连续箱型梁桥毕业设计.doc

第1章 概 述1.1 预应力混凝土连续箱型截面梁桥概述 预应力混凝土连续箱型截面梁桥以结构受力性能好、结构刚度好、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。 为了解决这些问题，预应力混凝土结构应运而生，所谓预应力混凝土结构，就是在结构承担荷载之前，预先对混凝土施加压力。这样就可以抵消外荷载作用下混凝土产生的拉应力。对预应力的理解有三个方面：1、预加应力使混凝土由脆性材料成为弹性材料。2、预加应力充分发挥了高强钢材的作用，使其与混凝土能共同受力和工作。3、预加应力平衡了结构外荷载。自从预应力结构产生之后，很多普通钢筋混凝土结构被预应力结构所代替。 当跨度很大时，连续梁所需的巨型支座无论是在设计制造方面，还是在养护方面都成为一个难题；而 T 型刚构在这方面具有无支座的优点。因此有人将两种结构结合起来，形成一种连续—刚构体系。这种综合了上述两种体系各自优点的体系是连续梁体系的一个重要发展，也是未来连续梁发展的主要方向。 另外，由于连续梁体系的发展，预应力混凝土连续梁在中等跨径范围内形成了很多不同类型，无论在桥跨布置、梁、墩截面形式，或是在体系上都不断改进。在城市预应力混凝土连续梁中，为充分利用空间，改善交通的分道行驶，甚至已建成不少双层桥面形式。 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，三材指标和造价指标与很多因素有关，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。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。 第2章 方 案 比 选2.1 构思宗旨 （1）符合城市发展规划，满足交通功能需要。 （2）桥梁结构造型简洁，轻巧，反映新科技成就，体现人民智慧。 （3）设计方案力求结构新颖，保证结构受力合理，技术可靠，施工方便。 （4）与高速公路的等级和周边环境相宜。 （5）学习箱型截面梁桥的设计过程和 PSC 截面设计过程。2.2 比选标准 在我国，安全、经济、适用、耐久、美观是桥梁设计中的主要考虑因素，安全尤为重要。2.3 设计方案2.3.1 设计方案一 图 2.1 连续梁桥布置图 单位：cm等截面预应力混凝土连续梁桥 （1）孔径布置：31m31m，全长 62m，宽 11.75m。箱梁根部梁高 2m，跨中梁 2m，从一号块到跨中按直线变化。由桥面设有 2.0％的单向横坡，1.8的纵坡，其中一侧标高高于另侧标高。 （2）主梁结构构造：上部结构为等截面箱梁。采用单幅单箱双室箱型形式。主要采用高强混凝土以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化。 （3）下部结构：桥墩基础是连成整体的，全桥基础均采用钻孔灌注端承桩，桥墩为圆端型实体墩。 （4）施工方法：全桥整体采用满堂支架整体浇筑施工法，两端桥处也使用整体现浇法。 2.3.2 设计方案二 图 2.2 简支梁桥布置图 单位：cm等截面预应力简支 T 形梁桥（1）孔径布置：231m全长 62m，宽 11.75m 和 15.25m.桥面设有 2.0％的单向横坡，1.8的纵坡。（2）主梁结构构造：上部结构 T 型梁。主要采用高强混凝土以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化。（3）下部构造：全桥基础均采用钻孔灌注端承桩，桥墩为圆端形实体墩。（4）施工方案：全桥采用满堂支架浇筑施工法。2.3.3 设计方案三 图 2.3 中承式拱桥布置图 单位：cm 上承式拱桥 （1）孔径布置：跨径62m，，桥宽11.75m。桥面设有2.0％的单向横坡，1.8的纵坡。立柱截面形式为矩形，宽度60cm，立柱间距3m。护栏采用金属制桥梁护栏。 （2）结构构造：主桥采用箱型混凝土钢筋混凝土拱桥，主跨 62m，拱圈高 1.9m，矢跨比为 1/8，主梁采用单箱单室。拱圈截面形式为箱型截面。 （3）施工方案：岸跨及边跨采用有支架施工，主拱圈建成后，进行进行骨架下吊篮现浇施工。2.3.4 设计方案四 图 2.4 斜拉桥布置图 单位：cm独塔斜拉桥 （1）孔径布置：31m31m，全长 62m，双向分开车道由横隔梁连接（三车道 11.75m、四车道 15.25m。桥面设有 2.0的单向横坡和 1.8的纵坡。 （2）结构构造：主梁采用单箱单室箱型形式，塔高 21 米，斜拉索采用热挤聚乙烯拉索，冷铸镦头锚锚固体系，钢丝直径为 5 毫米。 （3）下部结构：桥墩采用钻孔灌注端承桩。 （4）施工方案：全桥采用满堂支架施工。2.4 方案比选 （1）根据设计构思宗旨，桥型方案应满足结构新颖、受力合理、技术可靠、施工方便、造价合理的原则。以上四种方案基本都满足着一要求。 （2）方案一与方案二都属于预应力混凝土梁桥，与方案三的拱桥和方案四的斜拉桥相比，他们具有很多梁桥所有的优点： 1.预应力混凝土结构，由于能够充分利用高强度材料（高强度混凝土、高强度钢筋），所以构件截面小，自重弯矩占总弯矩的比例大大下降，桥梁的跨越能力得到提高。 2.与钢筋混凝土梁桥相比，一般可以节省钢材 30～40％，跨径愈大，节省愈多。 3.全预应力混凝土梁在使用荷载下不出现裂缝，即使部分预应力混凝土梁在常遇荷载下也无裂缝，鉴于全截面参加工作，梁的刚度就比通常开裂的钢筋混凝土梁要大。 因此，预应力梁可显著减少建筑高度，使大跨径桥梁做得轻柔美观。由于能消除裂缝，这就扩大了对多种桥型的适应性，并提高了结构的耐久性。 4. 预应力技术的采用，不但使钢桥采用的一些施工方法，如：悬臂拼装、顶推法（由钢桥的纵向拖拉施工方法演化而成）和旋转施工法在预应力混凝土梁桥中得到新的发展与应用，而且为现代预制装配式结构提供了最有效的接合和拼装手段。根据需要可在结构纵、横和竖向任意分段，施加预应力，即可集成理想的整体。此外还发展了逐段或逐孔现浇施工方法。这种分段现浇或分段预制拼装的施工方法，国外统称为节段施工法，用这种施工方法建成的预应力混凝土桥梁统称为预应力混凝土节段式桥梁。 （3）方案一与方案二相比，一个是预应力混凝土连续梁桥，一个是预应力混凝土连续刚构桥。预应力混凝土连续梁桥结构受力性能好、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。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。2.5 方案确定 综上所述，根据安全、经济、适用、美观预应力混凝土连续梁桥，最终选定为本次设计的推荐方案。 第3章 预 应 力 混 凝 土 连 续 梁 桥 总 体 布 置3.1 桥型布置 本设计推荐方案采用两跨一联预应力混凝土等截面连续梁结构，桥全长 62m。3.1.1 孔径布置 连续梁跨径布置一般以采用不等跨形式 。以三跨连续梁为例，若为三孔等跨连续梁，其中孔跨中活载正弯矩与活载负弯矩的绝对值之和（即弯矩变化峰值）与同跨简支梁弯矩相同。如果减小边跨长度，则边跨和中跨的跨中弯矩都将减小。一般边跨长度可取为中跨长度的（0．5～0．8）倍，这样可使中跨跨中弯矩不致产生异号弯矩。但是鉴于本桥跨径小，等跨径有利于施工。 从结构受力性能分析，等跨连续梁要比不等跨的连续梁差一些。但在某些条件下，特别由于施工工艺要求，也需要采用等跨布置，例如，当桥梁总长度很大，设计者决定采用顶推或先简支后连续梁施工方法时，则等跨结构受力性能较差所带来的欠缺完全可以从施工经济效益的提高而得到补偿。所以跨湖、过海湾的长桥多采用等跨连续梁的布置。 本设计推荐方案根据任务书要求以及桥址地形和地质条件，确定 31m31m 的形式。3.1.2 桥梁截面形式 （1）桥梁立面图 从预应力混凝土连续梁桥的受力特点来分析，连续梁的立面采取等高度的布置。同时，采用满堂支架施工的连续梁，等截面有利于模板的支护，便于施工。变高度与等高度相比较，等高度梁的缺点是：在支点上不能利用增加梁高而只能增加预应力束筋用量来抵抗较大的负弯矩，材料用量多。综上所述，推荐方案采用的是等截面预应力连续梁桥，其中箱梁根部梁高 2m，跨中梁高 2m，为等截面连续梁桥。（2）桥梁横截面 梁式桥横截面的设计主要是确定横截面布置形式，包括主梁截面形式、主梁间距、主梁各部尺寸；它与梁式桥体系在立面上布置、建筑高度、施工方法、美观要求以及经济用料等等因素都有关系。 在目前已建成的大跨径预应力混凝土梁桥中，当梁桥的跨径继续增大超过 60m后，箱形截面是最适宜的横截面型式。箱型截面还有如下优点：这种闭合薄壁截面抗扭刚度很大，对于采用悬臂施工的桥梁尤为有利。同时，因其顶板和底板都有较大的面积，所以能有效的抵抗正、负弯矩，并满足配筋要求。箱形截面亦具有良好的动力特性。 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。从对箱形截面的受力状态分析表明，单箱双室截面受力明确，施工方便， 节省材料用量。一般常用在桥宽 22m 以内的范围，本设计的桥面宽为 11.75m （15.25m）。 图 3-1 支座和跨中截面尺寸 单位：cm 综上所述，根据任务书设计要求本推荐桥型方案横截面采用的是单箱双室的箱 型截面。如上图：梁高 200cm，上梁板长为 1125cm，细部尺寸见结构详图。跨中 顶板厚度取 22cm，支点顶板厚度取 42cm；跨中处底板厚 20cm，支点处底板厚为 40cm中间底板板厚成二次抛物线性变化；跨中处腹板厚度采用 47cm，支点处腹 板采用 70cm，中间腹板厚度采用二次抛物线性变化。 （3）桥梁的梁高 连续梁在支点和跨中的梁估算值： 根据已建成桥梁的资料分析，梁高可按下表采用： 表 3-1 桥型 支点梁高 m 跨中梁高 m 等高度连续梁 H 1/15～1/30 L 常用1/18～1/20 L变高度折线形连续梁 H 1/16～1/20 L h 1/22～1/28 L变高度曲线形连续梁 H 1/16～1/20 L h 1/30～1/50 L 根据以上估算值，本推荐方案取得支点处梁高为 2m，跨中梁高为 2m。 3.1.3 桥梁细部尺寸 （1）顶板与底板 箱形截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位。除承受竖向荷载 外，还承受轴向拉、压荷载。竖向荷载是指自重、桥面活载和施工荷载。轴向荷 载是指桥跨方向上，恒、活载转换过来的轴向力以及纵向和横向的预应力荷载。 因此，顶板、底板除按板的构造要求决定厚度之外，还要按桥跨方向上总弯矩决 定其厚度。 箱梁根部底板厚度箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚至墩顶，以适应受压要求。底板除须符合使用阶段的受压要求外，在破坏阶段还宜使中和轴保持在底板以内，并有适当的富裕。一般约为墩顶梁高的 1/101/12，或按以下推荐公式选用： 墩上底板厚度参数 （3.1a） 式中： K1—墩上底板厚度参数 HS—墩上梁高 B—桥面宽度 AF—箱梁底板混凝土面积。 Lm—最大跨径。 箱梁跨中底板厚度一般按构造选定，若不配预应力筋，厚度可取 1518cm，当跨度较大，跨中正弯矩较大，需要配置一定数量的钢束或钢筋时，厚度可取2025cm。 当设有横向预应力筋时，顶板厚度须足够布置预应力筋的套管并留有混凝土的注入间隙。在结构设计时，尽可能用长悬臂或利用横向坡度和弯折预应力筋以调整板中横向弯矩。 本推荐设计方案底板由支点处以二次抛物线的形式向跨中变化。底板在支点处厚 40cm，在跨中厚 20cm.顶板厚 22cm。 （2）腹板 腹板的功能是承受截面的剪应力和主拉应力。在预应力梁中，因为弯束对外剪力的抵消作用，所以剪应力和主拉应力的值比较小，腹板不必设得太大；同时，腹板的最小厚度应考虑力筋的布置和混凝土浇筑要求，其设计经验为： （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，以承受支点处较大的剪力，一般采用 300—600mm，甚至可达到 1m 左右。 腹板厚度也可按以下推荐公式选定。 墩上腹板厚度参数 3.1b 式中： K2—墩上腹板厚度； t3s—墩上腹板厚度总和。 HS—箱梁跨中梁高。 跨中腹板厚度参数 3.1c 式中： K3—箱梁跨中腹板厚度 t3c—箱梁跨中腹板厚度总和。 Hc—箱梁跨中梁高。 本推荐设计方案支座处腹板厚取 70cm.，跨中腹板厚取 47cm。中间腹板厚度采用二次抛物线性变化。3.1.4 桥面铺装 （上）选用 8cm 厚的防水混凝土作为铺装层，上 桥面铺装：根据《桥梁工程》加 2cm 厚的沥青混凝土磨耗层，共计 10cm 厚。3.1.5 桥梁下部结构 全桥基础均采用钻孔灌注端承桩，桥墩圆端型实体墩。3.1.6 本桥使用材料 1混凝土: 主要材料如表所示。 表 3-2 结 构 标 号 类 型 箱梁 C50 预应力混凝土 主墩墩身、垫石 C40 钢筋混凝土 墩帽、护栏、挡块 C40 钢筋混凝土 主墩桩基 C40 钢筋混凝土 2预应力体系 主梁纵向预应力共采用 17φs15.2（7φ5.0）高强低松弛钢绞线，纵向预应力钢绞线均为群锚锚固体系，设计张拉吨位分别为 3237.3KN。 3普通钢筋：采用 R235 级和 HRB335 级钢筋；带肋钢筋的技术标准应符合《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB 1499-1998）的规定，光圆钢筋应符合《钢 （GB 13013-1991）的规定。钢筋直径小于 12mm 者采筋混凝土用热轧光圆钢筋》用 R235 级钢筋，反之采用 HRB335 级钢筋。 4主要材料强度表：主梁按全预应力混凝土构件设计，主梁材料强度如表所示。 表 3-3名 称 项 目 符 号 单 位 数 值 强 度 等 级 C Mpa C50 弹 性 模 量 Ec Mpa 3.45E04 轴心抗压强度标准标准值 fck Mpa 32.4 轴心抗拉强度标准标准值 ftk Mpa 2.64 轴心抗压强度标准设计值 fcd Mpa 23.1 轴心抗拉强度标准设计值 ftd Mpa 1.89 短暂状 最大压应力 0.70 fck Mpa 20.72 混 况 最大拉应力 0.70 ftk Mpa 1.757 凝 短期效应组合 最大压应力 0.5 fck Mpa 14.8 土 主拉应力 0.4ftk Mpa 1.004 持久状 主压应力 0.6 fck Mpa 17.76 况 长期效应组合 最大压应力 0.5 fck Mpa 14.8 最大拉应力 0.4ftk Mpa 1.004 最大压应力 0.6 fck Mpa 17.76 预制构件 错误！未找到引用源。 抗裂验 分段浇注 错误！未找到引用源。 算 最大主拉应力 0.4ftk Mpa 1.004 抗拉强度标准标准值 fpk Mpa 1860 预 弹 性 模 量 Ep Mpa 1.95E05 应 力 抗拉强度标准设计值 fpd Mpa 1260 钢 最大控制应力 0.75 fpk Mpa 1395 绞 线 正常使用阶段 未开裂构件 0.65 fpk Mpa 1209 允许开裂构件 0.65 fpk Mpa 1209 支座摩阻系数 μ 0.05 主要材料性能表（全预应力） （5）伸缩缝 伸缩缝采用 HXC-80A 定型产品 。 （6）桥梁支座 使用单向活动和双向活动盆式支座。 第4章 荷 载 内 力 计 算4.1 全桥结构单元的划分4.1.1 划分单元原则 划分单元应考虑梁的跨径、截面变化、施工方法、预应力布置等因素，单元分的越细计算的内力就越精确，一般遵从以下原则： 1.构件的起点和终点以及变截面处 2.不同构件的交点或同一构件的折点处 3.施工分界线处 4.边界或支承处 5.所关心截面处.4.1.2 桥梁具体单元划分 本桥全长 62 米，全梁共分 32 个单元，最小的单元长度 1 米，最长的单元长度2 米，本推荐方案桥型：211.25211.25211.25211.25211.25211.25211.25211.25211.25211.25211.25211.25211.25211.25211.25111.25。. 图 4.1 全桥划分单元图4.2 全桥施工节段划分4.2.1 桥梁划分施工分段原则 ① 有利于结构的整体性，尽量利用伸缩缝或沉降缝、在平面上有变化处以及留茬而不影响质量处。 ② 分段应尽量使各段工程量大致相等，以便于施工组织节奏流畅，使施工均衡。 ③ 施工段数应与主要施工过程相协调，以主导施工为主形成工艺组合。工艺组合数应等于或小于施工段数。 ④ 分段的大小要与劳动组织相适当，有足够的工作面。4.2.2 施工分段划分 全桥分段为 32 个单元，36 个节点。全桥整体采用满堂支架整体浇筑施工法，两跨单元也使用整体现浇法。4.3 主梁内力计算 根据梁跨结构纵断面的布置，并通过对移动荷载作用最不利位置，确定控制截面的内力，然后进行内力组合，画出内力包络图。4.3.1 恒载内力计算永久作用）（1）第一期恒载（结构自重）恒载集度G1 A1 80 A2 10 A3 10（2）第二期恒载 包括结构自重、桥面二期荷载4.3.2 满堂支架浇筑阶段内力 浇筑 1 到 32 号梁单元整体现浇，全桥的自重内力： 表 4-1单元 荷载 位置 轴向 kN 剪力-z kN 弯矩-y kNm1 自重 I4 1.74 -2278.51 03 自重 I6 1.13 -1498.32 7553.655 自重 I8 0.47 -718.13 11986.547 自重 I10 0.04 62.06 13298.669 自重 I12 1.26 842.25 11490.0211 自重 I14 0.97 1622.45 6560.6213 自重 I16 1.39 2402.64 -1489.5515 自重 I18 .