城际铁路预应力混凝土连续箱梁设计-(48+80+48m).docx
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本科毕业设计（论文）
GRADUATIONDESIGN（THESIS）
论文题目：
城际铁路预应力混凝土连续箱梁设计
（48+80+48m）
本科生姓名：
郭亚文 学号：
201211806
指导教师姓名：
张元海 职称：
教授
申请学位类别：
工学学士 专业：
土木工程（桥梁）
设计（论文）提交日期：
2016.6.15 答辩日期：
2016.6.17
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指导教师签名：
签字日期：
年月日签字日期：
年月日
本科毕业设计（论文）
城际铁路预应力混凝土连续箱梁设计（48+80+48m）
DesignofaPrestressedConcreteContinuousBoxGirderwithSpanof48+80+48monanInter-cityRailwayLine
姓名：
郭亚文
学号：
201211806
学院：
土木工程学院
专业班级：
土木1202班
指导老师：
张元海
完成日期：
2016年6月15日
兰州交通大学
LanzhouJiaotongUniversity
兰州交通大学本科毕业设计（论文）
摘要
本次设计为城际铁路预应力混凝土连续箱梁设计，跨径组成为48+80+48m。
线路情况为双线，线间距为4.2～4.6m。
主梁截面采用单箱单室直腹板形式，梁底曲线按二次抛物线变化，中支点梁高为6.4m，中跨跨中梁高为3.6m。
该桥采用悬臂浇筑施工方法，内力计算借助有限元软件Midas/Civil计算。
拟定主梁细部尺寸后，利用Midas/Civil软件，模拟实际施工过程，计算结构自重内力、二期恒载内力、ZC活载内力及支座沉降次内力，并进行内力组合。
根据梁体上下缘应力条件估算预应力钢束并进行布置。
中支点截面在顶板及腹板内共布置72束，每束均采用12-φS15.2钢绞线；中跨跨中截面在底板内布置34束，均采用15-φS15.2钢绞线；边跨底板内布置18束，顶板内布置合龙束4束，均采用15-φS15.2钢绞线。
考虑钢束和混凝土收缩徐变影响，重新模拟施工阶段，进行内力计算及内力组合，以便计入预应力效应和收缩徐变效应。
最后，基于新的内力组合，进行正截面与斜截面抗裂性验算、正截面抗弯强度验算、斜截面抗剪强度验算、混凝土正应力与剪应力验算、预应力钢筋应力验算及挠度验算，各项验算结果均符合铁路规范要求。
关键词：
预应力混凝土；连续箱梁；悬臂浇筑；内力组合；截面验算
-V-
Abstract
Thisgraduationprojectrequiresdesigningaprestressedconcretecontinuousboxgirderwithspanof48+80+48monaninter-cityrailwayline.Thelinespacingofdouble-linerailwaythroughthisbridgevariesfrom4.2mto4.6m.Single-cellboxwithverticalwebsisusedascrosssectionofthegirder.Thevariable-depthgirderinaformofquadraticparabolais6.4mdeepatthemainpiersand3.6mdeepatthemid-spanofthecentralspan.
Thisbridgeisconstructedwithacase-in-placecantilevermethodandinternalforcesofthegirderarecalculatedwiththefiniteelementsoftwareMidas/Civil.
Afterdetaildimensionsofthegirderaregiven,theactualconstructionprocessissimulatedwiththefiniteelementsoftwareMidas/Civiltocalculateinternalforceofweightofthestructure,internalforceofseconddeadload,internalforceofliveloadofinter-citytrainandsecondaryinternalforceofbearingsettlement.Andcombinationofinternalforcesfollows.Accordingtostressconditionatupperandloweredgesofcrosssectionofgirder,thenumberofprestressingtendonsisestimatedandprestressingtendonsarelaidoutinthegirder.Thereare72prestressingtendonscomposedof12-φS15.2steelstrandplacedinthetopandbottomslabatthemainpiers;thereare34prestressingtendonscomposedof15-φS15.2steelstrandplacedinthebottomslabatthemid-spanofthecentralspan;andthereare18prestressingtendonsand4closureprestressingtendonscomposedof15-φS15.2steelstrandplacedseparatelyinthebottomslabandinthebottomslabatthesidespan.Consideringtheinfluenceofprestressingtendonsandconcreteshrinkageandcreep,theactualconstructionprocessissimulatedagain.Thencalculateinternalforcesofthemaingirderandfinishcombinationofinternalforcesinordertoaddprestressingeffectandconcreteshrinkage-creepeffect.Finally,basedonnewcombinationofinternalforces,thefollowingcheckingshouldbefinished,includingnormalsectionandobliquesectioncrackresistancechecking,normalsectionflexuralstrengthchecking,obliquesectionshearstrengthchecking,normalstressandshearstresscheckingofconcrete,stresscheckingofprestressingtendons,anddeflectionchecking.Theresultshowsthateachcheckingmeetstherequirementofthecodefortherailwaybridgedesign.
KeyWords:
Prestressedconcrete,Continuousboxgirder,Cantileverpouring,Combinationofinternalforces,Thesectionchecking
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
引言 1
1设计基本资料及设计特点 2
1.1设计基本资料 2
1.1.1概述 2
1.1.2主要技术标准 2
1.1.3材料规格 2
1.1.4设计依据 2
1.2设计特点 3
2主梁细部尺寸拟定 4
2.1跨度 4
2.2梁高 4
2.3截面形式 4
2.4箱梁细部尺寸 4
2.4.1顶板厚度 4
2.4.2底板厚度 4
2.4.3腹板厚度 5
2.4.4承托 5
2.5横隔板 6
3主梁内力计算及内力组合
（一） 7
3.1结构有限元模型建立 7
3.2毛截面几何特性计算 7
3.3恒载内力计算 8
3.3.1悬臂施工流程图 8
3.3.2结构自重内力计算 8
3.3.3二期恒载内力计算 9
3.4活载内力计算 10
3.4.1活载动力系数计算 10
3.4.2活载内力影响线及加载图示 11
3.4.3活载内力计算 15
3.5温度次内力计算 16
3.6支座沉降次内力计算 16
3.7内力组合
（一） 17
4预应力钢束设计 18
4.1预应力钢束估算 18
4.1.1估束方法 18
4.1.2预应力筋估算 19
4.2预应力钢束布置 21
4.2.1预应力钢束的布置原则 21
4.2.2纵向预应力筋布置 21
4.2.3横、竖向预应力筋布置 23
4.3配筋后实际状态下的悬臂施工过程 23
5预应力损失及有效应力 26
5.1净、换算截面几何特性 26
5.1.1计算原理 26
5.1.2净截面几何特性 26
5.1.3换算截面几何特性 27
5.2预应力损失及有效应力 28
5.2.1钢束与管道壁间摩擦引起的预应力损失 28
5.2.2锚头变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失 28
5.2.3混凝土弹性压缩引起的预应力损失 29
5.2.4预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失 29
5.2.5混凝土收缩、徐变引起的预应力损失 29
5.2.6有效应力 30
6钢束、混凝土收缩徐变次内力计算及内力组合
（二） 31
6.1钢束次内力计算 31
6.2混凝土收缩徐变次内力计算 32
6.3内力组合
（二） 33
7主梁截面验算 34
7.1抗裂性验算 35
7.1.1正截面抗裂性验算 35
7.1.2斜截面抗裂性验算 38
7.2强度验算 44
7.2.1正截面抗弯强度验算 45
7.2.2斜截面抗剪强度验算 49
7.3应力验算 53
7.3.1混凝土正应力验算 53
7.3.2混凝土剪应力验算 57
7.3.3预应力钢筋应力验算 57
7.4挠度验算 59
结 束 语 60
致 谢 62
参考文献 63
兰州交通大学本科毕业设计（论文）
引言
随着国内外梁桥的不断发展，预应力混凝土连续梁桥因其能充分发挥材料强度且受力合理，已经在中大跨径梁桥中得到广泛应用。
特别是悬臂施工工艺的问世以来，建设步伐大大加快，跨径由原来的几十米发展到现在的二百多米。
另外，箱梁的截面形式能很好的承受列车的偏载作用，且动力性好，噪音小，因此，本次设计的城际铁路主梁形式采用预应力混凝土连续箱梁。
本次设计的主要目的包括：
（1）通过设计中所参考的规范条例，能够加深对桥梁设计规范的理解。
（2）经过本次设计，熟练桥梁设计的基本流程。
巩固本科期间所学专业知识，锻炼独立分析问题与解决问题的能力。
（3）掌握利用有限元软件Midas/Civil（以下简称Midas软件）分析结构的方法，能够熟练建立结构模型，并进行结构的分析计算。
（4）培养自己严谨、负责的学习态度，树立脚踏实地，刻苦钻研，积极进取的作风。
本次设计的主要意义包括：
（1）将理论知识与工程实践相结合，通过对设计课题认真分析、全面理解、深刻领会以达到学以致用的地步。
（2）学会借助相关软件分析与解决实际问题，对毕业设计过程中出现的问题能够做到触类旁通，举一反三。
如今，预应力混凝土连续梁桥的设计已经非常成熟，各院校和设计单位已经做了大量工作，拥有了坚实的理论支撑和实践经验，形成了一个完整而系统的设计流程。
另外，Midas软件为各种类型的桥梁提供了建模助手，对于熟练而有经验的设计人员而言，利用建模助手可以快速地建立各种桥跨模型；对于初学者而言，为了加深理解和掌握建模的关键步骤和要点，应该从基础做起，通过建立节点、单元、边界条件、荷载情况及施工阶段形成桥跨模型，进而进行分析计算。
本次毕业设计的主要内容包括：
主梁细部尺寸拟定，毛截面几何特性计算，恒载、活载及各项次内力计算与内力组合，估算钢束及布置，净截面和换算截面几何特性计算，预应力损失计算及各项验算（抗裂性、强度、应力和挠度）。
1设计基本资料及设计特点
1.1设计基本资料
1.1.1概述
本桥处于新建城际铁路广佛环线佛山西站至广州南站段，桥型为三跨预应力混凝土连续箱梁桥，跨径组成为48+80+48m，采用后张法悬臂浇筑施工。
1.1.2主要技术标准
本设计的主要技术标准包括：
（1）设计时速：
200km/h。
（2）设计活载：
ZC活载。
（3）线路情况：
双线，线间距4.2～4.6m，直线及R=1000m的缓和曲线。
（4）轨道形式：
有砟轨道，采用60kg/m钢轨。
（5）设计使用年限：
100年。
（6）地震烈度：
Ⅶ级，动峰值加速度，场地特征周期。
1.1.3材料规格
本设计采用的材料规格列于表1.1。
表1.1材料规格表
材料类别
相关参数及说明
混凝土
强度等级：
C55，容重取，轴心抗拉、压极限强度：
、，弹性模量：
。
预应力钢绞线
φS15.2钢绞线，抗拉强度标准值：
，抗拉、压计算强度：
、，弹性模量：
。
普通箍筋
采用HRB335，抗拉计算强度：
。
预应力管道
采用预埋圆形塑料波纹管成型，管道内径：
。
锚具
采用夹片式锚具，型号有OVM15-12和OVM15-15。
其他方面
挡碴墙、竖墙、人行道栏杆、电缆槽及接触网支柱等参照相关规定。
1.1.4设计依据
《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）
《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）
《高速铁路设计规范（试行）》（TB10621-2009）
1.2设计特点
本桥采用悬臂浇筑方法施工，由于施工过程中存在体系转换，预应力效应和混凝土收缩徐变效应的计算非常复杂，因而借助Midas软件进行分析计算。
本次设计时的基本步骤如下：
首先，根据以往设计实践经验进行截面尺寸拟定，利用Midas软件创建结构组、边界组及荷载组，模拟实际施工过程，计算结构自重内力、二期恒载内力、活载内力及支座沉降次内力，并进行内力的第一次组合；根据组合结果进行估算钢束，布置钢束，然后考虑预加力和混凝土收缩徐变的影响，重新模拟施工阶段，进行内力的第二次组合。
由第二次内力组合结果进行主梁的各项验算（抗裂性、强度、应力和挠度）。
若各项验算均通过，则完成设计；否则需要调整钢束数量、布置形状甚至修改截面尺寸，以确保各项验算均满足铁路规范要求。
受力方面，该桥施工过程从前到后经历了T型刚构、单悬臂梁到连续梁，成桥后在恒载和活载共同作用下，中支点处负弯矩较大，中跨跨中处正弯矩相对较小。
因此拟定截面尺寸时要考虑主梁的受力特点。
其他方面，墩梁临时固结措施常采用预应力钢绞线或预应力粗钢筋，为方便体系转换，墩梁临时支承处常采用硫磺水泥砂浆块或砂筒，当采用高温熔化硫磺水泥砂浆块时，应该在支承块之间设置一些必要的隔热措施，以免对支座造成破坏。
合龙段施工时应该设置临时锁定措施，通常采用的是劲性型钢骨架。
2主梁细部尺寸拟定
2.1跨度
对于3跨连续梁桥，一般为0.5～0.8。
预应力混凝土连续梁取偏小值较合理，本桥主跨采用80m，边跨取。
因此，跨径组成为48+80+48m。
2.2梁高
本桥梁底曲线形式采用二次抛物线，以适应主梁的内力分布规律。
实践经验表明，变截面连续梁支点梁高，跨中梁高。
本桥取，。
以左边跨为例，将梁底距端支点13m位置处设为坐标原点，x轴以水平指向中支点方向为正，轴以竖直向下为正，则梁底曲线方程可表示为。
梁底形状变化曲线左半桥跨结构关于中支点对称，全桥梁底形状变化关于中跨跨中对称。
2.3截面形式
本桥设计为双线城际铁路桥，由于箱型截面抗扭刚度大，整体性好，设计时采用单箱单室直腹板箱型截面，受力明确，施工方便。
考虑到桥面线路情况、挡碴墙及接触网支柱等要求，取桥面宽度为11.7m，箱梁外悬臂长度为2.65m，底板宽度为6.4m。
2.4箱梁细部尺寸
2.4.1顶板厚度
顶板厚度由顶板受力及构造要求等因素确定，受力方面主要满足桥面板横向弯矩的要求；构造方面主要考虑纵、横向预应力束的布置情况。
对于铁路桥，桥面宽度和箱梁腹板间距变化量很小，一般顶板厚度取值范围为30～35cm，设计中倾向于取较厚的顶板以保证抗裂要求。
本桥除从距边支点1m到4m范围内顶板厚度由80cm线性变化至35cm，以满足顶板内钢束下弯至梁端锚固要求外，其余顶板厚度统一取为35cm。
2.4.2底板厚度
悬臂施工3跨预应力箱梁时，负弯矩向中支点附近逐渐增大，底板厚度也应随之增大，以满足负弯矩区段底板承压要求。
一般而言，底板厚度在跨中最小，中支点处最大。
其中中支点处底板厚度取，跨中底板厚度主要考虑预应力钢筋和普通钢筋的布置情况，依据配筋要求一般取20～30cm或（取箱梁腹板内侧净距）。
此外，悬臂施工箱梁时，应考虑底板厚度受挂篮底模梁后吊点的影响。
尺寸拟定时注意到铁路桥梁底板厚度取值较经验值偏大，因此，本桥中支点处取100cm，跨中处取40cm。
在边支点附近，由于底板内的一些钢束上弯至梁端锚固，所以，从距边支点1m到4m范围内，取底板厚度由80cm线性变化至40cm。
全桥沿纵向底板上缘曲线变化情况与梁底线形相似，取坐标轴与梁底曲线方程一致，则底板上缘曲线方程可表示为：
。
2.4.3腹板厚度
腹板厚度的确定受多种因素的影响：
腹板所受剪力，混凝土浇筑质量与预应力筋的锚固要求及局部应力分散要求等。
就构造要求而言，当腹板内有预应力筋时，腹板厚度可取25～30cm；当预应力筋锚固在腹板上时，腹板厚度可取35～40cm。
本桥为大跨度铁路桥，从跨中到支点，腹板厚度采用分段线性变厚形式。
变化规律如图2.1。
图2.1腹板厚度沿桥跨变化图示（对称结构取1/2桥跨考虑）
2.4.4承托
一般而言，箱梁顶板与腹板相交处的承托高宽比可取为1:
2～1:
4；底板与腹板相交处的承托高宽比可取为1:
1～1:
2。
本桥顶板处承托高宽比采用30cm×90cm；底板处承托高宽比采用30cm×60cm。
根据以上箱梁细部尺寸拟定情况，画出主梁关键截面剖面图如图2.2。
图2.21/2中支点和1/2中跨跨中截面剖面图（单位：
cm）
根据以上主梁细部尺寸拟定情况，列出主梁各特征截面（截面变化处及悬臂浇筑各节段相接处）主要尺寸如表2.1。
表2.1各特征截面主要尺寸表（单位：
cm）
截面
距边支点距离
顶板厚
腹板厚
底板厚
梁高
截面
距边支点距离
顶板厚
腹板厚
底板厚
梁高
1
100
80
80
80.0
360.0
16
4800
35
100
100.0
640.0
2
400
35
48
40.0
360.0
17
5000
35
100
100.0
640.0
3
700
35
48
40.0
360.0
18
5400
35
100
86.3
576.2
4
900
35
48
40.0
360.0
19
5650
35
100
78.7
540.6
5
1300
35
48
40.0
360.0
20
5900
35
100
71.7
508.1
6
1700
35
48
40.9
364.1
21
6150
35
100
65.5
478.9
7
2100
35
48
43.5
376.5
22
6450
35
70
58.9
448.0
8
2450
35
70
47.3
394.0
23
6800
35
70
52.4
417.9
9
2800
35
70
52.4
417.9
24
7150
35
70
47.3
394.0
10
3150
35
70
58.9
448.0
25
7500
35
48
43.5
376.5
11
3450
35
100
65.5
478.9
26
7900
35
48
40.9
364.1
12
3700
35
100
71.7
508.1
27
8300
35
48
40.0
360.0
13
3950
35
100
78.7
540.6
28
8700
35
48
40.0
360.0
14
4200
35
100
86.3
576.2
29
8800
35
48
40.0
360.0
15
4600
35
100
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