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基于Moodle平台的网络课程毕业设计

摘要

本设计为京杭运河大桥主桥上部结构，本桥跨度是42.013+70+40.341，截面为单箱单室。

悬臂桥施工方法用平衡悬臂施工。

设计荷载为7级，按八级设防。

主桥上部结构施工阶段计算，按照梁段划分施工顺序及工艺，对每一梁段均考虑挂篮移动就位、浇筑混凝土、张拉预应力等三个施工过程。

结合工程实际情况，施工计算共分了31个受力阶段，用《桥梁计算通用程序》分别对各梁段施工过程中的内力、应力、挠度进行了计算和验算。

设计中主桥按先边跨合拢，后解除临时锚固，最后中跨合拢的顺序考虑，合拢温度严格控制在11～16℃。

拟定主梁纵、横断面尺寸；采用桥梁博士结构设计程序计算施工阶段和成桥后的主梁各控制截面的恒载内力、活载内力、温度内力及基础沉降引起的内力，分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行荷载效应组合；估算预应力钢束数量并确定束数；布置钢束位置；对各控制截面进行强度、应力验算，各项验算均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求。

此外，还进行了桥面板设计。

【关键词】：

预应力混凝土连续梁桥；悬臂浇注施工；作用效应组合；桥梁博士；方案比选

Abstract

ThedesignisfortheBeijing-HangzhouGrandCanalBridgebridgestructurethespanofwhichis42.013m+

75m+41.m.andthesectionissingle-box.ThecantileverbridgeusethemethodeofBalancedCantileverconstruction.Asaresultofthedesignloadforseven,weuseeightforsecurity.

Themainstructureofthebridgeconstructionphasecanbedevideintothreephases,inaccordancewiththebeamoftheorderandprocessofconstructionofeachbeamaswellastheCradlemobileplace,pouringconcrete,three-prestressedconstructionprocessbeingtakenintoaccount.Workswiththeactualsituation,theconstructionofthecalculationisdividedinto31stagesoftheforce,"Generalproceduresforcalculationofthebridge,"weretheconstructionofthebeamintheprocessofinternalforces,stress,deflectionwascalculatedandchecked.Thedesignofthemainbridgeacross-thefirstclosure,aftertheliftingoftemporaryanchor,thelastinordertoconsiderthecross-Closure,closurestrictlycontrolthetemperatureinthe11~16℃

Thesizeofverticalandcrosssectionofgirderisdetermined.TheinternalforceofconstructionandoperationalphaseofthecontrolsectioniscalculatedusingDoctorBridgestructure-design,whichincludethedeadload,theliveload,temperatureinternalforcesandinfrastructurecausedbytheinternalforcesofthesettlement.TheintensityandstressofControlsectioniscomputedrespectivelyaccordingtotheultimatelimitstateofbearingcapacityandtheultimatelimitstateofnormalusagetheCombinationforactioneffects.Thenumberofprestressedbondisestimationandarrangedthem.Checkingsatisfytherequirementof"Highwayofreinforcedconcreteandprestressedconcretebridgedesigncode".Inaddition,thebridgedeckisdesigned.

Keywords:

Continuousprestressedconcretegirderbridge;balancedcantileverconstruction；combinationforactioneffects；DoctorBridge；schemechoice

1绪论

自60年代中期在德国莱茵河上采用悬臂浇筑法建成Bendorf桥以来，悬臂浇筑施工法和悬臂拼装施工法得到不断改进、完善和推广应用，从而使得预应力混凝土连续梁桥成为许多国家广泛采用的桥型之一。

我国自50年代中期开始修建预应力混凝土梁桥，至今已有40多年的历史，比欧洲起步晚，但近对年来发展迅速，在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面日新月异，预应力混凝土梁桥的设计技术与施工技术都已达到相当高的水平。

a.1978年交通部颁布了我国第一部《公路预应力混凝土桥梁设计规范》，该规范按单一系数极限状态设计理论编制，比以往采用的破坏阶段理论规范前进了一步。

b．1985年交通部颁布了《公路桥涵设计规范》，其中《公路钢筋混凝土预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85将单一系数改成多系数，以塑性理论为基础作强度极限计算，以弹塑性或弹性理论为基础作正常使用极限计算。

85规范原则上是参照1978年CEB-FIP的《国际标准规范》，即《MedelcodeforconcreteStrUctures》编制的。

c.JTK023－85规范允许桥梁构件按部分预应力混凝土（ppc）设计。

·A类构件--在短期荷载作用了截面受拉边缘允许出现拉应力，但拉应力值不超过规范中的规定限值，如有些箱梁的顶板横向预应力是按A类构件设计的。

·B类构件--在短期荷载作用下，截面受拉边缘允许出现裂缝，即拉应力值超过规范中的规定限值，目前在大跨径预应力箱梁桥设计中未见采用。

·PPC构件具有节约钢材、降低造价、能减少由预应力引起的反拱度、改善结构受力性能等优点，已在一般公路桥梁和城市桥梁工程中逐步推广应用。

2）桥梁结构分析专用软件和CAD技术

a.自70年代后期以来，我国桥梁结构分析专用软件和CAD技术得到大力开发和应用。

其中包括采用有限元法编制的桥梁通用综合程序以及许多桥梁专用程序，实现设计、计算。

绘图一体化，大大提高了计算精度和速度，特别是用于大量重复计算、局部应力分析、设计方案优化。

大跨径预应力混凝土桥梁的结构分析设计软件开发和推广应用，适应了我国桥梁建设高速发展的需要。

b.计算机技术已被广泛应用于大跨径预应力混凝土连续梁桥的施工控制。

使得成桥后的线型平顺，符合桥梁的纵向设计标高；桥梁结构的受力状态能与设计计算一致。

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桥梁施工技术

（1）在我国中小跨径的预应力混凝土连续梁桥施工中，除了最古老的支架现浇方法外，还采用了先简支后连续、顶推法、移动模架逐孔浇筑法、移动导梁逐孔拼装法和梁体预制浮吊安装法等施工技术。

（2）平衡悬臂拼装施工法和平衡悬臂浇筑施工法的采用促进了预应力混凝土连续梁桥的发展。

大跨径预应力混凝土连续梁桥大多采用悬臂浇筑法施工。

根据连续梁桥的特点，采用逐段平衡悬臂浇筑，先形成T构，再逐跨合龙，逐跨释放临时固定支座，完成体系转换，最终形成多跨预应力混凝土连续梁桥。

大跨径预应力混凝土连续箱梁广泛采用挂篮进行悬臂浇筑施工。

常用的挂篮形式有偏架式和斜拉式。

随着施工技术的进步，挂篮结构向着轻型化的方向发展，尽可能采用构造合理、受力明确、自重轻、利用系数高、使用安全方便，具有良好技术经济指标的挂篮。

例如，上海黄浦江奉浦大桥等工程采用的菱型挂篮就是其中之一，该挂篮总重仅50t，利用系数为4.0。

（3）高强度预应力钢材、高标号混凝土和大吨位预应力锚固体系的研制开发和应用，促进了大跨径预应力混凝土连续梁

桥的发展。

在80年代后期，国内开始生产18edMPa的低松弛预应力钢绞线，加上与其配套的大吨位预应力钱具和张拉设备的研制成功．C50与C60混凝土的应用，使得预应力连续梁桥结构轻型化，跨越能力得到很大提高。

在这以前，我国大量采用16000MPaφ5的高强度碳素钢丝和与其配套的钢质锥形锚（即F式锚具）这种锚具的张拉吨位小．使用时的控制张拉力仅565kN，每张拉10kN预应力需要的布柬面积约为0.255cm2／kN;若采用φj15.2～12型锚具．张拉10kN预应力所需的布束面积约为0.096cm2／kN；采用φj15.2～22型的锚具时，张拉10kN预应力所需的布柬面积约为0.067cm2／kN。

三者的比例为1：

0.38：

0.26，由此可以看到，采用大吨位预应锚具体系后，使得预应力箱梁布柬范围内的顶板、腹板和底板尺寸，设计时由原来的布柬控制改为受力控制和按构造要求控制，这样，大大减小百箱梁断面的尺寸，减轻了上部结构的自重。

箱梁混凝土及钢绞线的用量能够大大减少，从而使得预应力结构设计更趋合理、经济。

若采用以往的钢质锥形锚具，预应力混凝土连续梁的跨越能力大多在100m左右。

随着1860MPa钢绞线和大吨位预应力锚固体系的应用，建桥施工技术的发展，目前，我国连续梁桥的最大跨径已达165。

连续剧构桥的最大跨径达到270。

，从而使得我国预应力混凝土梁桥的设计、施工技术进入世界先进行列。

2桥梁设计

2.1桥梁跨径布置和箱梁截面尺寸拟定

2.1.1跨径比

一般情况下，为使边跨正弯矩和中支点负弯矩大致接近的原则，以使布束更趋合理，构造简单，故L1/L2=0.539～0.692是常见的边、主跨的跨径比范围，当L1/L2≤0.419时，边跨则需压重，应属于非常规的特殊处理；大都L1/L2=0.54～0.58则较合理，这将有可能在边跨悬臂端用导梁支承于端墩上合拢边跨，取消落地支架。

2.1.2梁高

主跨箱梁跨中截面的高跨比h0≈（1/46.2～1/86）L2,通常为（1/54～1/60）L2，在箱梁根部的高跨比h1≈（1/15～1/20.6）L2,大部分为（1/18）L2左右。

目前在国际上有减少主梁高跨比的趋势，已建成的挪威stolma桥和Raftsundet桥，在跨中区段采用了轻质砼，减轻了自重，减小了主梁高跨比，其跨中h0≈1/86·L2和1/85.1·L2，根部高度分别为h1=1/20.1·L2和1/20.6·L2。

一般情况下，可采用2次抛物线的梁底变高曲线，但往往会在1/4·L2和1/8·L2处的底板砼应力紧张，且在该截面附近的主拉应力也较紧张，因而，可将2次抛物线变更为1.5～1.8次方的抛物线更合理。

在江苏平原通航河道上，为了满足通航净空的要求，在设计时甚至采用大于2次抛物线的幂级数设置底板曲线，这是值得十分注意的问题，事实证明，跨中挠度一般较大，极易发生正弯矩裂缝和斜裂缝。

2.1.3顶板厚度

以往通常采用28cm，近年来已趋向于减小为25cm，这显然与箱宽和施工技术有关。

2.1.4底板厚度

以往通常采用32cm（跨中），逐渐向根部变厚，少数桥梁已开始采用28-25cm者，其厚跨比通常为（1/140～1/160）L2,也有用到1/200·L2者。

挪威stolma桥和Raftsundet桥最大底板厚度为105cm和120cm，合跨径的1/286.7和1/248.3，这将取得了明显的经济效益。

2.1.5腹板

一般为40～50cm，但应特别注意主拉应力的控制，近年来在腹板上出现较多斜裂缝的病害甚多，应予谨慎。

增加箱梁的挖空率，减轻截面的结构自重，采用高标号砼，采用较大吨位的预应力钢束，采用三向预应力体系等，无疑都是提高设计水平，获得良好经济效益的重要措施，但同时又必须合理地

掌握好“度”，必须确保结构的安全度和耐久性。

设计墩中截面如下图：

桥中跨箱梁截面为：

2.1.6连续通长束不宜过长

根据连续结构的受力特点，截面上既有正弯矩也有负弯矩，个别设计中将连续通长束顺应弯矩包络图仅作简单布置是欠合理的，尤其对于较小跨径的矮箱梁，其摩擦损失单项即可达40～60%σk之多。

建议此时可采用两根交叉束布置，也可改用接长器接长，分成多次张拉等。

但在具体设计时接长器也不宜集中在某一个断面上，以使截面的削弱过于集中，同时也会造成施工上困难。

2.1.7普通钢筋是预应力砼结构中必须配置的材料

当混凝土立方体试块受压破坏时，可以清楚地看到混凝土立方体试块侧向受拉破坏的形态。

也即预应力仅在某一个方向上施加了预压应力，而在其正交方向却会产生相应的侧向拉应力，这是预加应力的最基本概念，必须牢固掌握，灵活应用。

因而，在预应力混凝土结构中必须配置一定数量的非预应力钢筋，以保证预压应力的可靠建立。

为此，在一般情况下，非预应力钢筋约为80-100kg/m3（一立方米砼中的含筋量）。

偏少、偏多的构造钢筋均需作适当优化和调控。

例如××桥为多跨L=42m的预应力混凝土等高度连续箱梁，设计中采用了185kg/m3的普通钢筋，明显偏多，但在某些局部的普通钢筋却又偏少。

又如某桥的非预应钢筋仅为36.6kg/m3，实属太少。

2.1.8关于扁波纹管、扁锚的采用

扁波纹管的采用，日益广泛，有利于减少构件的截面尺寸，但必须注意如下几点：

1）扁波纹管的尺寸高度不宜太小，不利于饱满灌浆。

例如目前采用的M15-4，其相应的扁波纹管内径为70×19mm，一般常采用的钢绞线直径为φ15.24mm，则可灌浆的间隙仅有3.76mm＜＜10.0mm（公路桥规JTJ023-85，第6.2.26条、四中要求：

“管道的内径应比预应力钢筋外径至少大1.0cm”）。

在宽度方向：

70-4×15.24=9.04mm<10mm，其平均间隙为（70-4×15.24）/（4+1）=1.8mm。

因此很难保证灌浆的饱满度和可靠握裹。

在施工过程中扁波纹管的变形的可能性远大于圆波纹管。

2扁波纹管的根数。

在实际工程中常用的钢束根数为每管内4束或5束。

其锚圈口的损失，5束应大于4束，远较圆锚时要大，其锚固效率系数也较难保证达到95%，同时在穿束过程中也极易绞缠在一起，因而建议，每管内3.0束合适，4.0束尚可，5.0束不妥。

3扁锚用作横向预应力束合适；用作纵向受力主束欠妥，不应采用“扁锚竖置”作为纵向受力主束（弯起），这将会使实际有效预应力严重不足，各股钢束在竖置弯起的扁波纹管内互相嵌挤，摩阻损失很大，对扁波纹管的横向扩张力也很大，各束受力很不均匀，延伸率无法控制，这种‘“扁锚竖置”方案已有多座实桥失败，应该禁止采用。

2.1.9关于钢铰线的弹性模量

Ey的的理论值为Ey=（1.9～1.95）×105Mpa，而在试验报告中常会出现Ey’=（2.04～2.06）×105Mpa的结果，如按Ey’=2.04×105Mpa计算张拉伸长量，则理论值与实际值的误差将达：

，这里已超过施工规范6%的误差范围了。

其原因在于Ey=，由于试验值中并未用真实的钢绞线面积Ay’代进上式计算，而是采用了理论值Ay（偏小值）代进上式计算Ey，从而得到了偏大的Ey’值。

因而，在工程应用中的伸长值控制，必须按实测值Ey’控制，而不应是理论值Ey的计算伸长量。

2.1.10锚头或齿板的压陷、压崩破坏

在工程中锚头或齿板压陷、压崩破坏，时有所见。

值得注意者，局部受力的锚头或齿板的砼强度和配筋一般地安全储备较小，且由于该局部区内的配筋又较密，砼操作空间又较小，振捣工作又较困难，稍有疏忽，很易出现质量事故，所以在施工中应备加小心。

2.1.11横向失稳问题

其基本概念为后张法张拉时的杆件属“自平衡”体系，而与杆件作用一个轴压力的平衡条件有着本质上的差异，前者不会横向失稳，而后者有可能产生横向屈曲失稳。

因而，一根曲杆进行后张法预应力张拉时不必担心其横向失稳问题。

2.1.12先张法预应力混凝土构件的放张

先张法的放张工艺即是一个施加预加力的工艺过程。

原则上要求均匀、一致，不要突然切割，骤然放张，其冲击力将会破坏钢束自锚区的“传递长度”范围内的“握裹”。

2.1.13超张拉问题

对于采用夹片锚时，不应再进行超张拉工艺的概念，已被广大设计、施工人员所掌握。

但有时在图纸上仍有超张拉（3%～5%）σk的提法。

其理由是补偿锚圈口损失（2.5～3%）σk所要求。

各个厂方所提供锚具的锚圈口损失是不相同的，应由承包商通过试验后确定，并在张拉时进行调整。

但在概念上决不能归属于“超张拉”的范畴中去，应属于一种损失补偿的性质。

2.1.14灌浆、封锚

在张拉过程如果碰到一点问题，是不足为怪的，可以停下来进行专门研讨一番，把问题弄清楚后再继续张拉，切莫蛮干，更不能“作假”，进行灌浆、剪丝和封锚，搞成既成事实，其后果将是无法挽救的损失。

在张拉过程中出现滑丝、断丝、夹片碎裂、锚下砼开裂、反拱过大、反拱过小、构件侧弯、构件出现裂缝等等异常现象时，必须认真做好原始记录，应立即停工进行专题研讨后再妥善处理。

灌浆的时间越早越好，检查无误后，应争取及早灌浆，以免高应力下的钢丝锈蚀。

封锚也应及早进行，至少要先用环氧砂浆等涂抹锚头，以防生锈和积水。

2.2引桥上部构造设计要点

2.2.1遵循的技术标准及规范

（一）技术标准

1）设计荷载：

汽-超20、挂-120

2）桥面宽度:

路线拼宽:

2×20.75m

路线分离:

2×12.5m（原桥）+2×13.5m（新建）

3）桥面净宽

路线拼宽桥梁:

2×净[11.5m（原桥）+7.75m（加宽）]=2×净19.25m。

设计时在原桥拼宽，上构与原桥外侧边板平行设计，墩中心在原桥墩中心线的延长线上。

桥面板及护墙曲线按路线线形坐标控制现浇形成，以保证桥面净宽。

路线分离桥梁：

全宽13.5m，净宽l2.5m。

设计时尽量布设新建桥墩的墩中心在原桥墩中心线的延长线上。

桥面板及护墙曲线按路线线形坐标控制现浇形成,以保证桥面净宽。

4）设计地震烈度：

7度，按8度设防。

（二）设计规范

（1）部颁《公路工程技术标准》（JTJ001-97）

（2）部颁《公路工程结构可靠度设计统一标准》（GB/T50283-1999）

（3）部颁《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）

（4）部颁《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85）

（5）部颁《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）

（6）部颁《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）

（7）部颁《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2002）

（8）部颁《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》（JTJ022-85）；

（9）部颁《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）；

（10）中华人民共和国行业标准《钢筋焊接网混凝土结构技术规程》（JGJ/T114-97）。

2.2.2主要材料

（一）混凝土

主桥箱梁、横梁--50号混凝土

引桥箱梁现浇接头、湿接缝--50号混凝土

主桥调平层--50号聚丙烯纤维网

桥面铺装--沥青混凝土

支座垫石--40号混凝土

主墩及过渡墩承台--30号混凝土

（二）钢材

1）低松弛高强度预应力钢铰线

应符合ASTMA416－97a的规定。

单根钢铰线直径φj15.24mm，钢铰线面积Ay＝140mm2，钢铰线标准强度Ryb=1860MPa，弹性模量Ey=1.95×105MPa。

2）Ⅰ、Ⅱ级钢筋

应分别符合GB13013-91和GB1499－98的规定。

凡钢筋直径≥12毫米者，均采用Ⅱ级（20MnSi）热轧螺纹钢；凡钢筋直径<12毫米者，采用Ⅰ级（A3）钢。

3）钢板

应符合GB700－88规定的Q235钢板。

（三）其它

1）锚具及管道成孔

预制箱梁锚具采用OVM型锚具及其配套的设备，管道成孔采用钢波纹管；主桥箱梁顶板横向钢束采用BM15型锚具及其配套的设备，管道成孔采用钢波纹扁管，且要求钢波纹扁管钢带厚度不小于0.35mm，竖向预应力粗钢筋采用YGM型锚具。

2）支座

主桥支座采用GPZ系列抗震盆式橡胶支座，引桥支座采用橡胶支座GYZ和GYZF4系列产品，其性能应符合交通部行业标准JT/T4-93的规定。

（3）伸缩缝

伸缩缝采用D40型和D80、D120和D160型毛勒伸缩缝。

（4）防撞护栏

防撞护栏采用组合式防撞护栏。

（5）桥面防水

桥面调平层与沥青铺装之间设置防水层。

2.3设计桥梁

本册设计内容为京杭运河特大桥。

工程数量表中除桥梁工程数量外还计入以下内容：

锥坡及台前溜坡浆砌片石满铺防护，台后防护；桥头搭板板上路面工程数量；交通工程预埋件（波形梁护栏基座数量，钢筋砼组合式护栏数量）；利用桥孔的改移道路及沟渠工程数量。

2.2.1桥型方案

新建上游桥主桥中心桩号为：

BK186+683.466，新建下游桥主桥中心桩号：

AK186+715.039，与河流夹角为30.764º，本桥东跨京沪铁路，西跨京杭大运河;

新建左幅桥梁起点桩号：

EK185+663.854，终点桩号：

BK187+06.649；共11联，跨径组成为：

（20+18.7+20+22+3-20）+5X（7-20）+（5-20）+（42.661+70+45.593）+2X（6-20）,总长1344.284米。

新建右幅桥梁起点桩号：

AK185+665.186，终点桩号：

AK187+013.070；共11联，跨径组成为：

（20+22.5）+20+（17.5+3-20）+5X（7-20）+（4-20+2-25）+（42.113+70+40.441）+（5-20）+（6-20）,总长1347.884米。

其中右幅桥为一与主桥分离的等宽新建桥，桥宽13.5米；左幅桥采用拼接为主局部分离的方案，其中自桥梁起点到38号桥墩处均采用拼接方案，桥梁加宽值从8.69米到14.0米不等，38号桥墩到桥梁终点采用分离方案，等宽加宽13.5米。

加宽桥上部引桥部分均采用后张法预应力混凝土组合T梁。

2.2.2上、下部构造

1）主桥上部左幅桥为（42.661+70+45.593）m、右幅桥为（42.113+70+40.441）m三跨预应力混凝土变截面单箱单室连续箱梁，箱梁高度从跨中为1.8m，至距主墩中心1.5m处按二次抛物线变化为4.0m。

主桥箱梁除在墩顶0号块处设置厚度为3.0m的横隔板