公路预应力混凝土连续刚构桥结构设计.doc

西南交通大学本科毕业设计 第98页公路预应力混凝土连续刚构桥结构设计第1章 绪论1.1预应力混凝土概述预应力混凝土是在第二次世界大战后迫切要求恢复战争创伤，从西欧迅速发展起来的。半个多世纪以来,从理论，材料，工艺到土建工程中的应用,都取得了巨大的发展。尤其是随着部分预应力概念的逐步成熟,突破了混凝土不能受拉与开裂的约束,大大扩展了它的应用范围。目前预应力混凝土已成为国内外土建工程最主要的一种结构材料,而且预应力技术已扩大应用到型钢，砖，石，木等各种结构材料,并用以处理结构设计，施工中用常规技术难以解决的各种疑难问题。我国预应力混凝土的起步比西欧大约晚10年,但发展迅速,应用数量庞大。我国近年来在土木工程投资方面，建设规模方面均居世界前列。在混凝土工程技术，预应力技术应用方面取得了巨大进步。近来二三十年来,我国预应力混凝土桥梁发展很快,无论在桥型，跨度以及施工方法与技术方面都有突破性发展,不少预应力混凝土桥梁的修建技术已达到国际先进水平。预应力混凝土桥梁的发展与施工技术的发展是密不可分的,施工技术水平直接影响桥梁的跨径，线型，截面形式等。预应力混凝土连续梁在初期大多采用满布支架法施工,其跨度一般在40以内,且施工周期长,施工用料多。60年代预应力混凝土桥梁引入悬臂施工法以后,预应力连续梁桥得以迅速发展,其跨越能力达200以上,适用范围也不断扩大。悬臂拼装法将大跨桥梁化整为零,施工简便,拼装工期短，速度快,特别对于多跨长联桥(跨度在100以内)是一种效率高而且经济的施工方法。预应力连续梁的施工方法还有顶推法，移动模架法，逐孔架设法等。1.2预应力混凝土连续刚构桥（1）概述连续梁桥是中等跨径桥梁中常用的一种桥梁结构，两跨或两跨以上连续的梁桥，属于超静定体系。连续梁在恒活载作用下，产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用，使内力状态比较均匀合理，预应力混凝土连续梁桥是其主要结构形式，它具有梁高小，节省材料，且刚度大，整体性好，超载能力大，安全度大，桥面伸缩缝少接缝少、行车平顺舒适等优点，在30m120m跨度内常是桥型方案比选的优胜者。缺点 有支座；施工时需要墩梁固结，有体系转换；顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度小，也不利于悬臂施工、横向抗风要求。20世纪纪50年代后，由于在预应力混凝土桥梁的施工方法中引入了传统钢桥的悬臂拼装施工法，并针对预应力混凝土桥梁的一些特点，对之加以改进和发展，促使预应力混凝土梁式桥中的悬臂体系得到了迅猛发展，并形成了T型刚构桥。T形刚构桥指的是以T型梁为主要承重结构的梁式桥。在桥上荷载作用产生正弯矩时，梁做成上大下小的T形并在下缘配筋充分利用了混凝土的抗压强度大和钢筋的高抗拉强度进而比矩形梁桥节省了材料，减轻了自重。缺点 缩缝多,行车不舒适；跨中可能产生较大挠度；顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度小，不利于悬臂施工、横向抗风要求。预应力混凝土连续刚构桥在体系上属于连续梁桥。预应力混凝土连续刚构桥既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的特点,又有T 型刚构桥不设支座、施工方便的优点, 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砼收缩、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。缺点 上部结构连续长度有一定限制,长度再增加时应改为连续刚构与连续梁组合体系；抗撞击能力较弱。（2）预应力混凝土连续刚构桥的特点桥跨结构（主梁）和墩台整体相连的桥梁叫刚构桥。由于二者之间是刚性连接，在竖向荷载作用下，将在主梁端部产生负弯矩，因而将减少跨中正弯矩，跨中截面尺寸也相应减小。刚构桥在竖向荷载作用下，一般都产生水平推力。刚构桥大多做成超静定的结构，故混凝土收缩、温度变化、墩台不均匀沉陷和预应力等因素都会在结构中产生附加内力。刚构桥外形尺寸小，桥下净空大，桥下视野开阔。预应力混凝土刚构桥则常用于高墩大跨桥梁，且具有较好的技术经济性。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。连续刚构桥的主要特点表现在以下几个方面:构造上一般有2 个以上主墩采用墩梁固结, 要求主墩有一定的柔度形成摆动支撑体系。因此, 常在大跨径高墩桥梁结构中采用。墩梁固结有利于悬臂施工, 同时避免了更换支座, 省去了连续梁施工在体系转换时采用的临时固结措施。省去了大跨连续梁的支座, 无需巨型支座的设计, 节省制造、养护和更换支座的费用。受力方面, 上部结构仍保持了连续梁的特点, 但计入因桥墩受力及混凝土收缩、徐变及温度变化引起的弹塑性变形对上部结构的影响, 桥墩需要有一定的柔度, 使所受弯矩有所减小, 而在墩梁结合处仍有刚架受力性质。 抗震性能良好, 水平地震力可均摊给各个墩来承受, 不像连续梁需设置制动墩, 或采用昂贵的专用抗震支座。边跨桥墩较矮, 相对刚度较大时, 为适应上部结构位移的需要, 墩梁可做成铰接或在墩顶设置支座。伸缩缝位置在连续梁的两端, 可置于桥台处, 长桥也可设置在铰接处。为保证结构的横向稳定性, 桥台处需设置控制水平位移的挡块。（3）预应力混凝土连续刚构桥发展趋势表1-1 国内外大跨径刚构桥（L240m）桥名国家跨径（m）年份重庆高家花园大桥中国140+240+1401997虎门大桥辅航道桥中国150+270+1501997Confederation 桥加拿大165+43250+1651997Stolma 桥挪威94+301+721998Raftsundet桥挪威86+202+298+1251998重庆黄花园大桥中国137+3250+1371999贵州六广河大桥中国145.1+240+145.12000泸州长江二桥中国145+252+54.82007从上表可以看出，近几十年来的桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展, 但桥的载重、跨长却不断增加。连续刚构桥有以上所叙述的优点, 那么其投资比斜拉桥、悬索桥同等跨径下要低, 在高墩结构中也比一直以来最便宜的简支梁桥在同等条件下投资偏低或是相同。随着桥梁施工技术水平的提高, 对混凝土收缩、徐变和温度变化等因素引起的附加内力研究的深入和问题的不断解决, 大跨径预应力混凝土连续刚构桥已成为目前主要采用的桥梁结构体系之一。从以上论述可以总结出大跨径连续刚构的发展趋势有以下几点: 跨径可进一步增大。我国正处于修建连续刚构桥的热潮, 跨径280 m 的奉节长江大桥已经建成; 珠海跨伶仃洋特大桥已有318 m 跨横门东航道的连续刚构方案, 可以预见跨径在300 m以上的连续刚构不久的将来会在中国出现。上部结构不断轻型化。桥梁上部结构的轻型化可以减轻上部结构的自重, 减少材料用量, 也可以降低挂蓝的要求, 从而降低工程造价。由于采用大吨位锚具、高强砼和轻质混凝土, 上部结构不断轻型, 这也是连续刚构桥的发展方向。 简化预应力束类型。我国预应力混凝土连续刚构桥设计中,已有相当多的桥梁取消了弯起束和连续束, 用竖向预应力和纵向预应力承担主拉应力, 极大的方便了施工, 不仅简化了预应力结构体系, 而且受到施工单位的欢迎。 取消边跨合龙段落地支架。采用合适的边跨与主跨比,在导梁上直接合龙边跨, 或与引桥的悬臂相连接实现边跨合龙段的现浇, 在高墩的条件下取消边跨合龙段的落地支架, 除带来一定的经济效益外还可方便施工。上部结构连续长度增长, 以适应高速行车的需要。国外产生了“ 少用和不用伸缩缝是最好的伸缩缝”的新观点, 于是国外桥梁设计中最大限度增加上部结构的连续长度。我国在连续刚构桥设计中亦有加大连续长度的趋势。1.3预应力混凝土连续刚构桥的施工方法大跨径预应力混凝土连续刚构桥的施工多采用悬臂施工法，悬臂施工法是在已建成的桥墩上，沿桥梁跨径方向对称逐段施工的方法。它不仅在施工期间不影响桥下通航或行车，同时密切配合设计和施工的要求，充分利用了预应力混凝土承受负弯矩能力强的特点，将跨中正弯矩转移为支点负弯矩，提高了桥梁的跨越能力。对采用悬臂法进行桥梁结构施工，总的施工顺序是：墩顶0#块的浇筑；悬臂节段的预制安装或挂篮现浇；各桥跨间的合拢段施工及相应的施工结构体系转换；桥面系施工。要实现悬臂施工，在施工过程中必须保证墩与梁固结，尤其在连续梁桥和悬臂梁桥施工中要采取临时墩梁固结措施。另外采用悬臂施工法，很有可能出现施工期的体系转换问题。如对于三跨预应力混凝土连续梁桥，采用悬臂施工时，结构的受力状态呈型刚构，边跨合拢就位、更换支座后呈单悬臂梁，跨中合拢后呈连续梁的受力状态。结构上的预应力配置必须与施工受力相一致。悬臂施工法通常分为悬臂浇筑和悬臂拼装两类。悬臂浇筑是在桥墩两侧对称逐段就地浇筑混凝土，待混凝土达到一定强度后张拉预应力束，移动机具模板（挂篮）继续悬臂施工。悬臂拼装是用吊机将预制块件在桥墩两侧对称起吊、安装就位后，张拉预应力束，使悬臂不断接长，直至合拢。综上所述，采用悬臂施工的主要特点为：（1）从桥墩处开始向两侧对称分节段悬臂施工，桥梁在施工过程中承受负弯矩，桥墩也要承担不平衡弯矩；（2）非墩梁固结的预应力混凝土梁桥，采用悬臂施工时应采取措施，使墩、梁临时固结，因而在施工过程中应进行结构体系转换。对于带挂梁的T型刚构桥，主梁在施工中的受力状态与在运营荷载作用下的受力状态基本一致，结构的体系没有改变；（3）采用悬臂施工法的机具设备较多，就挂篮而言，也有桁架式、斜拉式等多种型式，可根据实际情况合理选用；（4）悬臂浇筑法施工简便、结构整体性好，施工中可不断调整标高，常用于跨径大于100m的桥梁。悬臂拼装法施工速度快，桥梁上、下部结构可平行作业，但施工精度要求较高，可在跨径100m以下的大桥中选用。（5）悬臂施工法可不用或少用支架，施工不影响通航或桥下交通，适合于跨越深水、山谷、海洋等处，并适用于变截面预应力混凝土梁桥。第2章 桥梁总体布置及结构主要尺寸2.1 方案比选随着桥梁理论的不断成熟，在桥梁设计中要求桥的适用性强、舒适安全、建桥费用经济、科技含量高。对建在城市中的桥梁还特别注重美观大方。由此，对于一定的建桥条件，根据侧重点的不同可能会做出基于基本要求的多种不同设计方案，只有通过技术经济等方面的综合比较才能科学地得出完美的设计方案。根据本设计中提到的地形、地质、地貌条件，以及桥跨设计总长360m，可以初步选定几种适用的桥型，预应力混凝土连续梁桥、预应力混凝土T型刚构桥、预应力混凝土连续刚构桥。（1）预应力混凝土连续梁桥的应用非常广泛。尤其是悬臂施工法、顶推法、逐跨施工法在连续梁桥中的应用，这种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，从而提高了施工质量，降低了施工费用。连续梁的突出优点是：结构刚度大，变形小，动力性能好，主梁变形挠曲线平缓，有利于高速行车。两跨连续梁内力的分布要比同跨的简支梁合理，虽然绝对最大弯矩都是ql2/8，但是连续梁跨中最大弯矩只有简支梁的56%，跨中最大挠度仅为简支梁的40%。因此，不论从刚度方面还是从强度方面来说，连续梁都可以采用比简支梁要小的跨中梁高，更加经济实用。但是，连续梁桥有支座，需要定期更换；施工时需要墩梁固结，有体系转换；顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度小，也不利于悬臂施工、横向抗风要求。（2）T型刚构桥在计算上比连续梁方便。它以T型梁为主要承重结构，在桥上荷载作用产生正弯矩时，梁做成上大下小的T形并在下缘配筋充分利用了混凝土的抗压强度大和钢筋的高抗拉强度进而比矩形梁桥节省了材料，减轻了自重。上部结构利用悬臂浇筑和悬臂拼装的施工方法，不影响通航和桥下交通。桥型美观 、宏伟、轻型，适用于大跨悬臂平衡施工，可无支架跨越深水急流，避免下部施工困难或中断航运，也不需要体系转换，施工简便。但是此类型的桥抗弯刚度差，徐变挠度大不易控制，不利于高速行车。由于铰的存在，导致跳车，舒适性不好，另外，剪力铰位置易发生破坏，还有其刚度和稳定性都不如连续梁或连续刚构，现在已基本被连续梁或连续刚构取代。（3）连续刚构桥继承了连续梁桥以及T型刚构桥的优点。首先，墩梁固结，不需要定期更换支座；跨中梁高减小，大大减轻了自重，节省了工程造价。其次，伸缩缝少，行车平顺舒适；跨越能力大，可做成三跨或者四跨一联的，也可以多跨一联的。另外，主梁外观呈曲线形，纤细优美，比例匀称，得体大方；墩具有柔性，很好地适应温度、风荷载、地震等引起的变形，具有很强的抗震性能。因此，在大跨高墩的桥梁中是优先选用的类型。综上所述，决定选用预应力砼连续刚构桥作为设计桥型。安全性 连续刚构桥结构整体性能好，有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度，能很好的满足较大跨径桥梁的受力要求；由于桥墩常做成双薄壁柔性墩，纵桥向柔度较大，能够适应各种因素引起的变形，抗震性能优越。适用性 连续刚构桥采用悬臂对称施工，混凝土收缩徐变小，伸缩缝少，便于行车；桥墩一般较高，便于桥下通航、泄洪以及行人通行。经济性 该桥型墩梁固结，无需定期更换支座，节省养护费用；采用变梁高大大减少了混凝土的用量，节省工程造价，减少工期；墩能够适应地震作用引起的变形，无需采用昂贵的专用抗震支座。外观 该桥型主梁呈抛物线形，采用变梁高，视觉上给人以纤巧大方、匀称美观的感觉，与周围的山水景物相得益彰、和谐得体。2.2 设计依据及基本资料2.2.1 主要技术指标（1）孔跨布置：100+160+100m公路预应力混凝土连续刚构桥；（2）桥梁等级：高速公路桥梁；（3）汽车荷载等级：公路I级，设计时速120km/h；（4）桥面宽度：六车道，上下行分为两幅，每幅宽13.5m，即（0.5m栏杆+34.0m车行道+1.0m栏杆），两幅净距1.0m；（5）桥面坡度：不设纵坡，横坡为2.0%；（6）支座沉降：按1cm考虑；（7）温度荷载：整体升降温20oC；（8）施工方法：主梁采用悬臂浇注分段对称平衡施工,中跨及边跨合拢段采用吊模浇注，挂篮自重、施工荷载控制在370吨以内，挂篮自重按120吨计；（9）桥轴平面线型：直线。（10）地震烈度：基本烈度度，按度设防。2.2.2 主要材料（1）混凝土：梁体为C55混凝土，墩身为C40混凝土，承台及桩C30；（2）钢 材：纵向和横向预应力筋采用高强度低松弛钢绞线，其单根公称直径为15.24（面积为140 mm2），标准强度为fpk=1860Mpa；竖向预应力筋为JL32精扎螺纹钢筋，标准强度为785MPa，普通钢筋采用R235、HRB335级钢筋；（3）锚具：纵向预应力采用OVM15型锚具，预应力管道均按金属波纹管成孔设计。2.2.3 设计依据（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；（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；（3）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；（4）中华人民共和国交通部标准，公路桥梁抗风设计规范，JTG/T D60-01-2004；（5）中华人民共和国交通部标准，公路桥梁抗震设计规则，JTG/T B02-01-2008。2.3 桥跨布置2.3.1 桥跨分孔对于一座较长的桥梁，应当分成若干孔。孔径划分的大小，不仅影响使用效果和施工等，而且在很大程度上影响桥梁的总造价。一般应满足以下要求：（1）对于通航河流，在分孔时首先应满足桥下的通航要求。桥梁的通航孔应布置在航行最方便的河域。对于变迁性河流，根据具体条件，应多设几个通航孔。（2）对于平原区宽阔河流上的桥梁，通常在主河槽部分按需要布置较大的通航孔，而在两侧浅滩部分按经济跨径进行分孔。（3）当在山区的深谷、水深流急的江河以及水库上修建时，为了减少中间墩，应加大跨径。条件允许时，甚至还可以采用特大跨径的弹孔跨越。（4）对于采用连续体系的多孔桥梁，应从结构的受力特性考虑，使边孔与中孔的跨中弯矩接近相等，合理地确定相邻跨之间的比例。（5）对于河流中存在不利的地段，例如岩石破碎带、裂隙、溶洞等，在布孔时，为了使桥基避开这些区段可以适当加大跨径。连续梁桥可以做成三跨或者四跨一联的，也可以做成多跨一联的，一般不超过六跨。每联跨数太多，联长就要加大，受温度变化及混凝土收缩徐变等影响产生的纵向变形也就越大，使伸缩缝及活动支座的构造复杂，对桥梁的墩台也不利；每联长度太短，则使伸缩缝的数目加多，不利于高速行车。建桥处的地形、地质与水文条件，以及通航要求等对孔跨分布常常起决定性的作用；此外，还要结合墩台、基础及支座的构造，综合分析比较才能选出最优方案。从梁内弯矩的分布情况来看，对于每联三跨以上的连续梁，等跨时边跨的跨中弯矩大于中间跨的跨中弯矩，故常用缩短边跨的办法来调整弯矩的分布，边跨与中跨的比值可在0.70.5之间，甚至可以选取0.3。对于三跨连续梁，边跨与中跨的比值多用0.60.67；对于多跨连续梁，该比值可增大到0.8，当采用悬臂施工时宜取0.50.6。当边跨与中跨之比小于0.3时，端支座上将有较大的负反力（即拉力）出现，对此种支座要做特殊处理，例如在桥台上设置构造复杂的拉力支座，或采用在边跨末端严重的办法来消除负反力。根据以上叙述，本设计桥梁总长360m，确定桥跨为100+160+100m，边跨与中跨之比为0.625。2.3.2 总体布置 根据前面介绍的桥型选择、桥跨分孔以及考虑到桥型的美观和桥梁与周围地形地貌的和谐，将桥梁设计为三跨连续刚构桥，如下图为100+160+100m预应力砼连续刚构桥的总体布置示意图。图2-1桥跨总体布置图（单位：cm）2.4 上部结构尺寸拟定2.4.1 截面形式的选择截面的拟定需要考虑多种因素的影响，以便选出最适合的截面形式，例如，应尽量节省材料，做到受力合理，另外还应考虑外形线条的美观。以简支梁为例（梁截面为矩形），在受到竖向均布荷载作用时，跨中弯矩最大，根据材料力学的相关知识可知，最大的正应力出现在跨中截面。该截面上，以中性轴Z轴为分界，上侧为压应力，下侧为拉应力，并且某点应力大小与它到中性轴的距离成正比。如下示意图： 图2-2竖向均布荷载作用下弯矩图 图2-3跨中截面弯曲正应力图由材料力学，可知要使截面不被破坏，应该尽量增大。在线弹性范围内，梁截面上各点的正应力是与各点到中性轴的距离成正比的。当离中性轴最远的边缘处的最大正应力达到材料的许用应力时，中性轴附近各点的正应力还很小，因而这部分材料没有充分发挥作用。合理地做法是，把尽可能多的材料布置得离中性轴远一些，如工字形（I形）截面。当然这也有一定的限度，因为梁的横截面上还有剪力，还必考虑切应力强度条件。另外，为了节省材料，可以将腹板中间挖空，因此，箱型截面就应运而生了，这种截面的核心距较大，轴向压力的偏心就可以增大，也就是预应力钢筋的力臂可以增大，能够充分发挥预应力筋的作用；箱形截面这种闭合薄壁截面抗扭刚度很大，对于弯桥和采用悬臂施工的桥梁尤为有利；这种截面形式具有优越的受力性能，因而在工程中常被选用。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。其中，单箱单室截面构造简单，便于施工，腹板总厚度小，节省材料，因此，本设计选用单箱单室截面。2.4.2 梁高的确定根据理论研究以及实际施工中的经验，前人做出以下总结，公路连续梁/刚构桥跨尺寸拟定的经验公式：（1）中支点梁高与中跨跨度之比为/=1/151/25，即是中支点梁高为中跨跨度的1/151/25。（2）中跨跨中梁高与中跨跨度之比为/=1/401/55，即是中跨跨中梁高为中跨跨度的1/401/55。本设计为公路级，中跨160m，故有=（1/151/25）160m=6.4m10.7m； =（1/401/55）160m=2.9m4.0m；当建筑高度不受限制时，增大梁高往往是较经济的，因此，在节省混凝土用量的前提下尽量选取加大的梁高。设计中选取中支点处梁高=10.4m，跨中梁高=4.0m。图2-4梁底曲线坐标系（单位：cm）梁底曲线选用二次抛物线，如上图2-4，抛物线方程：y=4.0+0.00118（单位：m）。2.4.3 腹板厚度腹板主要承受剪力作用，跨中腹板厚度的选定，主要取决于布置预应力筋和浇注混凝土必要的间隙等受力、构造要求。一般情况下可按以下原则选用：（1）腹板内无预应力筋时，可取20cm；（2）腹板内有预应力筋时，可取2530cm；（3）腹板内有预应力筋锚固头时，取35cm；（4）为满足支点较大剪应力要求，墩上或靠近桥墩的箱梁根部腹板需加厚到3060cm，特殊情况可达100cm。（5）大跨度桥腹板应采用变厚度形式，从跨中向支点分段线形逐步加厚，变厚段一般为一个节段长。 选择最小腹板厚度为60cm位于与合拢段相接的截面，跨中合拢段厚80cm，由60cm逐渐向根部线性加厚到80cm。由于中墩处受剪力较大、较复杂，故加厚到110cm，并在设墩的地方加设横隔板。2.4.4 顶、底板厚度根据经验有，箱室间距一般不大于7m，顶、底板最小厚度不小于箱室间距的1/30 和0.15m。一般情况下，顶板厚度通常不变，底板厚度由跨中向根部逐渐变厚。箱形截面顶板厚度一般要考虑两个因素，一是要满足桥面板横向抗弯的要求，二是要方便布置、锚固预应力钢束。设计中拟定顶板厚度为30cm，中墩处由于受力的复杂性，保守地加厚了顶板厚度为50cm。箱梁底板厚度随箱梁顺桥向负弯矩的增大而逐渐加厚，以适应受力要求。因此，拟定底板最小厚度为30cm，以二次抛物线y=3.7+0.00109（坐标系同图2-4；单位：m）渐向根部加厚到80cm，中墩处底板也另外加后到110cm。2.4.5 悬臂板、梗腋及其他细部尺寸根据经验，取悬臂板长度为325cm，外侧厚度为20cm。为了减小应力集中，有必要在截面上设置梗腋或倒角，外轮廓设有20030cm，12570cm两个梗腋，内轮廓上方设8070cm的倒角，下方设6040cm的倒角。另外，为了排水的需要，设置横坡为单坡2%的倾斜度。具体如图2-5：图2-5主梁横截面细部尺寸（单位：cm） 另外，边墩及中墩处截面应设置横隔板，其尺寸如图2-6，2-7。图2-6边墩横隔板（单位：cm）图2-7中墩横隔板（单位：cm）2.5 下部结构尺寸拟定2.5.1 墩身尺寸拟定桥墩是桥梁的重要组成部分之一，其作用在于它承担着上部结构的荷载，并连同自身重力有效地传给基础。桥墩一般指多跨桥梁的中间支承结构物，它除承受上部荷载外，还要承受流水压力、风力以及可能出现的地震力、浮力、船只和漂流物的撞击力等。预应力混凝土连续刚构桥中采用双薄壁墩，双薄壁墩是现阶段我国大、中跨径公路桥梁比较常用的桥墩形式，其构造特点是在墩位上有两个互相平行的墩壁与主梁铰接或刚接的桥墩。钢筋混凝土双薄壁桥墩可增加桥墩刚度，减小主梁支反力峰值，增加桥梁美观性。预应力混凝土连续刚构桥采用墩梁固结体系，这里双薄壁高墩是一种理想的柔性墩，它既能支承上部结构、保持桥墩稳定，又有一定柔性，适应上部结构位移的需要。图2-8墩身截面尺寸（单位：cm）要满足双薄壁墩有足够的柔性，拟定墩高50m，（如图2-8）墩身截面设计为200700cm的矩形，内部空心，为了减小应力集中设有倒角2020cm，墩壁厚50cm，两墩中心线间的距离为740cm，净距540cm。双薄壁墩的壁厚较薄，防撞性能较差，故在墩的下部与承台相接的部分做成实心墩，即墩顶、墩底5米范围内均浇注成实心的。2.5.2 桩基础尺寸拟定桩基础的设计要求选型恰当、经济合理、安全适用，对桩和承台有足够的强度、刚度和耐久性；对地基（主要是桩端持力层）有足够的承载力和不产生过量的变形。桩基础的设计内容和步骤为：（1）进行调查研究，场地勘察，收集有关资料；（2）综合勘查报告、荷载情况、使用要求、上部结构条件等确定桩基持力层；（3）选择桩材，确定桩的类型、外形尺寸和构造；（4）确定单桩承载力设计值；（5）根据上部结构荷载情况，初步拟订桩的数量和平面布置；（6）根据桩的平面布置，初步拟订承台的轮廓尺寸及承台底高程；（7）验算作用于单桩上的竖向和横向荷载；（8）验算承台尺寸及结构强度；（9）必要时验算桩基的整体承载力和沉降量，当持力层下有软弱下卧层时，验算软弱下卧层的地基承载力；（10）单桩设计，绘制桩和承台的结构及施工详图。地勘资料为，第一层为软塑黏土，土层厚度为6m；第二层为硬塑黏土，土层厚度为6m；第三层为坚硬、半坚硬黏土，土层厚度为8m；第四层为砾岩、砾石，土层厚度为12m；第五层为卵石及坚硬砾石，土层厚度为18m。第五层足够密实，故选为持力层。桩材采用C30级混凝土。桩的长度主要取决于桩端持力层的选择。桩端进入持力层的深度，对于黏性土、粉土不宜小于2d，砂类土不宜小于1.5d，碎石类土不宜小于1d。当持力层较厚且施工条件允许时，桩端进入持力层的深度应尽可能达到桩端阻力的临界深度，以提高桩端阻力。该临界深度值对于砂、砾为（36）d，对于粉土、黏性土为（510）d。拟定桩长为40m，即进入持力层8m。一般，若上部建筑物较高，荷载较大时，宜采用大直径桩，尤其是大直径人工挖孔桩比较经济实用。拟定桩径为1.5m的实心混凝土桩，桩数16根，如下图2-9所示。图2-9地层及桩基构造图（单位：cm，地层标高单位：m）2.5.3 承台尺寸拟定桩基承台可分为柱下独立承台、柱下或墙下条形承台，以及筏板承台和箱形承台等。承台的作用是将桩联结成一个整体，并把建筑物的荷载分配到桩上，因而承台应有足够的强度和刚度。承台的平面尺寸一般由上部结构、桩数及布桩形式决定。承台的厚度应300mm，宽度500mm，承台边缘至边桩中心的距离不应小于桩的直径或边长，且边缘挑出部分应150mm。本设计选择承台尺寸为20m20m5m，材料采用C30级混凝土，16根桩均匀分布，边缘挑出部分为175cm，。如下图2-10所示。图2-10承台尺寸及桩的布置图（单位：cm）2.6 特殊节段处理2.6.1 零号块零号块是悬臂浇筑施工的中心块体，又是体系转换的控制块体。梁体的受力经零号块通过支座向墩身传递，零号块受力非常复杂，且一般作为施工机具和材料堆放的临时场地，故其顶板、底板、腹板尺寸都取得较大。零号块已不能处理为一般的杆系，对重要桥梁都要进行零号块空间应力分析。从国内施工来看，零号块时有开裂，故其施工工艺及结构构造是很值得研究的问题。2.6.2 横隔板悬臂施工的连续梁大多采用箱形截面，抗扭刚度较大，故除支点部位零号块内设置横隔板外，主桥沿纵向一般不设横隔板。零号块内横隔板传递荷载较大，通常采用一片实体或两片式刚性横隔板，中部开设过人洞。在各跨上需考虑不平衡段底板钢束弯起锚固的要求，还需设置预留伸缩槽。2.6.3 合拢段合拢段的施工是桥梁施工的重要环节。在合拢段施工过程中，由于温度变化、混凝土早期收缩、已完成结构的收缩徐变、新浇混凝土的水化热，以及结构体系变化和施工荷载等因素，对尚未达到强度的合拢段混凝土有直接影响，故必须重视合拢段的构造措施，使合拢段与两侧梁体保持变形协调，并在施工过程中能传递内力。合拢段的长度在满足施工要求的情况下，应尽量缩短，以便于构造处理，一般取1.53m。本设计取2m。合拢段的构造处理有以下几种：(1) 用劲性钢管作为合拢段的预应力套管；(2)加强配筋；(3) 用临时劲性钢杆锁定；(4) 压柱支撑。合拢段施工应注意以下几点： 合拢段应采用早强、高强、少收缩混凝土； 合拢段混凝土浇筑时间应选在一天中温度较低时，并使混凝土浇筑后温度开始缓慢上升为宜； 加强混凝土的养护。第3章 桥梁结构内力计算3.1 概述现代桥梁结构规模日趋庞大、体系日趋复杂，对结构受力的准确把握非常重要。仿真分析技术是了解桥梁结构在施工、正常运营及极限承载状态下性能的一种重要手段。桥梁结构分析是确定已知条件、确定结构物理力学模型，并应用相似的理论分析和方法进行计算，最后对计算结果进行判断和审核的这样一个复杂的过程。如图3-1所示为桥梁结构分析的基本过程。图3-1桥梁结构分析的基本过程结构分析中对计算结果的审核和判断包括两个方面：一是对计算结果本身正确性与否的判断；二是计算结果是否满足相应的指标要求，如强度、刚度、稳定等。计算结果正确与否主要与选用的分析模型及分析方法有关，对这些的分析判断是结构分析工作中非常重要的一个环节，绝不可忽略，一般要求分析者具有扎实的力学基础及结构设计理论。目前常用的通用有限元软件均是由国外开发的，主要有ANSYS,ALGOR,MIDAS等等，可以说每个通用软件都有各自的优缺点。MIDAS/CIVIL是针对土木结构，特别是分析预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，同时可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。为能够迅速、准确地完成类似结构的分析和设计，以填补目前土木结构分析、设计软件市场的空白，而开发的“土木结构专用的结构分析与优化设计软件”。故本设计采用MIDAS/CIVIL来进行建模分析。3.2 模型的建立 建立桥梁模型之前，首先要充分理解结构和作用的荷载，而且设法理解结构在荷载作用下的结构行为。事先对要分析的结构行为有一个比较深刻的认识，要以较深厚的力学理论和较丰富的工程实践经验为基础。在MIDAS/CIVIL中，模型的建立可以大致归纳为节点和单元的建立，定义材料、截面，添加边界条件，施加静力、移动荷载，添加预应力束，定义施工阶段等步骤。在建立节点和单元之前，需要将结构划分为若干个节段。划分节段一般遵循的原则有：（1）0#块应保证一定的宽度，以便安装吊机、挂篮以及堆放材料机械设备等；（2）应划分合拢段，合拢段一般长1.53.0m，还应根据实际地形、水文、气候等条件考虑施工阶段的方便性，此处取2.0m；（3）尽量使每一节段的重量不超过吊篮的设计起吊能力，且保证各节段重量基本相等；（4）在结构中，设有支座的位置，截面变化的位置，设有横隔板的位置等都应划分开来；（5）在一些需要输出结果的位置也可以设置节点，如跨中截面、1/4截面、3/4截面等。3.2.1 节段的划分 本桥梁桥跨为100+160+100m，另外桥墩高50m，承台厚5m，根据节段划分原则划分该桥梁结构。承台单独作为一个节段，桥墩在实心和空心交界处应划分开来，故将桥墩划分为5m2+10m3+5m2。主梁合拢段取200cm，其余部分划分为550cm（0#块）+350cm5+400cm5+450cm8=7900cm（悬臂对称浇筑段）；边跨有19m的不对称段，考虑到地形边坡较平缓，搭设满堂支架较为简便，故采取先边合拢再中合拢的方式，因此边跨划分为75cm2+150cm+400cm4（边跨现浇段）=1900cm。图3-2为主梁节段划分图。图3-2 1/2主梁节段划分3.2.2 材料本设计中，主梁采用C55级混凝土，墩身采用C40混凝土，承台、桩基础采用C30混凝土；预应力束采用1860标准钢绞线。混凝土结构设计规范规定以150mm150mm300mm的棱柱体试件试验测得的具有95%保证率的抗压强度为混凝土轴心抗压强度标准值，用符号表示。考虑到实际结构构件制作、养护和受力情况，实际构件强度与试件强度之间存在的差异，基于安全取轴心抗压强度标准值与立方体抗压强度标准值的关系按下式确定： （3-1） 式中：为棱柱体强度与立方体强度之比，对于混凝土强度等级为C50及以下的取=0.76，对于C80取=0.82，两者之间按线性内插取值。为高强度砼的脆性折减系数，对于C40及以下取=1.00，对于C80取=0.87，中间的按线性内插取值。0.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。但是在实际工程中考虑一定的安全储备，常采用混凝土的轴心抗压强度设计值，参见公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（D62-2004），各种材料的基本特性数据见表3-1。表3-1各材料特性值材料弹性模量（MPa）线膨胀系数1/C容重kN/m3 轴心抗压强度标准值（MPa） 轴心抗压强度设计值（MPa）C553.551.02535.3524.4C403.251.02526.818.4C303.001.02520.113.8Strand18601.951.278.5注：计算现浇钢筋混凝土轴心受压和偏心受压构件时，如截面的长边或直径小于300mm，表中数值应乘以系数0.8；当构件质量（混凝土成型、截面和轴线尺寸等）确有保证时，可不受此限。3.2.3 截面的定义以及边界条件的添加箱梁截面的定义通常有两种方法：一是，在MIDAS/CIVIL中设计截面的部分，通过直接输入数据来加以定义，此种方法适用于平坡或对称的双坡截面，单坡的截面将无法定义；二是，通过截面特性计算器导入dxf文件计算截面特性值来设计界面，此种方法较为广泛，无论何种形式的截面均可采用此方法，但是应注意导入的截面要保证封闭，变截面两端的截面线段数量相同，转角、交点等应一一对应。本设计是双幅桥其中的一幅，主梁横截面为单坡，故采用上述第二种方法定义截面。定义的截面包括，边支点截面，中支点截面，以及设有横隔板的截面，腹板、底板变化处的截面等。边界条件是整个模型建立中很重要的一环，边界条件不同会导致整个体系构成不同，因而计算结果也就不同甚至是错误的。刚构桥较为特殊的是中墩与主梁采用固结的形式，只需将主梁节点与墩的节点用“一般连接”中的“刚性”加以连接即可。边支座则设为活动支座，满堂支架的部分应模拟为临时支座，单支座要注意约束转动轴。如下表3-2为成桥阶段（无桩）时的边界条件。表3-2成桥阶段边界条件DxDyDzRxRyRz边墩支座011000边墩支座001000边墩支座001000边墩支座011000边墩支座001000边墩支座001000承台底固结111111承台底固结111111注：表中Dx、Dy、Dz分别表示约束在x、y、z方向上的平动；Rx、Ry、Rz分别表示约束绕x、y、z轴的转动。3.2.4静力荷载的添加恒载主要包括主梁自重（前期恒载）引起的主梁自重内力和后期恒载（如桥面铺装、人行道等）引起的二期恒载内力。（1）自重自重包括箱梁及横隔板的荷载集度。其计算公式为： （3-2）式中：i单元号；i号单元恒载集度；i号单元的毛截面面积。设计中为简便计算，把箱梁与横隔板均按均布荷载考虑。（2）二期横载桥面铺装层宽12m，由下至上依次为8cm厚的C40混凝土调平层，防水层，沥青混凝土桥面铺装层，混凝土和沥青混凝土容重分别取25 kN/m3，23 kN/m3。另外在桥面两边还设有混凝土防撞栏。因此，二期横载集度为桥面铺装集度与防撞护拦集度之和，即： = + =（25120.08+23120.10）+25（0.3147+0.4564） =70.88kN/m（3）混凝土湿重及挂篮自重在施工过程中，湿重是每一节段在浇筑后的自重，混凝土的湿重是比较大的，其中的水分会随着时间的推移而挥发，混凝土的湿重也会减轻，但在施工中是不可以忽略的，每一节段的混凝土湿重可以通过查询获得。可以近似认为每一节段的湿重作用在节段的中间，为了模拟的方便，根据理论力学的知识，将湿重简化到节点上，并加上一附加弯矩。挂篮自重的添加与湿重类似，取挂篮重120吨，作用在每一节段上的挂篮重量相等，同样简化到节点上，并加上一附加弯矩。合拢段采用与挂篮同重量的吊篮，也就是合拢段的两端分各自分担一半吊篮的重量。3.2.5 施工阶段的定义施工阶段主要是根据单元的划分以及实际施工过程来定义。施工挂篮自重按120吨计算，本设计的施工阶段划分为：步骤1： 墩台基础施工：桩基、承台、墩身施工完毕至墩顶； 在托架上浇筑0#块； 在0#块上对称架设挂篮，每个挂篮按120吨计； 经后期分析，有必要在浇筑0#块强度达到85%后张拉预应力束T0、W0、W0。步骤2： 对称浇筑1#块； 混凝土强度达到85后，张拉预应力索T1和W1；步骤3： 移动挂篮； 绑扎钢筋，支模； 对称浇筑2#块； 混凝土强度达到85后，张拉预应力索T2和W2。步骤4： 按前步骤依次浇筑318号梁段； 强度达到85后，张拉预应力索。步骤5：安装边支座，搭设满堂支架，现浇边跨等高梁段。步骤6： 拆除18#梁段挂篮，安装边跨合拢段吊篮； 浇筑边跨合拢段梁段。步骤7： 拆除边跨临时支座及吊篮，安装中跨合拢段吊篮； 浇筑中跨合拢段； 待混凝土强度达到85后，张拉中跨顶板及底板预应力索。步骤8： 拆除中合拢段吊篮； 桥面铺装、人行道板及栏杆施工。3.2.6完成模型 模型承台底端模拟为固定支座，边支座模拟为活动支座。最终模型如图3-3所示：图3-3内力计算模型3.3 桥梁恒载内力计算3.3.1 计算阶段划分恒载内力计算采用Midas软件提供的有限元方法计算。恒载内力主要包括主梁自重引起的主梁自重内力和后期恒载（如桥面铺装、人行道等）引起的二期恒载内力。自重是在结构逐步形成的过程中作用于桥上的，因而它的计算与施工方法密切相关。本桥主梁采用悬臂浇筑对称平衡施工，结构经过悬臂刚构，单跨固端梁，简支梁等不同体系最后才形成多跨连续梁，施工过程中不断进行体系转换，使得内力计算更为复杂，所以计算时要分施工阶段进行。一般划分为以下阶段： 由中支墩悬臂法施工至最大悬臂； 安装边支座，现浇边跨等高梁段； 边跨合拢； 拆除边跨临时支座； 合拢中跨； 拆除吊篮； 桥面铺装； 运营阶段。3.3.2 施工阶段内力计算采用悬臂施工的连续梁，其恒载弯矩与一次落架形成的连续梁有很大的不同。主要是由于施工中经历了悬臂阶段，造成其支座负弯矩远大于跨中正弯矩。用MIDAS/Civil对桥梁进行施工阶段分析时，程序会自动生成以下荷载工况并保存与其相应的分析结果。不仅可以针对各个施工阶段查看分析结果，而且可以在自动生成的Min/Max阶段查看所有阶段中构件产生的最大/最小计算结果。本设计列出各个主要施工阶段内力计算结果见下： 最大悬臂阶段内力图3-4最大悬臂阶段恒载弯矩图（单位：kNm）表3-3 最大悬臂阶段内力数据位置轴向（kN）剪力-z（kZ）弯矩-y（kNm）备注边跨1/4-5.11430.3-3212.9最大悬臂阶段-32.84002.8-9001.1最大悬臂阶段边跨1/2-415.812593.3-211574.9最大悬臂阶段-449.612542-211574.9最大悬臂阶段边跨3/4-1584.223466.8-650749.9最大悬臂阶段-1646.423475.6-650749.9最大悬臂阶段中支点101.3261.6-1273598最大悬臂阶段101.3261.6-1273598最大悬臂阶段中跨1/4-782.87-17675.2-234099最大悬臂阶段-763.1-17670.1-234099最大悬臂阶段通过内力图和数据可以看出，主梁最大负弯矩为1282850kNm，发生在墩顶处；从墩顶到最大悬臂18#块，负弯矩成2次抛物线递减，并在悬臂最后变为0；整个过程不出现正弯矩。边跨合拢阶段内力。图3-5边跨合拢阶段恒载弯矩图（单位：kNm）表3-4 边跨合拢阶段内力数据位置轴向（kN）剪力-z（kZ）弯矩-y（kNm）备注边跨1/4-13.14253.136625.5边跨合拢阶段-34.94253.236625.5边跨合拢阶段边跨1/2-426.312859.3173144.3边跨合拢阶段501.412862.0 173144.3边跨合拢阶段边跨3/4-1616.523817.5-620589.1边跨合拢阶段-1733.523808.4-620589.1边跨合拢阶段中支点89.5-21707.1-1166660.2边跨合拢阶段89.5-21707.1-1166660.2边跨合拢阶段中跨1/4-681.7-13425.4-243431.0 边跨合拢阶段-605.7-13429.0 -243431.0 边跨合拢阶段通个内力图和数据可以看出在边合拢阶段，主梁最大负弯矩为1262070kNm，发生在墩顶；从墩顶