mmm公路预应力混凝土连续刚构桥设计毕业设计.doc
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80m+140m+80m公路预应力混凝土连续刚构桥设计毕业设计
第1章绪论 1
1.1预应力混凝土连续刚构桥概述 1
1.2本桥式结构的特点 1
1.2.1设计特点 1
1.2.2受力特点 2
1.2.3构造特点 2
1.2.4施工工艺方法 3
1.3毕业设计的目的和意义 3
1.4毕业设计主要内容 3
第2章结构初步设计 5
2.1设计概述 5
2.1.1主要技术指标 5
2.1.2材料规格 5
2.1.3设计规范 6
2.2桥梁总体布置及结构主要尺寸 7
2.2.1立面布置 7
2.2.2横截面尺寸拟定 8
2.3主梁和桥墩的施工分段 10
2.4施工注意事项 11
第3章主梁内力计算 13
3.1MIDAS模型建立 13
3.1.1计算单元的划分 13
3.1.2荷载信息 14
3.1.3施工顺序设计 15
3.2恒载内力计算 16
3.2.1毛截面几何特性 16
3.2.2恒载内力计算 17
3.3活载内力计算 20
3.3.1计算方法 20
3.3.2设计荷载 21
3.4恒活载内力短期效应组合 25
第4章预应力钢束的估算与布置 28
4.1预应力筋的估算原理 28
4.2预应力筋的估算方法 28
4.2.1按承载能力极限计算时满足正截面强度要求 28
4.2.2按正常使用极限状态的应力要求估算 29
4.2.3按正常使用状态抗裂性要求进行配束 31
4.3预应力筋的估算 32
4.4纵向预应力钢束的布置 34
4.5竖向预应力钢束布置 35
第5章预应力损失及有效预应力计算 36
5.1预应力损失计算原理 37
5.1.1管道摩阻损失的计算 37
5.1.2锚头变形损失计算 37
5.1.3弹性压缩损失的计算 38
5.1.4钢筋松弛损失 38
5.1.5混凝土收缩徐变损失 38
5.2有效预应力值计算 39
第6章次内力计算 46
6.1收缩、徐变次内力 46
6.2预加力引起的次内力 50
6.2.1预加力次内力计算原理——等效荷载 50
6.2.2先期预应力束产生的徐变次内力 51
6.2.3后期预应力束产生的弹性次内力 52
6.3温度次内力 55
6.3.1温度场对于预应力混凝土连续梁的影响 55
6.3.2温度场 55
6.3.3温差作用效应计算原理 56
6.3.4整体温度变化 57
6.3.5温度梯度 59
6.4支座不均匀沉降引起的次内力 62
第7章截面验算 65
7.1内力组合与截面验算 65
7.2承载能力极限状态计算 66
7.2.1正截面抗弯承载能力计算 66
7.2.3斜截面抗剪验算 72
7.3正常使用极限状态计算 78
7.3.1使用阶段正截面抗裂验算 78
7.3.2使用阶段斜截面抗裂验算 82
7.3.3挠度验算 85
7.4持久状况和短暂状况构件的应力计算 86
7.4.1使用阶段正截面压应力验算 86
7.4.2使用阶段斜截面主压应力验算 89
7.4.3施工阶段正截面法向应力验算 91
7.4.4受拉区钢筋的拉应力验算 95
第8章主要工程数量估算 99
8.1混凝土用量估算 99
8.2预应力钢绞线用量 100
8.3锚具用量估算 102
第9章总结和讨论 103
致谢 104
参考文献 105
附录实习报告 106
第1章绪论
1.1预应力混凝土连续刚构桥概述
连续刚构桥是预应力混凝土大跨梁式桥的主要桥型之一，它综合了连续梁和T形刚构桥的受力特点，连续钢构桥将主梁做成连续梁体系，并且与薄壁桥墩固结而成。
连续刚构桥一般用于较大跨度桥梁。
由于连续刚构桥的整个结构连接成一个整体，属于多次超静定结构，因而由钢束预应力、混凝土收缩徐变,温度变化和支座沉降所引起的结构纵向位移将在结构中产生较大的次内力。
大跨度连续刚构桥一般采用柔性双薄壁墩，设计者将柔性墩作为一种摆动的支撑体系，从而降低桥墩的刚度，减小次内力效应。
我国从20世纪50年代中期尝试修建预应力混凝土梁式桥，如今，我国在预应力混凝土梁桥的设计与施工技术都达到了比较高的水平。
典型的连续刚构体系采用对称布置，并采用平衡悬臂施工方法建成。
随着桥墩高度的增加，薄壁墩对上部梁体的嵌固作用越来越小，逐步退化为柔性墩的作用。
连续刚构体系除了保持连续梁的各个优点外，墩梁固结体系还节省了大型支座的昂贵费用，减少了桥墩及基础的工程量。
柔性墩的设计必须考虑上部梁体变形（转动与纵向位移）对它的影响。
基于上述优点，目前，在大跨度预应力混凝土梁桥中，连续刚构桥已成为主要的桥型选择。
1.2本桥式结构的特点
1.2.1设计特点
预应力混凝土连续刚构桥的通常设计步骤：
1）根据经验公式和相关规范初拟立面和截面尺寸，在软件中建立相应的模型并大致模拟出实际的施工过程，并按照桥梁的实际受力和约束条件施加相应的荷载和边界条件，利用软件计算得到恒载、活载和附加恒载产生的内力之和。
2）根据活载最不利布置使用作用短期效应组合下的弯矩包络图，并按照此图中各截面的最大和最小弯矩估算预应力钢束的数量。
3）按相关的规范和相关的力学原理布置预应力钢束在每个桥梁的位置，利用软件施加钢束预应力、系统温度、支座不均匀沉降等荷载，把所有荷载进行荷载组合（考虑收缩和徐变），算出这些荷载组合下的内力。
4）最后，进行截面验算。
如果不通过则调整钢束的数量或位置或修改截面尺寸直至通过，若通过就开始绘制施工图和编制设计文件。
1.2.2受力特点
连续刚构桥由于墩梁刚性连接，在荷载作用下，主梁桥墩处将产生较大的负弯矩，因而可以减少跨中的正弯矩，这样可以有效提高截面利用率。
悬臂施工阶段，预应力钢束产生正弯矩，梁体自重产生负弯矩，它们的合作用使得梁截面处于偏压受力状态，此时梁截面所受的轴力较大，所以抗剪强度易满足要求。
1.2.3构造特点
1）零号块
零号块是桥墩正上方的一个块体，它的立面形状包括中间的等截面和两边悬出端的变截面。
在悬臂施工阶段，主梁的自重需要通过零号块传给蹲身。
另外，施工阶段时零号块上还要堆放大量的机型设备，这样使得零号块的受力很复杂，因此，其整个截面尺寸都取得较大。
2）横隔板
横隔板的作用是增大抗扭刚度，并增强桥梁的整体性。
一般只在桥墩部位零号块内设置横隔板。
横隔板传递荷载较大，一般采用两片式刚性横隔板，中间开过人洞。
3）合龙段
合龙段是连接两边的梁段，使它们形成完整桥的梁体系的重要部分。
在合龙段施工过程中，由于内外因素的影响，需要采取相应的构造措施防止合龙段受到不良影响，保证合龙段可以很好的传递内力并保证全桥变形协调。
合龙段的长度应尽量缩短，一般取1.5～3m。
本次设计取2m。
合龙段应采用高强、早强、较少收缩的混凝土；合龙段混凝土应在一天中温度较低时浇筑。
1.2.4施工工艺方法
设计时，要根据现场资料选择不同的施工方法。
因施工方法的不同，桥梁的内力也不同，体系转换也不同。
设计时，需要考虑施工时的受力和变形，保证全桥在施工阶段，运营阶段的验算均通过。
1）施工方案：
本设计采用悬臂浇注施工和满堂支架现浇施工。
边跨的直线梁段是满堂支架法施工，而其余的变截面梁段是悬臂法施工。
悬臂施工法是在已经建成的桥墩上，沿桥墩两侧对称逐段浇筑混凝土，这样可以充分利用了预应力混凝土承受负弯矩的能力，将跨中正弯矩转移到支点负弯矩，提高了桥梁的跨越能力。
本设计采用菱形挂篮系统，挂篮的总重为58.78t，设计承载能力为250t。
2）施工顺序：
对于悬臂施工的连续刚构桥，施工顺序的确定是非常重要的。
本设计采用施工顺序如下：
（1）从中间的左、右墩同时开始进行悬臂施工，形成两个单悬臂梁。
（2）边跨同时合龙，释放左、右桥墩处的临时固结。
（3）跨中合龙，形成三跨连续刚构梁。
1.3毕业设计的目的和意义
桥梁建设在当今中国的基础建设中起着至关重要的作用。
在这个过程中，桥梁技术不断进步，形式也不断合理。
近年来大量的公路桥梁也在不断的修建起来。
其中连续刚构是最为广泛应用的形式。
在指导老师的辅导下，通过查阅资料，认真完成本桥截面尺寸的拟定、施工、荷载的施加、预应力束的估算和配置以及各阶段的检算工作。
熟悉和掌握桥梁专业软件Midas，同时也学会如何解决结构检算不通过的难题，了解不同验算项目所使用的荷载效应组合。
通过本次设计，使同学们将四年学习的各种基本知识真正的综合起来，并用于实践。
对桥梁的具体施工，使用有了一个全新层次的了解，熟悉桥梁设计的步骤。
为以后踏上工作岗位并尽快适应打下了坚实的基础。
1.4毕业设计主要内容
本毕业设计主要包括以下内容：
1）根据已有的设计资料，拟定立面尺寸、截面尺寸结构形式，完成主梁的内力计算，包括计算恒载（含一期和二期恒载）内力、活载内力、温度内力、支座沉降引起的内力，混凝土收缩徐变引起的次内力等，并进行截面的作用效应组合；
2）纵向预应力钢束的估算，布置，调整，优化；
3）纵向预应力钢束预应力损失计算；
4）结构次内力的计算；
5）布置竖向预应力钢束、横向预应力钢束；
6）施工阶段截面强度，应力的控制验算；
7）运营阶段截面强度验算，截面应力验算,变形验算；
8）主要工程数量计算。
第2章结构初步设计
2.1设计概述
2.1.1主要技术指标
（1）孔跨布置：
80m+140m+80m公路预应力混凝土连续刚构桥；
（2）桥面宽度（半幅）：
0.5m栏杆+1.25米左侧路肩+2×3.75m车行道+3.5m右侧路肩+0.5m栏杆=13.25m；
（3）桥面纵坡：
0%（平坡）；
（4）桥面横坡：
2%；
（5）荷载标准：
公路-I级；
（6）公路等级：
高速公路；
（7）设计速度：
120km/h；
（8）施工方法：
主梁采用对称悬臂浇筑施工，边跨靠近边支座梁段采用满堂支架现浇施工；
（9）桥轴平面线型：
直线；
（10）桥面铺装：
10cm沥青混凝土，8cmC40防水混凝土调平层。
2.1.2材料规格
（1）主梁混凝土：
C50级混凝土；
容重：
γ=26kN/m弹性模量：
E=34500MPa
轴心抗拉强度设计值：
轴心抗压强度设计值：
轴心抗拉强度标准值：
轴心抗压强度标准值：
（2）承台及桩基础混凝土：
C40级混凝土；
弹性模量：
E=32500MPa
轴心抗拉强度设计值：
轴心抗压强度设计值：
轴心抗拉强度标准值：
轴心抗压强度标准值：
（3）桥面板及左右两侧栏杆混凝土：
C30级混凝土；
（4）桥面铺装层混凝土：
S6级防水混凝土；容重：
24kN/m3
（5）桥面铺装层沥青：
SMA沥青混凝土；容重：
24kN/m3
（6）预应力钢筋及锚具：
纵向预应力钢筋：
19-φs15.2钢绞线；
抗拉强度设计值：
抗拉强度标准值：
张拉控制应力：
波纹管：
外径φ107塑料波纹管；
对应锚具：
YM15-19圆锚张拉端锚具，方形锚下垫板边长275mm，锚圈φ206
千斤顶型号：
YCW350/400B
横向预应力筋：
5-φs15.2钢绞线；
波纹管：
φ19×90mm塑料波纹管
对应锚具：
YMB15-5
2.1.3设计规范
1）中华人民共和国行业标准《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004，中华人民共和国交通部；
2）中华人民共和国行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004，中华人民共和国交通部；
2.2桥梁总体布置及结构主要尺寸
该桥的主梁采用单箱单室的箱型截面，梁高沿桥纵向呈2次抛物线变化。
中跨墩顶梁高8m，高跨比为1/17.5；中跨跨中梁高3m，高跨比为1/46.7。
箱梁顶板宽13.25m，底板宽7m，顶板悬臂长3.13m。
2.2.1立面布置
连续刚构桥是墩梁固结的连续梁桥。
因为这种体系利用主墩的柔性来适应桥梁的纵向变形，所以在大跨高墩中比较适合。
从力学的角度看，连续刚构桥墩部有较大的负弯矩，故墩部箱梁高度较大，从桥墩向跨中处负弯矩逐渐减少逐渐过渡到正弯矩，故梁高逐渐减少。
连续刚构桥属于超静定结构，受温度、收缩影响较大，而产生较大的纵向变形，所以要设伸缩缝。
但伸缩缝的数目也不可太多，否则不利于高速行车。
本设计方案采用三跨一联预应力混凝土变截面连续刚构体系，全长80+140+80=300m，边、中孔跨径之比为0.57。
本设计梁底采用2次抛物线，底板采用变厚度。
变高度梁的梁高与最大跨径之比，箱梁根部可取用桥跨的1/20-1/17，跨中可取桥跨的1/50-1/30。
在本设计，跨中截面处梁高为3m，为桥跨的1/47,支座处梁高为8m,为桥跨的1/17.5。
梁高方程为：
（坐标原点为桥墩处）
y＝-0.00322046x2+0.16781024x（m）（2-1）
图2-1立面布置图
2.2.2横截面尺寸拟定
箱梁截面由腹板，底板，顶板等几部分构成，它的尺寸拟定既要满足结构纵横向的受力要求，又要满足构造和受力的需要。
如果布置不当，将会增加结构的自重和材料的用量。
横截面的核心距越大，预应力引起的轴压力的偏心矩就愈大，这样预应力钢束的力臂就愈大，因此，可以充分发挥预应力钢筋的效率。
另外，由于箱型截面具有较大的面积，因而能够有效地承受正负弯矩，并容易满足配筋的构造要求；同时，箱形截面是闭合截面，保证了抗扭刚度，在主梁悬臂施工的过程中，容易满足受力要求；箱型截面很适合连续刚构桥。
1）箱梁底板设计
箱梁底板除承受自身的荷载外，还承受一定的施工荷载。
用悬臂施工法施工箱梁时，底板还承受挂篮底模梁后吊点的反力，这些因素都应考虑。
箱梁截面底板变化规律以抛物线最为接近连续梁弯矩变化，根据经验墩处底板厚度一般为根部梁高的1/10～1/12。
在本设计中墩处的底板厚取100cm，跨中底板厚取30cm，在墩与跨中间按2次抛物线形变化，则底板厚度的变化方程为：
（坐标原点为桥墩处）
y＝0.00014286x2+0.02x+0.3（m）（2-2）
2）箱梁顶板设计
箱形梁顶板和底板除承受法向荷载外，还承受轴向拉、压荷载，顶、底板厚度除了按板的构造要求确定外，还应考虑桥跨方向弯矩的影响。
箱梁顶板厚度主要满足桥面板的横向弯矩的要求，满足布置纵向预应力钢束的要求。
本设计取28cm。
3）箱梁腹板设计
由于腹板主要承受竖向剪应力和由扭矩产生的剪应力，所以需要按照剪应力的要求选择腹板的最小厚度。
此外为了保证施工浇筑的质量，还需要从构造上确定腹板的最小厚度。
大跨度预应力混凝土箱梁中，由跨中到支点的剪力逐渐增加，故腹板厚度一般也是变化的。
本设计取中跨墩顶处截面腹板厚度80cm，中跨跨中和边跨靠近边支座附近梁段腹板厚度为50cm，腹板厚度按折线变化。
箱梁截面尺寸如图2-2、2-3所示：
图2-2跨中截面尺寸图（单位：
cm）
图2-3支座截面尺寸图（单位：
cm）
表2-1各截面特性
截面号
截面高度（cm）
底板厚度（cm）
腹板厚度（cm）
顶板厚度（cm）
0
800
100
80
28
1
737
100
80
28
2
693
99
80
28
3
653
99
80
28
截面号
截面高度（cm）
底板厚度（cm）
腹板厚度（cm）
顶板厚度（cm）
4
614
98
80
28
5
579
92
80
28
6
546
95
80
28
7
515
93
80
28
8
486
91
80
28
9
452
88
80
28
10
421
84
80
28
11
393
78
80
28
12
370
72
80
28
13
349
66
65
28
14
333
60
65
28
15
320
53
65
28
16
310
45
50
28
17
303
38
50
28
18
300
30
50
28
2.3主梁和桥墩的施工分段
箱梁施工分块要考虑以下因素：
1）零号块的施工使用托架，它的工作条件是比较好的，由于它是悬臂施工的中心和起点，其上面要放置挂篮等机具，因此可适当划分长一些；
2）所有梁段的重量均要在挂篮的承载能力范围内；
3）划分梁段的长度不能过短，须满足预应力管道弯曲半径的要求；
4）划分梁段的长度规格尽量少，便于施工；
5）为了保证所用挂篮的经济合理性，每个梁段的重量应尽量接近。
从双薄壁墩中心线向跨中计起：
2m×1+3m×1+1m×1+3m×9+4m×9+1m=70m，中跨和边跨合龙段均是2m，边跨满堂支架现浇段为10m，共300m。
具体划分见图2-4。
各梁段重量如表2-2所示:
图2-4半跨梁段划分
表2-2悬臂施工时各梁段重量
梁段号
长度（m）
重量（t）
体积（m3）
1
3
166.1
65.64
2
3
157.2
62.52
3
3
148.5
59.56
4
3
140.6
56.76
5
3
133.1
54.08
6
3
126.2
51.56
7
3
119.7
49.16
8
3
113.7
46.92
9
3
108.2
59.32
10
4
136.4
55.84
11
4
128.3
52.72
12
4
121.3
49.88
13
4
115.2
47.32
14
4
110.1
45.08
15
4
105.8
43.16
16
4
102.4
41.48
17
4
99.8
40.12
18
4
97.9
39.08
2.4施工注意事项
采用悬臂浇筑施工方法，需注意以下几点：
1）悬臂浇筑施工期间，应保证两侧悬臂端施工进度及安排平行，避免出现过大不平衡弯矩，同时注意横向偏载。
2）在进行每个节段浇筑时，为保证前后两节段粘接质量，本节段与前一节段混凝土粘接面应予以凿毛，并清洗干净，同时纵向普通钢筋要进行搭接。
3）进行合龙段混凝土浇筑时，应选择温度非急剧变化的日子或者夜间气温最低时进行，避免恶劣天气对合龙质量造成影响。
此外为保证浇筑的质量，中跨合龙段梁端需设置钢支撑，并在顶板和底板处各张拉四根临时索，以锁定两侧的梁体。
4）为了高质量、高精度、和高安全度地完成主梁施工，张拉预应力钢束需等到混凝土强度达到设计强度85%以后，且龄期不小于5天。
同时对已浇筑节段，需完成以下几步后方可进行下一阶段施工。
a）箱梁截面各部位尺寸以及轴线误差必须满足施工规范的要求
b）混凝土强度达到或超过设计标号
c）实际测出的挠度值与设计值相符
第3章主梁内力计算
主梁内力计算在整个设计过程中是比较重要的一部分。
后面的估束，配筋，调束和修改截面等设计工作均要在主梁内力的基础上展开，因而其计算的正确性直接影响整个设计。
3.1MIDAS模型建立
变截面连续刚构桥的结构是一种比较复杂的空间结构。
要精确分析结构的真实受力很困难，手算基本上不可能达到计算要求的精确度，为了达到设计精度的要求，本次设计选用根据桥梁工程的设计，施工和验算等特点而开发的专用软件。
本毕业设计使用桥梁专用软件MIDASCIVIL。
本设计要用它进行结构内力计算、预应力钢筋估束,配束以及截面验算。
结构内力主要包括恒载产生的内力、活载产生的内力和各种次内力（温度，预应力，收缩徐变，支座沉降产生的次内力）。
其中恒载内力分为一期恒载内力和二期恒载内力。
图3-1全跨模型图
3.1.1计算单元的划分
迈达斯是有限元计算软件，结构的离散化是有限元计算的关键步骤。
理论上将结构划分的越精细，计算的就越精确。
然而，受到计算机的限制，单元划分太多，对硬件要求太高，计算机计算比较缓慢，所以，在满足精度要求的情况下，单元划分的越少越好。
一般来说，以3～6m为一个单元比较合理。
本设计所采用的计算单元就是施工单元。
本设计的单元划分：
主梁划分为100个单元，双薄壁墩分为32个单元，共132个单元。
3.1.2荷载信息
1）恒载：
a）一期恒载：
程序按截面尺寸自动计入；
b）二期恒载：
包括铺装层和栏杆重，单侧混凝土防撞栏杆7.8kN/m。
（24×0.1+25×0.08）×12.25+7.8×2=69.5kN/m
2）活载：
汽车荷载采用公路-I级荷载。
3）温度变化的影响：
本毕业设计考虑系统升温（+200C）、系统降温（-200C）、正温度梯度、负温度梯度四种情况。
根据《公路桥涵设计通用规范JTGD60-2004》第4.3.10规定：
竖向日照温差计算的温度基数分为：
梁截面升温：
T1=200C，T2=100C；
梁截面降温：
T1=-6.70C,T2=-3.350C；
4）支座不均匀沉降的影响：
本设计取支座不均匀沉降1cm；左右墩各1cm。
5）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90%，收缩开始时的混凝土龄期为3天；
6）施工阶段荷载
施工阶段考虑混凝土湿重和挂篮荷载。
湿重：
绑扎完钢筋后，进行混凝土浇筑，在其未到达设计强度过程时，此时的混凝土还无法成为受力结构，故在建模时，将混凝土湿重定义为施工阶段荷载，湿重荷载的可近似按混凝土凝固后重量乘以某一系数考虑。
挂篮荷载：
本设计假定挂篮荷载为一集中力作用在前一段已经浇筑完成的梁体上，不考虑由于挂篮悬出部分以及下一节段湿重引起的弯矩，根据荷载的激活和钝化来模拟挂篮的移动。
查规范，综合考虑，本设计过程中，挂篮荷载取为700kN。
3.1.3施工顺序设计
本设计划分24个施工阶段：
第1阶段：
桥墩及基础施工；然后完成零号块的现浇；接着悬臂施工1#块，然后按此方法悬臂向外依次浇筑其他一般梁段，当悬臂浇筑即将完成之时，在边支座内侧搭支架现浇边跨满堂支架段；第22阶段：
边跨合龙；第23阶段：
中跨合龙，拆除挂篮；第24阶段：
桥面铺装。
MIDASCIVIL模拟桥梁的施工顺序是通过对相应阶段中荷载组、边界组、结构组的激活和钝化来实现的。
本设计一共分成23个结构组，4个边界组，63个荷载组。
详细的步骤如下所示
（1）施工阶段1
—激活结构组桥墩；
—激活边界墩底固结；
—激活荷载组自重。
（2）施工阶段2
—激活结构组零号块；
—激活墩梁固结边界组；
—第5天：
激活预应力荷载0；
—第6天：
激活荷载组挂篮1；
—第9天：
激活荷载组湿重1；
（3）施工阶段3
—激活结构组悬臂1；
—第1天：
钝化荷载组湿重1；
—第5天：
激活荷载组预应力荷载1；
—第6天：
激活荷载组挂篮2，钝化荷载组挂篮1；
（4）施工阶段4-20,重复施工阶段3的步骤；
（5）施工阶段20
—激活结构组悬臂18；
—第1天：
钝化荷载组湿重18；
—第5天：
激活荷载组预应力荷载18；
—第6天：
钝化荷载组挂篮18；
（6）施工阶段21
—激活结构组边跨现浇段；
—激活边界组满堂支架；
—激活荷载组跨中合龙挂篮，
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