土木工程毕业设计(计算书).doc

汉寿沅水大桥南岸引桥K4+341K4+494施工图设计1 方案拟订与比选1.1方案比选经参阅各种文献资料，从多方面考虑，准备拟定3个方案，分别是预应力混凝土连续梁桥，预应力连续刚构桥，钢管混凝土拱桥。现分别分别综述如下：1). 跨径为:153m，拟采用16.5+304+16.5m 6跨预应力等截面连续梁。全桥连续，行车顺适；整体型好，利于抗震，桥梁支座采用滑动盆式橡胶支座和固定盆式橡胶支座，其中固定支座可以将主梁与桥墩相连，防止主梁在地震时变形、移动、破坏；采用等截面主梁，梁高2米，主梁采用梁底搭设龙门支架，可避免对桥下匝道的通行运输，铺设模板，绑扎普通钢筋，预留预应力管道（采用锌铁皮波纹管成孔），浇筑C50混凝土（先底板、后腹板和桥面板），预应力钢筋采用后张法超张拉，两端张拉，并通过梁顶板下缘、腹板侧壁、底板上缘设置齿板锚固。图1.1.1方案一主梁横断面（单位：mm）图1.1.2 方案一桥型布置图（单位：cm）2). 拟采用43+67+43三跨预应力变截面连续刚构桥。在竖向荷载作用下，基本上属于无推力结构，而上部结构具有连续梁施工的一般特点，因此具有良好的经济性。主梁保持连续，这样既保证了梁的无伸缩缝，行车平顺的优点，又保证了T构不须设大吨位支座的优点，同时避免了连续梁和T构两者的缺点，养护工作小。此外，连续刚构施工固性好，减少或避免边跨梁搭架合龙的难度，且有很大的顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度，它利用高墩的柔度来适应结构由预应力混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的位移，能满足特大跨径桥梁的跨越及受力要求，同时在一定条件下具有用料省、施工简便、养护费用低等优点。连续刚构体系另一个特点是抗震性能好，水平地震力可均摊到各个墩上来承担，而连续梁则需要设置制动墩或是采用价格较昂贵的专用抗震支座。墩梁固结又便于采用悬臂施工方法，取消了连续梁在施工转换体系时所采用的墩上临时固结措施。图 1.1.3 方案二横断面图（单位：mm）图 1.1.4 方案二桥型布置图（单位：cm）3). 拟设计一座跨径为26.5+1010+26.5m钢管混凝土拱桥。钢管混凝土拱桥是将钢管内填充混凝土，由于钢管的径向约束而限制受压混凝土的膨胀，使混凝土处于三向受压状态，从而能显著提高混凝土的抗压强度由于钢管的套箍作用，使混凝土处于三向受压状态，从而显著提高混凝土的抗压强度。同时钢管兼有纵向主筋和横向套箍的作用，同时可作为施工模板，方便混凝土浇筑，施工过程中，钢管可作为劲性承重骨架，其焊接工作简单，吊装重量轻，从而能简化施工工艺，缩短施工工期。图 1.1.5 方案三左视图（单位：cm）图 1.1.6 方案三横桥型布置图（单位：cm）1.2 推荐方案表1.2.1经济性适用性美观性施工难易程度方案一由于跨径增大使得设置的桩墩大大的减少，采用双幅桥的结构使箱梁宽度减少，有利于受力。可以减短工期。各梁受力相对独立，避免超静定梁的复杂问题。行车较舒适。构造简单，线形简洁等跨径布置细部尺寸相同，可以重复利用模板，模板预制，施工较为方便方案二桥墩无支座，养护费用低，工期短。适用于有较高桥墩的连续结构中跨越能力较大，梁内部受力均匀且自重小，采用不等跨变截面，增加支点负弯矩，降低跨中正弯矩，增强跨越能力。结构简单，全桥线条简洁明快，于周围环境协调好。减少或避免边跨梁端搭架合龙的难度。但地基沉降对梁影响较大，故在施工中基础设计考虑较多，梁墩联结处施工难度大。方案三耐久性好，维修和养护费用少。跨越能力较大下部结构的工程量大，对地基的要求较高；造价也高。外形美观；实用、安全、稳定，是一种极具美学的桥梁形式。构造较复杂，工程量大。倾向于采用第二种方案（连续钢构方案），因为其整体性最好，施工工艺成熟，满足现场悬臂施工的要求，降低造价；桥型美观，线形顺畅，主梁建筑高度小，采用不等跨变截面优点：增加支点负弯矩，降低跨中正弯矩，增强跨越能力；与等截面相比，减少预应力筋数量及材料用量；增强支点截面抗剪能力（加厚）；不等跨布置使得多跨跨中及支点内力尽量接近，使得截面形式可以一样，即便于设计，也简化施工。第一方案（连续梁）可以采用桥面连续的方式使行车顺适，但是其主跨径要小于刚构桥，支点的弯矩也比刚构桥要大，且支座要经常维护和更新。连续梁超过5跨虽然与5跨的内力情况相差不大，但连续梁连续过长会增大温度的附加影响，造成梁端伸缩量的增大，需要设置大位移伸缩量。第三方案（拱桥）桥形最美观，自重轻，强度大，抗变形能力大，承载能力大，用料省，安装重量轻，施工方便，工期短等优点。但是向钢管灌注混凝土这施工工艺，混凝土在钢管中是隐蔽的，肉眼是无法直接观察出来的。混凝土的强度，是否密实，是否存在蜂窝，麻面，等等缺陷是直接看不出来的。 我相信能迎接挑战，圆满的完成任务，并通过全过程训练，全方位培养自己分析问题、解决问题的能力，为迎接即将到来的工作打下坚实的理论基础，不辜负学校、老师的精心培养和栽培！1.3 设计（研究）进度计划毕业设计计划安排如下：1) 第一阶段 第1周第3周（1）熟悉毕业设计的任务和要求；（2）调研；（3）撰写开题报告；（4）准备好上机条件。2) 第二阶段 第3周第5周（1）收集资料；（2）方案比选；（3）拟订推荐方案的结构尺寸；（4）交比选方案报告；（5）交方案图纸。3) 第三阶段 第5周第9周（1）推荐方案上部结构设计计算；（2）电算。4) 第四阶段 第10周第11周配筋计算。其中包括：主钢筋的配筋计算；钝角处钢筋的配筋计算；横向钢筋的配筋计算；顶层钢筋的配筋计算。5) 第五阶段 第11周第12周（1）强度验算；（2）刚度验算；（3）稳定性验算。6) 第六阶段 第12周第13周下部结构设计。其中包括：桥墩的设计；桥台的设计；基础的设计。7) 第七阶段 第13周第15周绘制施工图。8) 第八阶段 第16周专业文献翻译。9) 第九阶段 第17周（1）整理资料；（2）汇总成果；（3）准备答辩。10) 第十阶段 第17周答辩1.4 设计方案说明1.4.1 主要技术指标桥型布置：43+67+43m变截面连续刚构桥设计荷载：公路级桥面纵坡：0桥面横坡：1%1.4.2 材料规格主梁：采用50号混凝土，容重为26kN/ m3,弹性模量取3.45107kPa；桥面铺装：采用防水混凝土,厚度为10cm,容重为25 kN/ m3 ；防撞栏：按5.12kN/ m计入恒载；横隔板：跨中按66.04kN计入，墩上按375.34kN计入。1.4.3 采用的规范公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）,2004年；公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）,2004年；1.4.4 施工方式悬臂施工 2 上部结构内力计算2.1 截面几何特性计算图2.1.1 墩顶截面设计(单位：cm)面积(cm2): 140200.0000周长(cm): 5838.6116边界框(cm): X: -800.0000 - 800.0000Y: 0.0000 - 400.0000质心(cm): X: 0.0000 Y: 233.4356惯性矩(cm4): X: 10949153333.3334Y: 20998593333.3333惯性积(cm4): XY: 0.0000主力矩与质心的 X-Y 方向:I: 3309351867.9664 沿 1.0000 0.0000J: 20998593333.3333 沿 0.0000 1.0000 图2.1.2 跨中截面设计(单位：cm)面积(cm2): 105000.0000 周长(cm): 5338.6116 边界框(cm): X: -800.0000 - 800.0000 Y: 0.0000 - 250.0000质心(cm): X: 0.0000 Y: 156.8730惯性矩(cm4): X: 3517300000.0000 Y:0000惯性积(cm4): XY: 0.0000主力矩与质心的 X-Y 方向: I: 933339973.5450 沿 1.0000 0.0000 J:0000 沿 0.0000 1.0000注：以上数据由CAD算得，坐标取在箱形截面中部底缘.墩顶截面数据(midas计算(单位：cm)Area(cm2): 140200.000000Sax(cm2) : 76942.064162Say(cm2) : 38315.270499Ixx(cm4) : 3309351867.966553Iyy(cm4) : 20998593333.332947Ixy(cm4) : -0.000488(+)Cx:800.000000(-)Cx:800.000000(+)Cy:166.564432(-)Cy:233.435568跨中截面数据(midas计算(单位：cm)Area(cm2): 105000.000000Sax(cm2): 71451.529387Say(cm2): 14555.033326Ixx(cm4): 933339973.544952Iyy(cm4)000488Ixy(cm4): 0.000031(+)Cx 800.000000(-)Cx 800.000000(+)Cy 93.126984(-)Cy 156.873016注：midas的坐标和CAD取的不一样,结果还是一致的。这里提取有用的信息。用公式Ic=Iyy-y2Area 算得墩顶和跨中Ic 1.33872755310101.4592221010截面位置截面高度(cm)截面面积(cm2)截面抗弯惯性矩(cm4)墩顶截面4001402001.3387275531010跨中截面2501050001.45922210102.2 单元划分单元划分图2.2.1 单元划分为了保证结构在计算时的准确性，不宜将结构单元划分得太少。本设计中对于全长为153m的桥，将主梁化分为48个单元，一个单肢薄壁墩化分为4个单元。如上图所示。2.3 恒载内力计算2.3.1恒载内力（1）桥面系荷载缘石、栏杆重：q1=5.12kN/m桥面铺装重：q2=160.125=40kN/m合计为q=q1+q2=45.12 kN/m将桥面系荷载作为二期恒载以均布荷载的形式加在主梁上。（2）主梁自重按=26kN/m3的容重，以计主梁自重的形式计入恒载中。且在每个桥墩各跨中处设有一道横隔梁，其重量按非结点荷载计算。墩顶横隔板厚0.5m，跨中厚0.2m墩顶横隔板重为260.521.18=275.34kN/m。墩顶横隔板重为260.212.7=66.04kN/m。由midas算得支座反力(主梁自重+横隔板重+桥面系荷载)如下表注：节点1最左端支点，节点58左墩左肢，节点59左墩右肢，节点69右墩左肢，节点68右墩右肢，节点49最右端支点注：本计算书由midas提供中的所有剪力图符号均是反的。表2.3.1 支座反力节点号FX（KN）FY（KN）FZ（KN）MX（KNM）MY（KNM）MZ（KNM）1004438.39500049004438.39500058137.088609878.25601186.640593925.723016509.46011863.72068-137.08909878.2560-1186.64069-3925.72016509.460-11863.707000275.340007100275.34000由midas算得各单元的内力如下表(一期+二期)表2.3.2 单元内力单元号位置 轴力（kN）剪力-z(kN)弯矩-y(kNm)1I10-4438.401J20-3669.3510134.682I20-3669.3510134.682J30-2746.4919758.423I30-2746.4919758.423J40-1823.6326613.594I40-1823.6326613.594J50-1208.3929645.65I54.42-1208.3829645.65J6-0.1129.1832008.736I6-0.2829.1832008.736J7-12.261285.1829387.487I7-20.11285.0829387.487J8-40.172568.4821690.158I8-56.632568.1721690.158J9-85.753888.738787.359I9-112.033888.068787.359J10-151.455256.29-9491.1310I10-188.845255.08-9491.1310J11-240.126682.3-33359.611I11-289.826680.32-33359.611J12-354.838178.59-63079.412I12-401.878176.41-63079.412J13-440.178955.74-80228.6续表2.3.213I1308966.55-80228.613J1409263.26-87064.714I14-137.091848.75-87198.914J15-137.093233.42-96092.715I15-4062.81-10812.3-12205115J16-4062.81-10515.6-11405316I16-4574.12-10303.5-11405316J17-4535.82-9524.12-9420517I17-4480.96-9550.06-9420517J18-4415.96-8051.8-58994.118I18-4355.94-8084.42-58994.118J19-4304.65-6657.21-29513.519I19-4257.19-6687.66-29513.519J20-4217.76-5319.43-5507.220I20-4181.72-5347.81-5507.220J21-4152.6-4027.2613233.3621I21-4126.71-4053.7813233.3621J22-4106.64-2770.3826872.6122I22-4089.66-2795.3926872.6122J23-4077.68-1539.3935534.9723I23-4068.56-1563.3335534.9723J24-4064.03-325.7739308.4724I24-4062.81-340.6439308.4724J25-4062.81-33.0239495.325I25-4062.8133.0239495.325J26-4062.81340.6439308.4726I26-4064.03325.7739308.4726J27-4068.561563.3335534.9727I27-4077.681539.3935534.9727J28-4089.662795.3926872.6128I28-4106.642770.3826872.6128J29-4126.714053.7813233.3629I29-4152.64027.2613233.3629J30-4181.725347.81-5507.230I30-4217.765319.43-5507.230J31-4257.196687.66-29513.531I31-4304.656657.21-29513.531J32-4355.948084.42-58994.132I32-4415.968051.8-58994.132J33-4480.969550.06-9420533I33-4535.829524.12-9420533J34-4574.1210303.45-114053续表2.3.234I34-4062.8110515.57-11405334J35-4062.8110812.29-12205135I35-137.09-3233.42-96092.735J36-137.09-1848.75-87198.936I360-9263.26-87064.736J370-8966.55-80228.637I37-440.17-8955.74-80228.637J38-401.87-8176.41-63079.438I38-354.83-8178.59-63079.438J39-289.82-6680.32-33359.639I39-240.12-6682.3-33359.639J40-188.84-5255.08-9491.1340I40-151.45-5256.29-9491.1340J41-112.03-3888.068787.3541I41-85.75-3888.738787.3541J42-56.63-2568.1721690.1542I42-40.17-2568.4821690.1542J43-20.1-1285.0829387.4843I43-12.26-1285.1829387.4843J44-0.28-29.1832008.7344I44-0.11-29.1832008.7344J454.421208.3829645.645I4501208.3929645.645J4601823.6326613.5946I4601823.6326613.5946J4702746.4919758.4247I4702746.4919758.4247J4803669.3510134.6848I4803669.3510134.6848J4904438.4049I51-7414.51137.09-185.8949J52-8089.51137.09-460.0750I50-14045.73925.7216794.0650J53-14720.73925.728942.6151I52-8089.51137.09-460.0751J54-8764.51137.09-734.2552I53-14720.73925.728942.6152J55-15395.73925.721091.1753I54-8764.51137.09-734.2553J56-9439.51137.09-1008.4254I55-15395.73925.721091.1754J57-16070.73925.72-6760.28续表2.3.255I56-9439.51137.09-1008.4255J58-9878.26137.09-1186.6456I57-16070.73925.72-6760.2856J59-16509.53925.72-11863.757I61-8089.51137.09460.0757J60-7414.51137.09185.8958I63-14720.73925.72-8942.6158J62-14045.73925.72-16794.159I64-8764.51137.09734.2559J61-8089.51137.09460.0760I65-15395.73925.72-1091.1760J63-14720.73925.72-8942.6161I66-9439.51137.091008.4261J64-8764.51137.09734.2562I67-16070.73925.726760.2862J65-15395.73925.72-1091.1763I68-9878.26137.091186.6463J66-9439.51137.091008.4264I69-16509.53925.7211863.7264J67-16070.73925.726760.28图2.3.1 桥梁恒载剪力图图2.3.2 桥梁恒载弯矩图2.3.2 温度次内力考虑梁上缘比下缘高5度的情况表2.3.3 温度次内力单元荷载位置轴力(kN)剪力-z(kN)弯矩-y(kNm)1温度I10-337.8801温度J20-337.88844.72温度I20-337.88844.72温度J30-337.881858.343温度I30-337.881858.343温度J40-337.882871.984温度I40-337.882871.984温度J50-337.883547.745温度I51.24-337.883547.745温度J61.24-337.884899.266温度I63.22-337.864899.266温度J73.22-337.866250.787温度I75.28-337.846250.787温度J85.28-337.847602.38温度I87.45-337.87602.38温度J97.45-337.88953.829温度I99.73-337.748953.829温度J109.73-337.7410305.3410温度I1012.13-337.6610305.3410温度J1112.13-337.6611656.8611温度I1114.65-337.5611656.86续表2.3.311温度J1214.65-337.5613008.3812温度I1216.59-337.4713008.3812温度J1316.59-337.4713684.1413温度I130-337.8813684.1413温度J140-337.8813937.5514温度I14-180.45566.7212703.8914温度J15-180.45566.7210720.3715温度I15-470.0608745.0215温度J16-470.0608745.0216温度I16-469.523.088745.0216温度J17-469.523.088698.8117温度I17-469.6220.378698.8117温度J18-469.6220.378617.2418温度I18-469.7616.888617.2418温度J19-469.7616.888549.6719温度I19-469.8713.548549.6719温度J20-469.8713.548495.520温度I20-469.9510.368495.520温度J21-469.9510.368454.0421温度I21-470.017.358454.0421温度J22-470.017.358424.6322温度I22-470.044.488424.6322温度J23-470.044.488406.723温度I23-470.061.728406.723温度J24-470.061.728399.8124温度I24-470.0608399.8124温度J25-470.0608399.8125温度I25-470.0608399.8125温度J26-470.0608399.8126温度I26-470.06-1.728399.8126温度J27-470.06-1.728406.727温度I27-470.04-4.488406.727温度J28-470.04-4.488424.6328温度I28-470.01-7.358424.6328温度J29-470.01-7.358454.0429温度I29-469.95-10.368454.0429温度J30-469.95-10.368495.530温度I30-469.87-13.548495.530温度J31-469.87-13.548549.6731温度I31-469.76-16.888549.6731温度J32-469.76-16.888617.2432温度I32-469.62-20.378617.24续表2.3.332温度J33-469.62-20.378698.8133温度I33-469.5-23.088698.8133温度J34-469.5-23.088745.0234温度I34-470.0608745.0234温度J35-470.0608745.0235温度I35-180.45-566.7210720.3735温度J36-180.45-566.7212703.8936温度I360337.8813937.5536温度J370337.8813684.1437温度I3716.59337.4713684.1437温度J3816.59337.4713008.3838温度I3814.65337.5613008.3838温度J3914.65337.5611656.8639温度I3912.13337.6611656.8639温度J4012.13337.6610305.3440温度I409.73337.7410305.3440温度J419.73337.748953.8241温度I417.45337.88953.8241温度J427.45337.87602.342温度I425.28337.847602.342温度J435.28337.846250.7843温度I433.22337.866250.7843温度J443.22337.864899.2644温度I441.24337.884899.2644温度J451.24337.883547.7445温度I450337.883547.7445温度J460337.882871.9846温度I460337.882871.9846温度J470337.881858.3447温度I470337.881858.3447温度J480337.88844.748温度I480337.88844.748温度J490337.88049温度I51904.6180.45812.4349温度J52904.6180.45451.5350温度I50-566.72289.621299.2950温度J53-566.72289.62720.0651温度I52904.6180.45451.5351温度J54904.6180.4590.6352温度I53-566.72289.62720.0652温度J55-566.72289.62140.8353温度I54904.6180.4590.63续表2.3.3.53温度J56904.6180.45-270.2654温度I55-566.72289.62140.8354温度J57-566.72289.62-438.455温度I56904.6180.45-270.2655温度J58904.6180.45-504.8556温度I57-566.72289.62-438.456温度J59-566.72289.62-814.957温度I61904.6180.45-451.5357温度J60904.6180.45-812.4358温度I63-566.72289.62-720.0658温度J62-566.72289.62-1299.2959温度I64904.6180.45-90.6359温度J61904.6180.45-451.5360温度I65-566.72289.62-140.8360温度J63-566.72289.62-720.0661温度I66904.6180.45270.2661温度J64904.6180.45-90.6362温度I67-566.72289.62438.462温度J65-566.72289.62-140.8363温度I68904.6180.45504.8563温度J66904.6180.45270.2664温度I69-566.72289.62814.964温度J67-566.72289.62438.4图2.3.3 温度作用下弯矩图图2.3.4 温度作用下剪力图2.3.3 支座沉降次内力的计算方法结构位移方程KX=B可用分块矩阵表示为：=X1 要计算的节点位移X2 已知的支承节点位移B1已知的节点力列阵B2 支承点上的节点力列阵，可分为B21和B22两部分，其中B21为已知的支承节点上的外荷载列阵；B22为支承节点反力。将上式展开，可得：K11x1=B1-K12x2由上式可求得节点位移列阵x1，方程解法为改进平方根法。得到x1后，便可求得支座沉降次内力。再由x1和分块矩阵式可得：B22=K21x1+K22x2-B21由上式可求得支承反力。在桥梁设计中，支座沉降工况的选取是应慎重考虑的问题。一般应综合考虑桥址处的地质，水文等情况，根据设计者的经验来定。有时需要选取几种沉降工况计算，这样就还存在管委会工况组合的问题。程序一般每一截面挑最不利的工况内力值作为沉降内力值。2.3.4支座沉降内力计算结果图2.3.5 考虑左墩下沉1cm所产生的剪力图图2.3.6 考虑左墩下沉1cm所产生的弯矩图2.4 活载内力计算2.4.1 冲击系数和车道折减系数汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，桥梁结构整体计算时采用车道荷载。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。计算汽车荷载内力时，将均布荷载标准值满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上，集中荷载标准值作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。本设计的桥梁两边各有1米的人行道，需考虑人群荷载的影响。人群荷载标准值取为3.0 KN/ 。车道折减系数本设计一共为四车道，考虑横向折减。由此算得的横向分布调整系数为40.67=2.68。计算采用midas计算，车辆荷载的分布采用车道单元，车道1偏心距1.7，车道2偏心距3.4，车道3偏心-1.7，车道4偏心3.4。车辆的移动方向取：往返。2.4.2 影响线的计算考查主梁的影响线，这里考查14号（左墩顶）单元，和24号（跨中）单元的影响线。图2.4.1 14号单元的剪力影响线(具体数据见附件) 图2.4.2 14号单元的弯矩影响线（具体数据见附件）图2.4.3 24号单元的剪力影响线（具体数据见附件）图2.4.4 24号单元的弯矩影响线（具体数据见附件）在车道布载的情况下，用midas的荷载跟踪器求得14号单元弯矩数值（kNm）max：1.0169e+003 min： -1.4086e+00414号单元剪力数值（kN） max： 2.4045e+003 min：-2.2970e+00324号单元弯矩数值（kNm）max：1.0053e+004 min：-3.5761e+00224号单元剪力数值（kN） max：7.3983e+002 min：-8.2289e+0022.4.3 汽车和人群效应的计算表2.4.1 汽车荷载效应表（moving1：汽车荷载）单元荷载位置轴力（kN）剪力-z（kN）弯矩-y（kNm）1moving1(最大)I1064.4901moving1(最大)J20144.813166.122moving1(最大)I20144.813166.122moving1(最大)J30290.026127.223moving1(最大)I30290.026127.223moving1(最大)J40441.038200.134moving1(最大)I40441.038200.134moving1(最大)J50543.779111.125moving1(最大)I52.85543.779111.125moving1(最大)J62.16750.819890.996moving1(最大)I65.62750.789890.996moving1(最大)J74.08955.169447.187moving1(最大)I76.68955.099447.187moving1(最大)J84.611152.088003.948moving1(最大)I86.51151.948003.948moving1(最大)J94.21338.265801.059moving1(最大)I95.481338.035801.059moving1(最大)J103.221511.893682.4110moving1(最大)I104.011511.543682.4110movin