 在环境高性价比的原则下 由于地震荷载或风 力的影响 使其承受的荷载更加显著 正因为如此 很多专业知识对于这种令人印象深刻 的设计结构是很有必要的 而且目前一些昂贵和复杂的测试实验正在逐渐减少 尽量的使 用全桥模型来做实验 让处于风洞中的全桥模型在流动边界层风的影响下保持其稳定性用 以辨别实际桥梁的受力情况 对于颤振 以上在风洞中所需级别的风速要求在项目列表中 进行定义 一个替代以前的方法是利用基于所述一个段的减少的桥梁模型的实验 桥悬挂弹簧和 84 振动的流风的 允许识别将用于颤振系数 随后利用一个有限元结构的计算机分析出实验桥 梁所提供的响应颤振模型 抖振或其他气动弹性现象 最近有出现了一些基于计算流体 动力学的并且承诺是一种能够替代未来的新方法 但这种新方法无法联系并应用到实际的 桥梁施工难题中 因此 现在工程师处理大跨度悬索桥拥有一套的技术工具来帮助他们处理和设计一些 大跨度悬索桥 然而另有一小部分科学学科在此设计过程中可以指导和帮助工程师 这部 分科学学科不仅减少工程师工作的时间和任务 并且提高了他们根据原型研究的知识 其 中一些学科已经被使用 作者自从多年前 胡拉多和埃尔南德斯 1999 年 埃尔南德斯 et al 2002 年 就成功地实施于最近建成的真正桥梁的研究当中 总体来说 他们包括 灵敏度颤振速度的分析 计算机动态的动画或桥梁的气动弹性响应 分布式计算 作者在实际工作中关于桥梁的优化设计综合考虑了气动弹性约束 这将是一个开拓性 的研究 虽然在中航工业 这个设计观点已经被成功应用 haftka1975 haftka 等 1975 但是目前还没有相关文献出现在土木工程领域的这个问题上 因此 当基于梯度的方法将 被使用于对桥梁下的自动设计方式 气动弹性约束的分析制定 颤振速度的敏感性分析是 强制性的 此外 由于这些方法使得设计师可以预见任何设计变量是如何影响桥梁的性 能 正是它们能够加速桥梁设计等的相关进程 因此科学界认可在设计中使用灵感度分析 的重要性 桥梁颤振失稳的可视化计算机无法 设计 桥梁本身 而是在边界层风洞避免昂贵和 复杂的整体模型试验 因此 这些计算机动画的目的是利用模型在风洞中的气动弹性变形 来反映现实桥梁的实际受力情况 利用一个集群的网络个人电脑分布式计算已经可以在现实中用于评估桥梁的颤振速度 计算桥梁结构的灵敏性分析和渲桥梁动画 那将要呈现的结果就是利用这项技术得到的 2 颤振稳定性的制定 沿设计过程中 工程师们根据研究作出变化用以提高桥梁原型的性能 更改可能会影 响甲板形状 缆索的位置和尺寸 索塔的几何形状等 桥梁的每个属性都能够作为设计 变量被修改 贴上标签和设计器的目的是找出它们的理论值 在定义一座桥梁每一个步骤 中 在试验和检查错误的过程中设计变量的理论值是基于直觉和专业知识的基础上用实验 测试和计算机对结构分析的方法得到的 取而代之的是 采用灵感性分析来改进中间的原型是一个更合理的方法 通过设计变 85 量在结构的优化设计领域反映结构的响应是一个科学术语 choi 和金回应 2004 haftka 等人 1990 例如 如果一位工程师正在致力于在一个以上给定的颤振速度值中辨别出所需颤振速 度的适当值的话 他通常要计算惯性模量的几个颤振速度 uf 的值 并研究数值结果显示 的趋势 他会从这些数据中选择适当的值 因此 这种方法要求尽可能多的颤振速度 作 为被考虑筛选的值 i 相反的是 一个研究的目的是对惯性模量的分析可以获取灵敏性颤振速度 uf 并获 得 duf di 的值 这项研究并不需要补充颤振的分析 因此 是比试验更加方便的技术 灵敏性分析问题对设计师来说是非常有用的 例如 如果 duf di 0 则意味着 通过 增加 i 颤振速度 uf 将会更高 相反的减小 i 颤振速度 uf 将会减小 通过一些关键值的 幅度的变化 我们可以预期可能发生的事情 因此 在每个设计步骤 灵敏性分析表明工 程师哪些设计值是要被修改的 那些极大的绝对值 并且指明数值变话的方向 灵敏性 分析技术许多年以前就已经应用在汽车 航空和太空产业中 相信在不久的将来这项技术 将被应用到桥梁工程当中 桥梁的气动弹性设计 其颤振速度的灵敏性分析的力学参数 即惯性模量 ix iy 和 iz 一直是由作者 胡拉多和 2004 年埃尔南德斯 开发的 土木工程气动弹性现象和航空工程中的气动弹性现象并不相同 对于前者 结构形 式通常只是虚张声势 在大多数情况下 风力被作为湍流处理 解决桥梁颤振问题的最大 困难 在对于因气动弹性力引起的桥面运动得不到合适的表达式 斯坎伦和 simiu 2004 提出了一种观点就是由于相对较小的桥面振动 可以把基本量作为特征值 即所谓的通过进测量模型在风洞中的摆动来得到桥梁的颤振导数 从而代替实体桥梁 通 常 飞机的颤振要素包括质量 阻尼和刚度矩阵以及空气动力 从这些要素来推导和制定 飞机产品的空气动力矩阵 a 和飞机的位移 与此相反 在桥梁颤振要素中 不仅要考虑质 量 结构阻尼和刚度矩阵 另外 气动弹性力是两种不同颤振要素的组合 飞机结构和桥 面板运动的气动力矩阵卡作用相同在 再通过另外一个要素由桥面板变形得到气动弹性阻 尼矩阵 ca 因此 代数表达式可以写为 mil cu ku fa kau ca it 1 其中 fa 表示如图 1 中所示的气动弹性力矢量 ka 和 ca 分别是气动弹性刚度矩阵和 阻尼矩阵 它是有关除其他参数的颤振函数的导数 m c 和 k 分别表示质量 阻尼和 刚度矩阵 u ii ii 分别是桥面板位移矢量和桥面板位移矢量的一阶导数和二阶导数 表达式为 mii c ca u k ka u 0 2 86 模拟分析时可以用公式 2 来解决 位移向量 可以作为一组存储在频谱矩阵的振 动的固有振型的组合来获得 令 u q 并假设与振动指数衰减 q we t 代数运算之 后 式 2 证明 a il w 0 3 其中矩阵 a 是建立在先前定义的矩阵的基础之上 公式 3 的解是一组对复杂的特征值 即 m 选择固有模式数值对模型进行分析 jjj iau jjj iau 1mj 4 图 1 气动弹性力和位移 与它们相关的特征向量 5 uiuru iwww uiuru iwww 实部 j 的特征值与每个阻尼气动弹性模式相关 因此 当 j 对于一个特定的模 式变为零时颤振速度可以定义为最低风速 因此 电脑对颤振速度的识别包括了由式 3 增加定义的特征值问题 风速 u 达到阻尼系数值后会自动消失 解释流程图 过程 示于图 2 87 图 2 颤振速度的计算机识别流程图 颤振速度的灵敏性分析 在 1972 年的一篇论文中鲁迪西尔和 bathia 1972 认为决定颤振速度的主要因素取 决于飞机的结构 在上述论文中 将空气密度 马赫函数 semichord 和降频作为空气 动力学矩阵 然而 在桥梁工