满堂支架法施工的铁路双线三跨连续箱梁设计

./摘要本设计是西兰路特大桥XX铁路枢纽新建北环线工程的上部结构设计,为预应力混凝土连续梁双线桥,桥址处地质条件较好,采用满堂支架法施工。铁路等级为Ⅰ级,设计荷载为中—活载,抗震等级为七级。根据桥梁设计安全、适用、经济、美观的原则确定预应力混凝土变截面连续梁桥为设计首选方案。桥梁设置跨度为32m+48m+32m。主梁采用单箱单室箱形截面。根据桥梁相关设计规范,拟定出桥梁的细部尺寸。用MidasCivil建立本设计模型之后,运用该程序进行结构计算和数据分析并进行主力和主力＋附加力荷载组合,根据各控制截面的内力估算预应力钢束数量计算和估配,并对梁体进行具体的钢束布置,最后应用MidasCivil对各控制截面进行了强度和应力验算,对预应力钢束进行了应力验算,各项验算均满足规范要求。此外,应用AutoCAD软件绘制了本桥的箱梁整体布置图、预应力钢筋布置图、预应力钢筋大样图等。本桥采用满堂支架法施工,其主要特点是施工方法简单可行,施工质量可靠,施工工艺成熟,不需要大型起吊设备,施工工期较短。关键词：预应力混凝土连续梁；荷载效应组合；满堂支架施工；有限元分析AbstractThisdesignisanewdesignofthesuperstructureofNOLProjectofXi'anrailwayhubforXilanHighwayBridge,forthedoublelineofprestressedconcretecontinuousbeambridge.Thebridgesitegeologicalconditionsaregood,usingthefullscaffoldconstruction.TherailwayisIgrade,designingChina-liveload,seismicgradesevenlevel.Accordingtobridgesafety,utility,economyandbeautyofdesignprincipleofprestressedconcretecontinuousgirderbridgewithvariablecross-sectiondesignispreferred.Bridgesetsspan32m+48m+32m.Single-singlecellboxgirdersections.Accordingtobridgedesignspecifications,developindetailsofthebridge.MidasCivilestablishmentinthisdesignmodel,structuralcalculationsandanalyzedatausingtheprogramandloadcombinationsofmainandmain+additional,accordingtothecontrolsectionnumbercalculationsandestimatesofinternalforcesofprestressedsteelbeamdistribution,andconcretesteelbeamarrangement,thelastoneappliedMidasCivilonthestrengthandstresscheckingcalculationofthecontrolsection,tostresscheckingcalculationofprestressedsteelstrands,checkingmeetspecificationrequirements.Inaddition,useAutoCADsoftwaretodrawthelayoutoftheboxgirderofthebridge,prestressing,suchaslayout,detailoftheprestressingsteel.Fullscaffoldconstructionofthebridge,itsmainfeatureisasimpleconstructionmethods,constructionquality,constructiontechnologymatures,noneedforlargehoistingequipment,constructionperiodisshorter.Keywords:prestressedconcretecontinuousbeam,loadeffectcombinations,scaffoldconstruction,finite-elementanalysis.目录1绪论11.1桥梁在交通事业中的地位11.2预应力混凝土连续梁桥概述11.3毕业设计的目的与意义32设计资料42.1概述42.2设计依据4主要技术指标4连续梁设计理论4设计技术参数4材料规格5施工方法5设计使用规范53桥梁整体布置及尺寸拟定63.1桥梁整体布置63.2连续箱梁截面细部尺寸拟定6横截面设计原则6箱型截面细部尺寸6预应力混凝土连续箱梁截面尺寸拟定结果73.3梁高和底板腹板厚度变化94梁单元的划分及模型建立104.1梁单元的划分10梁单元的划分原则10梁单元的划分104.2模型建立105主梁结构内力计算125.1恒载内力12毛截面几何特性13施工阶段恒载内力计算13成桥后恒载内力计算175.2活载内力18活载内力图示19控制截面影响线19列车活载冲击系数计算20列车竖向活载内力计算21人行道人行荷载内力计算225.3温度次内力及基础沉降内力计算23温度次内力23基础沉降内力256内力组合276.1主力组合276.2主力+附加力组合287预应力钢束的估算及布置307.1钢束估算30预应力束筋的估算原理30估算结果317.2预应力钢筋的布置34预应力钢筋的布置原则34预应力钢筋的布置358预应力损失、次内力计算和配束后的荷载组合378.1预应力损失的计算37预应力损失计算原理37预应力损失计算结果418.2钢束次内力计算44钢束次内力计算原理44钢束次内力计算结果458.3混凝土徐变与收缩引起的次内力46徐变、收缩理论46混凝土徐变和收缩引起的次内力计算468.4配束后的荷载组合48配束后的主力组合48配束后的主力＋附加力组合509主梁净截面及换算截面几何特性529.1截面几何特性计算方法529.2净截面和换算截面特性计算5310主梁检算5510.1主要设计指标5510.2设计阶段强度检算5510.2.1正截面抗弯强度验算55斜截面强度验算5710.3传力锚固阶段验算6110.3.1混凝土法向应力验算6110.3.2传力锚固阶段预应力筋应力验算6210.4运营阶段验算6310.4.1正截面抗裂性验算6310.4.2斜截面抗裂性验算6510.4.3混凝土压应力验算6810.4.4混凝土剪应力验算7010.4.5运营阶段预应力筋应力验算7110.4.6预应力钢筋应力幅验算7210.4.7主梁变形验算73结束语75致谢77参考文献78附录79.绪论桥梁在交通事业中的地位建立四通八达的现代化交通网,大力发展交通运输事业,对于发展国民经济,加强全国各族人民的团结,促进文化交流和巩固国防等方面,都具有非常重要的作用。20世纪50年代以来,由于科学技术的进步,工业水平的提高,社会生产力的高速发展,人们对桥梁建筑提出了更高的要求。现代高速公路上迂回交叉的立交桥、高架桥和城市的高架道路,几十公里长的海湾、海峡大桥新发展的城郊高速铁路桥与轻轨运输高架桥等,这些新型桥梁不但是规模巨大的工程实体,而且犹如一道长长的地上"彩虹"。纵观世界各国的大城市,常以工程雄伟的大桥作为城市的标志与骄傲。因而,桥梁建筑已不单纯作为交通线上重要的工程实体,而且常作为一种空间艺术结构物存在于社会之中。我国幅员辽阔,大小山脉和江河湖泊纵横全国。20世纪80年代后,我国实行改革开放以来,国民经济飞速发展社会主义工业、农业、商业、国防和科学技术现代化正在逐步实现。全国高速公路、高速铁路、城市交通网络的建设方兴未艾。作为枢纽工程的桥梁建设的发展则突飞猛进。目前,我国已建成的各类现代化桥梁在世界跨径排名录上都进入了重要名次,甚至是名列前茅。它从一个侧面反映了我国生产、经济与科学技术的发展高度。回顾过去展望未来,我国广大桥梁工程技术与科学工作者将不断面临着设计和建造各类桥梁的光荣而艰巨的任务。预应力混凝土连续梁桥概述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。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。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破了100m,到80年代则达到440m。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作为优胜方案。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,则应用更加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40～200m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。然而,当跨度很大时,连续梁所须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。在我国,预应力混凝土连续梁虽然也在不断地发展,但赶超国际先进水平,还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,三材指针和造价指针与很多因素有关,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。毕业设计的目的与意义毕业设计的目的在于培养毕业生综合能力,灵活运用大学所学的各门基础课和专业课知识,并结合相关设计规范,独立的完成一个专业课题的设计工作。设计过程中提高学生独立的分析问题,解决问题的能力以及实践动手能力,达到具备初步专业工程人员的水平,为将来走向工作岗位打下良好的基础。设计资料概述本设计为西兰路特大桥XX铁路枢纽新建北环线工程上部结构设计。桥址处沿线地质较好,地形较平稳,所以该桥采用满堂支架法施工的连续箱梁结构,本桥为Ⅰ级铁路双线桥梁,地震烈度为7级,全桥长112m,按全预应力混凝土结构理论进行设计。设计依据主要技术指标跨径：112.00m〔32m+48m+32m铁路等级：Ⅰ级正线数目：双线桥上轨枕类型：重型60kg/m,预应力混凝土桥枕设计活载：中—活载牵引类型：电力机车牵引桥面设置：双侧人行道B=1.05m,道砟桥面桥梁限界：采用双层集装箱SJX—QD地震烈度：7度人行道：双侧人行道各1.5m宽连续梁设计理论设计理论：按全预应力结构理论进行设计设计荷载：恒载：梁体结构自重,其容重按26kN/m设计活载：双线中—活载,计入冲击力、人群荷载作用设计技术参数结构体系顶板不均匀温差按5℃计,均匀升温以20℃计支座不均匀沉降以2.0cm计,考虑徐变折减后计1.0cm混凝土收缩徐变影响按老化理论进行计算预应力损失计算波纹管孔道摩阻系数μ=0.23孔道偏差系数k=0.0025锚具变形与钢束回缩率〔一端∆σ=6mm钢束松弛预应力损失∆σ=0.025预应力钢束锚外控制应力长束σ短束σ25PSB830精扎螺纹钢筋锚外控制应力σk材料规格混凝土：箱梁梁体采用C50混凝土,挡碴墙采用C30混凝土预应力钢束采用公称直径为Φ15.20mm的高强度低松弛钢绞线,标准抗拉强度为1860MPa桥面采用C40纤维混凝土保护层施工方法本连续梁采用满堂支架现浇法施工,由于架设了预应力连接器故应分梁段现浇,等桥墩施工完毕后,搭设支架现浇中间60m梁段,张拉该段预应力束后,现浇两边各26.5m梁段,然后张拉该梁段钢束,梁体分段施工完成。设计使用规范〔1《铁路桥涵设计基本规范》〔TB10002.1-2005〔2《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》〔TB10002.3-2005〔3《混凝土结构设计规范》〔GB50010-2010桥梁整体布置及尺寸拟定桥梁整体布置连续梁跨径的布置一般采用不等跨的形式,一般边跨长度取中跨的0.5～0.8倍。根据设计资料,该桥为变高度曲线形连续梁,故根据设计经验,梁高在支点处取〔1/20～1/16l,在跨中取〔1/50～1/30l〔l为主跨长度。本设计跨度根据设计任务书,采用32m+48m+32m的预应力混凝土连续梁体系,墩顶梁高取3.8m,跨中梁高取2.5m,符合以上原则。桥面不设纵坡,梁顶横坡按〔10/435×100%=2.30%设计,横截面采用单箱单室的箱形截面。主梁连续箱梁采用满堂支架法施工。应该注意到,边跨的长度与连续梁的施工方法有关。连续箱梁截面细部尺寸拟定横截面设计原则梁桥的横截面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、截面各部尺寸等,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因素,原则上应作如下考虑:〔1梁桥的主梁是以它的抗弯能力承受荷载的,同时还要保证它的抗剪〔或抗主拉应力能力。〔2在满足结构构造要求的前提下,尽可能减小截面尺寸,以减小梁的自重。〔3桥面宽度、桥梁建筑高度将影响截面布置形式、主梁的片数与间距或者是箱梁的形式。〔4必须考虑施工的影响。〔5要考虑各主梁之间的横向联系,还要满足美观上的需求。箱型截面细部尺寸箱形截面由顶板、底版、腹板等几部分组成,它的细部尺寸的拟订既要满足箱梁纵、横向的受力要求,又要满足结构构造及施工上的要求。如果布置不当,将会增加结构的自重及材料用量。〔1底板厚度连续梁跨中区段,截面主要承受的是正弯矩,对于预应力混凝土连续梁,底板中需配一定数量的预应力束与普通辅助钢筋,底板厚度一般在200mm～250mm。无预应力束筋时尽可能满足L/30<L为箱梁底部内壁净距>,但不小于120mm。如箱梁底板上有预应力束筋管孔,其最小厚度应为3.3D〔D为管孔直径。并要加强辅助钢筋,如管孔过密,在管孔间应设吊筋。墩顶处底板厚度约为梁高的1/12～1/10,也可参照国内外资料来核算。此外,底板除承受自身荷载外,还承受一定的施工荷载。因此设计时还应对这些因素给予考虑。本设计桥跨跨中底板厚度为30cm,墩顶支座处底板加厚取130cm,其余部分底板厚度在30cm～60cm间连续变化。〔2顶板厚度确定箱梁截面顶板厚度,通常主要考虑两个因素：桥面板横向弯矩受力要求和布置纵向预应力束和横向受力钢筋〔或横向预应力束的构造要求,前者与箱梁腹板的间距及集中活载大小有关。本设计设置有纵向、横向和竖向预应力筋,为满足受力要求和构造要求,箱梁顶板厚度在主梁中心线取45cm,在翼缘处厚度取20cm,按设计横坡2.30%均匀向两侧均匀变化。〔3腹板厚度箱形截面粱一般是由两块腹板组成的,每一块腹板的最小厚度必须满足结构构造及施工过程中浇筑混凝土的要求。腹板的功用是承受截面的剪应力和主拉应力,腹板的最小厚度应满足剪切极限强度的要求。其一般设计经验为：腹板内无预应力束筋管道布置时为200mm；腹板内有预应力束筋管道布置是为300mm；腹板内有预应力束筋锚固头时为380mm。本设计腹板支座处厚度为60cm,跨中腹板厚度为50cm,边跨端部及桥墩附近腹板厚度由50cm线性变化到60cm,两侧腹板均设置Φ10cm通风孔,梁顶设置Φ15cm的PVC泄水管,纵向间距均为2m。〔4横隔板设置横隔板的目的是为了增加梁体的整体稳定性,提高箱梁截面的抗扭刚度和局部抗剪强度。本设计桥梁在支点处设置4道横隔板,上面设置有过人洞,以便于检查人员通过。预应力混凝土连续箱梁截面尺寸拟定结果墩顶支座处梁高3.8m,桥面宽11.2m,底板宽5.6m,厚0.6m,腹板厚0.6m,横隔板过人洞宽1.6m,高1.5m,其他细部尺寸如图1所示。图3.1墩顶支座处箱形截面〔单位：cm跨中梁高2.5m,桥面宽11.2m,底板宽5.6m,厚0.3m,腹板厚0.5m,其他细部尺寸如图3.2所示。图3.2跨中箱形截面〔单位：cm边跨支座处梁高2.5m,桥面宽11.2m,底板宽5.6m,厚0.6m,腹板厚0.6m,其他细部尺寸如图3.3所示。图3.3边跨支座处截面〔单位：cm梁高和底板腹板厚度变化由于连续梁桥支点截面处负弯矩绝对值比跨中弯矩大,因此采用变截面更加符合受力特点,且可节省材料,减轻结构自重。另外,从美学角度讲,变高度梁更加具有韵律感,符合现代桥梁设计的美观原则。变高度梁的梁底线形和采用抛物线、圆曲线、折线和正弦曲线等。其中二次抛物线与连续梁的弯矩变化相适应,是梁底线形中最常采用的曲线。本设计箱梁梁底线形按圆曲线变化,梁高也因此发生变化,梁底圆曲线半径R=16228.5cm,底板上缘也按圆曲线变化,曲线半径R=21062.5cm,变化长度为2050cm。上部结构整体布置图如图3.4。图3.4箱梁上部结构整体布置图〔半跨梁单元的划分及模型建立梁单元的划分梁单元的划分原则梁单元的划分在结构有限元分析计算时十分关键,分段越详细,相应的计算结果就越接近真实值,但划分太详细,会增大计算规模,因此应当合理划分梁段,在保证计算精度的前提下尽量减少单元数目。梁单元的划分要考虑到主梁跨径、施工方法、截面变化、预应力布置等因素。梁体一般在以下位置划分单元：〔1构件的截面变化点和转折点；〔2施工分界点、边界处以及支座处；〔3需要验算或者可能控制计算的截面处；〔4当梁体出现位移不连续的情况时,应该在该位置增设节点,利用主从约束考虑该处的连接方式。本设计桥梁梁单元的划分,是这样划分的:由于本桥为满堂支架施工法,施工阶段较少,因此将每个施工阶段合理地划分为若干个单元来保证精度,这若干个单元可以得到相应的截面,这些截面即为设计截面和验算的所需的截面。此外,在墩顶及边跨支座构造变化位置相应增设了几个单元,便于控制计算和验算。梁单元的划分主梁全长为112m,考虑上述因素,将梁体分为48个梁单元,共49个节点,50个截面,最小的单元长度0.75m,最长的梁单元6.65m。中跨梁高均匀变化段为7×3m梁段,直线段长度为2×2.25m；两侧边跨由于留有施工缝〔分别位于11、38号节点,梁高均匀变化段有所不同。由于使用满堂支架的施工方法,结构没有体系转换,在两侧边跨施工完成后即完成主梁施工,直接安装永久支座,支座分别位于2、15、35、48节点,其中15号节点处为固定支座,其余均为活动支座。模型建立梁单元划分完毕后,建立MidasCivil有限元模型。模型的建立应与梁单元的划分高度符合,必须保证结构体系不发生变化,建立的模型应尽量符合结构的构造特点和受力特点,而且在保证精度的前提下,要尽量减少节点和单元的数目以减小计算规模。桥梁上部结构模型如图4.1。图4.1桥梁上部结构MdasCivil结构模型为了模拟桥梁实际受力情况,在模型中模拟了恒载结构自重和二期恒载〔桥上线路设备、人行道栏杆、道碴、轨枕等、基础变位、预应力及混凝土徐变和收缩,活载中的列车竖向静活载、人行荷载以及温度变化作用。各类荷载所属的荷载工况类型及模拟形式见表4.1。表4.1各种荷载的模拟方式荷载名称荷载工况类型模拟形式自重恒荷载〔D施工阶段荷载二期恒载恒荷载〔D梁单元荷载预应力预应力〔PS预应力荷载人行荷载步行活荷载〔CRL,PL梁单元荷载整体升温温度〔T,TU系统温度温度梯度温度梯度〔TPG,TG温度梯度主梁结构内力计算主梁的内力计算分为设计内力和施工内力两部分。设计内力用于强度验算及配筋设计,施工内力是施工过程中,各施工阶段的临时施工荷载,如施工机具设备〔挂蓝、张拉设备等、模板、施工人员等引起的内力,主要供施工阶段验算用。主梁的设计内力计算包括主力〔恒载内力和活载内力、附加力〔如风力或离心力引起的内力以及特殊荷载。对于超静定梁,还应包括由于预加力、混凝土徐变、收缩和温度变化等引起的结构次内力。将它们按规范的规定进行组合,从中挑选最大的设计内力,依此进行配筋设计和应力验算。设计实践表明:在这及部分内力中,恒载、活载内力是主要的,一般它们占整个设计最大内力的80%～90%或更多,本设计主要计算这两部分内力。恒载内力主梁恒载内力,包括主梁自重〔前期恒载引起的主梁自重内力SG1和后期恒载〔如桥面铺装、人行道、栏杆、灯柱等引起的主梁后期恒载内力SG〔1在施工过程中结构不发生体系转换所有静定结构〔简支梁、悬臂梁、带挂钩的T形刚构及整体浇筑一次落架的超静定结构,主梁自重作用于桥上时,结构已经是最终体系,主梁自重内力SGS式中：SGg(y(〔2在施工过程中结构有体系转换在施工过程中结构有体系转换则主梁自重内力计算必须根据不同的施工方法顺序、体系转换的具体情况分阶段计算。本设计采用满堂支架施工法,由桥上轨枕、桥上线路设备、道碴及人行道栏杆重,可计算所得每延米二期恒载集度<又称后期恒载>为156kN/m。毛截面几何特性本设计桥梁截面为单箱单室的箱形截面,且梁底线形和腹板厚度均有变化,则截面也连续变化,截面较多,几何特性计算较麻烦,故应用MidasCivil中的"截面特性计算器"来计算截面特性值。由于本桥沿跨中截面对称,故只需计算左边一半的截面特性值即可,计算结果如下表所示。表5.1毛截面几何特性计算表截面梁高h〔m截面面积A〔m截面惯性矩I〔m中心轴到梁顶的距离y〔m12.514.48.72471.09912〔支座2.514.48.72471.099132.511.418.23791.042542.510.318.02211.085852.58.646.57270.935162.58.646.57270.935172.5198.67746.73020.944682.5938.82967.37580.982892.7239.4828.76271.0657102.9089.863210.70851.1664113.265910.683615.18241.3608123.44611.084417.78891.4625133.811.8723.64181.6659143.814.5127.38111.696715〔支座3.821.230.28771.7496163.814.5127.38111.6967173.811.8723.64181.6659183.44611.084417.78891.4625193.14910.424413.62061.2958202.9089.863210.70851.1664212.7239.09768.59661.0511222.5938.82967.37580.9828232.5178.67546.71650.9438242.58.646.57270.935125〔跨中2.58.646.57270.9351施工阶段恒载内力计算施工阶段内力除了主梁节段自重外,还应包括施工过程中的临时荷载。由于本桥为满堂支架法施工,一阶段施工完毕后拆除支架,此时结构只受自重作用,故施工荷载仅考虑自重。〔1中间60m梁段现浇施工搭设支架现浇中间60m梁段完成后,拆除支架,梁段均出现正负弯矩,最大正弯矩处位于跨中截面,其值为67037.86kN·m,最大负弯矩位于中支点处,其值为-5613.13kN·m；最小剪力出现在中支点处,其值为-6663.11kN。表5.2中间60m梁段施工内力截面轴力〔kN剪力〔kN弯矩〔kN·m110.000.000.0012-35.45522.59-455.5113-90.421467.88-3430.98140.001652.02-4210.1415〔支座0.00-6663.11-5613.1316-382.79-6214.08-779.7617-409.04-6030.642286.3118-282.74-5089.7818983.3019-181.47-4206.4832931.7220-129.56-3371.0444296.0321-58.99-2590.7253227.6222-24.04-1851.7459887.0323-3.96-1129.8164356.43240.00-534.6066436.4425〔跨中0.000.0067037.86图5.1中间60m梁段施工弯矩图图5.2中间60m梁段施工剪力图〔2两侧各26.5m梁段现浇施工中间60m梁段施工完毕后,搭设支架现浇两侧各26.5m梁段,拆除支架后,最大正弯矩位于跨中,其值为29602.60kN·m,最大负弯矩位于中支点处,其值为-43048.39kN·m；最小剪力值为-6663.11kN。表5.3两侧各26.5m梁段施工内力截面轴力〔kN剪力〔kN弯矩〔kN·m10.000.000.002〔支座0.00-2747.28-49.503370.08-2562.291017.734-129.74-2495.921780.7350.00-1743.657900.8160.62-163.6114242.487-5.50431.6413907.958-31.871153.3911532.839-64.061908.116951.7510-123.742704.3535.0611-226.523901.31-13987.9812-299.904421.51-21282.2713-330.695368.37-35981.40140.005559.91-38714.5015〔支座0.00-6663.11-43048.3916-382.79-6214.08-38215.0317-409.04-6030.64-35148.9518-282.74-5089.78-18451.9619-181.47-4206.48-4503.5420-129.56-3371.046860.7621-58.99-2590.7215792.3622-24.04-1851.7422451.7723-3.96-1129.8126921.16240.00-534.6029001.1825〔跨中0.000.0029602.60图5.3两侧各26.5m梁段施工弯矩图图5.4两侧各26.5m梁段施工剪力图〔3二期恒载作用施工完成后在桥上铺装线路设备、道砟、人行道栏杆、轨枕等,产生的最大正弯矩位于跨中截面,其值为60527.99kN·m,最大负弯矩位于中支点处,其值为-57051.00kN·m最小剪力位于中支座处,其值为-10407.11kN。表5.4二期恒载作用内力截面轴力〔kN剪力〔kN弯矩〔kN·m10.000.000.002〔支座0.00-4806.31-69.003655.50-4538.421809.364-230.97-4443.113164.3350.00-3241.0814282.9362.37-623.6427133.147-4.61361.6127461.188-42.871551.2124594.149-93.112773.6018117.1510-184.714036.937900.5511-342.285894.92-13200.7512-453.516686.28-24228.6213-499.038101.16-46439.66140.008375.88-50561.2515〔支座0.00-10407.11-57051.0016-605.79-9834.22-49453.5117-649.20-9571.51-44593.4318-453.62-8166.04-17951.4419-294.09-6817.054537.9820-211.94-5514.4623039.2821-97.17-4267.2937703.8822-39.73-3060.6448692.2923-6.56-1870.8156086.68240.00-885.6059531.6925〔跨中0.000.0060527.99图5.5二期恒载作用弯矩图图5.6二期恒载作用剪力图成桥后恒载内力计算〔1本设计中混凝土容重取26kN/m3,而MidasCivil混凝土材料定义中默认容重为25kN/m表5.5恒载作用下的剪力和弯矩截面一期恒载〔自重二期恒载一期+二期剪力〔kN弯矩〔kN·m剪力〔kN弯矩〔kN·m剪力〔kN弯矩〔kN·m10.000.000.000.000.000.002〔支座-2416.77-49.50-1473.64-19.50-3890.41-69.003-2235.18885.53-1396.75557.48-3631.931443.014-2165.851549.38-1362.60973.83-3528.452523.215-1413.156710.98-912.044274.74-2325.1910985.726166.8910854.77125.356890.48292.2417745.257762.129693.97515.316089.591277.4315783.5681483.786327.33982.983841.522466.7610168.8592238.44754.731450.54189.453688.98944.18103034.51-7153.481917.35-4866.614951.86-12020.09114231.26-22581.182578.01-14432.756809.27-37013.93124751.27-30453.872848.81-19190.757600.08-49644.62135698.25-46144.523317.07-28458.819015.32-74603.33145890.41-49042.873401.36-30139.999291.77-79182.8615〔支座-6663.11-53624.65-3744.00-32734.88-10407.11-86359.5316-6214.08-48791.28-3620.14-29970.76-9834.22-78762.0417-6030.64-45725.21-3540.86-28176.76-9571.50-73901.9718-5089.78-29028.22-3076.26-18231.76-8166.04-47259.9819-4206.48-15079.80-2610.57-9690.76-6817.05-24770.5620-3371.04-3715.49-2143.42-2553.76-5514.46-6269.2521-2590.725216.10-1676.573179.24-4267.298395.3422-1851.7411875.51-1208.907508.24-3060.6419383.7523-1129.8116344.91-741.0010433.24-1870.8126778.1524-534.6018424.92-351.0011798.24-885.6030223.1625〔跨中0.0019026.350.0012193.120.0031219.47〔2恒载作用下成桥后的内力图在恒载作用下,梁体的最大正弯矩产生在跨中位置,其值为31219.47kN·m,最大负弯矩出现在中支点处,其值为-86359.53kN·m；最小剪力位于中支点,大小为-10407.11kN。图5.7恒载作用下的弯矩图图5.8恒载作用下的剪力图活载内力活载内力由列车竖向静活载、人行道人群荷载等产生。在使用阶段,结构已经成为最终体系,其纵向的力学计算图式是明确的。连续梁作为超静定结构,活载内力是以影响线为基础的,计算影响线可按结构力学方法,亦可按有限元法计算绘制影响线。在内力影响线上按最不利荷载位置布置活载,就可求得截面的控制内力。当内力影响线有正负两种区段时,应分别对正负区段加载,以求出正负内力两个值,正值和负值分别称为最大内力和最小内力。当只有正号影响线时,最小内力为零,反之最大内力为零。根据规范要求,对列车活载还必须考虑冲击力的影响,因此主梁活载内力计算公式如下,直接在内力影响线上布置荷载：S式中：SP1+μξ——列车荷载的折减系数；miqkΩ——均布荷载施加处内力影响线面积；Pky——集中荷载施加处内力影响线左边。上式中的冲击系数、折减系数、均布荷载和集中荷载值均需根据《铁路桥涵设计基本规范》〔TB10002.1-2005中的相关规定选取。活载内力图示本设计铁路线路采用的活荷载为中—活载,它是我国铁路桥涵设计使用的标准荷载,其标准荷载图示如图5.9所示：图5.9中—活载内力图示控制截面影响线当一个指向不变的单位集中力〔通常是竖直向下的沿着结构移动时,表示某一指定量值变化规律的图形,称为该量值的影响线。在Midas程序中,计算结果中可直接看到梁单元的影响线。各主要控制界面的内力影响线如下图所示。图5.101/2边跨弯矩影响线图5.111/2边跨剪力影响线图5.12中支点弯矩影响线图5.13中支点剪力影响线图5.141/2中跨弯矩影响线图5.151/2中跨剪力影响线列车活载冲击系数计算根据《铁路桥涵设计基本规范》〔TB10002.1-2005第条规定：列车竖向活载包括列车竖向动力作用,该列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数〔1+μ,其动力系数应按《规范》列出的公式计算。由于本设计无更详细的设计资料,故其动力系数的计算采用下式：1+式中L表示桥梁跨度,单位为m。本设计中桥梁跨度L＝112m,则其冲击系数为1+列车竖向活载内力计算〔1在MidasCivil中建立双线车道,输入中—活载荷载数据并分析。活载内力主要包括剪力和弯矩两部分,考虑冲击系数后的内力最大最小值如下表所示。表5.6中—活载作用下的剪力和弯矩截面最大剪力〔kN最小剪力〔kN最大弯矩〔kN·m最小弯矩〔kN·m10.000.000.000.002〔支座1064.50-3657.910.000.0031053.57-3529.131426.30-425.8041063.06-3492.702448.19-745.1551079.20-2876.3310776.52-3832.2061587.60-1714.3121118.08-10911.1471822.47-1370.6122038.58-13572.3982091.59-1022.4721759.38-16765.8992387.19-740.3019730.61-19959.39102818.84-517.2015951.29-23152.90113507.39-287.199670.76-27677.03123813.05-223.757618.61-31313.48134371.15-187.915892.70-40514.43144475.70-187.805871.67-42388.5915〔支座444.65-5538.826009.62-45386.5216443.81-5376.145676.14-41713.2717443.63-5273.375499.12-39364.3918460.20-4680.275497.96-26893.5819503.28-4103.357489.15-18396.7420615.26-3545.6610277.18-12563.7021747.04-3015.7014084.85-9441.9622894.95-2518.1719062.69-8998.88231059.49-2059.1922565.81-8749.05241230.34-1709.7224136.88-8540.8625〔跨中1437.58-1437.5824502.92-8353.49〔2列车竖向活载内力包络图由计算可知,最大正弯矩出现在跨中截面,其值为24502.92kN·m,最大负弯矩发生在中支点处,其值为-45386.52kN·m；剪力最大最小值均出现在中支点处,最大剪力为4475kN,最小剪力-5538.82kN。图5.16列车活载弯矩包络图图5.17列车活载剪力包络图人行道人行荷载内力计算〔1根据《铁路桥涵设计基本规范》〔TB10002.1-2005中条,设计人行道的竖向静活载应采用,道碴桥面和明桥面的人行道4.0kPa。本设计为道碴桥面,双侧人行道,人行道宽度各1.05m,换算为线均布荷载为4.0kPa×1.05m×2＝8.4kN/m。人行道内力用软件计算,在MidasCivil中为本桥梁模型加载8.4kN/m的连续梁单元荷载即可。计算结果如下表所示。表5.7人行道人行荷载内力计算表截面剪力〔kN弯矩〔kN·m截面剪力〔kN弯矩〔kN·m10014183.15-1622.922〔支座-79.35-1.0515〔支座-201.6-1762.653-75.2130.0216-194.93-1613.814-73.3752.4417-190.66-1517.215-49.11230.1818-165.64-981.7166.75371.0319-140.57-521.81727.75327.920-115.41-137.51852.93206.8521-90.28171.19978.1110.222-65.09404.2910103.24-262.0523-39.9561.7911138.82-777.1524-18.9635.2912153.4-1033.3525〔跨中0656.5513178.61-1532.4〔2人行道人行荷载内力图在人行荷载作用下,最大正弯矩位于跨中截面,其值为656.55kN·m,最大负弯矩位于中支点处,其值为-1762.65kN·m；最小剪力均位于中支点,最小剪力值为-201.6kN。图5.18人行道人行荷载弯矩图图5.19人行道人行荷载剪力图温度次内力及基础沉降内力计算温度次内力〔1桥梁结构为暴露在大气中的结构物,结构受力将受到温度的影响。温度影响一般包括两部分,年温差影响与局部温差影响。年温差影响,指气温随季节发生周期性变化时对结构物所引起的作用。。一般假定温度在构件内均值变化。局部温差影响,一般指日照温差或混凝土水化热等影响。根据本设计的设计资料,结构体系顶板不均匀温差按5℃计,均匀升温以20℃计,应用MidasCivil来计算温度影响产生的内力。其中均匀升温按系统温度加载,不均匀温差按温度梯度加载。计算结果如下。表5.8系统升温和不均匀温差内力计算表截面系统升温不均匀温差剪力〔kN弯矩〔kN·m剪力〔kN弯矩〔kN·m10.000.000.000.002〔支座1.360.00-227.230.0031.34-0.54-224.9090.8941.36-0.95-226.92159.0651.36-4.89-227.23818.0261.36-13.93-227.232329.0971.36-17.33-227.212897.1781.36-21.40-227.143578.8591.36-25.48-227.104260.54101.36-29.56-226.994942.22111.36-35.33-226.855907.95121.36-37.71-226.716305.60131.36-41.79-226.806987.28141.36-42.46-227.237100.9015〔支座0.00-43.480.007271.32160.00-43.480.007271.32170.00-43.480.007271.32180.00-43.480.007271.32190.00-43.480.007271.32200.00-43.480.007271.32210.00-43.480.007271.32220.00-43.480.007271.32230.00-43.480.007271.32240.00-43.480.007271.3225〔跨中0.00-43.480.007271.32〔2温度次内力图本设计温度力有整体升温和温度梯度两部分构成。整体升温情况下,产生负弯矩,最大负弯矩为-43.48kN·m,最大剪力为1.36kN·m；温度梯度作用下,产生正弯矩,最大正弯矩为7271.32kN·m,最小剪力为-227.23kN。图5.20系统升温弯矩图图5.21系统升温剪力图图5.22温度梯度弯矩图图5.23温度梯度剪力图基础沉降内力当连续梁的基础发生不均匀沉降时,必将导致连续梁内产生次内力。连续梁墩台基础的沉降与地基土壤的物理力学特性有关,一般随时间而递增,要经过相当长的时间才接近沉降终极值。根据计算分析表明,墩台基础沉降在结构赘余力方向产生的弹性内力,因混凝土徐变随时间的增加而逐渐松弛。松弛的程度正比于墩台基础沉降增长速度。〔1本设计支座不均匀沉降以2.0cm计,考虑徐变折减后计1.0cm。应用MidasCivil建模时,边界条件为4个一般支撑,其中一个固定支座,三个活动支座,均按沉降1.0cm计,建立四种沉降组,然后将沉降组进行组合,选择最少沉降一组,最多四组,取其最不利组合。计算过程由软件计算完成,计算结果如下表所示。表5.9支座沉降次内力截面支座沉降〔最大支座沉降〔最小剪力〔kN弯矩〔kN·m剪力〔kN弯矩〔kN·m10.000.000.000.002〔支座396.200.00-396.200.003392.13158.48-392.13-158.484395.66277.34-395.66-277.345396.201426.32-396.20-1426.326396.204061.04-396.20-4061.047396.175051.54-396.17-5051.548396.056240.14-396.05-6240.149395.987428.73-395.98-7428.7310395.788617.33-395.78-8617.3311395.5310301.17-395.53-10301.1712395.2910994.52-395.29-10994.5213395.4512183.12-395.45-12183.1214396.2012381.22-396.20-12381.2215〔支座528.2712678.37-528.27-12678.3716527.2712282.17-527.27-12282.1717527.0512018.04-527.05-12018.0418527.4510433.24-527.45-10433.2419527.778848.44-527.77-8848.4420527.887263.65-527.88-7263.6521528.135678.85-528.13-5678.8522528.224527.43-528.22-4527.4323528.263418.08-528.26-3418.0824528.273323.19-528.27-3323.1925〔跨中528.273323.19-528.27-3323.19〔2支座沉降内力包络图由上计算表可得,基础不均匀沉降作用下最大正、负弯矩均发生在中支点位置处,其值为12678.37kN·m,最大剪力为528.27kN。图5.24支座沉降弯矩包络图图5.25支座沉降剪力包络图内力组合进行内力组合的目的是为了预应力钢束的估配。根据上述内力计算的结果,参照《铁路桥涵设计基本规范》〔TB10002.1-2005中条可进行内力组合。本设计内力组合分为两种,一种是主力组合,另一种是主力＋附加力组合。主力组合〔1本设计主力组合为：恒载＋活载＋支座沉降,具体的内力组合和内力图绘制均由MidasCivil自动计算完成。表6.1主力组合内力计算表截面最大最小轴力〔kN剪力〔kN弯矩〔kN·m轴力〔kN剪力〔kN弯矩〔kN·m10.000.000.000.000.000.002〔支座0.00-2509.07-70.050.00-8023.87-70.0531101.79-2261.443057.80326.63-7628.40888.754-111.40-2143.105301.18-389.36-7490.201553.1550.00-898.9123418.730.00-5646.835957.3866.882282.7943295.39-8.67-1811.513144.1075.883523.8143201.58-44.89-461.61-2512.478-30.435007.3238375.22-138.371101.17-12630.339-88.326550.2528113.73-219.892630.80-26433.7410-189.528269.7312286.48-378.384142.11-44052.3711-363.7910851.01-17819.14-630.046265.38-75769.2812-483.9111961.82-32064.83-811.337134.44-92985.9713-530.4113960.52-58059.91-859.978610.58-128833.28140.0014346.81-62552.900.008890.92-135575.5915〔支座0.00-9635.80-69434.190.00-16675.80-146187.0616-557.98-9058.08-62417.55-981.45-15932.56-134371.2817-596.30-8791.48-57902.02-1055.56-15562.60-126801.6018-407.96-7344.03-32310.48-752.11-13539.41-85568.5119-255.67-5926.56-8954.77-499.94-11588.74-52537.5520-172.44-4486.7311134.06-372.93-9703.40-26234.1221-70.19-3082.4028330.23-179.92-7901.39-6554.2822-22.10-1702.5643378.16-80.12-6172.136261.7323-1.13-322.9653323.83-15.78-4498.1715172.81240.00854.1058318.520.00-3142.4918994.4125〔支座0.001965.8559702.120.00-1965.8520199.34〔2主力组合内力包络图由上述计算可知,在主力组合的包络图下,其最大负弯矩发正在中支点处,其值为－146187.06kN·m,最大正弯矩发生在跨中位置,其值为59702.12kN·m；最大最小剪力均在中支点处,最小剪力为－16675.80kN。图6.1主力组合弯矩包络图图6.2主力组合剪力包络图主力+附加力组合〔1本设计主力＋附加力组合为：恒载＋活载＋支座沉降＋温度荷载,具体的内力组合和内力图绘制均由MidasCivil自动计算完成。表6.2主力+附加力内力计算表截面最大最小轴力〔kN剪力〔kN弯矩〔kN·m轴力〔kN剪力〔kN弯矩〔kN·m10.000.000.000.000.000.002〔支座0.00-2734.94-70.050.00-8249.74-70.0531134.08-2484.993148.15358.92-7851.95979.094-123.13-2368.665459.28-401.09-7715.761711.2650.00-1124.7824231.870.00-5872.70677