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西南交通大学桥梁毕业设计
(2011-03-02 08:38:11) 标签：平顺
预应力
截面
连续梁桥
混凝土
教育
分类： 毕业设计西南交通大学桥梁毕业设计
62+104+104+62m预应力混凝土连续梁桥设计
摘
本毕业设计主要是关于大跨度预应力混凝土连续梁桥上部结构的设计。预应力混凝土连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。受时间和个人能力的限制，本次毕业设计没有具体涉及到下部结构、横向预应力及竖向预应力的设计。
设计桥梁跨度为62m+104m+104m+62m,分为两幅设计，单幅为单箱单室，桥面总宽25m，双向4车道，上下行。主梁施工采用悬臂挂篮施工，对称平衡浇筑混凝土。施工分为21个阶段：第一阶段：施工临时支座并固结，浇筑墩顶0#段及边跨直线段满堂支架施工；第二阶段至第十七阶段：悬臂对称平衡浇筑混凝土至最大悬臂端；第十八阶段：边跨合拢；第十九阶段：中跨合拢,拆除挂篮设施，加载二期恒载；第二十施工阶段：预留施工阶段；第二十一阶段：运营阶段。本桥设5个支座，其中第3个支座为固定铰接支座，其余均为活动铰接支座。本设计中总共有9个临时支座。
设计过程如下：
首先，确定主梁主要构造及细部尺寸，它必须与桥梁的规定和施工保持一致，考虑到抗弯刚度及抗扭刚度的影响，设计采用箱形梁。主梁的高度呈二次抛物线变化，因为二次抛物线近似于连续梁桥弯距的变化曲线。墩顶截面通过腹板、底板的加厚以及设置横隔梁强度得以加强，底板厚度呈二次抛物线变化，底板厚度为0.7变为0.3。腹板厚度呈直线变化，由0.75变为0.4。顶板厚度沿全桥保持不变,均为0.28m。
其次，利用BSAS电算软件分析内力结构总的内力(包括恒载和活载的内力计算)。用于计算的内力组合结果也由BSAS电算软件计算而得，从而估算出纵向预应力筋的数目，然后再布置预应力钢丝束。
再次，计算预应力损失及次内力，次内力包括先期恒载徐变次内力、先期预应力徐变次内力、后期合拢预应力索产生的弹性次内力、局部温度变化次内力。
然后进一步进行截面强度的验算，其中包括承载能力极限状态和正常使用极限状态。在正常使用极限状态验算中包括计算截面的混凝土法向应力验算、预应力钢筋中的拉应力验算、截面的主应力计算。
关键词： 预应力混凝土连续梁桥、次内力、悬臂施工
Abstract
The graduate design is mainly about the design of superstructure of long-span pre-stressed concrete continuous box Girder Bridge . Pre-stressed concrete continuous Girder Bridge become one of main bridge types of the most full of competion ability because of subjecting to the dint function with the structure good, having the small defomation,few of control joint,going smoothly comfort,protected the amout of engineering small and having the powerfully ability of earthquake proof and so on. For time and ability limited, the design of the substructure, transverse pre-stressing and vertical pre-stressing is not considered.
The spans of the bridge are 62m+104m+104m+66m,main beam is respective designed, each suit has one box one room and four traffic ways of all, the width of the bridge surface is 25m.
The major girder applies cantilever hung-basket bearing, symmetric equilibrium construction .There are twenty-one steps in the working. The 0# member is worked in the first step , then form the second step to the seventeenth the other members is worked before they are jointed except the ones are siuated in the beside or middle of span and the substructure is worked in the steps; and then it’s jointed in the site of beside spans in the eighteenth step; and then mid-span is jointed in ninteenth step; and remove the hung-basket bearing then the second dead loads is in effect in the step; the tweentith stage: vacant construction stage; in the last step, the structure is running. There are five bearings, the third is fixed bearing, the left four are expansion bearings. In the design there are nine casual bearing.
The procedure of the design is listed below:
The first step as to dimension the structural elements and details of which it is composed, it can’t and certainly should without being fully coordinated with the planning and working phrases of the project. Considering the distorting stiffness and the bending stiffness, box birder goes as second-parabolic curve, for second-parabolic curve is generally similar to the change of continuous bridge’s bending moments along. The sectionat the support is strengthened by the provision of thickened webs , bottom slabs and a cross beam , the thickness of the bottom slab is changed in second-parabolic curve and the thickness of the web is changed in linearity, the former varies from 0.7m to 0.3m, the latter varies from 0.75m to 0.4m, the top slab’s thickness is 0.28m.
The second step is to use BSAS software to analyze internal gross force of the structures(including dead load and lived load), the internal force composition can be done by using the compute results. According to the internal force composited, the evaluated amount of longitudinal tendons can be worked out, then we can distribute the tendons to the bridge.
The third steps is to calculate the loss of pre-stressing and secondary force due to pre-stressing, first dead loads and temperature, bearing displacement, and so on.
The last steps is checking the main cross section. the work includes the load-caring capacity ultimate state and the normal service ability ultimate state as well as the main section’s being out of shape.
Key Words:
目
第1章
1.1预应力混凝土连续梁桥概述
1.2
第2章 桥跨总体布置及结构尺寸拟定
2.1 尺寸拟定
2.1.1 桥孔分跨
2.1.2 截面形式
2.1.3 梁高
2.1.4 细部尺寸
2.2 主梁分段与施工阶段的划分
2.2.1 分段原则
2.2.2 具体分段
2.2.3 主梁施工方法及注意事项
第3章
3.1 恒载内力计算
3.2 活载内力计算
3.2.1 横向分布系数的考虑
3.2.2 活载因子的计算
3.2.3 计算结果
第4章
4.1 力筋估算
4.1.1 计算原理
4.1.2 预应力钢束的估算
4.2 预应力钢束的布置
第5章 预应力损失及有效应力的计算
5.1 预应力损失的计算
5.2 有效预应力的计算
第6章 次内力的计算
6.1 徐变次内力的计算
6.1.1 结构重力徐变次内力
6.1.2预加力徐变次内力
6.2 预加力引起的二次力矩
6.3 温度次内力的计算
第7章 内力组合
7.1
7.2
第8章 主梁截面验算
8.1 截面强度验算
8.2 截面抗裂验算
8.2.1 正截面和斜截面抗裂验算
8.2.2 法向拉应力
8.2.3 主拉应力和主压应力
第9章
9.1
9.1.1
9.1.2
9.2
毕业设计总结
致 谢
参考文献
附录1：实习报告
附录2：BSAS数据原文件
附录3
附录4
第1章
1.1预应力混凝土连续梁桥概述
预应力混凝土连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。本章简介其发展：
由于普通钢筋混凝土结构存在不少缺点：如过早地出现裂缝，使其不能有效地采用高强度材料，结构自重必然大，从而使其跨越能力差，并且使得材料利用率低。
连续梁和悬臂梁作比较：在恒载作用下，连续梁在支点处有负弯矩，由于负弯矩的卸载作用，跨中正弯矩显著减小，其弯矩与同跨悬臂梁相差不大；但是，在活载作用下，因主梁连续产生支点负弯矩对跨中正弯矩仍有卸载作用，其弯矩分布优于悬臂梁。虽然连续梁有很多优点，但是刚开始它并不是预应力结构体系中的佼佼者，因为限于当时施工主要采用满堂支架法，采用连续梁费工费时。到后来，由于悬臂施工方法的应用，连续梁在预应力混凝土结构中有了飞速的发展。60年代初期在中等跨预应力混凝土连续梁中，应用了逐跨架设法与顶推法；在较大跨连续梁中，则应用更完善的悬臂施工方法，这就使连续梁方案重新获得了竞争力，并逐步在40—200米范围内占主要地位。无论是城市桥梁、高架道路、山谷高架栈桥，还是跨河大桥，预应力混凝土连续梁都发挥了其优势，成为优胜方案。目前，连续梁结构体系已经成为预应力混凝土桥梁的主要桥型之一。
在我国，预应力混凝土连续梁虽然也在不断地发展，然而，想要在本世纪末赶超国际先进水平，就必须解决好下面几个课题：
1．
2．
3．
另外，在设计预应力连续梁桥时，技术经济指针也是一个很关键的因素，它是设计方案合理性与经济性的标志。目前，各国都以每平方米桥面的三材（混凝土、预应力钢筋、普通钢筋）用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁的技术经济指针。但是，桥梁的技术经济指针的研究与分析是一项非常复杂的工作，三材指针和造价指针与很多因素有关，例如：桥址、水文地质、能源供给、材料供应、运输、通航、规划、建筑等地点条件；施工现代化、制品工业化、劳动力和材料价格、机械工业基础等全国基建条件。同时，一座桥的设计方案完成后，造价指针不能仅仅反应了投资额的大小，而是还应该包括整个使用期限内的养护、维修等运营费用在内。通过连续梁、T型刚构、连续—刚构等箱形截面上部结构的比较可见：连续—刚构体系的技术经济指针较高。因此，从这个角度来看，连续—刚构也是未来连续体系的发展方向。
总而言之，一座桥的设计包含许多考虑因素，在具体设计中，要求设计人员综合各种因素，作分析、判断，得出可行的最佳方案。
1.2
毕业设计的目的在于培养毕业生综合能力，灵活运用大学所学的各门基础课和专业课知识，并结合相关设计规范，独立的完成一个专业课题的设计工作。设计过程中提高学生独立的分析问题，解决问题的能力以及实践动手能力，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。
本次设计为(62+104+104+62)m公路预应力混凝土连续梁桥，桥宽为25m，分为两幅，设计时只考虑单幅的设计。梁体采用单箱单室箱型截面，全梁共分132个单元，中支点0号块长度8m，一般单元长度分为2m、2.5m、3m，边跨合拢段长2m，中跨合拢段长2m（BSAS中做了处理分为两段1m的单元），边跨直线段长9m。顶板厚度不进行变化，底板、腹板厚度均发生变化。由于多跨连续梁桥的受力特点，靠近中间支点附近承受较大的负弯矩，而跨中则承受正弯矩，则梁高采用变高度梁，按二次抛物线变化。这样不仅使梁体自重得以减轻，还增加了桥梁的美观效果。
由于预应力混凝土连续梁桥为超静定结构，手算工作量比较大，且准确性难以保证，所以采用有限元分析软件—BSAS进行，这样不仅提高了效率，而且准确度也得以提高。
本次设计的预应力混凝土连续梁桥采用目前比较流行的悬臂灌注法施工。悬臂灌注施工具有很多优越性：它不需要大型的机械设备；不影响桥下通航、通车；且施工受河道水位和季节的影响较小。
本次设计中得到了唐继舜、郑史雄、成文佳、向天宇、林清阳等几位老师的悉心指导，在此表示衷心的感谢。
由于本人水平有限，且又是第一次从事这方面的设计，难免出现错误，恳请各位老师批评指正。
第2章 桥跨总体布置及结构尺寸拟定
2.1 尺寸拟定
本设计方案采用四跨一联预应力混凝土变截面连续梁结构，全长332m。设计主跨为104m。
2.1.1 桥孔分跨
连续梁桥有做成三跨或者四跨一联的，也有做成多跨一联的，但一般不超过六跨。对于桥孔分跨，往往要受到如下因素的影响：桥址地形、地质与水文条件，通航要求以及墩台、基础及支座构造，力学要求，美学要求等。若采用三跨或四跨不等的桥孔布置，一般边跨长度可取为中跨的0.5—0.8倍，这样可使中跨跨中不致产生异号弯矩，此外，边跨跨长与中跨跨长之比还与施工方法有着密切的联系，对于采用现场浇筑的桥梁，边跨长度取为中跨长度的0.8倍是经济合理的。但是若采用悬臂施工法，则不然。本设计跨度，主要根据设计任务书来确定，其跨度组合为：62米+104米+104米+62米。基本符合以上原理要求。
2.1.2 截面形式
2.1.2.1 立截面
1. 桥梁为中等跨径，以40—60米为主。采用等截面布置使桥梁构造简单，施工迅速。由于跨径不大，梁的各截面内力差异不大，可采用构造措施予以调节。
2. 等截面布置以等跨布置为宜，由于各种原因需要对个别跨径改变跨长时，也以等截面为宜。
3. 采用有支架施工，逐跨架设施工、移动模架法和顶推法施工的连续梁桥较多采用等截面布置。
双层桥梁在无需做大跨径的情况下，选用等截面布置可使结构构造简化。
结合以上的叙述，所以本设计中采用悬臂现浇施工方法，变截面的梁。
2.1.2.2 横截面
当横截面的核心距较大时，轴向压力的偏心可以愈大，也就是预应力钢筋合力的力臂愈大，可以充分发挥预应力的作用。箱形截面就是这样的一种截面。此外，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；同时，因其都具有较大的面积，所以能够有效地抵抗正负弯矩，并满足配筋要求；箱形截面具有良好的动力特性；再者它收缩变形数值较小，因而也受到了人们的重视。总之，箱形截面是大、中跨预应力连续梁最适宜的横截面形式。
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。单箱单室截面的优点是受力明确，施工方便，节省材料用量。拿单箱单室和单箱双室比较，两者对截面底板的尺寸影响都不大，对腹板的影响也不致改变对方案的取舍；但是，由框架分析可知：两者对顶板厚度的影响显著不同，双室式顶板的正负弯矩一般比单室式分别减少70%和50%。由于双室式腹板总厚度增加，主拉应力和剪应力数值不大，且布束容易，这是单箱双室的优点；但是双室式也存在一些缺点：施工比较困难，腹板自重弯矩所占恒载弯矩比例增大等等。本设计是一座公路连续箱形梁，采用的横截面形式为扁平的单箱单室。
2.1.3 梁高
根据经验确定，预应力混凝土连续梁桥的中支点主梁高度与其跨径之比通常在1/15—1/25之间，而跨中梁高与主跨之比一般为1/40—1/50之间。当建筑高度不受限制时，增大梁高往往是较经济的方案，因为增大梁高只是增加腹板高度，而混凝土用量增加不多，却能显著节省预应力钢束用量。
连续梁在支点和跨中的梁估算值：
等高度梁：
变高度（曲线）梁：支点处：H=（ ～ ）l，跨中H=（ ～ ）l
变高度（直线）梁：支点处：H=（ ～ ）l，跨中H=（ ～ ）l
而此设计采用变高度的直线梁，支点处梁高为6.5米，跨中梁高为2.6米。
2.1.4 细部尺寸
2.1.4.1 顶板与底板
表2-1 腹板与顶板尺寸关系
腹板间距（米）
顶板厚度（毫米）
本设计中采用双面配筋，且底板由支点处以抛物线的形式向跨中变化。底板在支点处厚70cm,在跨中厚30cm.顶板厚28cm。
2.1.4.2 腹板和其它细部结构
1. 箱梁腹板厚度
（1） 腹板内无预应力筋时，采用200mm。
（2） 腹板内有预应力筋管道时，采用250—300mm。
（3） 腹板内有锚头时，采用250—300mm。
大跨度预应力混凝土箱梁桥，腹板厚度可从跨中逐步向支点加宽，以承受支点处交大的剪力，一般采用300—600mm，甚至可达到1m左右。
本设计支座处腹板厚取75cm.，跨中腹板厚取40cm。
2. 梗腋
本设计中，根据箱室的外形设置了宽620mm，长1240m的1：2的上部梗腋，而下部采用1：1的梗腋。
3. 横隔梁
横隔梁可以增强桥梁的整体性和良好的横向分布，同时还可以限制畸变；支承处的横隔梁还起着承担和分布支承反力的作用。由于箱形截面的抗扭刚度很大，一般可以比其它截面的桥梁少设置横隔梁，甚至不设置中间横隔梁而只在支座处设置支承横隔梁。因此本设计没有加以考虑，而且由于中间横隔梁的尺寸及对内力的影响较小，在内力计算中也可不作考虑。
跨中截面及中支点截面示意图如下所示：（单位为cm）（插入图）
2.2 主梁分段与施工阶段的划分
2.2.1 分段原则
主梁的分段应该考虑有限元在分析杆件时，分段越细，计算结果的内力越接近真实值，并且兼顾施工中的实施，本设计分为132个单元。
2.2.2 具体分段
本桥全长332米，全梁共分132个单元，中支点0号块长度16.0m（BSAS中为了方便计算分为8×2m单元），一般梁段长度分成2.0m、2.5和3.0m，边跨合拢段长2.0m，中跨合拢段长2.0m，边跨直线段长9m。
2.2.3 主梁施工方法及注意事项
2.2.3.1 主梁施工方法
2.2.3.2 施工程序建议分为三大步骤
1. 在墩顶0#梁段施工完毕之后，两侧对称悬臂灌注至合拢之前的梁段，边跨上的等高直线段采用满堂支架施工，一次性浇注，边跨4号段合拢，形成单悬臂简支梁。
2. 拆除主跨跨中挂篮，灌注主跨中跨合拢段。
3. 拆除全部模板，解除临时约束并将主跨支座的一个改成固定铰支座，其余两个改成活动铰支座，形成四跨连续梁，张拉全部剩余钢索。
2.2.3.3 主意事项
1. 各合拢段混凝土灌注，应选择非温度急剧变化日之夜间气温最低时进行，(由于设计中不能事先确定合拢时之温度值，故按合拢温度为15℃设计)为切实保证灌注质量，在中跨合拢段两端截面间设钢支撑，并于顶、底板上各张拉四根临时钢索，张拉力为300kN，以锁定合拢段两侧梁部。合拢段混凝土达85%强度后，拆除临时支座，放松临时索重新张拉至设计张拉力。
2. 悬灌施工时，两端施工设备的重量要保持平衡，并注意无左右偏载，两端浇筑混凝土进度之差不得大于2立方米。
3. 支座形式采用盆式橡胶支座。安装盆式橡胶支座前应注意将支座的相对滑动面和其他部分用丙酮或酒精擦洗干净，安装支座标高应符合设计要求，其四角高差不得大于1mm，活动支座的四氟板必需搁置在盆中，使支座能充分发挥其受力和位移功能。
第3章
3.1 恒载内力计算
主梁的内力计算可分为设计和施工内力计算两部分。
设计内力是强度验算及配筋设计的依据。施工内力是指施工过程中，各施工阶段的临时施工荷载，如施工机具设备（挂蓝、张拉设备等）、模板、施工人员等引起的内力，主要供施工阶段验算用。由于对施工方面的知识不熟，本设计中对该项设计内容作了简化，主要考虑了一般恒载内力、活载内力。
二期恒载集度： Q =60kN/m
由BSAS系统计算而得的有关结果如下表所示:
表3-1 毛截面几何特性
截面类型
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
表3-2 恒载内力计算
一期恒载计算表（半结构）
截面号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21