公路预应力混凝土连续梁桥设计.doc

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1、石家庄铁道大学毕业设计公路预应力混凝土连续梁桥设计Design of Highway Prestressed ConcreteContinuous Beam Bridge2011 届 土木工程学院 专 业 土木工程 学 号 20081622 学生姓名 吴月峰 指导教师 张 彦 玲 完成日期 2012年6月1日公路预应力混凝土连续梁桥设计学生姓名吴月峰学号20081622班级桥梁08-7专业土木工程承担指导任务单位土木工程学院导师姓名张彦玲导师职称副教授1设计内容 (1)查阅有关文献，掌握中等跨径预应力混凝土连续梁桥设计和施工的最新发展状况；(2)根据自己所设计的桥型和截面，在有支架现浇、移动模

2、架、简支转连续三种方法中选择合理的施工方法和施工工序，并进行相应的内力计算、主梁预应力筋设计、桥面板配筋设计；(3)进行正常使用极限状态和承载能力极限状态下的截面应力、挠度、裂缝和承载力校核；(4)绘制全桥施工设计图。2基本要求 (1)了解桥梁工程所涉及到的设计原理、施工方法等内容；(2)熟练应用计算软件，通过设计和计算深刻理解设计原理；(3)能够应用AutoCAD制图软件制图，并出图；(4)独立、按时完成设计内容，较为流利的进行外文翻译。3主要技术指标 (1)等截面预应力满堂支架三跨等高单箱双室梁；(2)梁高140cm，梁宽1050cm，单跨径2500cm总跨径75m；(3)公路级荷载 4应

3、收集的资料及参考文献(1)TG D60-2004公路桥涵设计通用规范S北京：人民交通出版社，2004.05(2)JTJ023-85公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S北京：人民交通出版社，1999.6(3)叶见曙结构设计原理M北京，人民交通出版社，2005.05(4)姚玲森桥梁工程M北京，人民交通出版社，1995(5)徐岳，王亚君等预应力混凝土连续梁桥设计M北京：人民交通出版社，2000.05(6)廖元裳钢筋混凝土桥M北京，中国铁道出版社，1997.06(7)葛俊颖桥梁工程(上)M北京，中国铁道出版社，2007.085进度计划第13周：查阅相关文献，写绪论，完成英文翻译，毕业实习；第46

4、周：熟悉软件及所设计桥梁的施工图纸，确定施工工序，列出施工步骤，建模计算；第710周：对计算结果进行整理分析，并初步完成对结构的配筋及结构验算；第1113周：按要求整理计算书，绘制AutoCAD图；第1415周：计算书审查，修改，准备答辩；第16周：答辩。教研室主任签字时间 年 月 日 毕业设计任务书 毕业设计开题报告题 目中等跨径预应力混凝土连续梁桥设计学生姓名吴月峰 学号20081622班级桥08-7专业桥梁工程1研究背景 随着国民经济持续高速发展，我国基础设施建设迎来了有一个高峰期，大跨径预应力混凝土连续梁桥在现代高速公路桥梁中的比重越来越大，并且已经成为高速公路应用广泛的桥型之一。2国

5、内外研究现状 近20年来随着我国交通运输业的蓬勃发展预应力混凝土连续梁桥的建设取得了很大的成就。随着预应力技术的不断发展以及高强轻质材料的相继问世，桥梁的发展方向应是新型、轻质、大跨和美观、环保、人性化。而桥梁的每次重大技术突破都是和材料、施工工艺、结构体系结构体系等密切联系的。3设计主要任务 根据自己所设计的桥型和截面，在有支架现浇、移动模架、简支转连续三种方法中选择合理的施工方法和施工工序，并进行相应的内力计算、主梁预应力筋设计、桥面板配筋设计；进行正常使用极限状态和承载能力极限状态下的截面应力、挠度、裂缝和承载力校核；4采用的手段题 目公路预应力混凝土连续梁桥设计学生姓名程楠学号2007

6、0138班级土0701-4专业桥梁工程5.进度计划第1周第2周： 第3周： 第4周第6周： 第14周第15周：整体计算书，答辩。6.预期效果指导老师签字时 间年 月 日目 录第1章 绪论11.1 研究背景和意义11.2 研究现状21.3 研究内容31.3.1 主要任务31.3.2 施工方法31.4 设计思路4第2章 设计基本资料62.1 标准及规范62.2 技术指标62.3 主要材料62.4 设计要求72.5 设计荷载82.5.1 恒载92.5.2 活载92.6 荷载组合16第3章 配筋前结构内力183.1 单元及节点划分183.2 施工阶段划分193.3 毛截面几何特性203.4 截面有效宽

7、度203.5 恒载内力213.5.1 施工阶段内力223.5.2 汽车荷载内力273.5.3 内力组合31第4章 钢筋估算和布置394.1 预应力钢束布置394.1.1 按正常使用极限状态的应力要求计算394.1.2 承载能力极限状态正截面强度要求424.1.3 预应力钢筋的估算424.1.4 桥面板钢筋464.2 截面特性计算50第5章 预应力损失及有效应力的计算515.1 预应力损失的计算515.1.1 摩阻损失515.1.2 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失525.1.3 混凝土的弹性压缩525.1.4 钢束松弛损失535.1.5 收缩徐变损失535.2 有效预应力的计算54第

8、6章 配束后结构内力586.1 恒载内力586.2 汽车荷载内力636.3 次内力636.3.1 预加力次内力636.3.2 温度荷载次内力656.3.3 支座沉降次内力676.4 内力组合69第7章 结构验算727.1 截面承载能力验算727.1.1 正截面抗弯承载能力验算727.1.2 斜截面抗剪承载能力验算757.2 应力验算777.2.1 短暂状况正应力验算787.2.2 持久状况应力验算817.3 抗裂性验算847.3.1 正截面抗裂性验算857.3.2 斜截面抗裂性验算867.4 主梁变形(挠度)验算87第8章 结论和展望898.1 结论898.2 展望90参考文献91致谢92附录

9、A 外文翻译93A.1 英文93A.2 译文103附录B 设计图纸114第一章 绪论1.1 研究背景和意义随着国民经济持续高速发展，我国基础设施建设迎来了有一个高峰期，大跨径预应力混凝土连续梁桥在现代高速公路桥梁中的比重越来越大，并且已经成为高速公路应用广泛的桥型之一。预应力混凝土连续梁桥具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好、特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点，在跨径40-120米范围内优势明显，发展前景广阔。预应力混凝土连续梁桥的时机比较复杂，想要成功发挥出它的优势需要综合考虑多方面的因素，这都需要桥梁方面的工程师和专家进一步的研究和探索。1.2 发展历程、现状

10、及发展趋势 早在1861年人们就对混凝土提出了施加预压应力的设想，并开始了各种尝试和研究工作。由于材料土强度不高，所施加的预加应力又因为混凝土收缩、徐变影响而消失殆尽，直至本世纪20年代人们的研究与尝试才取得了一定的突破。我国预应力混凝土连续梁桥在50年代才开始研究，第一片预应力混凝土在丰台桥梁厂研究试制，并于1956年首先在东陇海线新沂（yi）上建成了跨度为23.9米的预应力混凝土简支梁，迈出了重要的一步。2 (杨毅.预应力混凝土连续梁桥设计的分析与探讨 J.科技博览，2009,188 )近20年来随着我国交通运输业的蓬勃发展预应力混凝土连续梁桥的建设取得了很大的成就：在结构材料方面，高强、

11、早强混凝土，高性能混凝土，以及在特殊要求下的特种混凝土正在得到推广和应用，商品混凝土和泵送混凝土正在取代传统的施工方法；在预应力技术上，高强钢绞线、大吨位群锚技术日益普及，各种预应力管道材料及成孔技术不断完善，大吨位的新型制作，大位移量的伸缩缝也在推陈出新。在结构设计方面，计算结构力学的发展和计算机的普及应用，使得大型复杂桥梁的计算和绘图工作的效率大大提高；同时对于一些复杂的力学分析，诸如温度、徐变收缩、减滞效应、非线性、抗震等棘手问题，可以通过电算求出较为符合实际的效果。在施工技术方面，以悬拼、悬灌为代表的无支架施工方法走向成熟，施工机具的现代化水平正在提高，施工管理水平也上了一个新台阶。3

12、（吕志涛，刘钊，孟少平.浅谈我国预应力混凝土连续梁桥的技术与发展J.桥梁建设，2001,5253）随着预应力技术的不断发展以及高强轻质材料的相继问世，桥梁的发展方向应是新型、轻质、大跨和美观、环保、人性化。而桥梁的每次重大技术突破都是和材料、施工工艺、结构体系结构体系等密切联系的。其中高强轻骨料混凝土是今后建桥材料的的主攻方向，工厂化、自动化是桥梁施工发展的必然趋势。4（刘翠云，董传洲.国外预应力混凝土连续梁桥发展和施工技术J.世界桥梁，2011,12）。1.3 研究内容1.3.1 主要任务(1)查阅有关文献，掌握中等跨径预应力混凝土连续梁桥设计和施工的最新发展状况；(2)根据自己所设计的桥型

13、和截面，在有支架现浇、移动模架、简支转连续三种方法中选择合理的施工方法和施工工序，并进行相应的内力计算、主梁预应力筋设计、桥面板配筋设计；(3)进行正常使用极限状态和承载能力极限状态下的截面应力、挠度、裂缝和承载力校核；(4)绘制全桥施工设计图。根据自己所设计的桥型和截面，在有支架现浇、移动模架、简支转连续三种方法中选择合理的施工方法和施工工序，并进行相应的内力计算、主梁预应力筋设计、桥面板配筋设计；进行正常使用极限状态和承载能力极限状态下的截面应力、挠度、裂缝和承载力校核；1.3.2 施工方法 落地支架法原位逐孔现浇 移动模架法现场浇筑预应悬臂现浇力混 的延续-转体施工法凝土连续梁桥 整孔预

14、制拼装预制拼装 节段预制拼装 的延续-顶推法 1.4 设计思路1.5 施工监测 在新桥大量建造的同时，桥梁工程的质量成为必须高度重视的重大问题，尤其是跨径较大的大桥和特大桥。为了保证桥梁工程的质量，确保桥梁的安全性和耐久性，除了加强对勘测、设计和施工的质量管理外，对竣工桥梁实行成桥检测是最直接有效的方法，而桥梁荷载试验是桥梁检测最主要的方法。通过对大跨径连续梁桥的成桥检测，可以了解桥梁的实际工作状况，它的承载能力、刚度是否马努设计要求，为桥梁的竣工验收作出科学和客观评价，此外也为桥梁的正常运营养护提供技术依据，为桥梁的设计理论、施工技术总结积累经验。第二章 设计基本资料2.1 设计标准及设计规

15、范1、中华人民共和国行业标准公路工程技术标准JTG B01-20032、中华人民共和国行业标准公路桥涵设计通用规范JTG D6020043、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 D6220044、中华人民共和国交通部标准公路工程抗震设计规范JTJ004895、中华人民共和国交通部标准公路桥涵施工技术规范JTJ 04120006、中华人民共和国交通行业标准公路桥梁板式橡胶支座JT/T4-20047、中华人民共和国标准预应力混凝土用钢绞线GB/T 5224-20038 中华人民共和国标准 公路桥涵地基与基础设计规范JTJ024-859 中华人民共和国标准 高速公路

16、交通工程设计与施工规范JTJ074-9410中华人民共和国标准 公路工程质量检验评定标准JTJ071-942.2 设计技术指标1、设计荷载：公路级2、环境类别：类3、结构重要性系数：1.04、跨径：75米 梁高1.40米 梁宽10.5米 单跨径25米5、斜交角度：06、桥面纵坡： + 3.5%+0.814%7、桥面横坡：单向坡2.04.0%8、地震作用：地震动峰值加速度0.1g 2.3 主要材料1、 混凝土：桥面伸缩缝预留槽浇筑C50混凝土；预应力混凝土现浇箱梁 C50混凝土；桥墩柱、墩台帽梁、支座垫石、耳墙、背墙、肋板C30混凝土；搭板、护栏、墩台基础、承台为C25混凝土。2、 预应力材料：

17、预应力钢束采用高强低松弛钢绞线S15.24-270级，标准强度fpk=1860Mpa，控制张拉应力k=0.75fpk=1395 Mpa，锚具采用YM15-9、YM15-10和YM15-8(中交研制的夹片锚具)型锚具，钢束孔道采用镀锌波纹管成孔。3、普通钢筋；除支座钢筋等特别指示外，直径12mm者采用HRB335钢筋；直径12mm者采用R235钢筋。R235、HRB335级钢筋技术标准应符合国家标准GB13013-19991和GB1499-1998的规定。4、桥面铺装：10cm厚沥青混凝土。5、支座：采用盆式橡胶支座。2.4 设计要点1 本桥为预应力钢筋混凝土梁桥，按A类预应力构件进行设计。桥梁

18、位于里东窑互通B、C匝道的交汇处，桥梁平曲线位于A=68.464m和A=160m及直线段内，桥梁宽度变化较大。跨径组合采用11-25m，全桥共分四联。梁高均为1.4m。2 桥墩采用桩柱式桥墩，桥台采用肋板式桥台，基础均为钻孔灌注桩基础。3 桥面设置10cm防水铺装层+10沥青混凝土铺装层，沥青铺装层与桥面铺装间加设沥青粘结层和防水层。4 纵向内力计算采用Midas civil 空间分析程序进行，主梁抗剪筋设计则按箱梁理论分析的结果为依据，通过计算自由扭转、约束扭转和畸变内力计算主拉应力和剪应力，横桥向内力计算按悬臂板和单向板对桥面板进行分析和计算。5 预应力钢束设计计算取定的有关参数：管道摩阻

19、系数0.25，偏差系数0.0015，一端锚具变形钢束回缩值0.006m，钢束松弛系数0.045。6桥梁结构由于梯度温度引起的效应，按照公路桥涵设计通用规范4.3.10条计算。7 墩台沉降：桥墩基础不均匀沉降按5mm计，桥台基础沉降按7mm计。8 墩身与桩基计算根据规范要求进行强度、偏心、稳定等验算。并按最不利荷载组合验算配筋。9 桩基础受力采用单、群桩基础按m法计算，单桩承载力按摩擦桩计算。2.5 设计荷载2.5.1 恒载内力 恒载内力主要包括一期恒载（箱梁自重）和二期恒载（桥面铺装和防撞护栏等桥面系）作用下的内力。对于满堂支架现浇等截面连续梁桥，考虑在建造过程中物体系转换，故恒载内力可按结构

20、力学方法直接计算，对于变截面连续梁桥，则用有限元方法计算更为简便。我设计的是单箱双室箱型截面在一段跨度内双室的截面尺寸是变化的，并且我们用的是有限元软件-midas civil软件，处理方法是先在静力荷载工况中把自重荷载和二期铺装定义为施工阶段荷载，考虑到混凝土自身的收缩徐变在定义一个混凝土收缩徐变为施工阶段荷载。在自重荷载栏荷载工况和荷载组合项中均选择自重荷载，自重系数为在z轴项中乘以-1(z轴向上为正重力是向下的)，二期铺装作为梁单元荷载加在整个结构上的，荷载工况名称及荷载组名称均选择二期铺装，荷载类型选择均布荷载方向选择整体坐标系z轴，以为是假在整个结构上所以x1=0，x2=1，w为荷载

21、集度等于两层铺装材料和防撞护栏的容重分别乘以它们横断面面积再相加。到此恒载就加完了软件会自行计算结果的。 二期恒载集度=桥面铺装集度+防撞护栏集度即： q2=桥面铺装集度+防撞护栏集度 =（23+24*10.5*0.1 + 40.64*25 = 59.51KN/m2.5.1 活载内力 活载内力为基本可变荷载（包括汽车、履带车、挂车及人群等）在桥梁使用阶段产生的结构内力。很显然，不管采用何种施工方法，这是结构已成为最终体系-连续梁桥，因此力学计算图式已十分明确。当采用T形截面或箱型截面且肋数较多时，应考虑结构空间受力特点进行活载内力计算；当采用单箱单室截面时，可直接按平面杆系结构进行活载内力计算

22、，它们之间的区别就是平面杆系结构不需要计算横向荷载分布系数。 连续梁桥为超静定结构，活载内力计算以影响线为基础。对于等截面连续梁活截面按某种规律变化的连续梁，可直接采用有限元法计算绘制影响线。在midas civil软件中活载是在移动荷载分析中完成的，首先选择移动荷载规范-china，然后定义车道荷载桥面宽10.5米为双车道分别添加两个车道，车辆荷载分布为车道单元，输入偏心距离5.75米、车轮间距1.8米、桥梁跨度75米、比例系数1，选择两点法(起点和终点)加上两个车道荷载。接着定义标准车辆荷载选择公路工程技术标准规范，车辆荷载名称CH-CD、车辆荷载类型CH-CD即（PK=180KN L=5

23、0米 qk=10.5KN/m）。最后添加移动荷载工况即可。需要注意的是在后边不同的荷载组合情况下有的需要考虑移动荷载冲击系数有的则不需要，需要分清楚。 第3章 配筋前结构内力3.1 单元及节点划分 划分单元时，应将支点和桥规（JTJ023-85）规定的验算截面位于单元节点处，同时在截面构造尺寸变化点处也应布置节点。根据桥面立面图见图 3-1 图 3-1确定的节点和单元个数及位置见图3-2 共计79个节点78个单元。 图3-2 节点的x坐标见图3-3 图3-33.2 施工阶段划分 满堂支架就地浇筑法不存在受力结构体系转换一般不考虑划分施工阶段，但是应用midas civil软件进行截面强度、应力

24、、裂缝验算时要应用到一次预加力、二次预加力、收缩二次力、徐变二次力，在进行荷载组合时必须设置施工阶段才能出现以上内力组合。根据实际情况现划分为3个施工阶段：现浇阶段需要60天、二期铺装阶段20天、混凝土收缩徐变阶段10年，不同的阶段有不同的边界组、结构组和荷载组对应实际情况。3.3 毛截面几何特性 整个结构体系大部分为等截面有以下3种及其特性值见图3-4、3-5、3-6 图3-4 图3-5图3-63.4 截面有效宽度3.5 内力组合 3.6 内力组合公路桥涵结构设计上应当考虑到结构上可能出现的多种作用，例如桥涵结构构件上除构件永久作用（如自重、二期铺装）外，可能同时出现汽车荷载等可变作用。公路

25、桥规要求这时应按承载能力极限状态和正常使用极限状态，结合相应的设计状况进行作用效应组合，并取其最不利组合进行设计。公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时，应采用基本组合效应。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：或 式中 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值； 结构重要性系数，按规范规定的结构设计安全等级采用，取为1.0； 第i个永久作用效应的分布系数，应按表4.1.6的规定采用； 、第i个永久作用效应的标准值和设计值； 汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的分项系数，取=1.4。 、汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准值和设计值； 在作用

26、效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数，取=1.4，但风荷载的分项系数取=1.1； 、在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其他第j个可变作用效应的标准值和设计值； 在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其他可变作用效应的组合系数，汽车荷载的组合系数取=0.8；温度荷载的组合系数取=0.7。公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合：1 作用短期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合，其效应组合表达式为：式中 作用短期效应组合设计值； 第j个可变作

27、用效应的频遇值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.7，温度梯度作用=0.8，其他作用=1.0； 第j个可变作用效应的频遇值。2 作用长期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为：式中 作用长期效应组合设计值； 第j个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.4，人群荷载=0.4，风荷载=0.75，温度梯度作用=0.8，其他作用=1.0；第j个可变作用效应的准永久值。 还有一个是各分项系数均为1的标准组合，其中只有基本组合和标准组合考虑移动荷载的冲击系数。在midas civil中定义好静力荷载工况就可以进行荷载组合了。由于需要进行电算检验截面的应

28、力、强度及裂缝是否满足规范要求所以在进行荷载组合时在一般选项中有5个组合除了上述4个外还有个温度包络组合。还必须在混凝土设计中进行组合且考虑温度对内力的影响（分升温和降温两种情况）见图 3-7 3-8 图 3-7 图 3-8 第4章 钢筋估算和布置4.1 预应力钢束布置4.1.1 按正常使用极限状态的应力要求计算4.1.2 承载能力极限状态正截面强度要求4.1.3 预应力钢筋的估算4.1.4 桥面板钢筋4.2 截面特性计算 2 杨毅.预应力混凝土连续梁桥设计的分析与探讨 J.科技博览，2009,188 3 吕志涛，刘钊，孟少平.浅谈我国预应力混凝土连续梁桥的技术与发展J.桥梁建设，2001,5

29、2534 刘翠云，董传洲.国外预应力混凝土连续梁桥发展和施工技术J.世界桥梁，2011,12 参考文献1 张建民，岳英龙等简支转连续梁桥的合理施工体系转换J桥梁建设，2009，37(4)：1671732 方志，李艳等先简支后连续混凝土桥梁徐变影响的参数分析J桥梁建设，2003，33(4)：62673 TG D60-2004公路桥涵设计通用规范S北京：人民交通出版社，2004.054 JTJ023-85公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S北京：人民交通出版社，1999.65 JTJ 0412000.预应力混凝土用钢绞线S.北京：人民交通出版社，2000.116 GB/T 5224-2003

30、预应力混凝土用钢绞线S北京：人民交通出版社，2003.087 胡肇滋.桥跨结构简化分析荷载横向分布M北京：人民交通出版社，19968 李国豪，石洞桥跨结构简化分析M北京：人民交通出版社，19879 张士铎桥梁设计理论荷载横向分布、弯桥、有效宽度及剪力滞M北京：人民交通出版社，198410 徐岳，王亚君等预应力混凝土连续梁桥设计M北京：人民交通出版社，2000.0511 葛俊颖桥梁工程(上)M北京，中国铁道出版社，2007.0812 叶见曙结构设计原理M北京，人民交通出版社，2005.0513 廖元裳钢筋混凝土桥M北京，中国铁道出版社，1997.0614 姚玲森.桥梁工程M.北京，人民交通出版社

31、，1995；15 Michael Barelli，Joshua White. History and Aesthetics of the Bronx- Whitestone BridgeJ. Journal of Engineering，Volume 11，Number 2 2006: 23024016 Francis EGriggs JrEvolution of the Continuous Truss BridgeJBridge Engineering，2007，January/February，105108 附录B 设计图纸共绘制8张AutoCAD图纸： 01号：施工步骤图；02号：桥型总体布置图；03号：主梁横断面图；04号：边跨伸缩缝端预应力钢筋图；05号：边跨连续端预应力钢筋图；06号：中跨预应力钢筋图；07号：负预应力钢筋图；08号：桥面板钢筋图。