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公路
桥面
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26
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公路—I级桥面宽度26,公路,桥面,宽度,26
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工学学士毕业论文 凝土斜拉桥 重庆交通 大学 2006 年 6 月 桥梁工程 专业工学学士毕业论文 凝土斜拉桥 申请学位级别： 工 学学士 学科、专 业 ： 土木工程（桥梁方向） 所在单 位 ： 交通科学与工程学院 答辩日 期 ： 2006 年 7月 授予学位单位： XX 毕业设计 ( 论文 ) 题 目 凝土斜拉桥 专 业 道路桥梁与渡河工程 班 号 20031201 学生姓名 指导教师 答辩日期 2006 重庆交通 大学毕业设计（论文）任务书 姓 名： 院（系）：交通科学与工程学院 专 业： 桥梁与隧道工程 班 号： 20031201 任务起止日期： 2003 年 1 月 7 日至 2006 年 7 月 2 日 毕业设计（论文）题目 ： 凝土斜拉桥 立题的目的和意义： 初步了解有关斜拉桥的基本知识和结构设计计算的基本理论， 掌握混凝土斜拉桥的构造设计、结构设计及其结构静力计算方法，使学生具备相当程度的大跨度桥梁的设计计算能力，为今后的学习和工作打下良好的基础，同时使学生能够熟练运用各种计算机程序或软件进行桥梁设计计算，熟悉计算机绘图。 技术要求与主要内容： 一、 设计基本资料 （一） 主要技术标准 包括结构形式、设计荷载、桥面宽度、桥面纵坡和通航标准等。 （二） 材料技术标准 包括混凝土、预应力筋、普通钢筋、锚具等。 （三） 施工方法 （四） 设计规范 1、公路桥涵设计通用规范 (602、公路斜拉桥设计规范（试行） (3、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (62二、 计算主要内容 1、 基础资料及斜拉桥桥型确定 2、 确定各部分的构造尺寸，如跨径、跨高比、塔高等。 3、 建模分析 4、 作用效应组合 5、 成桥状态的索力优化 6、 索塔锚固区的配筋 7、 设计说明书 8、 设计图纸 进度安排： 时 间 应 完 成 的 内 容 开题报告或开题综述（教研室组织） 熟悉设计内容及资料 确定桥型 确定各部分的构造尺寸，如跨径、跨高比、塔高等。 建模分析 成桥状态的索力优化 中期检查，填写中期回报单并作口头报告（教研室组织） 索塔锚固区的配筋 设计图纸绘制 编写毕业设计论文 提交毕业设计论文 毕业答辩准备；评阅教师评阅论文 毕业答辩 同组设计者及分工： 指导教师签字： 教研室主任签字： 重庆交通 大学 毕 业 论 文 开 题 报 告 1本设计的目的意义 通过对斜拉桥主桥的设计，可 使自己 初步了解有关斜拉桥的基本知识和结构设计计算的基本理论，并 具备相当程度的大跨度桥梁的设计计算能力，为今后的学习和工作打下良好的基础，同时使自己能够熟练运用 计算机 程序或软件 进行桥梁 结构 设计计算，并熟悉计算机绘图。 2本设计的基本内容 凝土斜拉桥的构造设计、结构设计及其结构静力计算方法，包括恒载内力计算、活载内力计算、温度 内力计算、支座沉降等。 静力分析主要是： (1)确定成桥的理想状态，即确定成桥阶段的索力，索塔的内力。 (2)初步进行斜拉桥拉索索力的优化 。 对索塔锚固区进行配筋。 3本设计的主要任务 (1)技术指标及设计资料 (2)桥型 选择 及结构形式 (3)主桥结构整体静力分析与设计 包括建模分析 、 作用效应组合 、 成桥状态的索力优化 等。 (4)设计说明书 (5)绘 图 4、对本设计的理解 斜拉 桥 是一种桥面体系受压、支承体系受拉的结构，其桥面体系由加劲梁构成，其支承体系由钢索组成。近年来，结构分析的进步、高强材料的施工方法以及防腐技术的发展极大地促进了大跨斜拉桥的发展。作为桥梁结构体系的一种基本形式，有必要了解其设计的基本理论和方法。而该桥 的主桥为双塔单面索塔墩梁固结的预应力混凝土斜拉桥 。此结构体系从力学性能上属于跨度内具有多点弹性支承的刚构体系，优点是既免除了大型支座又满足悬臂施工的稳定要求，结构的整体刚度较好，主梁挠度小。缺点 是主梁固结处负 弯矩大。 主桥的单索面体系 给人以美观开阔的视感 ，但要求主梁具有必要的横向抗弯和抗扭刚度。 主 梁 断面采用抗风性能优越的近似三角形断面。 通过这次设计的实践，一是对本科阶段学习的基础知识和理论的检验，二是对斜 斜拉桥设计的尝试。因时间和知识水平有限，不能对其全面设计和深层探索，但 我希望通过自己的努力和老师的指导，做一个优秀的设计。 5、本设计的参考文献 (1) 崖门大桥 墩塔梁固结单索面斜拉桥 广东省西部沿海高速公路信汇段有限公司编，人民交通出版社 (2)斜拉桥 刘士林 ,梁智涛 ,侯金龙 ,孟凡超主编，人民交通出版社 (3)桥梁工程（下册） 顾安邦主编，人民交通出版社 (4)八一大桥建设与管理 帅长斌主编，人民交通出版社 (5)高等桥梁结构理论 项海帆主编，人民交通出版社 (6)大跨桥梁结构计算理论 李传习 ,夏桂云主编，人民交通出版社 (7)结构设计原理 张树仁等主编，人民交通出版社 (8)桥梁结构非 线性 华孝良 ,徐光辉主编，人民交通出版社 重庆交通 大学毕业设计（论文） - I - 摘要 近年来， 由于 高强钢材、正交异性板、焊接技术的发展及结构分析的进步，斜拉桥体系得到了广泛的应用。斜拉桥为空间结构，由加劲梁 钢或混凝土桥面板和支承部件 受压的桥塔与受拉的斜拉索 组成，因 其结构性能斜拉体系占据了梁桥和悬索桥的中间地位。 本设计为墩、塔、梁固结的单索面预应力混凝土斜拉桥 ， 选择桥梁专用软件 建模分析，计算该桥在自重、汽车、温度和支座沉降作用下的作用效应， 并进行索塔的作用效应组合；但是，在自重作用下，成桥状态斜拉索的受力很不合理，故采用影响矩阵法对索力进行优化；再根据调整后 的索力确定拉索的构造和下料长度；由于斜拉索水平分力的作用，索塔锚固区的混凝土会开裂，须在塔壁内配置闭合预应力筋。 关键词 斜拉桥 ； 作用效应组合 ； 索力优化 ； 闭合预应力筋 重庆交通 大学毕业设计（论文） - of of of in a of as or as in in By a is to in of at by is so in of In of of at so be in of 重庆交通 大学毕业设计（论文） - 目录 摘要 . 1章 绪论 .概述 . 结构体系 . 主梁 . 索塔 . 拉索 . 桥型确定 .目的与意义 . 立题目的 . 立题意义 . 主要内容 .第 2章 技术指标及设计资料 .设计依据 . 技术指标 . 设计规范 . 航运净空 .材料参数 . 混凝土 . 预应力钢材 . 斜拉索 . 桥面铺装 . 支座 . 伸缩缝 .设计荷载与组合 . 主要设计荷载 . 索塔的作用效应组合 . 拉索的内力组合 . 3章 桥型与结构形式 .桥型总体布置 .庆交通 大学毕业设计（论文） - 结构形式及尺寸 . 下部结构构造 . 主塔 . 斜拉索 . 主梁 . 4章 结构整体分析 .计算原则 .基本参数 . 截面性质 . 设计荷载 .建模分析 . 结构计算简图 . 索力优化前内力及变形 . 5章 成桥状态的索力优化 .索力优化原理 .影响矩阵法优化索力 . 6章 拉索设计 .恒载索力 .拉索 构造 .拉索下料长度 .索力验算 . 7章 索塔锚固区受力分析 .概述 .锚固区受力 .计算分析 .预应力筋的估算 . 预应力损失 . 预应力筋的估算原则 . 预应力筋布置 .估算预应力筋 .有效预应力 .承载能力极限状态验算 . 计算原则 .庆交通 大学毕业设计（论文） - V - 预应力次效应 . 正截面抗弯承载力计算 .斜截面抗剪承载力 .持久状况正常使用极限状态计算 .持久状况应力计算 .论 .谢 .考文献 .录 1.录 2.重庆交通大学毕业设计（论文） - 14 - 第 4 章 结构整体分析 算原则 斜拉桥的结构分析计算，根据跨度的大小采用两种不同的理论。对于特大跨径的斜拉桥，为消除斜拉索及大变位引起的非线性因素的影响，必须采用有限变形理论； 对于中小跨径的斜拉桥，采用小变形理论即可获得满意的结果。平面 杆系有限元法是计算斜拉桥内力的基础，其基础理论是小变形理论。 在计算斜拉桥的内力及变形时，一般把空间结构简化成平面结构， 但应计算 荷载横向分布 对结构的影响 ，以考虑结构的空间效应 。 而斜拉桥结构较柔，拉索的布置形式，主梁抗扭刚度都有影响，故在 计算荷载横向分布系数时应综合 考虑 。 本设计在计算斜拉索和索塔的内力时，采用刚性横梁法来 考虑 荷载的横向分布 系 数。 斜拉桥的内力及变形分析主要是斜拉索和索塔，所承受的荷载如 因主梁的内力计算涉及 施工阶段、横向扭转弯矩和剪力滞效应等问题，计算比较复杂，故未进行设计。 本斜拉桥内力计算的基本原则是： （ 1）采用小变形理论 按一般的平面杆系有限元法计算内力，不考虑非线性影响； （ 2） 为方便施工，拉索一次张拉至设计值 ； （ 3） 索塔在承台处固结，不考虑桩基础的影响 ； （ 4） 根据结构的对称性， 可 取一半结构进行计算 ； （ 5） 斜拉索的安全系数按不小于 虑 。 本设计采用 件进行结构分析。 本参数 面特性 毛截面几何特性 计算是结构内力 和 挠度计算的前提。毛截面计算 常用的方法有节线法 、分块面积法 和 能等 。 以下是通过 得的 各截面变化处的截面特性 ， 如表 4示 ： 表 4面几何特性 重庆交通大学毕业设计（论文） - 15 - 截面位置 截面积（）抗弯惯矩(形心至上缘距离(m)材料混凝土主梁（标准段） 50 混凝土混凝土主梁（底板厚30c m) 50 混凝土混凝土主梁（底板厚60c m) 50 混凝土混凝土主梁（塔下断面) 50 混凝土主塔（锚索区） 60 混凝土主塔（无索区） 60 混凝土主塔（塔根） 60 混凝土单片主墩 50 混凝土斜拉索 87 1670：混凝土结构计算 弹性模量 按 62范取用； 其 结构容重 凝土为 3m , 凝土为 3m 。 表 4， 主梁的截面几何特性是毛截面特性， 构件的截面性质应根据不同的计算阶段 决定采用换算截面特性还是采用净截面特性；拉索的面积为单根斜拉索的面积。 计荷载 重 （ 1） 一期 自重 主梁混凝土容重为 N/ 3m ，桥塔为 N/ 3m ，横梁自重按均布荷载作用在杆件元上。一期 自重 集度为： 1q =（ 2+2） 50/334 =N/m （ 2）二期 自重 二期 自重 是结构体系完成之后，即中跨合龙形成五跨斜拉桥体系后所作用上去的恒载，防水混凝土铺装和防撞护栏按均布荷载作用在杆件元上。其中： 桥面铺装 ：（ 23=N/m 防撞护栏： N/m 合计： 2q =N/m 车荷载 （ 1）设计荷载 重庆交通大学毕业设计（论文） - 16 - 公路 I 级车道荷载的均布荷载标准值为N/m；集中荷载标准值60 若 计 算剪力 效应时 ，集中 荷载 标准值6032 （ 2） 横向折减系数 本斜拉桥 横向布置设计车道数为 6，取横向折减系数 （ 3）纵向折减系数 本桥主跨的计算跨径 338m，取纵向折减系数 （ 4）冲击系数 双塔斜拉桥（有辅助墩）的竖向弯曲基频： 501 式中 1f 竖向弯曲基频（ ； l 斜拉桥主跨跨径（ m） 。 l =338m， 1f = 1f ， = （ 5）横向分布系数 公路斜拉桥设计规范对荷载横向分布系数的计算方法没有明确规定， 经作者反复考虑比较，认为 用简化的平面结构计算斜拉桥的内力时，采用考虑主梁抗扭刚度的刚性横梁法来求荷载的横向分布 系 数 是合理的 。 这种方法适用于有可靠横向联结且桥的宽跨比小于 窄桥。刚性横梁法的计算原理可参照有关资料。 考虑本桥是单索面斜拉桥， 横向刚度较大， 斜拉索锚固在主梁的扭转中心 上，在计算斜拉索的内力时，各偏心车辆荷载在扭转中心所产生的竖向挠度与荷载作用在扭转中心处是等效的，故不需计算横向分布系数。 度作用 均匀温度取 15，梁、塔与斜拉索的温差取 10，主梁的日照温差按桥面板升温 5计。 础变位 主墩沉降 、辅助墩沉降 模分析 构计算简图 图 4该 桥的结构计算离散图， 根据结构对称性，取一半结构进行重庆交通大学毕业设计（论文） - 17 - 分析，边界条件为：桥塔固定于承台顶，主梁与塔 间为固结，边墩与辅助墩处均 设纵向活动支座，结构体系属于刚构体系。 索塔 与拉索的 刚臂 连接简化为鱼骨刺形。 杆件之间的连接分为两种 ： 主梁和桥塔本身各杆件之间为固结，斜拉索与桥塔及主梁之间为铰结。一个标准梁段分为 1 个单元，每根斜拉索为一个单元， 半 桥共划分 107 个节点， 156 个单元，其中主梁单元 60个，索单元 50个，索塔单元 36 个，主墩单元 10个。 详见图纸。 图 4构计算离散图 注 : 图中数字带圆圈者为单元号，无圆圈者为节点号。 力优化前 内力及变形 （ 1）成桥状态结构自重作用下斜拉索的索力 见表 4 表 4拉索的恒载内力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力107 5674 117 4976 127 3296 137 3438 147 6295108 5732 118 5013 128 3068 138 3767 148 6252109 5789 119 5044 129 2739 139 4021 149 6178110 5842 120 4660 130 2282 140 4843 150 6069111 5892 121 4671 131 1677 141 5018 151 5924112 5175 122 4669 132 0 142 5151 152 6588113 5212 123 4649 133 836 143 5250 153 6333114 5247 124 4009 134 1600 144 5785 154 6029115 5285 125 3939 135 2223 145 5830 155 5672116 5327 126 3827 136 2716 146 5847 156 5256 （ 2） 结构自重作用下， 索塔塔顶 纵桥向 的水平位移为 重庆交通大学毕业设计（论文） - 18 - （ 3）在设计荷载作用下， 索力优化前 索塔控制截面的作用效应组合如表 4 表 4力优化前索塔的作用效应组合 N(相 应） V（相 应） M N(相 应） V（相 应） M N(相 应） V（相 应） 截面2（1 截面3（塔 根)注：表中截面高度从塔根算起，以弯矩作为控制内力。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 19 - （ 4）结果分析 由上述结果可看出： 在 结构 自重作用下， 131、 132、 133 号拉索 单元的索力极不合理；索塔两侧拉索的索力 分布很不均衡 ，导致索塔塔顶产生过大的水平位移，并在塔内尤其是塔根产生过大的弯矩。因此，必须对结构自重 引起的 作用效应进行优化，即确定成桥状态的合理索力。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 20 - 第 5 章 成桥状态的索力优化 力优化原理 一旦 斜拉桥结构体系被确定，总能找出一组斜拉索力，它能使结构体系在确定性荷载作用下，某种反映受力性能的目标达到最优。这组索力对应得成桥状态就 是该目标下的最优的成桥内力状态。求解这组索力，并在斜拉桥中加以实现，也就实现了斜拉桥的恒载受力优化。所以，在不改变结构参数的前提下，斜拉桥恒载状态的优化，则转化为斜拉索索力的优化问题。 斜拉桥合理成桥状态的确定方法有：刚性支承连续梁法、零位移法、最小弯曲能量法、最小弯矩法和影响矩阵法等。本设计采用影响矩阵法来实现成桥状态的索力优化。 影响矩阵法的原理如下：将结构中关心截面的内力、位移或应力等独立因素所组成的列向量作为受调向量 ，将结构物中可实施调整以改变受调向量的独立元素 斜拉索索力所组成的列向量作为施 调向量 ，通过影响矩阵 A建立受调向量与施调向量之间的关系 A = ，这是一个线性方程组，如受调向量的独立元素个数 m 与施调向量独立元素个数 相同，求解该线性方程组即可得施调向量的调整量。 响矩阵法优化索力 本设计以弯曲能量最小为目标函数进行成桥状态的索力优化。 结构的弯曲应变能可写成： Ss 2 )(2 （ 5 对于离散的杆系结构可写成： )(4 221 （ 5 式中， m 是结构单元总数 (取主梁单元， 故 m=60)，iL、 号单元的杆件长度、材料弹性模量和界面惯性矩（因 加劲梁尚未配筋，此处 的 截面 惯性矩为毛截面惯性矩 ） ；端弯矩。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 21 - 将式 （ 5改写成： T （ 5 式中， 别是左、右端弯矩向量， B 为系数矩阵： 0000002211（ 5 式中，（ i 1,2, ,m） 令调索前左、右 端弯矩向量分别为 0 0调索力向量为T ，则调索后弯矩向量为： 5 式中， 别为索力对左、右端弯矩的影响矩阵。 T j= 1图 5构计算简图 注 ：上图为 算影响矩阵的结构 计算 简图。 i =1,2, ,60； j =1,2, ,50） 分别表示断开第 j 根斜拉索并施以单位力时， 分别 在第 i 单元左、右端产生的弯矩。 将式 （ 5代入 式（ 5得： 重庆交通大学毕业设计（论文） - 22 - 00 00 (5要使索力调整后结构应变能最小，令 : 0 i 1,2,3,4 ,60） (5将 式（ 5代入式 （ 5并写成矩阵形式： ( )T 0R 0L（ 5 至此索力优化问题就转化为式 （ 5的线性代数方程求解问题。 本设计用结构自重作用下主梁的弯曲能量作为目标函数进行索力优化。 表 5索前主梁单元左右端的初始弯矩 单元 单元 单元 1 0 1 1156 6173 41 54452 2410 2 5213 42 61513 4915 3 7428 43 62924 5874 4 3086 44 57505 5534 5 2936 45 5536 4164 6 8468 46 71647 2047 2605 27 15420 47 7164 2605 9507 28 45350 48 20654 9507 11833 29 40420 49 35608 11833 9298 30 109130 50 51657 9298 1634 31 109130 414920 51 69761 1634 2 51930 52 89404 813 3 96380 53 110020 285 4 37410 54 130970 2199 5 82600 55 151580 3998 6 41430 56 173410 3876 7 10610 57 195530 2285 8 7553 58 216950 689 9 0438 59 236610 553 0 6697 60 251730 文） - 23 - 注： 表中弯矩以顺时针为正；利用表中值可形成 调索前左、右端弯矩向量分别为 0 0 求解 方程 （ 5的 序如下： i,j,k c :60):L,E,I0 :60,1:50):r :50,1:60):rT :60,1:60):B :50,1:50):AA :60,1:1):R0 :50,1:1): ！ L,E,分 别 表示每 个单 元的杆 长 、 弹 性模量和 惯 性矩 ； ！ 索力 对 左端 弯 矩的影 响 矩 阵 ！ 索力 对 右端 弯 矩的影 响 矩 阵 ！ 分别为 转置矩阵； ！ T=其中 ， 0R 0L； ！ B 系数矩阵 B ； ！ 调索前左、右端弯矩向量分别为 0 0 ！ T 施调索力向量为 T 。 L=0;E=0;B=0; , ,*) (Cl(i,j),j=1,50),i=1,60) ,*) (Cr(i,j),j=1,50),i=1,60) do i=1,60 ,*) L(i),E(i),I0(i) B(i,i)=L(i)/(4*E(i)*I0(i) 庆交通大学毕业设计（论文） - 24 - l) r) AA=),),*) (i,j),j=1,1),i=1,60) ,*) (i,j),j=1,1),i=1,60) (),), , do k=1,49 do i=k+1,50 c=AA(k,i)/AA(k,k) do j=k+1,50 AA(i,j)=AA(i,j)A(k,j) B(i,1)=BB(i,1)B(k,1) B(50,1)=0,1)/0,50) do i=49,1,-1 do j=i+1,50 BB(i,1)=BB(i,1)i,j)*BB(j,1) B(i,1)=BB(i,1)/AA(i,i) =BB ,*) ,*) ,(1x,) (BB(i,j),j=1,1),i=1,50) 通过以上程序 求得 成桥在自重作用下， 使主梁的弯曲能量最小的斜拉索单元的 索力调整量 如下表 5 表 5力调整量 重庆交通大学毕业设计（论文） - 25 - 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力107 603 117 372 127 477 137 413 147 85 118 28 566 138 48 19 168 129 39 49 52110 404 120 190 130 912 140 50 59 121 31 41 51 170112 22 32 2063 142 52 53 123 33 1642 143 53 24 34 1261 144 54 25 35 45 55 618116 26 36 747 146 56 828 优化后的斜拉索索力如下表 5 表 5化后的索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力 索号 索力107 3440 117 2860 127 2125 137 3438 147 3054108 3451 118 2775 128 2100 138 3767 148 3125109 3461 119 2690 129 2060 139 4021 149 3141110 3325 120 2520 130 2053 140 4843 150 3071111 3205 121 2499 131 2050 141 5018 151 3132112 3135 122 2407 132 2063 142 5151 152 3198113 3059 123 2324 133 2060 143 5250 153 3314114 3121 124 2242 134 2061 144 5785 154 3450115 3125 125 2169 135 2090 145 5830 155 3454116 3035 126 2135 136 2105 146 5847 156 3456 注：表 5表 5 索力为单根索的索力 ，单位 重庆交通大学毕业设计（论文） - 26 - 索力 优化 后索塔控制截面的作用效应组合 见表 5 表 5力优化后索塔的作用效应组合 N（相应） V（相应） M N（相应） V（相应） M N（相应） V（相应） 截面2（截面3（塔根)注：表中截面高度从塔根算起，以弯矩作为控制内力 ；为方便内力组合，将作用短期、长期效应组合时温度梯度作用的 频遇值系数改为 样做也是偏于安全的。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 27 - 由 表 5 内力组合可以看出，索塔是一种压弯构件，首先验算使用 阶段 索塔 控制 截面的应力。根据公路桥涵设计通用规范 （ 60 2004）第 规定：按弹性阶段计算结构 应力 时应采用标准值，即采用内力组合标准值。 应力验算： 截面 3（塔根） 混凝土上下边缘的法向应力 ： 截面 2（ 混凝土上下边缘的法向应力 ： 00 截面 1（ 混凝土上 下边缘的法向应力 ： 00 由以上结果可以看出， 在使用阶段索塔的截面不会出现拉应力，可将索塔作为受压构件进行承载能力极限状态的强度验算，经计算，也是满足强度要求的，为安全起见 和 根据 一般经验， 对索塔沿高度方向可按 普通 钢筋混凝土结构 设计 。 因时间有限，不做此设计。 重庆交通大学毕业设计（论文） - 28 - 第 6 章 拉索设计 载 索力 表 6拉索及恒载索力一览表 拉索编号 拉索型号 面积(径(索理论重量(kg/m)恒载索力(许索力(1 195 107 050 2802195 107 053 2802195 107 060 2802195 107 100 2802195 107 125 2802656 114 135 3111656 114 169 3111656 114 242 3111349 119 324 3573349 119 407 3573349 119 499 3573349 119 520 3573811 124 690 3882811 124 775 3882811 124 860 3882273 131 035 4190273 131 125 4190273 131 121 4190273 131 059 4190273 131 135 4190197 136 205 4807197 136 325 4807197 136 461 4807197 136 451 4807197 136 440 4807195 107 063 2802195 107 060 2802195 107 061 2802195 107 090 2802重庆交通大学毕业设计（论文） - 29 - 拉索编号 拉索型号 面积(径(索理论重量(kg/m)恒载索力(许索力(5 195 107 105 2802656 114 132 3111656 114 187 3111656 114 255 3111349 119 310 3573349 119 394 3573349 119 488 3573349 119 510 3573811 124 683 3882811 124 767 3882811 124 863 3882273 131 054 4190273 131 125 4190273 131 141 4190273 131 071 4190273 131 132 4190197 136 198 4807197 136 314 4807197 136 450 4807197 136 454 4807197 136 456 4807注： （ 1）表中的索力均指拉索中点的拉力数值，且为单根拉索索力值；每一编号的斜拉索全桥总计 4 根。 （ 2）拉索每延米重量未包含外层防护重。 （ 3） 斜拉索采用 7强平行钢丝，b=1670许索力为安全系数 K= 索构造 斜拉索体系 由稀索向密索演变，或采用镀锌高强钢丝平行索，或采用钢绞线斜拉索。本桥为双塔单索面斜拉桥，斜拉索采用扇形布置，在主梁上索距为 塔上的索距为 外侧斜拉索的倾角为 25。为减小斜拉索的风振、雨振，在每根斜拉索上可设减震器。在其下端 围内外重庆交通大学毕业设计（论文） - 30 - 包不锈钢管，以保护斜拉索免受撞击或破坏。 本桥斜拉索采用塑包平行钢丝束，钢丝采用 7锌高强钢丝。钢丝同心绞合，最外层钢丝绞合角为 3 左旋。扭绞后的裸索外加缠包带，带宽 3040层重叠宽度应不小于带宽的 1/2，双层缠包，缠包袋右旋。 斜拉索外面包双层护套，内层为黑色高密度聚乙烯护套，外层为彩色高密度聚乙烯护套。双层护套一 次成型，要求拉索表面光滑平整。成品索由冷铸锚具、斜拉索等组装而成，各部分均应满足相应的规范及技术要求。 斜拉索选用 109、 121、 139、 151、 63、 187 六种类型，相应的锚具分别为 类锚具均采用张拉端锚具，同一规格冷铸锚具的相同部件具有互换性。 斜拉索构造图见图纸， 拉索编号与拉索类型对应关系见表 6索编号见桥型布置图。 表 6斜拉索分类表 拉索类型 6 9 6 9 锚具 丝束）及其锚具 应经过计算得出索力并验算通过后确定 。 构成斜拉索的 7强镀锌钢丝的主要机械性能为： 抗拉强度： 1670服强度： 1410长率：大于 4% 弹性模量： 510 劳应力幅： 360限应力 200 万次脉冲加载 ) 斜拉索在主 梁的横隔板处通过锚固块与主梁联结，这样将锚具藏于主梁内，增加美感。 斜拉索在索塔内采用平面预应力钢束布置锚固形式，以预应力钢束产生的外力，来平衡拉索索力在塔壁内产生的内力。 索下料长度 重庆交通大学毕业设计（论文） - 31 - 根据公路斜拉桥设计规范第 规定：拉索的下料长度是指拉索在设计温度下无应力状态下的下料长度。下料长度的确定首先应计算每根拉索的长度基数0L，再对之进行若干项修正，如初拉力作用下的弹性伸长修正、初拉力作用下的拉索垂度修正、张拉端锚具位置修正、固定端锚具 位置修正。当下料时的温度与设计温度不一致时，还应考虑温度修正值。 拉索在设计温度时的无应力下料长度计算公式（适用于冷铸锚具）为： 20 式中 L 拉索下料长度； 0L 每根拉索的长度基数，是该拉索上下两个索孔出口处在拉索张拉 完成后锚固面的空间距离；可通过对标高和拉索两端点位置的计算求得； 初拉力作用下拉索弹性伸长 修正； 初拉力作用下的拉索垂度修正； 张拉端锚具位置修正；如图 6示。最终位置可设定螺母定位于锚杯的前 1/3 处 ；由于本桥的斜拉索两端均采用张拉端锚具，故仅考虑张拉端锚具的位置修正，根据锚具的构造特点，位置修正 为 固定端锚具位置修正；如图 6示。可设定螺母定位于锚杯的1/2 处 ； 锚固板的厚度 , 拉索两端所需的钢丝墩头长度， d 为钢丝直径， d =7 弹性伸长量和垂度修正值可按下式分别计算： 0L / 22 4 2T 式中： 拉索设计应力； 重庆交通大学毕业设计（论文） - 32 - 拉索弹性模量； T 拉索设计拉力； W 拉索每单位长度重量。 图 6长计算示意图 本桥设计时认为工厂下料时的温度与桥梁设计中所取得设计温度一致，故在下料时考虑温度的修正值；并认为拉索采用无应力状态下料。 表 6拉索的下料长度一览表 拉索编号 L 0 L e L f L L d d 文） - 33 - 拉索编号 e文） - 34 - 拉索编号 L 0 L e L f L L d d 力验算 根据公路斜拉桥设计规范 ，拉索的容许应力应符合下列规定： 拉索的容许应力； 拉索的抗拉标准强度。 表 6力的内力组合 索号 自重 温度 汽车座沉降合I 组合许索力107 6880 52 749 8339 9614108 6902 785 8372 9614109 6922 820 8389 9614110 6650 74 504 8073 9614111 6410 225 7781 9614112 6270 995 7525 8380113 6118 816 7345 8380114 6242 964 7477 8380115 6250 965 7470 8380116 6070 734 7247 8380117 5720 265 6792 7764118 5550 048 6580 7764119 5380 834 6369 7764120 5040 385 5934 7146121 4998 344 5884 7146122 4814 57 137 5681 7146123 4648 948 5496 7146124 4484 5 5707 5261 6222125 4338 534 5097 6222126 4270 450 5017 6222重庆交通大学毕业设计（论文） - 35 - 索号 自重 温度 汽车座沉降合I 组合许索力127 4250 380 4952 5重庆交通 大学毕业设计（论文） - 36 - 第 7 章 索塔锚固区受力分析 述 斜拉 桥 索塔作为主要的受力构件之一， 结构的绝大部分恒载、活载都要通过索塔传至桥墩、承台及基础。索塔 锚固区在斜拉索索力作用下的 受力相当复杂，有局部受压（高应力集中）、横向框架的侧壁受弯 和 受拉 、 塔柱竖向受压等情况 ， 而索塔的安全可靠对整个结构至关重要，因此，需要对锚固区段作较详细的局部应力分析。 为了抵抗上塔柱在张力作用下的横向框架的弯矩和拉力，须在其侧壁内设置起箍筋作用的闭合预应力筋，可采用环向预应力筋，也可采用井字形预应力粗钢筋。锚索区预应力平面布置的传力机理是：锚索区 段除参与索塔的总体功能外，还将拉索的集中力传递到索塔侧壁内，进而逐渐传递到基础，为防止混凝土在拉索锚固力的作用下，开裂，将预应力作为外力施加到锚索区平面内，以平衡拉索锚固力所产生的内力。 索区受力 该桥桥塔塔冠区为单箱单室截面，在高度 40m 范围内有 25 对斜拉索锚固，斜拉索在塔冠上的标准索距为 拉索锚固在加强的塔壁内侧齿块上。计入恒、活、温度、支座沉降等最不利荷载组合，其索力的纵桥向水平分力的 组合值见表 7 表 7固区荷载组合一览表 索号 自重 温度 汽车座沉降本组合 短期组合 标准组合107 6880 52 097 6683 6778108 6902 114 6688 6782109 6922 117 6678 6774110 6650 74 792 6396 6495111 6410 493 6135 6239112 6270 225 5926 6017113 6118 015 5753 5840114 6242 094 5828 5920115 6250 039 5790 5876116 6070 776 5580 5662117 5720 303 5196 5268重庆交通 大学毕业设计（论文） - 37 - 118 5550 051 4989 5063119 5380 797 4780 4851120 5040 342 4405 4464121 4998 226 4302 4363122 4814 57 963 4076 4139123 4648 707 3857 3920124 4484 5 399 3605 3657125 4338 130 3378 3432126 4270 902 3187 3238127 4250 650 2986 3026128 4200 347 2741 2777129 4120 28 9 955 2424 2455130 4106 514 2072 2092131 4100 04 948 1615 1627132 4126 896 1570 1580133 4120 463 2030 2046134 4122 912 2391 2418135 4180 306 2707 2740136 4210 608 2948 2987137 4264 904 3179 3231138 4374 1 184 3406 3463139 4510 460 3631 3687140 4620 735 3842 3913141 4788 5 004 4062 4136142 4976 280 4288 4363143 5020 03 6 402 4387 4462144 5366 856 4752 4839145 5534 092 4950 5038146 5726 350 5168 5252147 6108 835 5568 5659148 6250 036 5742 5832149 6282 23 118 5818 5912150 6142 013 5741 5828151 6264 186 5895 5985152 6396 72 431 6098 6200153 6628 65 724 6356 6452154 6900 064 6654 6747155 6908 123 6718 6808156 6912 178 6779 6869重庆交通 大学毕业设计（论文） - 38 - 注：表中基本组合 、短期组合和标准组合均 为最大 组合 值 ，不考虑作用长期效应组合的影响。 塔冠区采用 凝土，按全预应力混凝土设计。 索力的纵桥向水平分力的 组合 值，沿塔高方向可分为 5 个索区段 控制： 按承载能力极限状态设计时，作用效应基本组合 的最大值 如下 表 7 表 7载能力极限状态 控制力 索区 双根索水平力(单根索水平力(锚下均布荷载（KN/m )25 21 8180 4090 1363320 16 7230 3615 1205015 13 6350 3175 1058312 9 5410 2705 901786 4460 2230 743351 3650 1825 6083 按正常使用极限状态设计时，作用效应 短期 组合 的最大值 如下表 7 表 7常使用 极限状态 控 制力 索号 双根索水平力(单根索水平力(锚下均布荷载（KN/m )25 21 6780 3390 1130020 16 5930 2965 988315 13 5200 2600 866712 9 4410 2205 735086 3630 1815 605051 2990 1495 4983 按 作用 标准值 直接 组合 的最大值 ，见下表 7 表 7准值 控制力 索号 双根索水平力(单根索水平力(锚下均布荷载（KN/m )25 21 6870 3435 1145020 16 6020 3010 1003315 13 5270 2635 878312 9 4470 2235 745086 3690 1845 615051 3030 1515 5050 注：表中的值是组合后的结果，主要用于验算使用阶段的 应力验算。 算分析 由于索塔节段在预加应力阶段即外加荷载时的受力分析不同于一般的梁式结构的分析，为简化分析工作，从塔冠中取出一个横断面，于是塔冠的受重庆交通 大学毕业设计（论文） - 39 - 力可归结为平面应变问题。计算采用二维杆系单元，在计算中将整个结构视为均质弹性体，未考虑普通钢筋的影响，也未考虑索力的垂直分力，再 对称面上根据对称性加定向支承。 图 7固区断面及受力示意图 注：图中 F 表示单根索作用在水平框架上的水平分力，其值 应根据 承载能力极限状态 、 正常使用极限状态 或 使用阶段 而 采用 相应的 表 77 7的值 。 取一个索塔标准索距段 为水平框架进行分析，单根拉索索力可近似为分布在锚下宽 30均布荷载，由此 根据对称性 建立平面杆系计算模型 7 面杆系计算模型 重庆交通 大学毕业设计（论文） - 40 - 肋 肋 图 7筋控制断面 按承载能力极限状态设计时， 作用效应基本组合如下 表 7 表 7载能力极限状态 基本组合 N d V d M d N d V d M 21 4090 0 0 16 3615 0 0 13 3175 0 0 9 2705 0 0 2230 0 0 1825 0 0 A 截面 BB 截面注：表中的值是组合后的结果，主要用于验算正截面的抗弯承载力。 按 正常使用极限状态设计时，作用效应基本组合如下表 7 表 7常使用 极限状态 短期组合 N s V s M s N s V s M 21 3390 0 0 16 2965 0 0 13 2600 0 0 9 2205 0 0 1815 0 0 1495 0 0 A 截面 BB 截面注：表中的值是按正常使用极限状态组合后的结果，主要用于验算正常使用阶段的抗裂验算和预应力筋的估算。 表 7准值组 合 重庆交通 大学毕业设计（论文） - 41 - N k V k M k N k V k M 21 3435 0 0 16 3010 0 0 13 2635 0 0 9 2235 0 0 1845 0 0 1515 0 0 A 截面 BB 截面注：表中的值是组合后的结果，主要用于验算使用阶段的 应力验算。 注：表 77 7轴力以拉力为正，弯矩以使索塔外壁受拉为正。 以 25 21 号索区段为例， 在使用阶段 每侧作用的单根索的水平力为3435索索力可近似为分布在锚下宽 30均布荷载即 11450KN/m，其受力特点是： 肋 肋 拉索作用下的两肋应力 （ 1）肋 1 处应力从 直线变化；肋 2 处应力从 变化，以上应力以拉应力为正。 （ 2）肋 2 内腔锚下压应力较大，故一方面设计中做好锚下构造钢筋的布置以减缓应力集中问题，另一方面要求平面预应力束作用时，不能在此产生较大的压应力，相反可以施加较小的拉应力，即预应力束应尽量布置在塔冠截面的外缘。 （ 3）在外力的作用下，塔冠断面呈框架受力状态，设计中不能只在斜拉索索力作用方向施加预应力，必须在肋 2 内也布置预应力钢束，以消除肋2的外缘拉应力。 本设计采用井字形预应力粗钢筋，较常用的环向预应力钢束相比较，粗钢筋在塔冠区可布置多层，从而 使塔冠区的受力更加均匀。在塔冠区域布置重庆交通 大学毕业设计（论文） - 42 - 的环向预应力钢束，由于索塔断面尺寸的限制，钢束的弯曲曲率半径较小（根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 （以下简称规范）第 规定：后张法预应力混凝土构件的曲线形预应力钢筋的曲线半径 对于斜拉桥桥塔内围箍用的半圆形预应力钢筋，半径在 右时，须采用特殊措施 ） ，预应力损失较大，经初步估算，仅预应力钢束与管道壁间的摩擦引起的预应力损失就达张力控制应力的近 30%，且施工困难。而采用预应力粗钢筋，预应力损失较小，可以更好的发挥预应力效应，且张拉吨位小，便 于施工，锚下集中应力也比环向预应力钢束小。 根据以上计算结果，进行预应力筋的布置。预应力体系采用 32 的精轧螺纹粗钢筋，标准强度为30拉控制应力值锚下控制张拉力 F=673 应力筋的估算 应力损失 根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第 规定：后张法预应力混凝土构 件在正常使用极限状态计算中，应考虑由下列因素引起的预应力损失： 预应力钢筋与管道壁之间的摩擦 1l锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩 2l混凝土的弹性压缩 4l预应力钢筋的应力松弛 5l混凝土的收缩与徐变 6l预应力损失值无可靠试验数据，可按经验公式计算。 在估算预应力筋时，不考虑4l与6l。 由 规范 ， 预应力混凝土构件，预应力钢筋的张拉控制应力值重庆交通 大学毕业设计（论文） - 43 - 对后张法构件为梁体内锚下应力）应符合下列规定： 精轧螺纹刚筋的张拉控制应力值 式中 预应力钢筋抗拉强度标准值，按规范表 2 的规定采用。 由规范 ， 后张法构件张拉时，预应力钢筋与管道壁之间的摩擦引起的预应力损失，可由下式计算： 1l e 1(7式中 预应力钢筋与管道壁之间的摩擦系数，因索塔锚固区的管道成型方式采用预埋金属波纹管，故 = 从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和（ 此处 =0； k 管道每米局部偏差对摩擦的影响系数， k = x 从张拉端至计算截面的管道长度，可近似地取该管道在构件纵轴上的投影长度（ m） ，肋 1 的 A A 截面处 x =5m，肋 2 的 B B 截面处 x = 由规范 ， 预应力直线钢筋由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失，可按下式计算： 2l (7式中 l 张拉端锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值（ ,按表 设计采用钢筋螺纹锚具，故需计入带螺帽锚具的螺帽缝隙 l =1 l 张拉端至锚固端之间的距离（ ，肋 1 处 l = 2 处l = 精轧螺纹钢筋的弹性模量，510 由规范 ， 预应力钢筋由于钢筋松弛引起的预应力损失终极值，可按下列规定计算： 精轧螺纹钢筋一次张拉5l= (7重庆交通 大学毕业设计（论文） - 44 - 表 7应力损失计算 损失a a l ( a l1 a l2 a l5 a l1 a l2 a l (p a)a a p ( 2)N p ( N)面 中为一根预应力钢筋的值。 应力筋的估算原则 根据在正常使用阶段按正常使用极限状态 的最不利组合内力 使截面上下缘不出现拉应力的原则，进行预应力钢筋根数的估算。 由下缘不出现拉应力，则： (7由上缘不出现拉应力，则： 0(7由式 (7求得预加力的下限式 (7求得预加力的下限存预 加力，然后根据 公式 (7出预应力粗钢筋的根数。 重庆交通 大学毕业设计（论文） - 45 - (7式中 每根预应力粗钢筋的截面面积。 由规范 可知， 估算预应力筋根数时，截面性质对计算应力或控制条件影响不大，可采用毛截面。 应力筋 布置 图 7固区预应力筋平面初始布置图 算预应力筋 A=； I=m ； 表 7面预应力筋的估算 索区 N s M s N n n 21 3390 020 16 2965 15 13 2600 12 9 2205 86 1815 51 1495 重庆交通 大学毕业设计（论文） - 46 - A=； I=m ； 表 7面 预应力筋的估算 索区 M s N n n n (对 ）25 21 020 16 15 13 12 9 86 51 注：表中预加力为预应力钢筋的合力； 经计算，可根据图 7行锚固区预应力筋的平面布置。 效预应力 预应力损失值1l、2l、5l已如前述，忽略 混凝土的弹性压缩4l(不采用分批张拉），下面计算混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失值6l： 由规范 ，由混凝土收缩、徐变引起的构件受拉区预应力钢筋的预应力损失，可按下列公式计算： 151,06 ；221ie (7 式中 构件受拉区全部纵向钢筋截面重心处由预应力产生的混凝土法向压应力 ，此时，预应力损失值仅考虑预应力钢筋锚固时的损失，不得大于传力锚固时混凝土立方体抗压强度的 学毕业设计（论文） - 47 - 倍； 预应力钢筋的弹性模量， 预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值， 构件受拉区全部纵向钢筋配筋率； A 构件截面面积，对后张法构件， i 截面回转半径，对后张法构件，2 ； 构件受拉区预应力钢筋截面重心至构件截面重心的距离； 构件受拉区全部钢筋截面重心至构件截面重心轴的距离； 0, 预应力钢筋传力锚固龄期为0t，计算考虑的龄期为 t 时的混凝土收缩应变，其终极值 0,按表 用 ； 0, 加载龄期为0t，计算考虑的龄期为 t 时的徐变系数，其终极值 0,可按表 用； 由规范表 据桥梁所处环境的年平均相对湿度 70% 90%, h 600， 传力锚固龄期和加载龄期均是 28d，查得 0,= 0,= 由公式 (7应力损失值6l的计算表如下： 表 7面预应力损失值6l重庆交通 大学毕业设计（论文） - 48 - 索区 E P 收缩系数 a EP a 变系数 p p ps a 21 5 16 5 13 5 9 5 5 5 7面预应力损失值6l索区 E P 收缩系数 a EP a 变系数 p p ps a 21 5 16 5 13 5 9 5 5 5 效预应力计算表下： 表 7面有效预应力(索区 25 21 20 16 15 13 12 9 86 51a l 面有效预应力(重庆交通 大学毕业设计（论文） - 49 - 索区 25 21 20 16 15 13 12 9 86 51a l 载能力极限状态 计算 算原则 由规范 桥梁构件的承载能力极限状态计算，应采用下列表达式： dd (7式中 0 桥梁结构的重要性系数，按公路桥涵的设计安全等级，一级、二级、三级分别取用 处取0= S 作用（或荷载）效应（其中汽车荷载应计入冲击系数）的组合设计值，按表 1 采用 ，当进行预应力混凝土连续梁等超静定结构的承载能力极限状态计算时，公式中的作用（或荷载）效应项应该为 0，其中 预应力（扣除全部预应力损失）引起的次效应； P 为预应力分项系数，当预应力效应对结构有利时，取 P =结构不利时，取 P = R 构件承载力设计值； R ( ) 构件承载力 函数 ； 重庆交通 大学毕业设计（论文） - 50 - 材料强度设 计值； 几何参数设计值； 应力次效应 图 7加力次内力计算模型 预应力（扣除全部预应力损失）引起次弯矩2 表 7次弯矩2M r M r M 21 16 13 9 注：表中 次 弯矩以使索塔外壁受拉为正 ，对 面有利，对 面不利。 预应力混凝土连 续梁等超静定结构的次弯矩可按等效荷载分析的弹性计算求得，由预加力产生的在构件截面上的次弯矩 2按下列公式确定： 2 1M 1 (7重庆交通 大学毕业设计（论文） - 51 - 式中 预加力（扣除相应阶段预应力损失）的等效荷载在构件截面 产生的总弯矩值； 1预加力（扣除相应阶段预应力损失）对净截面重心轴引起的主弯矩值； 预加力钢筋（扣除相应阶段预应力损失）的合力； 预加力钢筋合力的偏心距。 截面抗弯承载力计算 面抗弯承载力计算 图 7面承载力计算 （ 1） 求混凝土受压区高度（中性轴位置） x ： 由 X=0，得 7 (7重庆交通 大学毕业设计（论文） - 52 - 式中 受拉区纵向预应力钢筋的截面面积和抗拉强度设计值 。 预应力混凝土构件的截面受压区高度 x ，和普通钢筋混凝土构件一样，应符合下列要求： 0hx b(7式中 b 预应力混凝土受弯构件截面的相对界限受压区高度 ，此处取b= （ 2）承载力 计算 矩形截面若偏安全的略去非预应力钢筋的影响，则其正截面强度按下式计算 ： = 2)2( 020 =R （ 7 式中 弯矩组合设计值； 混凝土轴心抗压 强度设计值，按 规范表 用； 0h 截面有效高度，0h= ，此处 h 为截面全高； b 矩形截面宽度； 轴力 按承载能力极限状态 组合值，此处为拉力； 2 预应 力（扣除全部预应力损失）引起的次效应 。 面抗弯承载力计算 重庆交通 大学毕业设计（论文） - 53 - 图 7面承载力计算 （ 1） 求混凝土受压区高度（中性轴位置） x ： 由 X=0，得 (7 (7式中 受拉区纵向预应力钢筋的截面面积和抗拉强度设计值 。 预应力混凝土构件的截面受压区高度 x ，和普通钢筋混凝土构件一样，应符合下列要求： 0hx b(7式中 b 预应力混凝土受弯构件截面的相对界限 受压区高度，此处取b= （
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