桥梁工程专业本科毕业设计论文

本科毕业设计本科毕业设计 3 30m3 30m 连续刚构桥设计连续刚构桥设计 DesignDesign ofof 3 30m3 30m ContinuousContinuous Rigid FrameRigid Frame BridgeBridge 学 院 专 业 学生姓名 学 号 指导教师 2020 年 3 月 学士论文版权使用授权书 本学士论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学士论文的规定 特授权 北京交通大学可以将学士论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 提供阅览 服务 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 指导教师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 精品文档 i欢迎下载i欢迎下载i欢迎下载i欢迎下载i欢迎下载i欢迎下载i欢迎下载i欢迎下载i欢迎下载i欢迎下载i欢迎下载 中文摘要 摘要 摘要 连续刚构的结构特点是将连续梁的桥墩与梁部固结 从而减小支座处的负 弯矩和增强结构的整体性 由于桥墩一般属于小偏压构件 故与连续梁结构的桥墩相 比配筋不会增加很多 而梁体受力则更为合理 因而在同等条件下连续刚构要比连续 梁在经济性上更为合理 此外 墩梁固结在一定程度上避免了大吨位支座设计与制造 的困难 本课设以茅以升公益桥项目为背景 完成 3 30m 连续刚构设计 主要研究内容包 括 1 通过参考国内外城市公路规范及类似跨度桥梁设计方案 初步拟定所研究和 设计的刚构桥的主梁截面尺寸 2 应用桥梁有限元分析软件 MIDAS 建立素混凝土桥梁模型 进行荷载组合并对 其进行内力分析 根据分析结果估算各截面所需预应力钢筋的数目 同时结合一定的 工程实际 对其进行初步布置 3 应用 MIDAS 软件按悬臂法施工步骤建立包含预应力钢束的施工阶段桥梁模型 对各阶段进行强度检算 调试通过后得到最终合拢后的桥梁模型 4 依据设计规范对主梁关键截面进行强度检算和抗裂性检算 并绘制相关图纸 关键词 关键词 城市公路 预应力混凝土刚构桥 MIDAS 配筋计算 精品文档 ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载ii欢迎下载 ABSTRACT ABSTRACT ABSTRACT Continuous rigid frame is a continuous beam with bridge pier and girder consolidated together to reduce the negative bending moment of the support and strengthen the integrity of the structure Due to the bridge pier is a small eccentric compression member therefore compared with continuous beam bridge pier reinforcement does not increase a lot and the beam body stress is more reasonable thus under the same conditions of continuous rigid frame continuous beam is more than the economy In addition the pier girder consolidation is also to a certain extent overcome the difficulties of large tonnage bearing design and manufacture also saves pier beam in the process of continuous beam construction temporary rigid fixity meeting again after adjusting the construction process This subject set by the Mao Yishen Public benefit bridge as the background completes 3 x 30m continuous rigid frame design The main research contents include 1 by reference to design of urban high way bridges specification and bridges of similar span at home and abroad the research of prestressed concrete continuous girder bridge of girder cross section size is proposed 2 the application of bridge finite element analysis software MIDAS plain concrete bridge model is established the load combination and carries on the internal force analysis According to the analysis results to estimate the cross section required the number of prestressed reinforcement and carries on the preliminary layout 3 the application of MIDAS software according to the method of cantilever construction steps include construction of the prestressed steel beam bridge model is established the intensity is checked for each phase to be finally closed after debugging through the bridge model 4 according to the design specifications of main girder strength and crack resistance is checked on the key section is checked and draw the relevant drawings 精品文档 iii欢迎下载iii欢迎下载iii欢迎下载iii欢迎下载iii欢迎下载iii欢迎下载iii欢迎下载iii欢迎下载iii欢迎下载iii欢迎下载iii欢迎下载 Key words high speed railway Prestressed concrete continuous girder bridge The cantilever method MIDAS Reinforcement calculation KEYWORDSKEYWORDS urban high way bridge continuous rigid frame bridge the cantilever method MIDAS reinforcement calculation 精品文档 iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载iv欢迎下载 目 录 中文摘要中文摘要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 目目 录录 IIIIII 1 1 引言引言 1 1 2 2 设计基本资料设计基本资料 3 3 2 1 工程概况 3 2 1 1 主要技术指标 3 2 1 2 材料规格 3 2 2 设计标准和规范 3 3 3 方案比选方案比选 4 4 3 1 桥型方案拟定 4 3 2 连续刚构桥方案 5 3 3 连续梁桥方案 6 3 4 梁拱组合体系桥方案 6 3 5 方案比较和最优方案确定 7 4 4 结构尺寸拟定结构尺寸拟定 1010 4 1 截面形式 10 4 2 主梁截面高度 10 4 3 箱梁截面细部尺寸 10 4 3 1 箱梁腹板厚度 10 4 3 2 箱梁底板厚度 11 4 3 3 箱梁顶板厚度 11 5 5 MIDASMIDAS 模型建立及主梁内力分析模型建立及主梁内力分析 1313 5 1 模型建立 13 5 1 1 划分节点和单元 13 5 1 2 定义材料和截面特性 14 5 1 3 定义边界条件 15 5 2 荷载定义与添加 16 5 2 1 结构自重 二期恒载 16 5 2 2 整体升降温 17 5 2 3 支座沉降 18 5 2 4 移动荷载 19 5 3 荷载工况组合 20 5 4 运行分析 21 精品文档 v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载v欢迎下载 6 6 预应力钢筋计算及布置预应力钢筋计算及布置 2323 6 1 控制截面选取及截面特性计算 23 6 2 预应力筋配筋计算和布置 24 6 2 1 钢预应力配筋计算 24 6 2 2 预应力钢束布置 27 6 3 预应力损失计算 28 7 7 梁体验算梁体验算 3434 7 1 承载能力极限状态验算 34 7 1 1 正截面抗弯验算 34 7 1 2 斜截面抗剪验算 36 7 2 正常使用极限状态验算 38 7 2 1 抗裂验算 38 7 2 2 受拉区钢绞线最大拉应力验算 40 7 2 3 正截面混凝土最大压应力验算 42 8 8 施工方法流程简要介绍施工方法流程简要介绍 4646 9 9 结论结论 4747 参考文献参考文献 4848 致致 谢谢 4949 声声 明明 5050 附附 录录 5151 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 1 引言 桥梁是交通的重要设施之一 是跨越山沟 河流 道路 海峡和海湾的大型结构工 程 在公路 铁路 城市和农村道路以及水利等工程建设中 往往成为全线通车的关 键 熟话说要致富 先修路 随着公路和铁路建设的发展 桥梁建设在道路工程中所 占比重越来越大 尤其对于山岭地区 桥梁建设的发展 将会极大地推动该地区经济 的发展 2011 年时值茅以升先生诞辰 115 周年和基金会成立 20 周年 基金会决定启动茅以升 公益桥 小桥工程 项目 为我国西部少数民族偏远贫困地区的少年儿童架设安全 求学之桥 为高校土木工程专业的学子搭建社会实践和社会服务的平台 这一善举 得到教育部 住房和城乡建设部 交通运输部 铁道部 清华大学等高校和企业 科 研院所的热情支持 而本课题正是在此背景下所提出的 桥梁的分类方式有很多 如按结构体系分类 按用途不同分类 按桥梁跨径分类 按建造材料分类 按跨越障碍分类 按平面布置分类等 最常见的是按结构体系分类 由于本课题的设计对象是 3 30m 的连续刚构桥 所以后面将着重对中等跨度的刚构桥 进行介绍和分析 后面的施工方法和方案比选主要介绍的对象也是刚构桥 刚架桥是一种介于梁桥与拱桥之前的结构体系 它是由桥跨结构和墩台结构整体相 连的桥梁 其桥墩与主梁共同参与抵抗外荷载 受力特点是桥墩与主梁刚性连接 因 而在主梁端部存在负弯矩 从而减少了跨中截面出的正弯矩 此时支座不仅提供竖向 力同时还承担一部分弯矩 由于梁与柱的刚性连接 梁因柱的抗弯刚度而得到卸载作 用 整个体系不仅成为压弯结构 同时也是推力结构 刚架桥的所使用的材料主要为 钢筋混凝土 比较适合作为于中 小跨度的桥梁的建筑方案 在设计要求中需要较大 的桥下净空和建筑高度时 刚构桥也是一种比较有竞争力的桥下方案 对于连续刚构 桥的施工方法 常用的有悬臂施工和满堂支架两种 由于刚构桥的结构特点 悬臂施 工法在刚构桥施工中的使用率较高 悬臂浇筑法一般的顺序是先浇筑完桥墩部分 再 从桥墩开始 两侧对称进行现浇梁段 由于这种施工方式不需要跨间支架的设置 从 而使用少量机具设备 因此可以很方便的在跨越深谷和河流 以及大跨径连续梁桥施 工等施工条件下使用 但结合本设计课题的具体情况来看 满堂支架的施工方法更加 适合 因为对于 3 30m 的桥跨布置来说 由于跨度较小 而且又是等跨的桥梁 使用 悬臂施工的方法反而在具体施工操作上会有很多不方便的地方 相比之下 满堂支架 的施工方式能够保证桥梁受力结构在施工阶段与成桥阶段上的一致 对于小跨度的桥 支架的架设工作也相对比较简单方便 毕业设计的目的在于培养学生的综合能力 它是土木工程专业本科培养环节最后的 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 一个主要教学环节 也是最重要的综合性实践教学环节 和其他教学环节不同 毕业设计 要求学生关注学术动态 充分了解国内外桥梁设计的发展现状和趋势 并灵活运用大学 所学的各门基础课和专业课知识 结合相关设计规范 在指导老师的指导下 独立完成一 个专业课题的设计工作 解决与之有关的所有问题 熟悉相关设计规范 手册 标准图 集以及工程实践中常用的方法 具有实践性 综合性强的特点 在毕业设计中 学生独立系统地完成一项工程设计 因而对培养学生的综合素质 增强工程意识和创新能力具有其他教学环节无法取代的重要作用 通过毕业设计这一 时间较长的教学环节 学生独立分析问题 解决问题的能力以及实践动手能力都会有 很大的提高 还可以培养土木工程专业本科毕业生综合应用所学基础课 技术基础课 及专业课知识和相关技能 解决具体问题的能力 以达到具备初步专业工程人员的水 平 为将来走向工作岗位打下良好的基础 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 2 设计基本资料 2 1 工程概况 2 1 1 主要技术指标 1 设计活载等级 公路 I 级 2 设计速度 80km h 3 双向六车道 左 右两幅分离式 4 设计安全等级 一级 5 环境类别 I 类 6 桥涵设计洪水频率 1 100 7 抗震设防标准 地震动峰值加速度为 0 10g 相当于地震基本烈度 7 度 2 1 2 材料规格 1 梁体混凝土 C55 混凝土 2 桥面铺装及栏杆混凝土 C40 级混凝土 3 桥墩 桥台及地基基础混凝土 C30 混凝土 4 预应力钢筋及锚具 主梁纵向预应力钢筋选用高强度低松弛钢绞1915 24 j 线 公称断面面积为 对应锚具为 OVM15 19 115 24 j 2 140 00mm1860MPa b y R 2 2 设计标准和规范 1 中华人民共和国行业标准 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 2 中华人民共和国行业标准 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 2004 3 中华人民共和国交通部行业标准 公路桥涵施工技术规范 JTJ041 2000 4 中华人民共和国交通部行业标准 公路桥涵地基与基础设计规范 JTJ024 85 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 3 方案比选 3 1 桥型方案拟定 现对桥梁的形式进行方案比选 比选原则如下 1 安全与舒适性 整个桥跨结构及各部分构件 在制造 运输 安装和使用过程中应具有足够的强 度 刚度 稳定性和耐久性 以满足桥梁安全性的要求 现代桥梁设计越来越强调舒 适度 要控制桥梁的竖向与横向振幅 避免车辆在桥上振动与冲击 以满足桥梁舒适 性的要求 2 适用性 桥上应保证车辆和人群的安全畅通 并应满足将来交通量增长的需要 桥下应满 足泄洪等要求 建成的桥梁应保证使用年限 并便于检查和维修 3 经济性 设计的经济性应占较重要的位置 经济性除建桥费用 还应考虑未来综合发展及 养护和维修等费用 4 美观 一座桥梁 应与周围的景致相协调 有合理的结构布局和优美的轮廓是美观的主 要因素 不应把美观片面地理解为豪华装饰 在安全 适应和经济前提下 尽可能使 桥梁具有美观性 根据该桥的桥位地质 实际地形和水文资料 综合各备选方案上部结构形式及安 全性 经济性 施工条件等因素 最后比选出三种桥型方案 拟定备选方案如下 1 主跨为 3 30m 三跨连续刚构桥方案 2 主跨为 3 30m 三跨连续梁桥方案 3 主跨为 3 30m 梁拱组合体系桥方案 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 3 2 连续刚构桥方案 预应力混凝土连续刚构是将连续梁的桥墩与梁部固结 减小了支座处的负弯 矩 增强结构的整体性 结构上主墩无支座 施工体系转换方便 伸缩缝少 行 车舒适 顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度大 受力性能好 顺桥向抗推刚度小 对温变 混凝士收缩徐变及地震均有利 此外 墩梁固结也在一定程度上克服了 大吨位支座设计与制造的困难 也省去了连续梁施工过程中墩梁临时固结 合龙 后再行调整的这一施工环节 1 总体布置 本次设计任务所要求的桥跨布置为 3x30m 总长 90m 布置图如图 3 1 所示 图 3 1 连续刚构桥桥跨布置 2 上部结构设计 查相关规范可知 设计车速 80km h 条件下 车道宽度为 3 75m 右侧路肩宽 2 5m 左侧路肩宽 0 75m 人行道宽度为 0 75m 则单幅桥梁宽度为 15 25m 箱 梁顶板取 15 25m 由于该桥跨度为 30m 跨度较小 故全桥梁高不变 根据已建 成的桥梁资料分析 跨中梁高 H 可取范围为 1 12 1 20 L 取 H 1 12L 2 5m 箱 梁顶板厚取 25cm 全桥不变 箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚直至 墩顶 以适应受压要求 底板厚度约为梁高 1 10 1 12 跨中底板内需要配置一 定数量的钢索和钢筋 跨中底板厚度一般在 20 30cm 腹板应考虑最小厚度 若 腹板内有预应力管道布置时 可采用 25 30cm 腹板在支点处的最大厚度约为 30 60cm 综上 腹板及底板采用变截面 腹板厚度由跨中 40cm 厚逐渐过渡至墩顶 60cm 厚 底板厚度由跨中 30cm 厚逐渐过渡至墩顶 80cm 厚 底板厚度按二次抛物线变 化 以满足受力及桥梁线形上的需要 腹板厚度按直线变化 本桥方案由于桥面 宽度的要求 考虑采用单箱双室断面 以增强顶板局部稳定 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 3 下部结构设计 主桥桥墩采用单肢矩形截面实心墩 承担纵向水平力的作用 顶部与梁固结 主墩的基础采用桩基 可以大量减少基础工程量 4 桥台设计 桥台为钢筋混凝土重力式 U 型桥台 其它桥墩均为混凝土空心墩 基础为桩 型基础 3 3 连续梁桥方案 预应力混凝土连续箱粱是常用的一种桥梁结构形式 属于超静定体系 其在 恒载 活载作用下 产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用 使其内力状 态比较均匀合理 结构刚度大 变形小 动力性能好 丰梁变形挠曲线平缓 有 利于高速行车 可采用悬臂施工法 顶推法 逐跨施工法施工 充分应用预应力 技术的优点使施工设备机械化 生产工厂化 采用预制厂 预制主梁 然后安装 就位 张拉负弯矩钢筋 形成连续结构 施工速度快 1 总体布置 预应力混凝土连续梁桥与连续钢构桥布置一样 只是桥墩与梁部不固结 之 间采用支座连接 其布置如图 3 2 所示 图 3 2 连续梁桥桥跨布置 2 上部结构设计 连续钢构的细部尺寸大致与连续梁桥相同 3 下部结构设计 引桥桥墩采用圆柱式桥墩 桥墩直径为 1 5m 每一横截面共设有四个桥墩 每 一个桥墩下面设置 1 0m 直径的圆柱桩 中心距为 2 5 倍桩径 圆柱桩之间设置 横系梁 4 桥台设计 本方案中 桥下地基良好 桥台接线处填土高度大约为 10m 左右 采用构造简 单 费用较低的重力时桥台是比较合理的选择 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 3 4 梁拱组合体系桥方案 拱桥是我国公路上使用较广泛的一种桥型 拱桥与梁桥的区别 不仅在于外形 不同 更重要的是两者的受力性能有较大差别 拱桥结构在竖向荷载作用下 两 端将产生水平推力 正是这个水平推力 使拱内产生轴向压力 从而大大减小了 拱圈的截面弯矩 使之成为偏心受压构件 截面上的应力分布与受弯梁的应力相 比 较为均匀 因此 可以充分发挥主拱截面材料强度 使跨越能力增大 按照 主拱圈的截面形式 可分为板拱桥 肋拱桥 双曲拱桥 箱型拱桥和钢管混凝土 拱桥等 肋拱桥由于减轻了自重 减小了拱肋的恒载内力 相应活载内力的比重 增大 因此 在相同条件下 肋拱桥的跨越能力比较大 拱肋是肋拱桥的主要承 重结构 桥宽在 20m 以内时 一般采用双肋式 1 总体布置 拱桥单跨跨径 l 29m 共 3 跨 矢高 f 6m 矢跨比 f l 1 5 桥面宽为 15 25m 其总体布置如图 3 3 所示 图 3 3 梁拱组合体系桥桥跨布置 2 主拱圈结构设计 拱肋截面形式为矩形 则肋高 h 可取范围为 1 40 1 60 l 肋宽 d 可取范围为 0 5 2 0 h 则肋高 h 1 50 l 0 6m 肋宽 d 0 6m 两肋之间设置肋间横向支撑 每跨拱肋攻设置 14 道 3 拱上结构设计 拱上建筑为 5 20 的简支梁桥 拱与梁之间为双柱式墩 之间设置有横系梁已增 强其整体刚度 4 墩台设计 主拱墩及承台为两个分离式实体钢筋混凝土结构 其间用横墙连接 墩基为 钻孔灌注桩 主桥台为 U 型桥台 明挖扩大基础 3 5 方案比较和最优方案确定 设计方案的评价和比选要全面考虑各项经济技术指标 主要从工艺技术要求 使用效果 造价及用材等几个方面进行比较 综合分析每一个方案的优缺点 找 出关键所在 分清主次 探索出适合具体情况的最佳方案 按桥梁的设计原则 造价低 材料省 劳动力少和桥型美观的方案应是优秀方案 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载 以上三个方案的主要优缺点比较 如下表 3 1 所示 表 3 1 方案比选项目 方案 比较 项目 方案一 预应力混凝土连续刚 构桥 30 30 30m 方案二 预应力连续梁桥 30 30 30m 方案三 梁拱组合体 系桥 30 30 30m 主桥总跨 径 90m90m90m 经济性造价较低造价一般造价较高 结构特点 结构上主墩无支座 施工体系转换方便 伸 缩缝少 行车舒适 顺 桥向抗弯刚度和横桥向 抗扭刚度大 受力性能 好 顺桥向抗推刚度小 对温变 混凝士收缩徐 变及地震均有利 结构刚度大 变形 小 动力性能好 丰 梁变形挠曲线平缓 有利于高速行车 采 用悬臂浇筑法施工时 有临时固结 线形美观 能充分发挥材 料的性能 跨越能力大 缺点 敦梁固结 基础位移 以及温度作用下结构内 产生的附加内力较大 采用悬臂浇筑法施 工时存在临时固结和 拆除 需承载能力较 大的支座 在两侧桥墩 处产生较大的水 平推力 对基础 的要求较高 安全性 主体采用箱梁断面 刚度大 施工安全 采 用悬臂浇筑发施工 技 术成熟 工期有保障 质量可靠 主桥后期营 运养护费用较高 行车 平顺舒适 全桥跨度适中 用 技术先进的悬臂浇筑 法施工能安全的建成 且在施工过程中不需 大量施工支架和临时 设备 故施工方便 质量可靠 工期较短 全桥后期营运养护费 用最多 行车平顺舒 适 主桥跨度适 中采用分段缆索 吊装方法施工 施工方便 安全 引桥采用预制 T 梁 可工厂化预 制施工 质量可 靠 工期有保障 需采用大型的吊 装设备 后期营 运养护费用较高 行车平顺舒适 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 方案 比较 项目 方案一 预应力混凝土连续刚 构桥 30 30 30m 方案二 预应力连续梁桥 30 30 30m 方案三 梁拱组合体 系桥 30 30 30m 美观性 全桥线条简洁明快 但因其高跨比例不很协 调 影响桥型美观 桥型美观 是最 常见的城市桥梁类型 桥型美观 周围环境协调好 通过仔细比较 连续梁桥结构在受力性能上比起刚构桥不具有很明显的优势 而且因为所设计刚构桥的桥跨度较小 施工方法采用满堂支架的方法 支架架设 也比较方便 拱桥虽然桥型美观 但适用于较大跨度 小跨度采用拱桥不经济 而且拱桥施工相对较麻烦 工期也更长 而预应力混凝土刚构桥抗扭强度较大 受力性能好 所以本设计最终确定选择预应力连续刚构桥方案 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载 4 结构尺寸拟定 对于主梁尺寸 在方案比选中已得以讨论初步拟定 下面对具体拟定过程进 行介绍 拟定结果如下 4 1 截面形式 主桥采用预应力混凝土连续箱梁结构 计算跨度为 3 30m 截面采用单箱双 室 不变高度 变截面形式 连续箱梁是一种常用的桥梁结构体系 它具有变形小 结构刚度好 行车平顺舒适 养 护简易 抗震能力强等优点 箱形截面的整体性强 它不但能提供足够的混凝土受压面积 而且由于截面的闭合特性 因此 抗扭刚度大 抗弯强度也好 它是连续体系桥梁常用的截 面形式 4 2 主梁截面高度 从预应力混凝土连续刚构桥的受力特点来分析 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 因此采用变截面梁能较好的符合梁的内力分 布规律 但由于本桥的跨度很小 同时也是等跨的桥跨布置形式 因此悬臂法施工 法在实际施工上并不太适合 于是本桥的施工方式采用满堂支架法施工 而绝大 部分的变截面梁都是采用的是变梁高的形式 而在本桥中 考虑到满堂支架的施 工方法 采用主梁的截面高度不变 底板和腹板的厚度由跨中至墩顶逐渐加厚的 方式 根据经验 梁的跨度与支点梁高之比在 12 16 之间 而且随着连续梁跨度的 增加而减小 梁的跨度与跨中梁高之比在 20 24 之间 考虑到对平顺性要求 为了保证梁体的刚度 对梁高进行适当的加高 且跨中与墩顶截面高度一样 本桥中 梁高 h L 12 30 12 2 5m 取 h 2 5m 4 3 箱梁截面细部尺寸 4 3 1 箱梁腹板厚度 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 腹板确定经验公式 腹板总厚度 m 其中 B 为桥面总宽度 m L 为主跨跨度 m 1 5050 BL t 同时应满足构造要求 单个腹板厚度 t0 0 15m 根据经验 腹板厚度在墩顶处为 60cm 跨中为 40cm 中间变化段按线性变化 4 3 2 箱梁底板厚度 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 当采用悬臂施 工方法时 梁的下缘特别是靠近桥墩的截面承受很大的压力 箱形截面的底板应 提供足够大的承压面积 发挥良好的受力作用 在发生变号弯矩的截面中 顶板 和底板上都应各自发挥承压的作用 1 箱梁桥墩处底板厚度 箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而从跨中逐渐加厚直至桥墩处 以适应受 压要求 底板除需符合使用阶段的受压要求外 在破坏阶段还宜保持在底板以内 有适当的富余 本桥桥墩处底板厚度选用 80cm 2 箱梁跨中底板厚度 大跨度连续箱梁因跨中弯矩要求底板内需配置一定数量的钢束和钢筋 此时 跨中底板厚度取为 30cm 其余梁段的底板厚度沿跨径按二期曲线变化 4 3 3 箱梁顶板厚度 确定箱形截面顶板厚度一般考虑两个因素 满足桥面板横向弯矩的要求 满 足布置纵向预应力钢束的要求 箱梁断面顶板厚在全梁范围内一致取为 25cm 综上 墩顶截面与跨中截面具体尺寸如下 跨中截面如图 4 1 所示 支座处截 面如图 4 2 所示 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载 图 4 1 跨中截面 图 4 2 支座处截面 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 5 Midas 模型建立及主梁内力分析 在截面尺寸确定后 开始使用 MIDAS 有限元软件建立素混凝土模型 并对其 进行加载 分析其在荷载下的受力特性 具体方法是 1 通过 MIDAS 建立素 混凝土梁的有限元模型 通过加载直接查看内力 2 通过 MIDAS 对模型得出 的影响线 对模型进行最不利加载得出各项内力 组合 最后对两者进行校核 5 1 模型建立 5 1 1 划分节点和单元 划分节点和单元是结构分析的第一步也是很重要的一步 为保证各个特殊截 面的安全可靠 在所有可能的最不利截面处必须设置节点 且两节点间距离不宜 过大 以便分析各截面内力 找到最不利受力截面 从而进行计算配筋 以下根 据我的设计特点 简单总结以下几点选取节点的原则 1 几何体系不变 2 在合理模拟保证精度的情况下 应尽量减少单元数以降低计算的规模 3 为方便结构的计算以及今后的检算 在一些关键点如支座 变截面处 1 4 跨 1 2 跨 3 4 跨处要设节点 4 由于采用悬臂现浇施工方法 支座两端需对称施工 同时保证在同一支 座两端划分的梁单元重量大致相当 5 两节点间的距离不能过大 但也不必过小 根据以上原则 结合所设计梁的支座及变截面设置特点 模型共选取节点 59 个 其中主梁节点编号为 1 43 共 42 个单元 两个桥墩的节点编号分别为 44 50 51 57 各墩分为 6 个单元 模型节点和单元编号如图 5 1 5 2 所示 图 5 1 模型节点编号划分 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载 图 5 2 模型单元编号划分 5 1 2 定义材料和截面特性 根据预应力结构的要求 混凝土要使用标号不低于 C40 的高强度混凝土 本次 设计梁体选用了 C55 混凝土 桥墩 基础运用 C35 混凝土 预应力筋使用 standard1860 规范均采用 JTG04 RC 在材料属性中直接定义 具体定义如图 5 3 所示 图 5 3 模型材料定义 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载 根据已拟定的截面尺寸 需要在 MIDAS 中定义两种截面以及这两种截面的过渡 截面 在特性 截面数据 设计截面中输入相应尺寸数据即可得到两种截面 然后 在特性 变截面组中将两种截面赋予到变截面段的两端 并设置腹板厚度按一次 线性变化 底板厚度按二次曲线变化 这样就设置好了中间变截面段的截面特性 最后将各个截面特性赋予个对应的各个单元 这样就完成的梁体的定义 最后模 型外形如图 5 4 所示 图 5 4 Midas 模型外形图 5 1 3 定义边界条件 在 Midas 计算软件中 是通过某一节点的六个自由度即三个线位移和三个转 动位移来定义其约束情况的 连续刚构桥设计中 支座以其约束情况分为固定端 和活动铰支座两大类 本设计中采用纵桥向线位移自由的单向活动支座和固定支 座 本桥模型中共设置有 4 个支座 各支座约束情况和对应节点如下表所示 表 5 1 支座布置 支座节点 DxDyDzRxRyRz 158011100 255111111 351111111 459011100 同时还需在支座节点与梁端节点以及墩顶节点与梁体上相对应节点之间设置 弹性连接中的刚性连接 以此来模拟刚构桥墩梁固结的结构特点 模型边界条件 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载 定义示意图如图 5 5 所示 图 5 5 模型边界条件定义示意图 5 2 荷载定义与添加 在模型建好之后 就需要对其施加荷载分析其内力 在这一阶段 根据公路 桥梁的受力特点 考虑主力及主力和附加力的影响 本桥中考虑的荷载和作用有 结构自重 二期恒载 整体升降温 支座沉降 以及移动荷载 5 2 1 结构自重 二期恒载 在荷载 静力荷载 自重中定义结构自重荷载 考虑到自重作用的方向以及 钢筋重量的影响 取 1 04 的 Z 方向的自重系数 二期恒载指的是铺装 人行道 栏杆 防撞墙等等在主梁建好之后加上的恒载 一般就根据厚度 宽度来计算 单位按 kN m 计 经过查找规范和参考相关设计 本设计给出的二期恒载取值为 35kN m 在软件中采用梁单元荷载 连续 来模拟 其定义过程如下图所示 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载 图 5 6 自重 二期恒载定义 5 2 2 整体升降温 在荷载 温度 预应力 系统温度中定义结构整体升降温作用 本桥考虑 25 的整体升降温作用 其定义过程如下图所示 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载 图 5 7 温度作用定义 5 2 3 支座沉降 本桥设计考虑支点不均匀沉降 相邻支点间 0 01m 定义支座沉降的节点为 44 51 58 59 在 Midas 中采取添加支座沉降组的方法进行模拟 定义过程如 下图所示 图 5 8 支座沉降定义 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载 5 2 4 移动荷载 在 MIDAS 中定义移动荷载需要先定义车道 然后定义车辆 最后形成移动荷 载工况 在本桥设计中 梁上共设有 3 条车道 每个车道宽度为 3 75m 由于桥面设 计采取左右两幅分离的方式 三条车道行车方向一致 同时应急车道不设置移动 荷载 车道布置图如图 5 9 所示 定义车辆时选择 公路工程技术标准 荷载 类型选择 CH CD 车辆定义如图 5 10 最后定义移动荷载工况如图 5 11 所示 图 5 9 车道定义 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载 图 5 10 车辆定义 图 5 11 移动荷载工况定义 5 3 荷载工况组合 桥梁结构按极限状态法设计时 分为两种极限状态 即正常使用极限状态和 承载能力极限状态 对于这两种极限状态 应按相应的荷载组合规律进行内力组 合 一 按承载能力极限状态组合 基本组合 永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合 其效应组 合表达式为 0Sud 0 Gik11 2 n QQ kcQjQjk j SS m i 1 或 0Sud 0 Gid1 2 n Q dcQjd j SSS m i 1 式中 作用承载极限效应组合设计值 ud S 可变作用效应的频遇值系数 Qj r 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载 可变作用效应的频遇值 QjQjk r S 二 公路桥涵结构按正常使用状态设计时根据不同要求采用以下两种组合表 达式 作用短期效应组合 1 11 mn sdGikjQjk ij SSS 式中 作用短期效应组合设计值 sd S 可变作用效应的频遇值系数 1j 可变作用效应的频遇值 1jQjk S 作用长期效应组合 2 11 mn ldGikjQjk ij SSS 式中 作用长期效应组合设计值 ld S 可变作用效应的频遇值系数 2 j 可变作用效应的准永久值 2 jQjk S 则各工况下各荷载作用组合系数已经在 Midas 中对应的组合名称如表 5 2 所 示 表 5 2 内力组合 荷载组合类型编号 对应 Midas 组 合名称 类型 整体 升温 整体 降温 移动荷 载系数 人群荷 载系数 恒荷载 系数 徐变系 数 收缩 系数 支座沉降 CLCB2 相加 1 41 121 21 01 01 0 CLCB3 相加 0 81 40 81 21 01 01 0 承载能力极限状 态 CLCB4 相加 0 81 40 81 21 01 01 0 CLCB9 相加 0 71 01 01 01 0 CLCB10 相加 1 00 71 01 01 01 0 正常使用极限状 态短期效应 CLCB11 相加 1 00 71 01 01 01 0 CLCB12 相加 0 40 41 01 01 01 0 CLCB13 相加 1 00 40 41 01 01 01 0 正常使用极限状 态长期效应 CLCB14 相加 1 00 40 41 01 01 01 0 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载 5 4 运行分析 在模型建立完成 荷载组合工况定义玩之后 就可以进行内力运算 从而得 到结构的内力图 最后通过所有工况下内力包络图 就可以得到各截面最不利内 力组合 用于后面的预应力配筋计算 经 Midas 计算得到的结构弯矩包络图如图 5 12 所示 图 5 12 最不利组合下结构弯矩包络图 5 5 内力计算 梁体控制截面处内力的计算 一般分恒载和活载俩部分 对于恒载 如自重等 借助软件可直接得到相应荷载作用下计算截面的内力 对于活载 则需要先得到 该截面各项内力的影响线 通过影响线确定这种活载的最不利布置 进而求得该 项荷载作用下计算截面的内力 以中跨跨中为例 中跨跨中弯矩和剪力影响线如图 5 13 图 5 14 所示 图 5 13 中跨跨中截面弯矩影响线 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载 图 5 14 中跨跨中截面弯矩影响线 精品文档 24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载 6 预应力钢筋计算及布置 通过 Midas 软件对素混凝土梁建模分析 初步得到梁上各个截面的内力 从 而得到各个截面的最不利内力 对于连续刚构 支座处受到负弯矩的作用上部受 拉 跨中受到正弯矩的作用下部受拉 为保证各个截面都能满足强度要求 需要 对其分别进行配筋计算 配筋计算出最初的预应力钢筋布置后 再规范要求进行 各项验算 根据验算结果 对初定截面和钢筋布置进行相应的调整 直到通过所 有验算为止 6 1 控制截面选取及截面特性计算 为了通过公式估算预应力束的钢绞线根数 必须先取出几种控制截面以及截 面的几何特性 下面为计算的截面及其所对应 MIDAS 模型的节点号 如表6 1 所示 表 6 1 计算的截面及其所对应 MIDAS 模型的节点号 主梁控制 截面 边跨八 分之一 点截面 边跨四 分之一 点截面 边跨 跨中 截面 边跨四分 之三点截 面 边跨八分 之七点截 面 墩顶截面 中跨八分 之一点截 面 中跨四分 之一点截 面 中跨八分 之三点截 面 中跨 跨中 截面 左边跨 3571011 中跨 1315172022 下面计算主梁控制截面的毛截面几何特性 计算结构见表 6 2 表 6 2 控制截面毛截面几何特性 截面编号 3571011 混凝土面积 A12 017512 017512 353515 473717 1475 上截面抗弯模量 Wu9 6266147589 62661489 701976910 04946310 053598 下截面抗弯模量 Wb7 9427653677 94276548 17460210 64206911 399112 上缘预应力钢筋重心 至截面重心距离 eu0 98020 98020 99321 13581 1784 下缘预应力钢筋重心 至截面重心距离 eb1 16981 16981 15681 01420 9716 截面上核心距 Ku0 6609332530 66093330 66172360 6877520 6647682 截面下核心距 Kb0 8010496990 80104970 78536260 64945450 5863011 截面惯性矩 I10 8810 8811 091312 921613 3552 形心距上翼缘距离 Su1 13021 13021 14321 28581 3284 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载 表 6 2 续 形心距下翼缘距离 Sb1 36981 36981 35681 21421 1716 每股预应力钢筋面积Apl 19x7 5 0 002660 002660 002660 002660 00266 预应力钢筋永存应力 pc 0 7fpk 930000000930000000930000000930000000930000000 截面编号 1315172022 混凝土面积 A17 612517 503216 373112 017512 0175 上截面抗弯模量 Wu10 046389829 97457750 9947159 62661489 6266148 下截面抗弯模量 Wb11 5401804911 4742821 12079977 94276547 9427654 上缘预应力钢筋重心 至截面重心距离 eu1 18651 18741 17450 98020 9802 下缘预应力钢筋重心 至截面重心距离 eb0 96350 96260 97551 16981 1698 截面上核心距 Ku0 6552267130 65555340 06845370 66093330 6609333 截面下核心距 Kb0 5704124810 56987170 0607530 80104970 8010497 截面惯性矩 I13 42713 341 317510 8810 88 形心距上翼缘距离 Su1 33651 33741 32451 13021 1302 形心距下翼缘距离 Sb1 16351 16261 17551 36981 3698 每股预应力钢筋面积Apl 19x7 5 0 002660 002660 002660 002660 00266 预应力钢筋