75m+136m+75m公路预应力混凝土连续刚构桥设计毕业论文.docx
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75m+136m+75m公路预应力混凝土连续刚构桥设计毕业论文
75m+136m+75m公路预应力混凝土
连续刚构桥设计毕业论文
第1章绪论
1.1设计概述
目前桥梁建设正向跨度大、质量轻、强度高的方向发展，预应力混凝土连续刚构桥由于采用了主梁与墩部整体刚性连接，使其在竖向荷载的作用下，在墩部上方的主梁产生负弯矩，从而使跨中的正弯矩减小，也减小了跨中截面的尺寸，同时提高了桥梁的跨越能力。
因此，预应力混凝土连续刚构桥得到了广泛的应用与发展。
本次毕业设计要求在指导老师的辅导下，完成一座预应力刚构桥的建立、配筋计算、结果验算、施工图纸的绘制。
采用桥梁结构分析软件MIDAS进行分析和计算。
（75+136+75）m箱梁分别划分为91个单元，根据施工程序分为64个施工阶段进行计算。
计算中考虑了各个施工阶段和最终运营阶段的最不利组合，计入了预应力二次矩、体系转换以及徐变产生的内力重分布，并考虑了温度升降各20°C、日照温差以及支座不均匀沉降1cm等影响，按全预应力混凝土结构进行设计配筋并检算。
预应力混凝土连续刚构桥的基本设计步骤：
（1）根据规范上的相关公式和翻阅完工的设计图纸，拟定结构的几何尺寸和设计截面，利用MidasCivil软件建立无钢筋的一次成桥模型，添加恒载、二期、活载，定义其他参数，计算出结构的恒载内力、活载内力，相加并增大15%，按正常使用极限状态和承载能力极限状态工况组合进行运算，再根据结果和计算公式初步进行钢筋估束；
（2）根据两种组合状态，分别按正常使用和承载能力极限状态公式进行钢束总面积的估算，再根据单根钢束的面积估算出各截面的钢束总数量，根据规范及相关经验布置钢束位置，再次模拟施工，此时考虑预应力的作用，计算结构恒载内力；
（3）对一次成桥模型进行施工阶段定义，并将估算出的钢束添加布置到一次成桥模型中，添加定义挂篮等施工荷载，添加定义相应的预应力，添加温度荷载，支座沉降等；
（4）运行计算模型，并据定义好的荷载组合结果，进行截面强度即正截面抗弯验算、使用阶段和施工阶段的应力验算和变形验算；
（5）各项验算均满足要求，则设计通过。
若某项验算通不过，调整钢束数量、位置或者修改截面尺寸，重复
（2）-（5）步骤，直到各项验算均通过为止。
预应力混凝土连续刚构桥的设计过程包括两次正常使用和承载能力状态的组合。
第一次组合用于估算预应力钢束总量，使用是毛截面，而且不考虑施工荷载和次内力等因素，因此估算出的预应力钢筋的数量是粗略的，要将第一次组合出来的结果扩大15％，在粗略的范围进行选取，用于接下来的计算。
第二次状态组合是考虑预加应力和混凝土收缩徐变影响后，是模拟桥梁真实状态下的内力组合，适用于各项验算。
预应力混凝土连续刚构桥主要采用挂篮悬臂施工和满堂支架施工。
首先，利用爬模和支架的方法浇筑好墩和零号块，然后向两侧采用悬臂施工的方法进行对称施工，当施工到合龙段时，利用满堂支架的方法浇筑桥台处的主梁，然后先进行边跨合龙，再进行跨中合龙。
在整个施工过程中，发生了体系转化问。
合龙前是静定结构，合龙后转化成了超静定结构。
而且在施工阶段，静力体系也在不断地发生变化，主梁越来越长，自重越来越大，挂篮的移动和预应力的张拉在不断地进行等。
所以，在本次设计中，在MidasCivil软件中应该准确模拟出各个施工阶段，包括边界条件的定义，挂篮荷载的激活与钝化上，合拢段配重、墩顶水平推力施加、预应力钢筋的加载，尤其是边跨临时支座的种类与钝化时间，还有桥梁恒荷载由于施工的进行会不断加大。
活载和支座沉降等是成桥之后才加上去的，和施工方法无关。
为了保证桥梁的施工安全和使用的耐久性，要对桥梁模型进行不同的荷载组合，计算其产生的应力和变形，最终利用MidasCivil软件来进行各种电算，保证设计桥梁的安全。
1.2刚构桥的受力和构造特点
预应力混凝土连续刚构桥由于采用了主梁与墩部整体刚性连接，使其在竖向荷载的作用下，在墩部上方的主梁产生负弯矩，使其具有卸载作用。
从而使跨中的正弯矩减小，因此也减小了跨中截面的尺寸，大大减轻了结构的自重，提高了桥梁的跨越能力。
但是，刚构桥是超静定结构，对基础变形和温度荷载敏感，混凝土收缩、温度变化、墩台不均匀沉降和预应力等因素都会在结构中产生附加内力。
同时施工过程中预应力混凝土连续刚构桥采用挂篮悬臂施工的方法，施工过程中有体系的转化问题，结构体系开始为T型刚构体系，合龙后为超静定结构体系，恒载产生的内力由各个施工阶段产生的内力叠加得到。
由于预应力混凝土连续刚构桥大部分结构是在T型刚构体系中完成的，而且合龙段较短，内力较小，故T型刚构体系受力状态为主要部分。
对于预应力混凝土连续刚构桥，合龙后墩部负弯矩很大，而跨中正弯矩很小。
二期恒载作用后，墩部负弯矩增大，跨中正弯矩相对较小。
因此应增大主梁墩部附近截面的抗弯刚度，提高顶板的抗拉能力和底板的抗压能力。
支柱的形式有多种，为了减小温度、混凝土徐变、墩位移等引起的次内力的产生，本设计主要采用双薄壁墩，双薄壁墩是大跨度刚构桥梁桥墩的主要形式。
顺桥方向抗弯刚度大,抗推刚度小,能满足施工过程中的安全需要。
其构造特点是在墩位上有两个相互平行的薄壁墩与主梁之间形成刚性连接，可增加桥墩刚度，稍微减小主梁支反力峰值。
1.4悬臂施工方法介绍
1.4.1施工特点
悬臂施工法是利用已建成的桥墩沿桥跨方向对称施工，其施工的必要条件是：
施工中墩与梁固结，施工过程中桥墩需承受不对称弯矩。
悬臂施工时随梁段增长，梁内出现的负弯矩不断增大，对梁上缘需逐段施加预应力，使其与完成的梁段连成整体。
其总体施工特点为：
工艺简单。
施工速度快。
1.4.2工艺流程
本设计用挂篮悬臂浇筑施工，其主要工艺流程为：
双薄壁墩浇筑施工、搭设支架浇筑0号块、张拉预应力钢束、拼装挂篮、浇筑1#梁段；张拉预应力钢束；前移挂篮、调整、锚固；浇筑下一梁段；依次对称悬臂浇筑完成全部梁段；挂篮拆除；边跨及中跨合拢合龙段吊架浇筑施工。
1.4.3注意事项
（1）0#段位于桥墩上方，灌注0#段相当于给挂篮提供一个安装平台。
0#段一般需在桥墩两侧设托架或支架现浇。
立0#段底模时，需同时安装永久支座及防倾覆锚固装置。
（2）挂篮安装前应进行试拼。
在0#块上安装挂篮要进行挂篮预压载试验，验证挂篮的安全性，且可以起到消除挂篮非弹性变形的作用，并获取挂篮弹性变形曲线。
（3）合龙口锁定可以采用内外刚性支撑锁定措施。
在箱梁顶、底板的顶面预埋钢板，将刚性支撑焊接其上；也可在箱梁顶、底板中央纵向设置内刚性支撑共同锁定合龙口。
除用外、内刚性支撑锁定外，也可再利用部分永久预应力束临时张拉，以抵抗降温时产生的收缩变形。
（4）尽量减小箱梁悬臂日照温差，为此可采取覆盖箱梁悬臂等减小温差措施，注意保温和保湿养护，以免砼开裂。
合拢温度一般控制在18℃左右，合拢一般选在一天内温度稳定相对较长时段内进行。
并要采取措施尽量减小箱梁的收缩变形，防止合拢段混凝土缩裂或压坏，应在一天内气温最低、并在二悬臂端高差最小时进行合拢施工。
（5）为保证浇筑混凝土过程中，合龙口始终处于稳定状态，必要时浇注之前可在各悬臂端加与混凝土重量相等的配重，加、卸载均应对称于梁轴线。
一般可以用水箱来代替做到边浇筑边卸载。
（6）边跨合龙后，可以解除墩梁临时固结措施，使梁成简支悬臂体系。
第2章桥跨总体布置及结构主要尺寸
2.1桥型布置及孔径划分
本设计桥型为三跨预应力混凝土连续刚构桥，孔跨布置为75+136+75m，结构见图2-1。
图2-1三跨连续刚构桥桥型布置
2.2截面形式及截面尺寸拟定
2.2.1梁高尺寸拟定
（1）双薄壁墩处梁高：
根据相关资料查得，中支点梁高与中跨跨度之比为（1/15~1/25），中跨跨度为136m，此处取为7.5m。
（2）跨中梁高：
根据相关资料查得，中跨跨中梁高与中跨跨度之比为（1/40~1/50），中跨跨度为136m，此处取为3m。
（3）其余梁高：
采用变截面，双薄壁墩处梁高到跨中梁高按照二次抛物线形式变化，抛物线方程为
。
2.2.2横截面尺寸拟定
本设计采用单室箱型截面。
设计时只考虑其中一幅。
它更有利于分期施工，减小了活载偏心，箱的高宽比也不至悬殊过大使箱的受力更为有利。
其中桥面的宽度为12.75m，梁底宽度为7m，两侧的悬臂长2.25m，翼缘板端部厚度取20cm。
上部结构采用变截面箱形梁。
（1）底板、顶板厚度
中跨：
底板在主墩支承处，负弯距大，需底板适当加厚，提供必要的受压面积，跨中正弯距大，避免恒载弯距，因此“中薄边厚”设置，本设计中，支座底板厚90cm，跨中为40cm厚。
底板按照二次抛物线变化，边跨与中跨对称。
箱梁顶板厚度可以不变都为30cm；翼缘板根部处厚度为80cm；
（2）箱梁腹板厚度
箱梁腹板厚度主要取决于布置预应力筋和浇筑混凝土必要的间隙等构造要求。
中跨支点附近承受剪力较大，腹板宜加厚，跨中宜减薄。
本设计，在桥墩附近80cm厚，跨中取40cm厚。
沿纵向腹板厚度不宜突变，可安排在一个梁段内渐变。
本文从跨中到桥墩处腹板厚度简化处理，即沿纵桥向按照一次线性渐变。
2.2.3桥墩尺寸拟定
桥墩采用双薄壁墩，边墩高度为38m，主墩高度为45m。
本设计采用1.5m宽的双薄壁墩。
2.2.4横隔板
横隔板可以增强桥梁的整体性和良好的横向分布，同时还可以限制主梁畸变；支承处的横隔板还起着承担和分布支承反力的作用。
因此本设计只0号段对应于主墩墩柱处对称设置了两块厚为150cm的横隔板，边支座中心线处设计为实心梁体。
所有横隔板都应设孔洞，以保证箱内通道全桥贯通。
孔洞大小，应方便维护管理人员及小型机具通过。
其余细部具体尺寸见图2-2。
图2-2跨中及支点截面尺寸
2.3单元划分及施工方法
2.3.1单元划分
整座桥梁划分成131个单元，包括上部结构主梁91个单元，双薄壁墩有40个单元；0号块长度为12m；悬臂段长度为3~4m，且为了便于施工，都取整半米；合龙段取2m。
具体划分长度为：
边跨：
（4+2+2+7×4+6×3.5+4×3+2+1.25+1.25+0.5+1）=75m
中跨：
2×（1+0.5+1.25+1.25+2+4×3+6×3.5+7×4+1）=136m
节段划分示意图见图2-3。
图2-3节段划分示意图
2.4施工阶段的划分
本次毕业设计的上部结构采用挂篮悬臂施工和满堂支架就地浇注施工两种方法。
根据挂篮的承载能力将主梁梁段的施工进行划分。
注意对节段混凝土浇筑时间、张拉预应力时混凝土龄期（一般3~5天）、挂篮架设、总的节段施工时间（一般7~10天）、节段重量（一般在1000kN到3000kN之间）等做出控制。
具体施工划分见表2-1。
表2-1具体施工段划
施工阶段
号
内容
工期（天）
备注
1
桥墩
60
1#步骤：
（1）刚构墩墩身施工完毕至墩顶
（2）浇筑0号梁段
（3）混凝土强度达到85％后，张拉预应力束
（4）在0梁段上架设挂篮，每个挂篮按75吨考虑。
2
浇筑0#块
10
3
张拉0#块预应力钢束，
5
4
架设1#挂蓝
20
5
浇筑1#块
3
2#步骤：
（1）对称浇筑1号梁段
（2）混凝土强度达到85％后，张拉预应力束
6
张拉1#块预应力钢束
1
7
架设2#挂蓝
5
8
浇筑2#块
3
3#步骤：
（1）往两端移动挂篮
（2）对称浇筑2号梁段
（3）混凝土强度达到85％后，张拉预应力束。
9
张拉2#块预应力钢束
1
10
架设3#挂蓝
5
11-53
……
….
4#步骤：
（1）按前步骤依次浇筑3—17号悬臂梁段。
（2）混凝土强度达到85％后，张拉预应力束。
54
边跨现浇段施工
60
5#步骤：
（1）安装边支座，并现浇边跨梁段
（2）水箱配重
（3）安装边跨吊架，安装合拢段劲性骨架
（4）浇筑边跨合拢段
55
边跨合龙挂篮
10
56
边跨合龙现浇
10
57
边跨合龙张拉
3
58
跨中合拢挂篮
10
6#步骤：
（1）在中跨合拢段左右分别施加800kN顶推力
（2）安装合拢段劲性骨架，绑扎钢筋
（3）浇筑中跨合拢段梁段。
（4）混凝土强度达到85％后，张拉预应力索。
59
跨中合拢现浇
10
60
跨中合拢张拉
3
61
拆除全桥挂篮
5
7#步骤：
拆除所有挂篮吊架
62
工后收缩徐变
60
8#步骤：
工后60天，安装桥面栏杆施加二期
63
施加二期恒载
30
64
收缩徐变
3600
第3章主梁内力计算
在整个连续刚构桥设计中，主梁内力计算是非常重要的一个环节。
主梁内力计算结果是后续设计中的重要依据，其正确性直接影响整个设计的成败。
然而，由于预应力混凝土连续刚构桥是超静定结构，主梁内力计算是一个极其复杂的。
本次毕业设计的连续刚构桥是变截面的，任务量大，而且手算的精确度远远满足不了计算的要求。
因此本次毕业设计采用MidasCivil有限元分析软件对桥梁结构进行内力计算。
3.1MidasCivil单元划分
有限元是表示实际连续域离散单元的集合，将结构划分有限个单元体，各个单元通过节点连接起来，荷载也通过节点进行传递。
单元的划分是有限离散过程中的重要环节，显然单元划分的越小，计算结果也越精确，但这样的话计算量将增大，因此，在满足一定计算精度要求的前提下，尽量把桥梁模型划分成较少的单元，同时还要结合施工情况。
本次毕业设计的计算单元就是按照施工单元进行划分的，具体分段见图3-1。
图3-1MIDAS单元和节点划分图
3.2所用材料数据
3.2.1材料特性值
（1）上部结构：
主梁采用C50混凝土：
查JTGD62-2004第3.1.3-3.1.5条规范，可得参数见表3-1。
表3-1C50混凝土参数
轴心抗压强度/MPa
轴心抗拉强度/MPa
弹性模量/MPa
容重/kN/m3
标准值/fck
设计值/fcd
标准值/ftk
设计值/ftd
Ec
26.0
32.4
22.4
2.65
1.83
34500
（2）下部结构：
主墩采用C40混凝土：
查JTGD62-2004第3.1.3-3.1.5条规范，可得参数见表3-2。
表3-2C40混凝土参数
轴心抗压强度/MPa
轴心抗拉强度/MPa
弹性模量/MPa
容重/kN/m3
标准值/fck
设计值/fcd
标准值/ftk
设计值/ftd
Ec
26.0
26.8
18.4
2.40
1.65
32500
（3）C50混凝土铺装层：
（4）沥青混凝土铺装层：
（5）钢束：
查JTGD62-2004第3.2.2-3.2.4条规范，可得钢束参数见表3-3。
表3-3钢束参数
抗拉强度/MPa
弹性模量/MPa
张拉控制应力/MPa
标准值/fpk
设计值/fpd
Ep
0.75fpk
1860
1260
195000
1395
3.2.2荷载信息及边界情况
一、恒载
①一期恒载：
自重（钢筋混凝土容重为26kN/m）;程序按截面尺寸信息自动计入；
②二期恒载：
铺装层取10cm厚，梁两侧设置防撞栏杆，每侧取5kN/m，可得二期恒载为：
=
，考虑到管道的铺设等因素，故二期恒载按60kN/m计。
。
二、活载
采用公路工程技术标准（JTGB01-2003）汽车荷载采用公路一级荷载。
三、温度变化的影响
本设计考虑系统升温（+20℃）、系统降温（-20℃）、日照温差三种情况。
根据《公路桥涵设计通用规范JTGD60-2004》规定可以取值相关温度基数。
四、支座不均匀沉降的影响
本设计边墩、主墩不均匀沉降均取1cm；预应力估束阶段不考虑支座不均匀沉降的影响，同时不计水平强迫位移和转角强迫位移。
五、收缩徐变的影响：
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62-2004》来考虑混凝土收缩徐变的影响，本设计取年平均相对湿度为70%，收缩开始时的混凝土龄期为3天。
六、边界情况：
本设计中的边界组包括墩梁固结、墩底固结、边墩铰支座，边跨满堂支架。
详细情况如下：
（1）墩梁固结：
分别在节点24和171、28和111、65和131、69和151之间，采用刚性连接；
（2）墩底固结：
分别在节点181、121、141、161处，采用一般支撑，限制Dx、Dy、Dz，Rx，Ry，Rz；
（3）边墩铰支座：
在节点2和91处，采用一般支撑，限制Dy、Dz，Rx，Rz；
（4）边墩临时支座（满堂支架）：
在节点1、3、4和5处，采用一般支撑，限制Dx、Dy、Dz，Rx，Rz。
支座模拟见图3-2及3-3。
图3-2满堂支架支座模拟
图3-3边墩铰支座及墩底固结模拟
3.2.3施工荷载
施工荷载即考虑在施工过程中作用于各已成梁段上的各种荷载。
本文的施工荷载主要有挂篮荷载、合拢段配重、跨中合拢墩顶水平推力等。
本设计施工荷载的取值为：
挂篮（机具、人群）等施工荷载按最大悬浇块件重量的45%取值为750kN。
合拢段配重分别为合拢段重量的一般取值；跨中合拢墩顶水平推力在此处取为800kN。
当施工梁段达到一定强度后，挂篮前移开始浇筑下一梁段。
此时作用于先前两个锚固点的施工荷载应解除，即施加反向的作用力，并在新的锚固位置上添加施工荷载。
3.3恒载内力计算
内力计算由MidasCivil软件完成，主要由结构自重，二期恒载（桥面铺装层和护栏之和）。
（本设计为对称结构，故在内力计算时只考虑半结构）。
计算结果见表3-4和3-5。
由表可知在一期恒载下跨中最大正弯矩为5486.68kN·m，墩顶附近28号节点处最大负弯矩为-115269.30kN·m；在二期恒载下在5节点处最大正弯矩3054.96kN·m，24节点处最大负弯矩-618915.2kN·m。
表3-4一期恒载内力（自重）
单元
荷载
位置
轴向
剪力
弯矩
（kN）
（kN）
（kN·m）
1
自重
I[1]
0
0
0
2
自重
I[2]
0
-680.41
-16.88
3
自重
I[3]
0
-560.41
1223.94
4
自重
I[4]
0
-440.41
2224.75
5
自重
I[5]
0
-320.41
2985.56
6
自重
I[6]
0
-200.41
3506.38
7
自重
I[7]
-0.17
39.59
3828
8
自重
I[8]
-2.69
279.58
3189.62
9
自重
I[9]
-8.01
519.53
1591.25
10
自重
I[10]
-16.29
759.42
-967.12
11
自重
I[11]
-27.48
999.21
-4485.49
12
自重
I[12]
-41.74
1238.89
-8963.85
13
自重
I[13]
-56.7
1448.48
-13669.9
14
自重
I[14]
-72.82
1657.98
-19110.94
15
自重
I[15]
-92.63
1867.26
-25286.93
16
自重
I[16]
-115.11
2076.34
-32197.84
17
自重
I[17]
-140.06
2285.22
-39843.66
18
自重
I[18]
-168.26
2493.8
-48224.37
19
自重
I[19]
-198.11
2702.2
-57339.99
20
自重
I[20]
-228.95
2910.43
-67190.52
21
自重
I[21]
-258.01
3088.64
-76218.75
22
自重
I[22]
-288.73
3266.63
-85786.9
23
自重
I[23]
0
3459.34
-95894.97
24
自重
I[24]
6.33
1054.07
-100852.9
25
自重
I[25]
6.33
1144.07
-102501.5
26
自重
I[26]
6.33
1324.07
-106203.7
27
自重
I[27]
6.33
1504.07
-110446
28
自重
I[28]
-72.86
-3809.75
-115269.3
29
自重
I[29]
-400.24
-3698.9
-109621.9
30
自重
I[30]
-367.43
-3521.44
-98751.63
31
自重
I[31]
-336.27
-3343.76
-88420.17
32
自重
I[32]
-305.36
-3166
-78627.58
33
自重
I[33]
-271.77
-2958.35
-67883.99
34
自重
I[34]
-241.68
-2750.32
-57873.61
35
自重
I[35]
-213.99
-2542.04
-48596.63
36
自重
I[36]
-188.77
-2333.53
-40053.05
37
自重
I[37]
-166.29
-2124.79
-32242.89
38
自重
I[38]
-147.69
-1915.75
-25166.21
39
自重
I[39]
-129.99
-1706.68
-18823.2
40
自重
I[40]
-114.12
-1497.5
-13213.73
41
自重
I[41]
-100.03
-1258.22
-7701.01
42
自重
I[42]
-88.91
-1018.83
-3146.72
43
自重
I[43]
-80.86
-779.34
449.52
44
自重
I[44]
-74
-539.66
3087.47
45
自重
I[45]
-72.86
-300.02
4766.53
46
自重
I[46]
727.14
-60.02
4518.37
47
自重
I[47]
-72.86
59.98
5486.68
图3-4自重弯矩图（单位：
kN·m）
表3-5二期恒载内力
单元
荷载
位置
轴向N
（kN）
剪力Q
（kN）
弯矩M
（kN·m）
1
二期恒载
J[2]
0.05
0
0
2
二期恒载
I[2]
0
-1284.26
-70.72
3
二期恒载
I[3]
0
-781.42
1994.96
4
二期恒载
I[4]
0
-278.58
3054.96
5
二期恒载
I[5]
0
224.26
3109.28
6
二期恒载
I[6]
0
727.1
2157.91
7
二期恒载
I[7]
-6.63
1732.77
-2761.85
8
二期恒载
I[8]
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