预应力混凝土连续梁桥上部结构设计

1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计80+150+80m预应力混凝土连续梁桥上部结构设计年 级: 2010 级 学 号: XXXXXXXX 姓 名: X X X 专 业: 铁道工程(桥梁组) 指导老师: X X X 2014 年 6 月院 系 土木工程系 专 业 铁道工程 年 级 2010 级 姓 名 X X X 题 目 80+150+80m预应力混凝土连续梁桥上部结构设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计任务书班 级 铁工X 班 学生姓名 X X X 学 号 XXXXXXXX 发题日期：2014年 03

2、 月02 日 完成日期： 2014年06月06日题 目 80+150+80m预应力混凝土连续梁桥上部结构设计 1、本设计的目的、意义:学生在进行毕业设计之前，已对公共基础课程、专业基础课程及专业课程进行了有序的分阶段的学习，对工程结构已经建立起了从设计原理到设计方法及施工方法的基本知识结构，但还缺少综合地系统地运用这些知识来解决实际问题的锻炼机会。本设计以公路预应力混凝土连续梁结构为背景，让学生在老师的指导下系统地完成结构设计、结构计算与检算的全过程。通过本设计可巩固学生对材料力学、结构力学、混凝土结构设计原理、桥梁工程等知识的掌握，提高学生分析和解决问题的能力；同时可让学生对桥梁工程的认识更

3、加清晰、全面；还可通过对桥梁结构分析软件、绘图软件、数据处理、文本处理等软件的大量使用培养学生的计算机运用能力。 2、学生应完成的任务 一、设计说明书的编制： 1、设计概述 2、桥梁结构尺寸拟定 3、运营阶段内力计算 4、预应力钢束估算 5、施工阶段计算分析 6、承载能力与正常使用的相关检算 7、结论 二、工程图纸的绘制： 1、桥梁立面布置图 2、梁体节段划分图（悬臂施工的连续梁） 3、梁截面一般构造图 4、预应力钢筋布置图 5、桥梁施工步骤及体系转换图（悬臂施工的连续梁） 3、论文各部分内容及时间分配：（共 18 周）第一部分相关资料的收集 (2周)第二部分结构尺寸与截面尺寸的拟定 (2周)

4、第三部分结构内力计算与预应力钢筋的初步配置 (3周)第四部分结构承载能力检算与预应力钢筋的调整配筋 (4周)第五部分图纸的绘制 (2周)第六部分设计说明书编制 (2周)评阅 (1周)答辩及整改 (2周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘 要预应力混凝土连续梁桥已成为现代公路、铁路桥梁的首选。本设计完成的是80+150+80m单线高速公路预应力混凝土连续梁桥上部结构设计。在本设计中所完成的工作包括：确定主梁的主要构造和细部尺寸。该桥采用单箱单室箱形截面梁，主梁高度变化曲线采用二次抛物线。主跨150m，边跨80m，桥宽13.5m，中支座梁高9m,中跨跨中梁高3.6m。主梁采用

5、悬臂挂篮施工，主梁0#块采用托架施工。根据悬臂施工方案对主梁进行施工节段划分。电算分析结构内力（包括恒载和活载的内力计算）。验算内力组合结果，估算纵向预应力筋数目，然后布置预应力钢束。计算预应力损失以及各项次内力，并进行截面强度验算（包括承载能力极限状态和正常使用极限状态）。绘制工程图纸，编制说明书。关键词：箱梁、预应力钢束、悬臂施工。AbstractPrestressed concrete continuous box girder is small deformation, good stiffness,comfortable driving, convenient maintenance

6、, good anti-seismic behavior and is widely used in bridge structure. This design is the "80+150+80" total 310 meter span bridges, prestressed concrete continuous box girder structure.The continuous beam bridge is a kind of bridge type used widely on the project. It not only has a reliable

7、strength, stiffness and cracking, but also has a smooth journey comfortable, conservation work on the design and construction experience of the characteristics of maturity. Design a bridge must be laid across from the bridge-laying, the size of the development, steel beam layout and construction met

8、hods, but also give full consideration to the design parameters and environmental impact. This is a design for a five-span continuous bridge, whose cross-section is two-compartment, and changing on the road direction, constructed by pouring on-site on full framing. The first design includes constant

9、 load, the live load and the calculation of the internal forces. On the basis of a load combination, we can draw moment and shear envelope map. Next, according to the short-term effect combination disposition prestressed reinforcement, and carries on the loss of prestress the computation. Finally, c

10、arries on the checking calculation to this continuous bridge, whether to satisfy the design requirements.Key words: box girder. Prestressed reinforcement. The cantilever construction. 目录第一章 绪 论11.1 预应力混凝土连续梁桥的特点与发展11.2 连续梁桥悬臂施工的分类与特点2第二章 基本尺寸拟定42.1 桥梁上部结构总体尺寸4跨径布置4主梁高度拟定42.2 箱梁截面细部尺寸52.2. 1横截面选定5底板和

11、顶板5腹板6横隔板和梗腋7第三章 建立有限元模型83.1 基本思路83.2 建立结构模型83.3 定义边界条件，模拟临时约束93.4 模拟施工阶段10第四章 荷载模拟114.1 静力荷载模拟11施工阶段荷载11温度荷载12温度梯度124.2 移动荷载14第五章 结构内力计算155.1 恒载内力计算155.2 活载内力计算175.3 次内力计算18预加力产生的次内力18收缩徐变次内力19温度次内力21支座沉降次内力235.4 内力组合25第六章 预应力筋束的计算及布置306.1 按正常使用极限状态的应力要求计算306.2实际采用的钢束布置336.3预应力损失计算34第七章 强度、应力与变形验算3

12、97.1 强度计算与验算397.2 应力计算与验算41预加力阶段的正应力计算41持久状况的正应力验算43持久状况下的混凝土主应力验算44正截面抗裂性验算46斜截面抗裂性验算48总 结50致谢51参考文献52第一章 绪 论1.1 预应力混凝土连续梁桥的特点与发展1.2 连续梁桥悬臂施工的分类与特点从起重能力上考虑，悬第二章 基本尺寸拟定2.1 桥梁上部结构总体尺寸2.1.1.跨径布置本设计按毕业设计要求，所设计的预应力混凝土连续梁桥上部结构跨径布置为80+150+80m的梁体结构。2.1.2.主梁高度拟定2.2 箱梁截面细部尺寸2.2. 1.横截面选定桥梁横截面的选定，首先是要确定梁体各个截面的

13、型式。包括设计中梁体的截面形状、主梁长度、梁体各个细部的尺寸等，且与施工方式、桥梁高度、美观性、经济性等因素有关。箱形截面的优势是可以充分地发挥已施加的预加力的作用。箱形截面是薄壁结构，具有较大的抗扭刚度，对于悬臂施工的桥梁来说是一种非常合适使用的结构形式。又因为箱型梁具有更大的截面面积，所以箱梁可以更有效地减小正负弯矩对梁体的影响，从而满足配筋要求。另外，箱梁的优势中包括有，其具有很优秀的动力性能，钢筋混凝土收缩徐变所产生的形变对箱梁造成的影响也比较小，也使这种性能优良的结构体系被更加频繁的应用到实际生产中。所以我认为，箱形截面可以名副其实的称之为大、中跨预应力连续梁桥最适合采用的截面类型之

14、一。常见的箱梁截面形式：单箱单室、单箱双室、单箱多室以及双箱单室、双箱多室等更复杂的截面。通过梁体内力特点表明，单箱单室梁具有很多的优点，包括施工简易、节省材料的使用，通常比较适用于梁体宽度在16米以下的公路桥梁。综合各项数据，本桥上部结构设计为高速公路预应力混凝土连续箱梁结构形式，横截面形式采用单箱单室的梁截面。2.2.2.底板和顶板箱型截面形式的梁体顶、底板在承载上而言都是重要的承受正负弯矩的结构。而在使用悬臂法施工过程当中，在箱型梁梁体下缘，越是挨近桥墩的地方越要受到更大的压应力作用。因此若借用箱型截面，桥梁的底板可以有较大的承压面积，以便更好地承受各种压力。箱型截面梁体的底板除了因自身

15、重力而承载外，也要受到施工荷载的作用。悬臂施工过程中，因为使用了挂篮体系，梁体还要承受挂篮荷载作用。设计时还要考虑到挂篮的使用对底、腹板施加的荷载。(2-1)在本桥设计中，底板大致成抛物线的形式变化。底板厚度分别在零号块边缘处为90cm，在跨中厚30cm，又在支点处加厚至120cm，在边跨现浇段加厚至50cm；顶板厚30cm。2.2.3.腹板腹板厚度参照以下经验：(1)腹板内无钢筋管道时，腹板最小厚度采用200mm；(2)腹板内有钢筋管道时，腹板最小厚度采用250300mm；(3)腹板内用钢筋锚固时，腹板最小厚度采用350mm；(2-3)本桥设计中，腹板厚度分别在零号块边缘处为80cm，在跨中

16、为45cm，在支点处为100cm，在边跨现浇段为90cm。2.2.4.横隔板和梗腋设置使用横隔板可增强箱梁整体性，且提升横向刚度。在支座位置设置，还可以用于承载，分散支撑反力。箱形截面的抗扭刚度大，可减少设置横隔板。本桥设计中，只在桥台桥墩处设置横隔板。在使用有限元模型计算时，用相应的荷载模拟表示其作用效果。梗腋，顶板和腹板连接处须设置梗腋。梗腋提高抗扭、抗弯刚度，可以有效地减小剪应力。梗腋提供平缓的梁体转角，可以有效的减小次应力。而且配筋时，梗腋提供了更多的面积来布置预应力钢束，也就使了顶板、底板的厚度不至于太大。本桥设计中，上部梗腋长125cm宽45cm；下部梗腋长100cm宽45cm。图

17、2-2-1 主梁横截面构造图第三章 建立有限元模型3.1 基本思路建立有限元模型的基本思路： (1)导入截面图，定义截面与变截面；(2)定义材料；(3)建立结构模型；(4)定义施工阶段；(5)定义边界条件；(6)定义静力荷载：自重，湿重，挂篮荷载等；(7)定义移动荷载：车道荷载，车辆荷载，温度荷载，移动荷载工况；(8)定义钢束形状，钢束预应力；(9)每一阶段运行分析一次；(10)查看运行分析的结果；(11)检查错误，调整钢束；(12)PSC设计，运行分析并查看结果。3.2 建立结构模型3.3 定义边界条件，模拟临时约束3.4 模拟施工阶段施工，首先的工作是，模板、钢筋到位，然后浇筑混凝土，等到

18、混凝土具备一定的强度之后，张拉预应力筋。一个节段全部施工完成之后，移动挂篮到下个梁段。挂篮在悬臂施工中主要用于支撑重量，方便调运施工材料和各种机具设备。并且挂篮的使用为浇筑混凝土，张拉预应力筋提供了作业平台。施工中，“0#”和“1#”一同浇筑，采用托架支撑，已在边界条件中模拟。合龙段施工，在昼夜温差的影响下，混凝土会发生早期收缩与收缩徐变，结构体系发生变化，由于各种因素的影响，未达强度的合龙段混凝土不能保证质量。本桥跨度较大，合龙段长度应较短，这样的构造更为合理，桥采用3m、3.5m、4m、4.5m不同长度的节段。为确保合拢顺利，可以增大钢筋的配置量，使合拢段有更好的内力传递能力，提高梁体结构

19、连续性。本桥施工段的周期均采用7天。第四章 荷载模拟4.1 静力荷载模拟一共有12个静力荷载工况，分别如下：(1) 自重 施工阶段荷载 (CS)(2) 湿重 施工阶段荷载 (CS)(3) 挂篮 施工阶段荷载 (CS)(4) 二期 施工阶段荷载 (CS) (5) 预应力 施工阶段荷载 (CS)(6) 系统升温 温度 (T, TU) (7) 系统降温 温度 (T, TU) (8) 正温梯 温度 (T, TU)(9) 负温梯 温度 (T, TU)4.1.1.施工阶段荷载划分了施工阶段后添加施工阶段荷载。施工阶段荷载指，施工阶段就会在造成影响或者必须考虑的荷载。本设计中需要添加到模型中的施工阶段荷载：

20、自重、湿重、挂篮荷载、二期荷载、预应力。自重，即梁体本身受重力产生的荷载。混凝土连续梁桥是由混凝土和钢筋共同构成的。自重荷载要在混凝土容重25KN/m的基础上在乘以一个系数，本设计中增大系数为1.06。模拟的自重荷载自动地以26.5KN/m的值均匀施加在桥面上。湿重，在桥梁施工过程中，梁段的自身湿重，会给桥梁施加相应湿重荷载。本设计在模型中简化为，将湿重看作集中荷载加一个弯矩，并以节点荷载的形式加到梁体上。本设计中湿重荷载从1391.1KN到1763.3KN不等，挂篮荷载，施工中使用到挂篮，会产生挂篮荷载。模拟作为集中荷载，并以节点荷载的形式加到各施工阶段的梁体上。本设计中吊篮重取40t。挂篮

21、荷载一般取，(4-1)在本设计中取80t。二期荷载，桥面铺装以及各种桥面设施的自重作用，梁体会承受二期荷载。在本设计中，模拟作二期荷载以单元均布荷载的形式加在整个梁体上。采用8cm厚的沥青混凝土桥面铺装，10cm厚的水泥混凝土调平层，则二期荷载集度取，(4-2)预应力，每个阶段会对相应的预应力钢筋进行张拉，便会有预应力荷载产生影响。当混凝土达龄期后，张拉相应的顶板束、腹板束，底板束在中合龙完成后张拉。采取两端张拉，张拉预应力为1395MPa。4.1.2.温度荷载系统升温，梁体升温对桥梁受力性能有极大的影响，因此本设计要模拟梁体的系统升温。本设计给出常用的温度荷载，最高温度+25,最低温度-25

22、。所以本设计中用整体升温25以模拟系统升温。系统降温，梁体降温对桥梁受力性能有极大的影响，因此本设计要模拟梁体的系统降温。本设计给出常用的温度荷载，最高温度+25,最低温度-25。所以本设计中用整体降温25以模拟系统降温。4.1.3.温度梯度正温梯，梁体结构由于局部温差而产生内力。采用如图所示温梯曲线表现，梁体表面温度最高，规定见表如下。温度梯度模拟如下：图4-1-1 竖向梯度温度图表4-1-1 竖向温度梯度表截面温度TB(mm)H1(mm)H2(mm)截面1T1=1413500100T2=5.5T2=5.51350100200T3=3.67T3=3.671175200300T4=1.83T4

23、=1.83534.45300400T5=0截面2T1=1413500100T2=5.5T2=5.51350100200T3=3.67T3=3.671175200300T4=1.83T4=1.83624.45300400T5=0截面3、5T1=1413500100T2=5.5T2=5.51350100200T3=3.67T3=3.671175200300T4=1.83T4=1.83604.45300400T5=0截面4、6T1=1413500100T2=5.5T2=5.51350100200T3=3.67T3=3.671175200300T4=1.83T4=1.83644.45300400T5=

24、0表4-1-2 竖向日照正温差计算的温度基数表结构类型混凝土铺装256.750mm沥青混凝土铺装层206.7100mm沥青混凝土铺装层145.5负温梯，混凝土上部结构的竖向日照负温梯为正温梯乘-0.5。4.2 移动荷载规范选择荷载中国规范（China）。车道荷载模拟，本设计采用三车道布置，两个行车道和一个应急车道。车辆荷载规范采用公路工程技术标准（ITG B01-2003）。因公路等级为高速公路，所以汽车荷载等级为公路I级。公路I级车道荷载的均布荷载标准值为集中荷载标准值选用，且在计算剪力效应时，集中荷载标准值要乘以1.2的系数。第五章 结构内力计算5.1 恒载内力计算预应力混凝土连续梁桥的内

25、力计算要考虑到体系转换带来的影响。由于采用悬臂施工，要分阶段计算，并分段叠加内力、应力。1. 计算模型，首先建立有限元模型模型。然后将结构模型分为多个有限元构件单元，运行分析，查看结果。2. 计算荷载，施工阶段作用在梁体上的荷载，包括永久荷载（自重，横隔板重，桥面铺装重等），临时荷载（挂篮荷载等），混凝土收缩徐变次内力，预应力损失，张拉预应力，温度荷载等。3. 结构体系转换，施工期间，荷载作用以及结构体系是随施工进展而不断变化的。对于悬臂浇筑混凝土箱梁而言，在施工过程中结构体系发生变化的阶段一般有以下几个时期：墩顶浇筑，“0#”浇筑一般在连续梁墩台上进行。墩顶设永久支座，在支座向T构两端设有预

26、应力螺纹粗钢筋将墩顶与桥墩临时连接。永久支座两侧，边界条件设成临时支撑，既受拉又受压。用以平衡不均衡的内力。悬臂浇筑，在支架或托架施工的梁段，拼装挂篮，浇筑梁段，之后张拉预应力钢束。边跨合拢，首先要搭起现浇段支架，可使用满堂支架，在现浇段各节点设临时单向支撑以及永久支座。当支架现浇段混凝土达强度要求，边跨和龙，拆除边跨临时支撑。张拉边底板的预应力钢束，即形成单悬臂结构。中跨合拢，首先安装吊架模板，绑扎钢筋，解除中墩临时固结，浇筑中跨合拢段。当中跨合拢段混凝土达强度后，张拉预应力钢束。这里列举几个有代表性的阶段，计算并观察其恒载内力。(1)自重作用下最大悬臂阶段的梁体弯矩和剪力如图：最大My=-

27、856836kN.m；最大Fz=30017kN，Fz=-24559.40kN图5-1-1 最大悬臂阶段自重弯矩图图5-1-2 最大悬臂阶段自重剪力图(2)边合拢后梁体弯矩和剪力如图：最大My=-915123.3kN.m；最大Fz=33883.4kN，Fz=-27722.8kN图5-1-3 边合拢后的自重弯矩图图5-1-4 边合拢后的自重剪力图(3) 中合拢后梁体弯矩和剪力如图：最大My=-899080.5kN.m；最大Fz=33659.1kN，Fz=-27539.3kN图5-1-5 中合拢后的自重弯矩图图5-1-6 中合拢后的自重剪力图(4) 桥面铺装后梁体弯矩和剪力如图：最大My=-1156

28、070kN.m；最大Fz=43157.1kN，Fz=-35310.3kN图5-1-7 桥面铺装自重弯矩图图5-1-8 桥面铺装自重剪力图5.2 活载内力计算连续梁是超静定结构，活载计算以影响线作为基础。进行加载时，要将车辆荷载的最大轮载质量置于影响线竖向坐标处以求得最大活载内力。利用有限元模型进行计算，可采用动态规划法。有限元模型计算结果：表5-2-1 移动荷载作用的部分截面内力表利用有限元模型自动计算活载内力，得到梁体活载作用下的弯矩、剪力图，如下：图5-2-1 车道荷载弯矩图图5-2-2 车道荷载剪力图5.3 次内力计算5.3.1.预加力产生的次内力5.3.2.收缩徐变次内力5.3.3.温

29、度次内力N.mN.m5.3.4.支座沉降次内力本设计计算过程中，按单个支座沉降2cm，四个支座组合沉降2cm来考虑。(1)最大沉降表5-3-7 最大支座沉降次内力表N.m图5-3-10 最大沉降剪力图(2)最小沉降表5-3-8 最小支座沉降下的内力kN.m图5-3-12 最小沉降剪力图5.4 内力组合荷载与荷载效应，荷载的种类，荷载的型式，荷载的大小与梁体结构的安全系数以及建设经济支出相关。我国现行的公路桥设计规范将荷载分成了永久荷载，可变荷载，偶然荷载。在预应力混凝土连续梁桥上部设计中，各类荷载又各有具体内容。(1)永久荷载，指结构完工后的长期使用时间内，值不随时间变化或者可以忽略不计的荷载

30、。包括一二期恒载，预加力，混凝土收缩徐变，基础沉降等。(2)可变荷载，指结构完工后的长期使用时间内，值随时间变化或者变化不可忽略不计的荷载。按对桥梁结构的影响程度又可分为基本可变荷载和其他可变荷载。基本可变荷载有汽车，挂车，人防，冲击，离心力荷载等。其他可变荷载有风力，温度，制动力，支座摩阻力等。(3)偶然荷载，指在结构使用期内不一定会出现，而出现值就会非常大，且持续时间短的荷载，如地震，船只，漂流物撞击力等。(4)荷载效应，即荷载在连续梁桥上部结构产生的内力和形变。荷载种类、性质的不同，荷载组合发生的概率就不一定相同。永久荷载和基本可变荷载作用的安全度应较高，而其他可变荷载和偶然荷载则较低。

31、根据此原则，可进行荷载组合。按照桥规规定进行效应组合。承载能力极限状态下，采用以下效应组合，(5-2)基本组合，公式如下：式中：SGk恒载标准值；SQ1k活载标准值；SQ2k温度次内力标准值；SQ3k支座沉降次内力标准值；0结构重要性系数。表5-4-1 基本组合结果表图5-4-1 基本组合弯矩图最大Fz=40589.8kN，Fz=-40587.2kN图5-4-2 基本组合剪力图连续梁结构正常使用极限状态下，在不同的设计要求时可采用以下两种组合：(1) 作用短期效应组合：(5-3)SGk恒载标准值；SQ1k活载标准值；SQ2k温度次内力标准值；SQ3k支座沉降次内力标准值。表5-4-2 短期效应组合结果表图5-4-3 短期效应弯矩图最大Fz=35825.4kN图5-4-4 短期效应剪力图(2) 作用长期效应组合：长期组合计算公式如下:(5-4)式中：SGk恒载标准值；SQ1k活载标准值；SQ2k温度次内力标准值；SQ3k支座沉降次内力标准值。表5-4-3 长期效应组合结果表图5-4-5 长期效应弯矩图最大Fz=35052.2kN图5-4-6 长期效应剪力图第六章 预应力筋束的计算及布置6.1 按正常使用极限状态的应力要求计算预应力混凝土连续梁在预加力作用下也应该满足截面的上下缘不产生拉应力，上下缘混凝土不能被压碎，该条件表示为：(6-1) 可改写成 ：(6-2