42+80+42高速公路预应力混凝土连续梁桥上部结构设计

1、摘 要 随着经济、技术实力的增进，预应力混凝土连续梁桥已成为现代公路、铁 路桥梁的首选，本设计为一高速公路客运专线预应力混凝土连续梁桥设计，预 应力混凝土连续梁的应用，尤其是悬臂施工法的应用非常广泛，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。然而受时间等因素的限制，此次设计只涉及桥梁上部结构。 设计流程如下： 首先，确定主梁的主要构造和细部尺寸。考虑到抗弯刚度及抗扭刚度的需 要，采用箱形截面梁。主梁的高度变化曲线采用二次抛物线。该设计为 42+80+42客运专线预应力混凝土连续

2、梁桥设计，其主跨 80，边跨mm 42，全桥采用单箱单室箱形梁，桥宽 12.5，中支座梁高 4.6,中跨跨中mmm 梁高 2.2。主梁采用悬臂挂篮施工，主梁 0#块和边跨现浇均采用满堂支架施m 工。 其次，根据悬臂施工挂篮的起吊能力对主梁进行施工节段的划分。 再之，利用 MIDAS 软件分析结构的内力（包括恒载和活载的内力计算） 。 用于计算的内力组合结果、混凝土毛截面特征值也由 MIDAS 软件自动生成，从 而估算出纵向预应力筋的数目，然后在截面上布置预应力钢束。 次之，计算预应力损失及各项次内力，并进行了截面的强度验算（包括承 载能力极限状态和正常使用极限状态） 。 最后，绘制工程图及编制

3、说明书。 注明：本设计未考虑风荷载、地震以及结构动力特性等因素。 目录 第第 1 章章 绪论绪论.1 1.1 中国高速公路桥梁建设情况.1 1.2 预应力混凝土连续梁桥的发展.1 1.3 预应力混凝土连续梁桥的特点.2 1.4 悬臂体系和连续体系梁桥的施工特点.2 第第 2 章章 设计概况设计概况.4 2.1 设计依据及基本资料.4 2.1.1 主要技术指标.4 2.1.2 主要材料.4 2.1.3 设计依据.5 2.2 桥梁上部结构总体布置及尺寸 .5 2.2.1 桥型比选.5 2.2.2 桥跨布置.7 2.2.3 桥跨总体布置.8 2.3 上部结构主要尺寸拟定 .8 2.3.1 变截面箱梁

4、.8 2.3.2 主梁高度.9 2.3.3 顶、底板厚度.9 2.3.4 腹板厚度.10 2.3.5 悬臂板布置.11 第第 3 章章 MIDAS/CIVIL 模型建立模型建立 .12 3.1 建立全桥模型.12 3.1.1 有限元模型的确定.12 3.1.2 单元划分.13 3.2 施工阶段模拟.13 3.3 荷载模拟.14 3.3.1 荷载工况.14 3.3.2 施工阶段荷载.15 3.3.3 温度荷载.18 3.3.4 温度梯度.18 3.3.5 移动荷载.23 3.3.6 基础沉降.26 第第 4 章章 结构内力计算结构内力计算.27 4.1 桥梁恒荷载内力计算.27 4.1.1 计算

5、原理.27 4.1.2 计算阶段划分.27 4.1.3 验算截面选择.28 4.1.4 施工阶段内力计算.28 4.2 桥梁活载内力计算.31 4.3 荷载内力组合.35 4.3.1 承载能力极限状态组合.35 4.3.2 正常使用极限状态短期效应组合.36 4.3.3 正常使用极限状态长期效应组合.37 第第 5 章章 预应力钢束的估算与配置预应力钢束的估算与配置 .39 5.1 钢绞线与锚具.39 5.2 纵向预应力钢束概述.39 5.2.1 纵向预应力钢束布置原则.39 5.2.2 纵向预应力钢束受力特点.40 5.3 预应力钢束面积估算原则 .40 5.3.1 承载能力极限状态强度要求

6、.41 5.3.2 使用阶段应力要求.42 5.4 预应力钢束的估算.42 5.4.1 预应力估算理论分析.42 5.4.2 预应力钢束估算电算.46 5.5 纵向预应力钢束布置结果 .49 5.6 纵向预应力钢束预应力损失 .50 5.6.1 概述.50 5.6.2 预应力钢束的张拉控制应力.50 5.6.3 预应力筋与管道壁间的摩擦引起的应力损失 .51 5.6.4 锚头变形、钢丝回缩和接缝压缩引起的预应力损失 .52 5.6.5 混凝土的弹性压缩引起的预应力损失.53 5.6.6 预应力钢绞线松弛引起的预应力损失.55 5.6.7 混凝土的收缩、徐变引起的预应力损失.56 5.6.8 钢

7、筋有效应力的计算.62 5.6.9 有限元软件预应力损失的计算.62 第第 6 章章 次内力计算及内力组合次内力计算及内力组合.63 6.1 收缩次内力.63 6.1.1 混凝土收缩简介.63 6.1.2 收缩次内力计算结果.64 6.2 徐变次内力.64 6.2.1 混凝土徐变简介.64 6.2.2 徐变次内力计算方法.65 6.2.3 徐变次内力计算结果.67 6.3 预应力次内力.67 6.3.1 预应力次内力简介.67 6.3.2 预应力次内力计算方法.68 6.3.3 预应力次内力计算结果.68 6.4 温度荷载次内力.69 6.4.1 温度荷载次内力简介.69 6.4.2 温度荷载

8、次内力对结构的影响.70 6.4.3 温度荷载次内力计算方法.70 6.4.4 温度荷载次内力计算结果.71 6.5 基础沉降次内力.73 6.5.1 基础沉降次内力简介.73 6.5.2 基础沉降次内力计算方法.74 6.5.3 基础沉降次内力计算结果.75 6.6 荷载内力组合.76 6.6.1 承载能力极限状态效应组合.76 6.6.2 正常使用极限状态效应组合.77 6.6.3 结构弯矩包络图.78 6.6.4 结构应力包络图.80 第第 7 章章 施工阶段和成桥阶段验算分析施工阶段和成桥阶段验算分析.82 7.1 施工阶段法向应力验算（短暂状况应力验算）.82 7.1.1 验算方法及

9、验算公式.82 7.1.2 验算结果.84 7.2 受拉区钢筋拉应力验算 .84 7.2.1 验算方法及验算公式.84 7.2.2 验算结果.85 7.3 使用阶段正截面抗裂验算.86 7.3.1 验算方法及验算公式.86 7.3.2 验算结果.87 7.4 使用阶段斜截面抗裂验算 .88 7.4.1 验算方法及验算公式.88 7.5 使用阶段正截面压应力验算（长期状态应力验算）.89 7.5.1 验算方法和验算公式.89 7.5.2 验算结果.89 7.6 使用阶段斜截面主压应力验算 .90 7.6.1 验算方法和验算公式.90 7.6.2 验算结果.91 7.7 使用阶段正截面抗弯验算 .

10、91 7.7.1 验算方法和验算公式.91 7.7.2 验算结果.93 7.8 变形验算.93 7.8.1 验算方法及验算公式.93 7.8.2 验算结果.94 7.9 施工阶段应力图.94 7.9.1 上翼缘应力图.94 7.9.2 下翼缘应力图.98 7.10 施工阶段和成桥阶段验算分析总结.101 第第 8 章章 主要工程数量主要工程数量.102 8.1 主梁混凝土用量.102 8.2 钢绞线用量估算.102 8.3 锚具用量估算.103 毕业设计总结毕业设计总结 .105 致致 谢谢 .106 参考文献参考文献.107 第 1 章 绪论 1.1 中国高速公路桥梁建设情况 1.2 预应力

11、混凝土连续梁桥的发展 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。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。 预应力混凝土桥梁是在二战前后发展起来的，当时西欧很多国家在战后缺 钢的情况下，为节省钢材，各国开始竞相采用预应力结构代替部分的钢结构以 尽快修复战争带来的创伤。50 年代，预应力混凝土桥梁跨径开始突

12、破了 100 米， 到 80 年代则达到 440 米。虽然跨径太大时并不总是用预应力结构比其它结构 好，但是，在实际工程中，跨径小于 400 米时，预应力混凝土桥梁常常为优胜 方案。 我国的预应力混凝土结构起步晚，但近年来得到了飞速发展。现在，我国 已经有了简支梁、带铰或带挂梁的 T 构、连续梁、桁架拱、桁架梁和斜拉桥等 预应力混凝土结构体系。 虽然预应力混凝土桥梁的发展还不到 80 年。但是，在桥梁结构中，随着预 应力理论的不断成熟和实践的不断发展，预应力混凝土桥梁结构的运用必将越 来越广泛。 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

13、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 40200 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

14、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。 然而，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

15、成不少双层桥面形式。 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.发展大吨位的锚固张拉体系，避免配束过多而增大箱梁构造尺寸，否则 混凝土保护层难以保证，密集的预应力管道与普通钢筋层层迭置又使混凝土质 量难以提高。 2.在一切适宜的桥址，设计与修建墩梁固结的连续刚构体系，尽可能不 采用养护调换不易的大吨位支座。 3.充分发挥三向预应力的优点，采用长悬臂顶板的单箱截面，既可节约材 料减轻结构自重，又可充分利用悬臂施工方法的特点加快施工进度。 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

16、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。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

17、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。 1.3 预应力混凝土连续梁桥的特点 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。预应力混凝土能充分发挥材料的效能，在相同条件下，它比普通 钢筋混凝土构件截面小，重量轻、刚度大，抗裂性和耐久性好，能有效地控制 结构的挠度(甚至无挠度)，节约钢材 4050，节约混凝土 2040， 特别在大跨度结构中更为经济。

18、在张拉预应力连续梁桥结构中，结构构件在承 受外荷载前，预先对外荷载产生拉应力部位的混凝土预加压应力，造成人为的 压应力状态，预加压应力可以抵消外荷载所引起的大部分或全部拉应力，这样 在外荷载作用下混凝土拉应力不大或处于受压状态，使混凝土结构不开裂，提 高结构的刚度和结构的耐久性。张拉法预应力混凝土施工是在浇筑混凝土前张 拉预应力钢筋，将其固定在台座或钢模上，然后浇筑混凝土，等混凝土达到规 定强度。保证预应力钢筋与混凝土有足够粘结力时放松预应力钢筋，借助预应 力筋的弹性回缩及与混凝土的粘结，使混凝土产生预压应力。同时其具有较强 的变形恢复能力，抗震性能明显高于普通钢筋混凝土结构，而且便于震后加固

19、。 值得注意的一点是，预应力混凝土由于自重轻，按理含钢量应该少，但由于现 在的设计水平问题，此部分并没有减少。反而很多设计含钢量大了，很大程度 造成主体结构成本增加。 1.4 悬臂体系和连续体系梁桥的施工特点 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

20、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 40200 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。 第 2 章 设计概况 2.1 设计依据及基本资料 2.1.1 主要技术指标 1孔跨布置：即跨径分布组合。孔跨的布置应与周围环境、地形地貌和地址条 件相适应，同事孔跨的跨径比例应达到桥梁整体造型美

21、观的目的。 2.荷载标准：是桥梁基本功能要求的重要指标。荷载标准直接反映出桥梁同行 荷载类型和承载能力水平。就目前我国公用交通设施而言，一般有三种桥梁类 型，即公路桥梁、铁路桥梁和城市道路桥梁，其相应的荷载标准为： （1）公路荷载：公路 I 级 （1）人群荷载：2.5-4 2 /mKN 3.桥梁净空：是桥梁交通功能的基本指标之一。对于不同的交通类型，桥梁的 桥面净空条件各不相同。对于毕业设计，一般取典型类型作为代表，即高速公 路：2 0.50m 防撞护栏+11.75m 车行道（3m 应急车道+7.5m 车行道+1.25m 左侧 路沿带）+2m/2 中央分隔带=26.50m；净空高度不小于 5m

22、。 4.桥下净空：实际工程设计要考虑桥梁跨越河道通航净空高度、高度以及过水 断面对设计洪水流量、洪水位高程等要求，或跨越公路、铁路净空宽度、高度 等方面要求。作为毕业设计，由老师选定桥跨进行相应设计。 5.桥面纵坡：桥面纵坡是桥梁线性设计的重要指标，属于线路设计的内容之一， 纵坡的大小及其变化还应与线路平面曲线线性设计综合考虑。桥面设置纵坡首 先有利于排水，同时，在平原地区，还可以满足桥下通航净空要求的前提下降 低墩台标高，减少桥头引道土方量，从而节省工程费用。桥面的纵坡，一般都 做成双向纵坡，在桥中心设置竖曲线，纵坡一般不超过 3%为宜。桥梁当受到两 岸地形限制时，运行修建坡桥。但大、中桥和

23、城市桥梁桥面纵坡不宜大于 4%， 位于市镇混合交通繁忙出桥面纵坡不得大于 3%。在进行毕业设计是，由于主要 工作在于桥跨结构设计，为简便设计起见，可以考虑最简单情形，即取通过桥 跨线路纵坡为 0%（平坡）。 6.桥面横坡：桥面横坡的设置主要是为了桥面横向排水，由于公路和城市道路 桥梁桥面较宽，公路及城市道路 1.5-2.0%，而铁路桥面相对较窄，一般取 1.5%。横坡的设置是从桥跨线路中线向两侧放坡，在平面圆曲线和缓和曲线段， 还要结合设计行车车速所需要的线路超高同统一虑。本设计去 2.0%。 7.桥轴平面线形：桥跨结构轴线是线路中线的组成部分，平曲线的设置必须与 竖曲线（纵坡线形）结合考虑。

24、但在毕业设计中，一般取桥跨轴线为直线，以 方便设计布置和计算。 8.设计行车速度：120km/h。 9.支座强迫位移：2mm。 2.1.2 主要材料 1、混凝土 主桥箱梁： C55 混凝土 主墩墩身： C30 混凝土 过渡墩墩身、盖梁： C30 混凝土 护栏： C30 混凝土 承台： C30 混凝土 钻孔灌注桩： C25 水下混凝土 2、钢材 1）普通钢筋：采用 R235 钢筋和 HRB335 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（GB1499-98）的规定，光圆钢筋应符合钢 筋混凝土用热轧光圆钢筋（GB13013-91）的规定。钢筋直径12mm 者，采用 HRB335 热

25、轧螺纹钢；钢筋直径12mm 及预应力锚下螺旋钢筋、伸缩装置锚固钢 筋，采用 R235 钢筋。 2）钢板采用符合 GB700-88 规定的 Q235 钢板。 3）预应力钢绞线采用符合 ASTM A416M-98 标准的高强度低松弛钢绞线， 公称直径 15.2mm，截面面积 139mm2，钢绞线标准强度 fpk=1860MPa，弹性模 量 Ep=1.95105MPa。 4) 主桥箱梁竖向预应力、主墩临时固接及 0 号块横隔板横向预应力采用 JL32 精轧螺纹钢筋，其技术标准应符合国标 GB1499-98 的规定，公称直径 32mm，截面面积 804.2mm2，标准强度 fpk=930MPa，弹性模

26、量 Es=2.0105MPa。 3、锚具 锚具采用 OVM 系列锚具及其配套设备，主桥纵向预应力束采用 OVM15-16 锚具及 OVM15-19 锚具；横向预应力束采用 BM15-3 锚具；主桥箱梁竖向预应力、 主墩临时固接及 0 号块横隔板横向预应力采用采用 YGM 锚具。 4、预应力管道及压浆 本桥设计预应力钢束管道采用塑料波纹管。管道灌浆建议采用真空灌浆工 艺。 5、桥梁支座 主桥三跨 PC 变截面连续箱梁采用 GPZ（）系列盆式橡胶支座，其性能应 符合交通行业相关标准的规定，具体支座型号、参数详见相关设计图纸及产品 说明书。 6、伸缩缝 根据高速公路的使用特点和平整度要求，主桥桥梁伸

27、缩缝均采用 D160 模 数式伸缩缝。 7、护栏 外侧护栏采用组合式防撞护栏，内侧护栏采用波型梁护栏。 8、桥面铺装 主桥采用 8cm 厚沥青混凝土桥面铺装+10cm 厚水泥混凝土调平层。沥青混 凝土摊铺前，在箱梁顶板上涂二层 HKM1500 型防水材料。 2.1.3 设计依据 1)公路工程技术标准 (JTG B01-2003) 2)公路路线设计规范 （JTJ011-94） 3)公路桥涵设计通用规范 (JTG D60-2004) 4)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004) 5)公路桥涵地基与基础设计规范 (JTJ024-85) 6)公路圬工桥涵设计规范 (JTG D

28、61-2005) 7)公路工程抗震设计规范 (JTJ004-89) 8)公路桥涵施工技术规范 (JTJ041-2000) 9）高速公路交通安全设施设计与施工技术规范（JTJ074-94） 10）公路桥位勘测设计规范 （JTJ062-91） 11）公路桥梁板式橡胶支座 （JT/T4-2004） 2.2 桥梁上部结构总体布置及尺寸 2.2.1 桥型比选 1.设计方案 第一方案：装配式预应力混凝土简支箱梁桥 （1）孔径布置：42m+80m+42m，全长 172.2 米,宽 26.5m。由于为简支箱 梁桥，每跨之间还留有 5 厘米的伸缩缝。桥面设有 2的横坡，其中间标高高 于外侧标高。 （2）主梁结构

29、构造：全桥采用等截面箱梁组合梁。顶板厚度 25cm，腹板厚 度 30cm，底板厚度 25cm。翼缘根部 45cm，翼缘端部厚度 22cm，箱梁宽度 3.20m。每跨设有 8 片箱梁，全桥共计 24 片箱梁。桥面设有 2的横坡，2% 的纵坡,其中间标高高于外侧标高。 （3）下部构造：采用三圆柱式桥墩；桩基础（钻孔灌注桩）。桥台采用埋置式 轻型桥台。 （4）施工方案：全桥采用装配式施工方法。 第二方案：装配式预应力混凝土简支 T 梁 （1） 孔径布置：42m+80m+42m，全长 169 米，宽 26.5m。由于为简支 T 梁桥，每跨之间还留有 4 厘米的伸缩缝。桥面设有 2的横坡，2%的纵坡。

30、其中间标高高于外侧标高。 （2） 主梁结构构造：全桥采用等跨等截面 T 型梁，主梁间距 2.20m。预 制 T 梁宽为 1.8m，现浇湿接缝 0.40m，预制梁间的翼板和横隔板待 T 梁架设 后再现浇，以加强横断面的整体性。中心梁高 2.30m，肋厚 0.20m，马蹄宽 0.40m，高 0.40m，T 梁翼缘端部厚 0.18m，翼缘根部厚 0.30m。横隔板间距 为 6.5 米。每跨设有 12 片 T 梁，全桥共计 36 片 T 梁。桥面设有 2的横坡，2%的 纵坡。其中间标高高于外侧标高。 （3） 下部构造：采用三圆柱式桥墩；桩基础（钻孔灌注桩）。桥台采用埋 置式轻型桥台。 （4） 施工方案

31、：全桥采用装配式施工方法。 第三方案：变截面预应力混凝土连续梁桥 （1）孔径布置：42m+80m+42m,全长 165.5m，宽 26.5m。桥面设有 2的横 坡，2%的纵坡，其中间标高高于外侧标高。 （2）主梁结构构造：上部结构为变截面箱梁。采用双幅分离的的单箱单室形式。 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。（具体尺寸 拟定见图 3/2） （3）下部构造：上、下行桥的桥墩基础是连成整体的，全桥基础均采用钻孔灌 注摩擦桩桥墩为圆端形实体墩。 （4）施工方案：全桥采用悬臂节段浇筑施工法。 变截面预应力混凝土连续刚构桥发展概况： 2.方案比选： 桥型方案 第一方案 装配式预应

32、力混 凝土简支箱梁桥 第二方案 装配式预应力混凝 土简支 T 梁 第三方案 变截面预应力混凝土连 续梁桥 使用性能 建筑高度较低， 易保养和维护， 桥下视觉效果好 建筑高度较低， 易保养和维护；抗 震能力差。 行车平顺舒；抗震能 力强。建筑高度较高， 易开裂，难以维护 受力性能受力明确受力明确 桥墩参加受弯作用， 使主梁弯矩进一步减小； 超静定次数高，对常年 温差、基础变形、日照 温均较敏感；对基础要 求较高。 经济性 等截面形式， 可大量节省模板， 加快建桥进度， 简易经济。 等截面形式，可 大量节省模板，加 快建桥进度，简易 经济。 采用等截面梁能较好 符合梁的内力分布规律， 充分利用截面

33、，合理配 置钢筋，经济实用 美观性 构造简单，线 形简洁美观 构造简单，线形 简洁美观 构造简单，线形简洁 美观 施工方面 桥梁的上、下 部可平行施工， 使工期大大缩短； 无需在高空进行 构件制作，质量 以控制，可在一 处成批生产，从 而降低成本。 桥梁的上、下部 可平行施工，使工 期大大缩短；无需 在高空进行构件制 作，质量以控制， 可在一处成批生产， 从而降低成本。 由于连续体系梁桥与 简支体系梁桥受力差别 很大，故他们的施工方 式大不相同。目前所用 的施工方式大致可分为 逐孔施工发节段施工法 和顶推施工法。由于在 高空作业，施工危险度 高。 适用性 适用于对桥下 视觉有要求的工 程，适用

34、于各种 地质情况；用于 对工期紧的工程； 对通航无过高要 求的工程。 适用于各种地质 情况；用于对工期 紧的工程；对通航 无过高要求的工程。 对通航无过高要求的 工程；对抗震有要求的 工程；对整体性有要求 的工程。 由上所述，再结合 42+80+42 这样的桥梁跨度，变截面预应力连续梁桥，最 终选定为第三方案。 经反复比较，第三方案做为本次设计的推荐方案。 2.2.2 桥跨布置 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 三跨不等的桥

35、孔布置，一般边跨长度可取为中跨的 0.50.8 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。 2.2.3 桥跨总体布置 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

36、荐方案根据任务书要求以及桥址地形和地质条件，确定 42m+80m 的 形式。其跨度组合为：42m+80m+42m。基本符合以上原理要求。 综上所述,本设计方案采用三跨一联预应力混凝土变截面连续梁结构，全长 164m。设计主跨为 80m。 2.3 上部结构主要尺寸拟定 2.3.1 变截面箱梁 1、 立截面 从预应力混凝土连续梁的受力特点来分析，连续梁的立面应采取变高度布置 为宜；在恒、活载作用下，支点截面将出现较大的负弯矩，从绝对值来看，支 点截面的负弯矩往往大于跨中截面的正弯矩，因此，采用变高度梁能较好地符 合梁的内力分布规律，另外，变高度梁使梁体外形和谐，节省材料并增大桥下 净空。但是，在采

37、用顶推法、移动模架法、整孔架设法施工的桥梁，由于施工 的需要，一般采用等高度梁。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，但是其优点是 结构构造简单、线形简洁美观、预制定型、施工方便。一般用于如下情况： (1）. 桥梁为中等跨径，以 4060 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

38、布置。 结合以上的叙述，所以本设计中采用悬臂现浇施工方法进行、变截面的梁。 2、 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。 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

39、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

40、比例增大等等。本设计是一座高速公路连续箱形梁，采用的横截面形式为单 箱单室。 2.3.2 主梁高度 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 1/151/25 之间，而跨中梁高与主跨之比一般为 1/401/50 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：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 =(1/151/30) L 常用(1/181/20) L 变高度(折线

41、形)连续梁 H =(1/161/20) Lh =(1/221/28) L 变高度(曲线形)连续梁 H =(1/161/20) Lh =(1/301/50) L 根据以上估算值，本推荐方案取得中支点处梁高为 4.6m，跨中梁高为 2.2m，边支点梁高取来和跨中梁高一致均为 2.2m。 2.3.3 顶、底板厚度 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

42、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 （2.3a） 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

43、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。底板在中支 点处厚 70cm，在跨中厚 50cm，在边支点处厚 50cm，顶板厚 28cm。 2.3.4 腹板厚度 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 250300mm。 （3） 腹板内有锚

44、头时，采用 250300mm。 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 300600mm，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 (2.3b) 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 (2.3c) 式中： 箱梁跨中腹板厚度 3 K t3c箱梁跨中腹板厚度总和。 Hc箱梁跨中梁高。 本推荐设计方案中支座处腹板厚取 75cm.，跨中腹板厚取 50cm，边支座处 腹板厚取 63cm。中间腹板厚度采用二次抛物线性变化。 2.3.5 梗腋、横隔梁和悬臂板布置 1

45、.梗腋 在顶板和腹板接头处须设置梗腋。梗腋的形式一般为 1：2、1：1、1：3、1：4 等。梗腋的作用是：提高截面的抗扭刚度和抗弯刚度，减少扭转剪应力和畸变 应力。此外，梗腋使力线过渡比较平缓，减弱了应力的集中程度。本设计中， 根据箱室的外形设置了宽 300mm，长 900mm 的上部梗腋，而下部采用宽 500mm， 长 250mm 的下部梗腋。 2. 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

46、设计只设计了桥台处横隔板和桥墩处的横隔 板，在内力计算中加以相应的荷载内力进行模拟表示。 3.悬臂板 根据经验，初步选定截面的悬臂段长度为 330cm。 相应截面示意图如下所示：（单位为 cm） 第 3 章 MIDAS/CIVIL 模型建立 3.1 建立全桥模型 3.1.1 有限元模型的确定 用 MIDAS 建立有限元模型并分析模型的步骤如下： 1.定义材料和截面 2.建立结构模型 3.定义边界 4.输入荷载：恒荷载，钢束特性和形状，钢束预应力荷载 5.定义施工阶段 6.输入移动荷载数据：定义车道，定义车辆，动荷载工况 7.运行结构分析 8.查看分析结果 9.PSC 设计:PSC 设计参数确定

47、，运行设计，查看设计结果 3.1.2 单元划分 计算模型中全桥共划分为81节点，64个单元。确定计算模型时主要根据主 桥梁段划分情况来确定，每一悬浇段为一个单元。施工阶段分析考虑挂篮移动， 混凝土浇注，预应力钢筋张拉以及施工临时荷载的变化等。 0号梁段长8m，两 个“T构”的悬臂各分为10段梁段，累计悬臂总长39m。全桥共有一个2m长的主 跨跨中合拢梁段和两个2m长的边跨合拢梁段。两个边跨现浇梁段各长1m，梁高 相同。 3.2 施工阶段模拟 在施工中，架设模板，安装钢筋、浇筑混凝土和张拉等全部工作均在挂篮 平台上进行。当该节段的全部施工完成后，由行走系统将挂篮向前移动，动 力采用绞车牵引。挂篮

48、的主要功能是：支撑梁段模板，调整正确位置，调运 材料、机具，浇筑混凝土和在桂篮上张拉预应力筋。在施工桥墩顶部的 0 号 块一同浇筑，支撑这部分施工重量采用三角托架，由于桥墩比较高，可在墩 中设置预埋件支撑或悬吊式施工托架。悬臂浇筑施工的钢筋加工，混凝土拌 制和运输问题都需要周密计划，尽量缩短运输路线，方便施工。本桥采用的 路线是将预制加工场没置在桥头，当悬臂施工为合拢而路线不通时，可通过 简易支架或吊装设备进行水平运输。合拢段的施工是悬臂施工的关键。在合 拢段的施工过程中，由于昼夜温度变化、新浇筑混凝土的早期收缩、己完成 结构-混凝土的收缩、徐变、新浇筑混凝土的水化热影响、结构体系的变化以 及

49、施工荷载等因素对尚未达劲强度的合拢段混凝-土的质量有直接影响。对 于大跨度和多跨一联的连续梁桥，合拢段的长度在满足施工要求的前提下， 应尽量缩短，这样在构造处理上比较方便，一般取 2-4m，本桥采用 3m、3.5m、4m 几种不同长度节段。另外，为了保证结构按没计要求合拢，避 免在合拢过程中的不利因素，增强合拢段的刚度，采用加强普通钢筋的配置， 或配有一定数量的劲性型钢，目的是在合拢段混凝土施工过程中可传递内力， 并保持合拢段两侧梁体的连续性。本桥第一施工段的施工周期为 30 天，其余 均采用 11 天。加快施工进程的主要关键在于混凝土早期强度的快速增长，减 少混凝土的养生时间，这是现场浇筑施

50、工中存在的共同性问题。其施工程序 为： 第一步：首先从中跨的 A、B 墩同时开始进行悬臂施工。 第二步：两岸边跨同时合拢，A、B 墩处的临时固结释放，形成单悬臂梁。 第三步：AB 跨中段进行合拢，形成三跨连续梁。 挂蓝悬臂施工的流程图如下： 挂篮前移就位 安装箱梁底模 绑扎底板及肋板钢筋 浇注底板混凝土、养生 安装肋模、顶模及肋内预应力管道 安装顶板钢筋及预应力管道 浇注肋板及顶板混凝土 检查并清洁预应力管道 混凝土养生 拆除模板 穿钢丝束 张拉预应力钢束 管道压浆 施工下一节段 拆除模板 拆除模板拆除模板拆除模板 拆除模板 拆除模板 拆除模板 拆除模板 拆除模板 拆除模板 拆除模板 3.3

51、荷载模拟 3.3.1 荷载工况 这次设计这个有限元模型采用了 12 个静力荷载工况，分别如下： 1 自重施工阶段荷载 (CS) 2 二期施工阶段荷载 (CS) 3 挂篮施工阶段荷载 (CS) 4 湿重施工阶段荷载 (CS) 5 吊篮施工阶段荷载 (CS) 6 预应力 施工阶段荷载 (CS) 7 整体升温温度(T, TU) 8 整体降温温度(T, TU) 9 边墩顶横隔墙施工阶段荷载 (CS) 10中墩顶横隔墙施工阶段荷载 (CS) 11正温梯 温度(T, TU) 12负温梯 温度(T, TU) 3.3.2 施工阶段荷载 施工阶段荷载是指在施工阶段施加到模型上的荷载，就本次设计施工阶段 荷载包括

52、：自重、二期、挂篮、湿重、吊篮、预应力、边墩顶横隔墙、中墩顶 横隔墙这些施工阶段荷载。下面就每一个施工阶段荷载加以详细说明。 1.自重：由于考虑到全桥模型并不是全部只有混凝土组成，而是由混凝土 以及钢筋共同成桥，因此在考虑混凝土容重 25KN/m 的基础上乘以一个扩大系数， 增大考虑为 26KN/m，增大系数为。且自重荷载是有限元软件自动以设04 . 1 25 26 计的 26KN/m 均匀加载在桥面上。 2.二期：由于桥面铺装以及栏杆防护栏等的自重作用，模型将承受一定的 二期荷载，由于本次是毕业设计，因此具体简化方法是在桥面铺装层的基础上 乘以一个增大的富裕系数来考虑栏杆以及防护栏等影响。因

53、为主桥采用 8cm 厚 沥青混凝土桥面铺装+10cm 厚水泥混凝土调平层，所以二期荷载集度 w 取 mKNw/256.63 164 1.125.131641025823 且二期荷载均以梁单元均布荷载的形式加载在 64 个单元上。 3.挂篮：在施工阶段过程中，由于是悬臂现浇施工，因此需要挂篮的提前 作用以便顺利支模，不过也因此给桥梁带来相应的挂篮荷载。为了简化方便， 拟将挂篮考虑成集中荷载以节点荷载的形式加载在桥梁中心线上。挂篮荷载一 般取 ，t86.56t116.34t72.113)5 . 03 . 0()5 . 03 . 0(最大悬臂段湿重 因此拟取。t50挂篮荷载 4.湿重：在桥梁施工阶段

54、过程中，由于阶段自身湿重，将给桥梁带来相应 的湿重荷载。为了简化方便，拟将湿重考虑成集中荷载和一个弯矩以节点荷载 的形式加载在桥梁中心线上。且就毕业设计而言，只考虑 1#块-10#块的湿重。 如 1#块湿重考虑成集中荷载和弯矩施加在KNFz3 .1067mKNMy/ 3 . 16009 18、44、40 和 14 号节点上。其他依次类推。 5.吊篮：在施工边合龙以及中合龙时，由于架设模板，需要提前加以吊篮， 并由此引入吊篮荷载。为了简化计算，吊篮荷载仍然考虑成节点荷载和一个弯 矩加在相应的节点上。吊篮荷载一般取合龙段最大湿重的一般。 ，因此拟取吊篮荷载为。t92.13t84.275 . 05

55、. 0合龙段最大湿重t15 6.预应力：对于顶板束、腹板束的预应力荷载在相应节段混凝土龄期达到 之后需要对其进行张拉，对于底板束需要在中合龙完成之后对其进行预应力的 张拉。而且预应力的张拉采取的是两端张拉，两端张拉力为 1395MPa。 7.边墩顶横隔墙：为了简化边墩横隔墙对梁段的影响，将边墩顶的横隔墙 荷载考虑成均布荷载以梁单元的形式加在相应的单元上。本次毕业设计中，边 墩顶横隔墙均布荷载集度。mKNw/68.136 8.中墩顶横隔墙：为了简化中墩横隔墙对梁段的影响，将中墩顶的横隔墙 荷载考虑成均布荷载以梁单元的形式加在相应的单元上。本次毕业设计中，中 墩顶横隔墙均布荷载集度。mKNw/07

56、.192 3.3.3 温度荷载 1.整体升温：对桥梁而言，温度荷载对桥梁的受力性能等有极大的影响，英雌 需要对梁进行温度荷载的整体升降温。结合本次毕业设计所给的地区地形查询 相关规范得到该地区年最高温度和最低温度，即最高温度,最低温度C 0 30 。因此，本次设计用整体升温来模拟。C 0 20C 0 30 2.整体降温：对桥梁而言，温度荷载对桥梁的受力性能等有极大的影响，英雌 需要对梁进行温度荷载的整体升降温。结合本次毕业设计所给的地区地形查询 相关规范得到该地区年最高温度和最低温度，即最高温度,最低温度C 0 30 。因此，本次设计用整体升温来模拟。C 0 20C 0 20 3.3.4 温度

57、梯度 1.正温梯 计算桥梁结构由于梯度温度引起 的效应时，可采用图 4.3.10 所示的 竖向温度梯度曲线，其桥面板表面的 最高温度 T1，规定见表 4.3.10-3 。 对混凝土结构，当梁高 H 小于 400mm 时，图中 AH100 （ mm ）梁高 H 等于或大于 400mm 时， A300mm 。对带混凝土桥面板的钢 结构， A300mm ，图 4.3.10 中的 t 为混凝土桥面板的厚度 (mm)。 温度 BH1H2 T1=16.4 T2=5.98 13.25m0100mm T1=5.98 T2=2.392 13.25m100mm280mm T1=2.392 T2=0.0 13.25

58、m280mm400mm 2.负温梯 混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构的竖向日照反温差为正温差乘以 - 0.5 。 3.3.5 移动荷载 1.首先选择移动荷载中国规范（China）。 2.车道荷载的施加，本次毕业设计采取三车道进行布置，两个行车道加一个应急车 道。 3.车辆荷载施加规范采用公路工程技术标准（ITG B01-2003），mKNqk/5 .10 ，。mLKNpk5,180mLKNpk50,360 4.移动荷载工况的添加，选取加载的最少车道数为 1 车道，最多车道数为 3 车道。 3.3.6 基础沉降 由于各个支座处的竖向支座反力和地质条件的不同引起支座的不均匀沉降，连续梁 是一

59、种对支座沉降特别敏感的结构，所以由它引起的内力是构成内力的重要组成部 分。其具体计算方法是：三跨连续梁的四个支点中的每个支点分别下沉 2mm，其余 的支点不动，所得到的内力进行叠加，取最不利的内力范围。 第 4 章 结构内力计算 4.1 桥梁恒荷载内力计算 4.1.1 计算原理 4.1.2 计算阶段划分 4.1.3 验算截面选择 4.1.4 施工阶段内力计算 4.2 桥梁活载内力计算 4.3 荷载内力组合 4.3.1 承载能力极限状态组合 4.3.2 正常使用极限状态短期效应组合 4.3.3 正常使用极限状态长期效应组合 第 5 章 预应力钢筋的估算和配置 5.1 钢绞线与锚具 连续梁、连续钢

60、构桥主梁纵横向预应力钢筋一般用高强度低松弛钢绞线；连续梁 和连续钢构桥主梁竖向预应力钢筋用精轧螺纹钢筋。桥梁用钢绞线一般用七股钢绞 线，即有 7 股直径的钢丝绕制而成的钢绞线，为高强度低松弛钢绞线，用符号5 表示，单根钢绞线公称直径 15.24mm，公称断面面积为 140.00。在公路24.15 S 2 mm 规范中，其抗拉强度标准值和抗拉、抗压强度设计值分别为、MPafpk1860 和。单根钢绞线符号为，对应的圆形锚具MPafpd1260MPafpd390 24.151 S 规格为，称为单孔锚具，其他多余两孔的锚具称为群锚，譬如表115YM315YM 示由组成的群锚。群锚锚具常见的规格有、2