预应力混凝土连续箱梁形桥设计.doc

预应力混凝土连续箱梁形桥设计摘要第一章 桥型方案比选1.1 构思宗旨（1）（1）符合市发展规划，满足当地快速发展的经济的交通需要，分孔分跨与原桥位错开。（2）桥梁结构造型简洁、轻巧，不与原桥型相似，形成当地一道新的风景线，以体现当地的经济发展实力，和现代建桥风格，国家的建桥水平。（3）设计方案力求结构新颖，尽量采用新式桥型，既要满足美观要求，又要是受力合理，结构力线鲜明，轻盈可靠且施工方便。1.2、比选标准：主要依据安全、功能、经济和美观。其中以安全和经济为重。至于桥梁美观，要视经济与环境条件而定。本设计桥梁的形式可考虑斜拉桥、简支梁桥、连续梁桥三种形式。从实用、安全、经济、美观、环保以及占地与工期多方面比选，最终确定桥梁形式。桥梁设计原则：（1）实用性。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。（2）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。（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。 桥面根据通行要求布置3车道，上部结构采用单箱单室结构形式，箱宽12.75m。因基础底面土质较差，采用桩柱式桥墩，桥台采用桩柱式桥台，墩台均采用嵌岩桩基础。顺桥向主梁尺寸拟定（1） 梁高：根据桥下通车线路情况，支点处梁高取2.126m（高跨比为1/37.16）；跨中梁高取2.00m(高跨比为1/39.5)。（2） 梁底曲线：选用二次抛物线。以跨中梁底为原点，曲线方程为：；以支点梁底为原点，曲线方程为。横桥向的尺寸拟定上部结构根据通行要求布置3个车道，两侧各有1.5m宽的人行道，采用单箱单室结构形式，主梁截面细部尺寸见图1-2所示。桥面铺装和线性的选定（1） 桥面铺装：选用8cm厚C50防水混凝土作为铺装层，上加6cmAC-20I中粒式沥青混凝土，其上再加4cmAK-13A型沥青混凝土抗滑表层。（2） 桥面横坡：去1.5%，该坡度由箱梁顶板双向横坡来设置。（3） 竖曲线：考虑两岸的引桥坡度和桥面标高，具体拟定如下：左边自0号桥台起至主跨跨中为直线。其坡度为2%，右边自3号桥台起自主跨跨中亦为直线，其坡度为2%。技术标准及设计参数1、 设计荷载车道荷载为公路-I级；人群荷载为3.5KN/m2。2、 主要设计参数（1） 混凝土：预应力混凝土连续梁采用C50混凝土。（2） 钢筋：预应力钢筋采用15.245钢绞线（极限抗拉强度1860Mpa）；非预应力钢筋采用符合新规范的R235,HRB335钢筋。凡钢筋直径12毫米者，采用HRB335(20MnSi)热轧螺纹钢；凡钢筋直径12毫米者，采用R235钢。（3） 预应力钢束特性：预应力管道为钢波纹管，管道偏差系数k=0.0015/m;摩擦系数u=0.23;钢筋回缩和锚具变形为每侧6mm,两端张拉，张拉控制应力。 63 桥面板的计算 6.3.1 主梁桥面板按单向板计算 根据公桥规4.1.1条规定，因长边与短边之比为33.4/8=4.1752，故按照单向板计算，人行道及栏杆的重量为5.83KN/m。1 恒载内力以纵向取1m的板条计算 每延米板上的恒载g 沥青混凝土找平层及抗滑层：钢筋混凝土面层：将承托的面积平摊于桥面板上，则：主梁的自重：合计：(1) 计算 计算跨径：m，取(2)计算=5.25于每米宽板条上的剪力为： 2.活载内力公路I级车辆荷载后轮轴重为P=140KN，着地长度为，宽度为。板上荷载分布为： 有效分布宽度计算：两后轮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： 所以：a=5.153，说明支点处有效分布宽度无重叠。可得板的有效分布宽度图，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。作用于每米宽板条上弯矩为（见图2）： 作用于每米宽板条上的剪力为： 内力组合：由于，所以：跨中弯矩支点弯矩2.主梁桥面板悬臂板的计算（悬臂板长度按长悬臂计算）根据公桥规条文说明第4.1.5条规定：当悬臂板长度时，悬臂根部负弯矩约为按规范计算方法的1.151.30倍。通过计算，对的长悬臂版，取1.2倍。1.恒载内力以纵向梁宽为1m的板梁计算每延米板上的恒载g沥青混凝土找平及抗滑层：钢筋混凝土面层：人行道及栏杆：主梁的自重：合计：每米宽板条的恒载内力弯矩 剪力 2活载产生的内力一个车轮荷载对于悬臂根部的有效分布宽度：后轮的有效分布宽度发生重叠，应一起计算其有效分布宽度。车辆荷载纵向2个车轮对于悬臂板根部的有效分布宽度为：有效分布宽度见图3。.作用于每米宽板条上的弯矩为：考虑到长悬臂对结构的影响，需乘以1.2系数，即：作用于每米宽板条上的剪力为： 3行车道板的设计内力 故箱形梁腹板顶板处的设计弯矩为：箱形梁顶板中间截面的设计弯矩为：支点处的设计剪力为：3桥面板配筋 1支点处配筋，沿纵向取1m宽板条计算 混凝土强度等级为C50，钢筋采用HPB335，则。截面计算高度： 将各参数代人数值： 整理后得到： 取。2跨中处配筋，沿纵向取1m宽板条计算 将各参数代人数值： 整理后得到： 取。 3抗剪验算 故无需再进行专门的配筋设计。6.4 建立计算模型1、 使用软件：Dr.Bridge3.02、 外部环境特性计算相对湿度80%；不均匀沉降考虑为1/3000；桥面板与其它部分的温差为。3、 单元划分根据该桥梁构造特点，共划分64个单元，如图4、 施工阶段划分按照该桥梁实际施工工序，首先交租1号墩和2号墩的0号块并设置临时固定支座安装挂篮并分别对称浇筑1号墩和2号墩的1号块分别对称浇筑1号墩和2号墩的2号块分别对称浇筑1号墩和2号墩的3号块分别对称浇筑1号墩和2号墩的7号块分别支架现浇两边跨的10号块分别合拢两边跨的9号块并拆除临时固定支座合拢主跨跨中8号块铺装桥面及设备安装完工使用阶段。根据各施工阶段的施工顺序，由桥梁博士软件建立桥梁计算模型（）。5、 荷载信息桥梁模型在建立的过程中，需输入施工荷载和使用荷载，以模拟实际桥梁受力状况。（1）施工荷载 永久荷载：永久性作用于结构上的荷载，如结构横梁重量、二期铺装等； 临时荷载：一般为施工机具等荷载，下阶段将自动去除； 施工荷载：一般在需要验算某阶段几种加载情况下，结构安全性是否满足要求，一般只在特殊的阶段需要验算； 临时荷载与施工活载：临时荷载将计入本阶段的累计效应中（本阶段结束是结构效应）；施工活载则不计入到本阶段累计效应中，仅在本阶段施工阶段验算中计入到本阶段组合效应中；升温与降温：是作为施工活载处理；平均温度：是作为永久荷载处理的。平均温度的效应是指前一阶段的平均温度与本阶段平均温度的差值作为本阶段的温度荷载来计算的；施工阶段温度荷载一般在设计阶段不予考虑，因为设计阶段对结构的温度场还不明确，一般在施工控制中才需计算。（2）使用荷载 结构在使用阶段车道荷载为公路-I级、人群荷载、升温和降温温差、非线性温度、收缩徐变、支座不均匀沉降等。 根据建立的模型，利用桥梁博士软件对结构进行计算，可得到个截面内力值。恒载内力的计算 恒载内力主要包括结构自重内力和二期恒载内力的内力叠加。一期恒载和二期恒载由所建立的有限元计算模型输出但愿结果信息中引用。 一期恒载：程序按截面尺寸信息自动计入； 二期恒载：含铺装层和栏杆中，按78KN/m计入。 结构重力的作用效应见表1及图6。表1 结构重力的作用效应活载内力计算活载的内力计算主要通过有限元软件计算模型，输入使用阶段活载所加载的相关参数得到。1 横向分布系数的计算对于整体箱梁、整体板梁等结构，其横向分布系数就是其所承受的汽车总列数，考虑横向折减及偏载后的修正值。根据桥规4.3.1条规定，当桥涵设计车道数大于2时，由汽车荷载产生的效应应进行折减，但折减后的效应不得小于设计车道数为2的荷载效应。大跨径桥梁上的汽车荷载还应考虑纵向折减。箱梁计算得到的偏载系数为1.15，对于本桥桥面为3车道的整体箱梁计算时，横向分布系数应为：。在桥梁博士有限元计算程序中，对于整体箱梁、整体板梁等结构，若如实填写人行道宽（或满人宽度），则人群荷载的横向分布系数填1.2 活载内力的计算（1） 冲击系数计算 桥规4.3.2条条文说明对连续梁桥正弯矩段与负弯矩段的基频与的计算有：因此，根据桥规4.3.2条有：正弯矩段：负弯矩段：（2） 活载作用内力 汽车荷载作用下的内力计算公式为：人群荷载作用下的内力计算公式为：3.计算结果 表2表5给出了汽车使用阶段的加载结果。表2 汽车使用阶段内力表3 汽车使用阶段内力表4 汽车使用阶段内力表5 汽车使用阶段内力相应人群荷载所产生的荷载效应，可以查看有限元模型的计算结果。66 温度及支座沉降次内力计算2. 温度引起的内力计算由于连续梁只有一个横向支座，所以整体温变对梁体的内力没有影响，在这里只考虑桥面板由于日照等因素产生梯度稳定效应，根据桥规4.3.10条规定，桥面板表面竖向日照正温差计算基数取14，取5.5，竖向日照反温差乘以-0.5。按以上规定有桥梁博士有限元软件程序可算出不均匀温度引起的内力。3. 支座位移引起的内力计算由于各个支座出的竖向支座反力和地质条件的不同引起支座的不均匀变位，连续梁是一种超静定结构，对支座的不均匀沉降特别敏感，所以由它引起的内力是构成内力的重要组成部分。其计算方法是：三跨连续梁的四个支点中的每个支点分别下沉2cm，其余的支点不动，所得到的内力进行叠加，取最不利的内力范围。 内力组合根据桥规4.1.6条和4.1.7条规定，进行承载能力极限状态的内力组合和正常使用极限状态的内力组合。1. 承载能力极限状态的内力组合组合1：基本组合考虑永久作用：结构重力、基础沉降；考虑可变作用：汽车荷载、温度梯度作用。则基本组合作用效应表达式见式（4-3）或式（4-4）。2. 正常使用极限状态的内力组合1. 短期组合考虑永久作用：结构重力、基础沉降；考虑可变作用：汽车荷载、温度梯度作用。则短期组合作用效应表达式见式（4-5）。2.长期组合 考虑永久作用：结构重力、基础沉降； 考虑可变作用：汽车荷载、温度 梯度作用。 则长期组合作用效应表达式见式（4-6）。3. 内力组合按照桥规要求和以上计算结果，可进行承载能力极限状态组合和正常使用极限状态组合。组合结果用来按承载能力及按应力估算钢束，这里只简要给出承载能力极限状态与正常使用极限状态组合的弯矩和剪力包络图， 弯矩包络图 剪力包络图6-7 承载能力极限状态内力包络图 弯矩包络图 剪力包络图6-8 正常使用极限状态内力包络图68预应力钢束数量的确定及布置预应力混凝土截面配筋，是根据前面两种极限状态的组合结果，确定截面受力的性质，分为轴拉、轴压、上缘受拉偏压、下缘受拉偏压、上缘受拉偏拉、下缘受拉偏拉、上缘受拉受弯和下缘受拉受弯8种受力类型，分别按照相应的钢筋估算公式进行计算。估算结果为截面上缘配筋和截面下缘配筋，此为截面最小配筋，为安全起见可根据经验适当放宽。 需要说明的是，之所以称为钢束“估算”，是因为计算中使用的组合结果并不是桥梁的真实受力。确定钢束需要知道个截面的计算内力，而布置好钢束钱又不可能求得桥梁的真实受力状态，故只能称为“估算”。此时与真实受力状态的差异由以下四方面引起：未考虑预加力的作用；未考虑预加力对徐变、收缩的影响；未考虑（钢束）孔道的影响；各钢束的预应力损失值只能根据经验事先拟定。1. 预应力钢束数量的确定根据各个截面正截面抗裂要求，确定预应力钢束数量。根据公桥规6.3.1条规定，正截面抗裂应满足下列条件要求： 全预应力混凝土构件，在作用（或荷载）短期效应组合下，分段浇筑或砂浆接缝的纵向分块构件应满足式（4-36）要求。配置主梁纵向预应力筋的目的是使预应力混凝土梁在预应力和使用荷载共同作用下截面上、下缘均不产生拉应力截面上、下缘均不出现拉应力，即应满足式（4-65）、式（4-66）要求。由预应力钢束所产生的截面上、下缘产生的有效预压应力分三种情况讨论：1截面上、下缘均配置预应力筋 由预应力钢束及在截面上、下缘产生的应力分别由式（4-69）和式（4-70）计算；上、下缘所需钢束的面积的面积由式（4-73）计算。2只在截面下缘配置预应力筋时 由下缘预应力钢筋在截面上、下缘产生的应力分别由式（4-74）和式（4-75）计算；由截面下缘不出现拉应力来控制，下缘所需的有效预加力由式（4-76）计算；再由式可估算出下缘截面所需的钢束的面积。3只在截面上缘配置预应力筋时 由上缘预应力钢筋在截面上、下缘产生的应力分别由式（4-77）和式（4-78）计算；由截面上缘不出现拉应力来控制，上缘所需的有效预加力由式（4-76）计算；再由式可估算出下缘截面所需的钢束的面积。 拟采用钢绞线，单根钢绞线的公称截面面积，抗拉强度标准值，张拉控制应力取，预应力损失按张拉控制应力的20%估算。所需预应力钢绞线的面积为： 有“桥梁博士”软件估算结构配筋面积可得到正常使用极限状态短期荷载效应组合，各截面所需预应力钢束的截面面积，见表6.表6 预应力钢束估算面积表（） 表6仅示出半跨结构的预应力钢束面积，另半跨与之对称。 根据估算的预应力钢束的截面面积，上缘采用 表7 预应力钢束表节点号上缘估算束数上缘实配束数下缘估算束数下缘实配束数节点号上缘估算束数上缘实配束数上缘实配束数下缘实配束数1142153164175186197208219221023112412251326 注 另半梁预应力钢束成对称布置预应力束的布置1.布置原则（1）为避免梁体产生横向弯曲，预应力筋应在截面上对称布置，各施工阶段都要满足对称布置的原则；（2）为满足布置、锚固等需要，预应力筋在梁体内可以平弯和竖弯，但要避免平弯和竖弯的叠加，且平弯和竖弯（不包括抗剪因素）的角度不宜大于，半径不能小于4m,常取大于8m的数值，为了简化构造和减少预应力损失，应尽量减少或避免平弯，避免使用多次反向曲率变化的连续束；（3）现阶段有取消为抗剪而弯索的趋势，弯索应尽量布置在腹板及梗肋内，锚固在截面轴附近，尽量以S型曲线锚固，以消除锚固点产生的横向力；（4）顶、底板的预应力筋应适量集中布置在腹板及梗肋等混凝土较厚的位置，而不宜采用均匀分散的布置方式，底板束一般都平行于底板布置；（5）为防止中间支点处因偏心距较大的锚固力作用而导致梁下缘开裂，通常在梁上、下缘布置几束直线通长束；（6）若预应力钢筋数量较多而不得不在板的中部布筋时，应尽量避开横向正弯矩较大区域，应满足构造要求；（7）力筋较多时可分层布置，先锚固或弯起靠近腹板中部的力筋，尽量使管道上下对齐，以便浇注和振捣，不宜采用梅花型布置，特别当管道间距较小时；（8）为了便于计算，应尽量减少预应力钢筋的类型；（9）本桥采用预埋金属波纹管，根据公桥规9.4.9条规定，直线管道的净距不应小于40mm,且不宜小于管道直径的0.6倍，其竖直方向可将两管道叠置；（10）根据公桥规9.4.10条规定，后张法预应力构件的曲线语言了钢束的曲率半径不宜小于4m。1. 钢束的布置全桥预应力钢束的布置情况，可参考施工图，先选取部分截面断面，画出钢束布置图，其余可在后施工图中查阅。 预应力损失计算由于施工中预应力钢束的张拉采用后张法，故按公桥规6.2.1条，应计算以下各项预应力损失：1.预应力钢束与管道壁之间的摩擦损失按式（4-29）计算；2.锚具变形、钢束回缩引起的应力损失按式（4-30）计算；3.分批张拉时混凝土弹性回缩引起的应力损失按式（4-32）计算；4.预应力钢筋的应力松弛损失按式（4-33）计算；5.混凝土收缩和徐变引起的预应力损失可按式（4-34）计算；这里的各项预应力算是由桥梁博士程序直接得出。梁的截面特性计算由于强度和应力验算中用到的截面各有不同，故应计算各截面的净截面特性和换算截面特性，此计算过程由程序进行，结构见表6。表8 截面特性计算结果表节点号截面截面高度h(m)截面特性A（)I（）（m）1净截面换算截面2净截面换算截面3净截面换算截面4净截面换算截面5净截面换算截面6净截面换算截面7净截面换算截面8净截面换算截面9净截面换算截面10净截面换算截面11净截面换算截面12净截面换算截面13净截面换算截面14净截面换算截面15净截面换算截面16净截面换算截面17净截面换算截面18净截面换算截面19净截面换算截面20净截面换算截面21净截面换算截面22净截面换算截面23净截面换算截面24净截面换算截面25净截面换算截面26净截面换算截面预加力次力矩和徐变次内力计算1.预加力产生的次内力由于预加力次力矩的计算在电算程序中已经全部考虑，故这部分的计算不再进行。这里仅就次力矩的力法计算做一些介绍。首先选定结构的基本体系，计算出预加力对基本体系弯矩，此为静定力矩，即初力矩；然后用力法求解结构在预加力作用下的赘余力，此即所谓的“二次内力局”。初预矩和二次力矩之和即为预加力对结构的综合力矩。2.徐变引起的次内力计算根据公桥规的编制理念，使用阶段的收缩徐变时间应为“0”天，而将结构的收缩徐变考虑到施工阶段中，即添加一个较长施工周期，用以完成结构的收缩徐变，而不在使用阶段考虑。根据公桥规4.2.12条规定，在先期结构上由于结构自重产生的弯矩，经过混凝土徐变重分配，在后期结构中t时的弯矩，可按式（4-62）计算。按以上规定，由桥梁博士有限元软件程序可算出全桥结构的徐变次内力见表9。表9 混凝土徐变次内力表内力组合（二）根据前面计算得到各分项荷载作用下的内力，考虑预加力和混凝土徐变次内力按照规范重新进行承载能力极限状态和正常使用极限状态内力组合，组合的结果用来进行承载能力、应力和变形验算。两种内力组合结果见表10表12。表10 承载能力极限组合内力计算表根据上表可得到承载能力极限状态和正常使用极限状态的弯矩包络图和相应的剪力包络图（） 弯矩包络图 剪力包络图6-10 承载能力极限状态内力包络图 弯矩包络图 剪力包络图6-11 正常使用极限状态组合能力包络图 弯矩包络图剪力包络图图6-12 正常使用极限状态组合内力包络图613持久状况承载能力极限状态计算正截面抗弯承载力计算由于单元划分较多，不能在此一一显示，因此依据内力和应力值确定显示结果单引号，一般有跨中、支点、1/4跨、变截面处、配筋变化点处。图6-13 半跨计算节点位置图通过以上计算结果表明，截面抗力R计算弯矩，满足规范要求。6132斜截面抗剪承载力计算由于梁体中的主拉应力都不大于，故根据公桥规7. 1.6条规定，箍筋可仅按构造要求设置，取双肢HRB335直径16mm的钢筋，自支座中心起长度不小于一倍梁高范围内，其间距为100mm，其他梁端箍筋间距采用150mm。614持久状况正常使用极限状态计算6141 电算应力结果使用阶段荷载组合I应力（长期效应）根据桥梁博士系统计算结果输出使用阶段荷载组合I应力（长期效应）（表 ）表 正常使用阶段长期效应荷载组合应力（MPa）使用阶段荷载组合II应力（短期效应）（见表 ）表 正常使用阶段短期效应荷载组合应力（MPa） 注：正截面抗裂性验算仅给出半跨节点，另一半与之一致。6142 截面抗裂验算1. 验算条件根据公桥规6.3.1规定，应满足下列条件：（1）.正截面抗裂 对于部分预应力A类构件，在作用短期效应组合下，主拉应力符合式（4-37）要求；对于部分预应力A类构件，在作用长期效应组合下，主拉应力符合式（4-38）要求；（2）斜截面抗裂 对于部分预应力A类构件，在作用（荷载）短期效应组合下，预制段主拉应力应符合（4-43）要求，现浇段主拉应力应符合（4-43）要求。2. 验算结果根据前述应力计算结果，长期效应（组合I）混凝土边缘未出现拉应力，符合式（4-38）要求；短期效应（组合II）拉应力与主拉应力计算结果表明，正、斜截面的抗裂性均能满足规范要求。6143正常使用阶段竖向最大位移（挠度）1.使用阶段的挠度计算使用阶段的挠度值，按短期荷载效应组合计算，并考虑挠度长期影响系数，其取值按公桥规6.5.3规定，对于C50混凝土取=1.43。短期效应组合作用下的挠度值，利用桥梁博士计算程序得到，中跨跨度挠度值= ,自重产生的中跨跨中挠度值= 。因此，消除自重产生的挠度，并考虑挠度长期影响系数后，使用阶段挠度值为计算结果表明，使用阶段的挠度值满足规范要求。1.预加力引起的反拱计算及预拱度的设置按公桥规6.5.4条规定，预应力混凝土受弯构件由预加力引起的反拱值等于预加力引起的挠度乘以长期增长系数，取2.0。根据桥梁博士计算程序可得到中跨跨中由预应力引起的反拱度为将预加力引起的反拱与按荷载短期效应影响产生的长期挠度值相比较可知，由于预加力产生的长期反拱值大于按荷载短期效应组合计算的长期挠度，所以按公桥规6.5.5规定可不设预拱度。615持久状况应力验算按持久状况设计的预应力混凝土受弯构件，应计算其使用阶段正截面混凝土的法向压应力、受拉钢筋的拉应力及斜截面的主压应力。计算时作用（或荷载）取其标准值，不计分项系数，汽车荷载应考虑冲击系数。1.持久状况应力计算结果由桥梁博士计算程序得到正常使用极限状态组合III应力计算结果见表 。 表 正常使用极限状态标准组合应力计算结果（MPa）1.混凝土截面法向压应力验算根据公桥规7.1.5条规定，未开裂构件受压区混凝土的最大压应力应满足式（4-49）要求。最大压应力 满足规范要求。2.受拉区预应力