预应力连续梁桥设计.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流预应力连续梁桥设计.精品文档.预应力连续梁桥设计 本 科 毕 业 论 文（设计） 学院: 学号: 指导教师: 职称： 2015年 5 月 1 日 深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明 毕业论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 目录 【摘要】 . - 1 - 【前言】 . - 2 - 1初步设计 . - 3 - 1.1. 设计基本资料 . - 3 - 1.1.1. 设计标准 . - 3 - 1.1.2. 主要材料 . - 3 - 1.1.3 预应力布置 . - 4 - 1.1.4.设计规范 . - 4 - 1.2. 桥型方案设计 . - 4 - 1.2.1. 总则 . - 4 - 1.2.2连续梁施工方案的选择（比选） . - 4 - 1.2.3. 结构构造尺寸 . - 5 - 2. 上部结构设计与计算 . - 7 - 2.1 桥梁横截面特性计算 . - 7 - 2.1.1 截面特性的计算 . - 7 - 2.1.2 检验截面效率指标 . - 9 - 2.2 恒载内力计算 . - 9 - 2.3 活载内力计算 . - 16 - 2.3.1 冲击系数计算 . - 16 - 2.3.2 车道折减系数 . - 17 - 2.3.3 纵向折减系数 . - 17 - 2.3.4 考虑偏载效应时的增大系数 . - 17 - 2.3.5 活载内力计算 . - 17 - 2.4 内力组合(取截面最大值组合) . - 18 - 2.4.1 承载力极限状态的基本组合： . - 18 - 2.4.2 作用短期效应组合： . - 19 - 2.4.3 作用长期效应组合： . - 19 - 2.5 预应力钢筋配筋计算 . - 20 - 2.5.1 主跨跨中截面： . - 21 - 2.5.2 支座截面： . - 22 - 3 MIDAS CIVIL 建模 . - 23 - 3.1 定义材料和截面 . - 23 - 3.2 “悬臂法桥梁”辅助建模 . - 25 - 3.3 模型定义 . - 26 - 3.3.1 定义收缩徐变 . - 26 - 3.3.2 定义边界条件 . - 28 - 3.3.3 定义荷载 . - 29 - 3.3.4 定义施工阶段 . - 33 - 3.4 模型分析与PSC桥梁设计 . - 36 - 3.4.1 设置控制数据并分析 . - 36 - 3.4.2 PSC（预应力）桥梁设计 . - 38 - 3.5 模型分析结果 . - 40 - 4 主梁截面承载力与应力验算 . - 57 - 4.1 持久状况承载力极限状态验算 . - 57 - 4.2 持久状况正常使用极限状态抗裂验算 . - 60 - 4.2.1 主梁正截面抗裂验算 . - 60 - 4.2.2 主梁斜截面抗裂验算 . - 63 - 4.3 持久状况主梁截面应力验算 . - 64 - 4.3.1 正截面混凝土压应力验算 . - 64 - 4.3.2 斜截面混凝土主压应力验算 . - 66 - 5 参考文献 . - 67 - 致谢 . 错误！未定义书签。 【摘要】 根据设计任务书要求和设计规范的规定，本毕业设计主要是关于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。本着“安全、经济、美观、实用”八字原则，对桥梁进行了设计。该桥跨度为30m+56m+30m，上部结构为连续梁，施工方法选为整体现浇满堂施工。 首先根据课题任务要求拟定箱梁截面。然后对其结构，主要是上部结构进行计算。桥墩为柱式刚性墩，在模型中可不予建立单元详细考虑。 对连续梁进行详细的单元划分，计算恒载内力和活载内力，全桥均采用MIDAS/Civil软件进行了预应力筋束配筋和应力验算。 本设计使用连续梁模型以及熟悉使用MIDAS/Civil软件的PSC界面钢筋输入方法、施工阶段分析功能、钢束预应力荷载的输入方法、移动荷载的输入方法和查看分析结果的方法、设计数据的输入方法和查看设计结果的方法等。 【关键词】：预应力 混凝土 连续梁桥 满堂支架浇筑 - 1 - 【前言】 本设计是根据设计任务书的要求和公路桥涵设计通用规范（JTG D602004）、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004）的规定，进行方案比选和设计的。 本桥是在满足通航要求，结合本地实际运营情况和未来的交通发展的要求，并充分考虑桥梁美学、工程预算，使该桥与周围环境相协调的前提下制定的。 该设计的除了方案图的制定以外，基本设计计算实现电算化。包括从桥型参数计算设计；荷载布置，内力计算；桥梁上部结构设计与计算。 其中桥梁结构上的车道荷载布置、超静定连续梁内力分析涉及的所有计算全部Midas求出和输出原始数据，为下一步的分析和准确计算打下了坚实基础。接下来的上部主梁的结构设计计算当中，再以程序精算结果的基础上，充分利用了Midas计算功能计算。该过程包括上部结构截面的几何特性计算，确定预应力钢绞线用量，布置预应力钢束，估算处钢绞线在各个阶段之中的预应力损失，施工阶段和使用阶段主梁截面的强度和变形验算。计算中为了施工和计算的方便，也作了不少不错的简化。 根据本桥构造特点和现场条件，决定上部结构的施工方案采用悬臂浇筑施工法，浇筑等级为C50的预应力钢筋混凝土，桥台处主梁采用满堂支架法浇筑。 本设计主要有如下特点： 说明书的排版全部按照土木学院毕业设计规范化要求编写装订。论文结构合理，条理明确。方便查阅。 本设计从线型设计，荷载布置到上部构件验算，全部采用电算化，计算结果精确。此外，本人只作为电算各步骤的控制者，从繁重的计算中解脱出来，有了更多的时间去分析思考。 本设计中各个过程不仅有详尽的文字说明部分，且附有多张插图，充分表达出了设计思想，便于读者更好阅读了解。 - 2 - 1初步设计 1.1. 设计基本资料 1.1.1. 设计标准 （1）设计荷载：公路- I 级 （2）桥面宽：单幅宽桥，全宽17m横向布置为 4条3.5m机动车道+2m中央分隔带+2道0.5m右侧路缘带 （3）设计车道：4车道 （4）设计车速：60km/h （8）桥面横坡：行车道2%人字形双面坡 （9）设计使用年限：设计基准期为100年 1.1.2. 主要材料 421、 混凝土：上部结构采用C50(Ec=3.45?10N/mm)，下部结构采用C30(Ec=3.0?10N/mm)。24 桥面铺装:选用8cm厚沥青混凝土+1cm防水层+6cm钢筋混凝土，取桥面铺装层容重25kN/m， 2、钢筋 （1）主筋：II 级钢筋 （2）构造钢筋：I 级钢筋 （3）预应力筋: 采用钢绞线15.2,公称面积139mm, 标准强度fpk?1860MPa ，弹性S23 模量Ep?1.95?10MPa 3、预应力管道: 钢波纹扁管，且要求钢波纹扁管钢带厚度不小于0.35mm 5 - 3 - 4、伸缩缝: 采用D240、D160、D80伸缩缝，符合交通部行业公路桥梁伸缩装置JT/T3272004标准 1.1.3 预应力布置 箱梁采用YM型锚具及配套的设备。管道成孔采用波纹圆管，且要求钢波纹管的钢带厚度不小于 0.35mm。预应力张拉采用引伸量和张拉应力双控。并以引伸量为主。引伸量误差不得超过-5%-10%。 1.1.4.设计规范 1公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004） 2公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004） 3公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007） 4公路桥涵施工技术规范（JT J0412000） 5公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002） 6. 城市桥梁设计通用规范（CJ J11-2011） 7. 公路钢筋混凝土及预压力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004） 1.2. 桥型方案设计 1.2.1. 总则 混凝土连续梁从主筋配置上分为钢筋混凝土连续梁和预应力混凝土连续梁。一般来说钢筋混凝土连续梁适用于25m以下的小跨径连续结构，预应力混凝土连续梁适用于25m以上的跨径大中等跨径连续梁。等高度连续梁,具有跨越能力小、构造简单、施工方便快捷的特点。是实际公路桥梁中应用最多的结构类型。本桥主跨跨径为56m，故采用预应力混凝土等高度连续梁。 1.2.2连续梁施工方案的选择（比选） 在连续梁的设计中，设计方案与施工方法是相互制约的，具体项目设计时应结合桥址地形、 - 4 - 工程规模、工期、造价等因素合理确定施工方案。由于桥址地形平坦、地面土质较好、且桥梁净空较低，采用支架整体现浇，施工中无体系转换，施工方便、快捷，经济效益较好。 1.2.3. 结构构造尺寸 1.2.3.1. 结构跨径布置 桥梁跨孔布置受地质、地形、桥下通车通航等因素制约。在条件允许的情况下，应力求受力合理、施工方便、跨孔配置协调一致。本桥跨径采用30m+56m+30m。 1.2.3.2. 梁高 对支座处一般取 1/16-1/20L，全桥采用等截面梁；本桥主跨跨径56m，支点截面梁高 1?1?1?1h?L?56?2.8m3.5m,取h?3.5m?1620?1620? 。 1.2.3.3. 横截面形式 箱形截面具有较大的刚度和强大的抗扭性能和结构简单，受力明确、节省材料、架设安装方便，跨越能力较大、桥下视觉效果好等优点。而被广泛地应用于城市桥梁和高等级公路立交桥的上部结构中。故本城市桥梁采用单箱双室箱形截面。 1.2.3.4. 箱梁横断面细部构造 箱梁横断面由顶板、底板、腹板、悬臂板、承托构成；各部分构造须满足受力、构造、施工方便的要求。 1、 顶板 箱梁顶板需要满足横向抗弯以及布置预应力钢筋的需求。一般在腹板间距为3.5-7.0m时，顶板厚度可采用 0.18-0.3m，考虑到全桥采用等截面，恒载较大，拟取0.4m。 2、 底板 11 箱梁底板需要满足纵向抗弯以及布置预应力钢筋的需求。底板厚度一般为梁高的1012 ，且不小于200mm ，拟取0.30m。 3、 腹板厚度 - 5 - 腹板厚度除满足受力需求外，还需要满足通过、连接、锚固预应力钢筋的构造需求。 1）、对于布置预应力束筋管的腹板，厚度不小于350mm ，一般采用 0.40-0.80m。考虑到本桥梁采用等截面设计，承受恒载较大，为满足腹板和翼缘板的稳定性，拟取0.8m。 2）、箱梁一般采用直腹板。拟采用直腹板。 4、 悬臂板 悬臂板长度及腹板间距是调节桥面板弯矩的主要手段。悬臂板长度一般不超过3m，拟取3.0m；悬臂端部厚度同顶板厚，取0.4m ；悬臂根部厚度一般为0.40.6m，拟取0.6m。 5、 承托（梗腋） 承托布置在顶底板与腹板连接的部位，承托的形式有两种：竖承托和横承托。前者对腹板受力有力；后者对顶底板受力有利。一般地，受抗剪、主拉应力控制的宜设置竖承托；受纵横抗弯控制宜设置横承托。本设计设置横承托。 图 1桥梁横断面布置（长度单位：cm） - 6 - 2. 上部结构设计与计算 2.1 桥梁横截面特性计算 2.1.1 截面特性的计算 箱型截面的截面特性计算可以采用分块面积法。 截面面积的计算： 图2箱梁截面形式及符号设定 ?db?3df?h?bt?bb?2d1t1?2d2t2b2 ?0.4?0.6?17?11?0.3?3.5?11?3?0.8?3.5?0.4?0.3 =?2 +0.9?0.3?2+0.2?0.2?2 =18.04m2 截面形心计算：以箱梁底板底为x轴，过中腹板的中心竖线为y轴， bt?bx?dt?db?A?dh? - 7 - b?1b+2bt?dbh? ?Aiyi?bt?dt?db?h?t?bx?bt?dt?db?h?x? 2?23?2? t?1? ?db?3df?h?bb?bt?h?bt?bb?2d1t1?h?bt?1? 23?t? ?2d2t2?bb?2? 3? 0.4?0.6?0.4?17?11?0.6?2?0.4? ?0.4?17?11?3.5?3.5? 2?23? 0.3?3.5?11?3?0.8?3?0.4?0.3?3?0.4?0.3? ?22 0.2?0.2? ?2?0.9?0.3?3.5?0.4?2?0.2?0.2?0.3? 3?3? ?37.83m3 yc? 截面惯性矩（对形心轴）计算： 2 ?Aiyi37.83 ?2.097m A18.04 dh?h? Ic?b?dbh?yc? 12?2? 3 ?d?db?bx?bt?+t 36 3 3 d2t2t?+?2d2t2?yc?bb?2?93? 2 2 ?db?3df?h?bt?bb?3 ?db?3df 12? h?bt?bb? ?y?h?bt?bb?c? 2? 2 2 ?d?db?bx?bt?h?b ?t 2 ?29.13m4 AutoCAD计算结果对比： 2?bx?bt?d1t13t1?y?2dth?b?yxc?11?tc? 393? - 8 - 面积: 180400.0000 周长: 7233.9423 边界框: X: -850.0000 - 850.0000 Y: -209.6914 - 140.3086 质心: X: 0.0000 Y: 0.0000 惯性矩: X: 2912572822.7397 Y: 34582626666.6667 图 3AutoCAD计算结果（长度单位：cm） 2.1.2 检验截面效率指标 根据设计经验，一般截面效率指标取?0.450.55 ，且较大者亦较经济。 K上? 上核心矩：Ic29.13?0.767mAyc18.04?2.097 Ic29.13?1.151mAys18.04?(3.5?2.097)，ys为形心距顶板顶的距离。 K上?K下0.767?1.151?0.548h3.5，结果表明初拟的截面是合理的。 K下?下核心矩：?截面效率指标： 2.2 恒载内力计算 主梁恒载内力，包括自重引起的主梁自重（一期恒载）内力S1和二期恒载（如铺装、栏杆等）引起的主梁后期恒载内力S2。本设计采用满堂支架法，不用分段计算内力。 一期恒载集度: - 9 - g1?A?25?18.04?451kN/m 二期恒载集度:桥面铺装采用8cm厚沥青混凝土+1cm防水层+6cm钢筋混凝土，取铺装层平均容重24kN/m3，防撞墙为梯形，上部宽0.3m，桥梁两侧的防撞墙底部宽为0.5m，中央分隔带处的防撞墙底部宽0.6m，高1.2m，则 0.03?0.06?1.2?g2?铺装B车道d?24?14?0.08?0.01?0.06?25?0.03?0.05?1.2?62.65kN/m2? 桥梁各跨控制截面在恒载作用下的内力采用该控制截面的弯矩（剪力）影响线面积乘以荷载集度计算。三跨连续梁是二次超静定结构，其影响线是曲线，可以借助Sap2000求解，并通过AutoCAD计算影响线的面积，完成桥梁的恒载内力计算。 6.42 0.17 1.000.190.170.090.02-1.90 图 4边跨支座处剪力影响线（图上长度单位：cm） 1.12 0.30 6.420.170.190.170.09图5边跨L/4处剪力影响线（图上长度单位：cm） - 10 - 4.39 0.300.57 6.420.170.190.170.09图6边跨L/2处剪力影响线（图上长度单位：cm） 9.62 0.300.570.81 6.42 0.170.190.170.09-0.66图7边跨3L/4处剪力影响线（图上长度单位：cm） 73.40 5.28 3.57 0.160.18 0.11 图8边跨L/4处弯矩影响线（图上长度单位：cm） - 11 - 90.56 6.40 图9边跨L/2处弯矩影响线（图上长度单位：cm） 51.46 4.19 图10边跨3L/4处弯矩影响线（图上长度单位：cm） - 12 - 1.04 0.05 0.03-1.04 图11中间跨左支座处剪力影响线（图上长度单位：cm） 1.28 0.20 1.040.050.03-1.04图12中间跨L/4处剪力影响线（图上长度单位：cm） 6.16 0.20 0.501.040.050.03 图13中间跨L/2处剪力影响线（图上长度单位：cm） - 13 - 15.27 0.20 0.030.500.801.040.050.03 -1.04图14中间跨3L/4处剪力影响线（图上长度单位：cm） 14.28 0.73 图15中间跨左支座处弯矩影响线（图上长度单位：cm） 101.45 6.00 0.27 1.51图16中间跨L/4处弯矩影响线（图上长度单位：cm） - 14 - 199.45 8.84 3.133.13 图17中间跨L/2处弯矩影响线（图上长度单位：cm） 101.45 6.00 1.84 0.27 图18中间跨3L/4处弯矩影响线（图上长度单位：cm） - 15 - 恒载内力计算结果列于表1。 表1桥梁各跨控制截面内力 *注：表中弯矩单位为kN·m，剪力单位为kN，影响线面积单位为m2，恒载单位为kN/m。 2.3 活载内力计算 (qk)和集中荷载标准值(Pk)为： 荷载设计等级为公路-I级，车道荷载的均布荷载标准值 qk?10.5kN/m，Pk?360kN （注：设计桥梁为4车道，根据城市桥梁设计通用规范计算弯矩不乘增大系数，计算剪力应乘以增大系数1.20） 2.3.1冲击系数计算 由于梁体取C50混凝土，混凝土的弹性模量取E=3.45?10MPa。 桥梁基频： 考虑冲击力引起的正弯矩和剪力效应时： 4 - 16 - ?1.5Hz13.616f?3.07Hz ?2?14Hz2?56? 故对边跨取冲击系数： ?0.1767lnf1?0.0157?0.01767?ln3.07?0.0157?0.182 2.3.2 车道折减系数 根据公路桥涵设计通用规范，四车道折减系数为=0.67。 2.3.3 纵向折减系数 计算跨径56m<150m ,不考虑纵向折减。 2.3.4考虑偏载效应时的增