50+70+50m预应力混凝土连续梁桥毕业设计设计说明书.docx
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50+70+50m预应力混凝土连续梁桥毕业设计设计说明书
本科毕业设计
题目
50m+70m+50m预应力混凝土连续箱型梁桥设计
学生姓名
学 号
教学院系
土木工程与建筑学院
专业年级
土木工程09级
指导教师
职 称
讲师
单 位
西南石油大学
辅导教师
职称
单 位
完成日期
2013
年
6
月
5
日
SouthwestPetroleumUniversity
GraduationThesis
DesignOfPrestressedConcreteContinuousboxBeamBridge
Grade:
Class3,Grade2009
Name:
LiuLianFu
Speciality:
CivilEngineering
Instructor:
LiaoYuFeng
SchoolofCivilEngineeringandarchetecture
2012-6-5
摘要
本论文主要是进行预应力混凝土连续箱型梁桥上部结构设计。
预应力混凝土连续梁桥具有变形小、行车稳定舒适、结构受力性能好、后期维护量小、抗震能力强等优点成为现代桥梁的主要组成之一。
本论文设计分为主桥和引桥的设计，在方案比选阶段，主桥只涉及到了主要的尺寸拟定及平、纵、横断面图的绘制，不做计算。
引桥为本论文的核心。
引桥为50+70+50m的预应力混凝土连续箱型梁桥，分为单幅设计，单箱双室，桥面宽13m，为3车道，设计荷载标准为公路一级。
设计过程如下：
尺寸拟定、利用桥博建模、恒载计算、次内力计算、预应力钢筋的估算、内力组合、、预应力损失计算、主梁验算、挠度与预拱度的设置、主要工程数量的汇总。
关键词：
预应力混凝土连续梁桥恒载次内力内力组合桥梁博士主梁验算地震
Abstract
Thisdissertationismainlyonsuperstructuredesignofprestressedconcretecontinuousboxgirderbridge.Theprestressedconcretecontinuousbeambridgehastheadvantagesofsmalldeformation、stabledrivingcomfort、goodmechanicalpropertiesofthestructure、smallamountofmaintenance、strongseismicabilityandsoon,whichbecomeoneofthemaincomponentsofmodernbridge.
Thisdissertationisdividedintothedesignofthemainbridgeandthebridgeapproach.Duringcomparisonandselectionphaseoftheprogram,themainbridgeinvolvesonlythemaindimensionsformulateandflat、vertical、cross-sectionaldrawing,withoutbeingcalculated.Theapproachbridgeisthecoreofthisdissertation.
Theapproachbridgeisaprestressedconcretecontinuousboxgirderbridge（structuresize:
50+70+50m）,whichisdividedintoasingledesign,singleboxanddoubleroom.Otherindicators:
bridgedeckwidthof13m、3lanes,designloadstandardforhighway1.
Thedesignprocessisasfollows:
Sizeformulation、modelingbyusingDr.bridgesoftware、thecalculationofdeadload、the
calculationofsecondaryinternalforce、estimationofprestressedreinforcement、thecombinationofinternalforces、thecalculationoftheprestressedloss、girderchecking、deflectionandcambersetting、thesummaryofmajorengineeringquantity.
Keywords:
prestressedconcretecontinuousbeambridge;deadload、secondaryinternalforce；thecombinationofinternalforces；Dr.BridgesSoftware;beamcalculation；earthquake
1绪论
1.1预应力混凝土连续箱型梁桥的概述
随着交通运输特别是高等级公路的迅速发展，对行车平顺舒适提出了更高的要求。
连续梁桥以其整体性好、结构刚度大、变形小、抗振性能好、主梁变形挠曲线平缓、伸缩缝少和行车平稳舒适等突出优点而得到了迅速发展。
预应力混凝土连续箱型梁桥在60-150m跨径范围内得到了广泛的应用。
下面简介其发展。
先前使用的普通钢筋混凝土在结构上存在许多缺点：
如过早出现裂缝，使其不能有效的采用高强度材料，结构自重增大跨越能力小，材料利用率降低。
为了弥补这些缺点，预应力混凝土应运而生。
所谓预应力混凝土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。
自从有了预应力混凝土，许多桥梁和公路的建设中，普通钢筋混凝土被预应力混凝土逐渐所代替。
预应力混凝土是20世纪30年代诞生的，它的出现给桥梁建设提供了廉价、耐久且刚度和承载力均很大的建筑材料，从而推动桥梁的发展产生又一次的飞跃。
1953年，前联邦德国Finsterwald首创采用挂篮的平衡悬臂施工法建造预应力混凝土桥梁技术，在莱茵河上成功建造了沃伦姆斯桥，该桥为带剪力铰的刚架桥，跨径为101.65+114.20+104.20（m）。
其后，该施工方法在全世界大跨度梁式桥中得到发展和应用。
在我国虽然预应力混凝土起步晚，但是目前也取得了许多成就。
如虎门大桥辅航道桥（主跨270m），云南元江大桥（主跨265m）宁德下白石大桥（主跨260m）。
连续梁桥主梁是以若干个孔为一联，在中间支点上连续通过，是超静定结构。
连续梁桥的最大正弯矩发生在跨中附近，而最大负弯矩（绝对值）发生在支点截面上。
由于支点负弯矩的存在，可使得跨中正弯矩比同跨的简支梁减少很多。
比简支梁桥有更大的跨越能力。
（目前建成的重庆石板坡长江大桥复线桥主跨为330m的连续钢箱梁结构，是世界首位。
当跨度较大，恒荷载相对于总的荷载的比值稍大时，采用连续梁可导致材料用量的减少。
在近几年中由于施工技术的进步，连续梁桥更适合采用悬臂拼装和悬臂灌筑、纵向拖拉或顶推法施工。
当一个孔受到破坏时，相邻的孔可以给予支持，而使得整个桥梁不能够坠落，对修复与加固整个桥梁是有利的，且连续梁桥的刚度比较大，抗震性能也比较好。
为了使连续梁桥的平面位置得到固定，而且能将纵向水平力传给墩台，每一联必须设立一个固定支座，其余的为活动支座。
公路桥为满足高速平稳行车的要
求，常常采用多孔一联，用来减少桥面伸缩缝的数目，而将伸缩量集中在桥的活动支座的那一端，并且设置完善的、具有大变形量的伸缩缝装置。
这就使它更具有了竞争力，在50-300米范围内占据了主导地位。
无论是城市桥梁、高架道路、山谷高架桥、还是跨河大桥预应力混凝土连续箱型梁桥发挥了其独特的优势，成为了优选方案。
目前，连续结构体系已成为混凝土桥梁中的主要体系。
从当前的桥梁成就水平来看，小跨径桥梁已经无法满足人们的需求了。
为了满足现代人们的物质生活和精神生活方面的需求，今后修建的桥梁的趋势和原则如下：
1、研究具有轻质、高强、耐腐蚀、高性能的新型建桥材料，以适合更大跨径桥梁重载交通和长寿命运营的要求。
2、探索和研究适应于超大跨度桥梁的结构体系，结合海洋工程的经验，研究超深水基础的结构形式与施工方法，以及抗风、抗震、抗海浪的技术措施。
3、研究更适合实际受力状态的力学分析法和新的设计理论。
在大跨径桥梁设计方面，重视对空气动力学、振动、稳定、非线性等的研究。
研究开发成套的设计、计算和绘图软件，进一步完善CAD技术。
4、施工方面，越来越要求施工方法快速简便，提倡工业化制造。
5、环境保护已经成为21世纪的建桥工程师及其他各行各业建设者们共同面临的一大课题，因此，在桥梁建设中，更加注重桥梁自身的美学要求及其对周边环境的影响。
总而言之，桥梁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，做分析、做判断得出最优方案。
1.2选题的意义
本次设计计算仅进行引桥的设计计算，跨径布置为50+70+50m的预应力混凝土连续箱型梁桥，桥宽26m，分为两幅，设计时只考虑单幅的设计。
主梁采用单箱双室型截面，为了提高跨越能力、减轻结构自重、线性优美等原则采用变截面形式。
连续梁桥由于是超静定结构，计算量大，且准确性难以保证，所以采用有限元分析软件--桥梁博士3.03进行，这样不仅提高了效率，而且准确性也得到了保证。
在施工方面，结合其地形情况及起重设备等方面的考虑，采用满堂支架施工法。
2设计资料
2.1工程概况
1工程概况
本工程属于xxx到xxx的高速公路，桥梁全长1105m，宽26m，主桥为双塔三跨式斜拉桥（跨径布置为170m+425m+170m），两端引桥均为预应力混凝土连续箱型梁桥（跨径布置为50m+70m+50m）。
设计标准为公路一级。
本次设计为该工程中的引桥部分为主要设计对象进行其相关的设计计算。
2技术标准
1）公路等级：
一级
2）荷载等级：
公路一级
3）截面形式:
单箱双室
4）桥面全宽：
12+2*0.5m单幅
5）设计车速：
80km/h
6）坡度：
横坡为2%纵坡≤5%
7）计算跨径：
50m+70m+50m
8）地震烈度8度设防,场地类别为Ⅱ类,地震加速度0.10g。
设计特征周期0.35秒
3地质条件
桥位地形系由侵蚀作用形成低山河谷，桥区附近河段顺直，河流呈N50°E方向。
河段呈“U”型河谷，大桥北岸Ⅰ级阶地几乎被人工破坏殆尽，边滩、漫滩发育，南岸为基座阶地，漫滩后部基岩裸露。
经钻探及地调测绘，桥址区出露及揭露地层为第四系及侏罗系中统沙溪庙组。
现分述如下：
第四系全新统人工填筑层（
）
人工填筑土：
杂色，填筑物主要为建筑垃圾和少量生活垃圾以及砾、卵石、碎、块石土、低液限粉土。
稍湿，松散。
分布于左岸公路沿线及房屋周围，厚度变化在0.5～10.00m之间。
第四系全新统近代河流冲击层（
）
粉砂：
浅黄灰色，成份以石英、长石为主，及其它深色矿物次之，次棱角状。
结构不均，夹薄层状的低液限粉土，局含少量卵砾石。
松散，饱和，透水性好。
主要分布于高河漫滩上部，厚1～6m不等。
卵石质土：
褐黄色，石质成份主要以石英岩、砂岩为主，灰岩、花岗岩、等次之，次圆～圆状，一般粒组组成
约5%，200～60mm约20%，60～20mm约20%，20～2mm约45%，余为砂及少量粉粘粒。
全层结构不均，局部砂、砾石分别富集或含较多的漂石，松散～稍密，饱和，透水性好。
分布于河床以及左岸高河漫滩粉砂层之下，该层在左岸可大于45m，沿桥轴往南岸则逐渐变薄，至南岸地段该层已尖灭称为基岩河床。
第四系全新统坡洪积层（
）
低液限粘土：
褐黄、黄棕色，结构不均，局部夹淤泥质粘土，底部含少量碎、块石，软硬～塑状。
分布于右岸斜坡以及坳沟地带，厚度0.5～10.00m不等。
第四系全新统Ⅰ阶堆积层（
）
低液限粉土：
灰黄色，夹5～10cm厚的粉细砂，底部含少量的小砾石，软塑状。
分布于左右两岸的阶地上，厚3～10.00m不等。
卵石质土：
褐黄色，石质成份主要以石英岩、砂岩为主，灰岩、花岗岩、等次之，次圆～圆状，一般粒组组成
约5%，200～60mm约20%，60～20mm约20%，20～2mm约45%，余为砂及少量粉粘粒。
全层结构不均，局部砂、砾石分别富集，松散～稍密，饱和，透水性好。
分布于Ⅰ阶低液限土之下，厚度5～10.00m不等。
2.2主要材料及要求
混凝土
1）桥面混凝土铺装：
C40；
2）箱梁主体；C50；
3）桩基、承台、桥墩、桥台、搭板：
C30；
4）防撞墙：
C20；
②钢筋
1）主筋：
II级钢筋
2）辅助钢筋：
I级钢筋
3）预应力筋：
箱梁纵向预应力束采用φj15.24高强度低松弛预应力钢绞线，ASTMA416-90a270级标准，标准强度Ryb=1860MPa，Ey=1.95×105MPa；加载至规定负荷的80%时，松弛损失不大于3.5％；张拉控制应力σk=0.75Rby=1395MPa。
要求钢绞线的供货厂家必须取得ISO9002质量体系认证证书，产品质量应有部级以上鉴定证书。
②预应力管道
预应力管道均采用预埋波纹管。
③锚具采用群锚体系OVM锚或YM锚。
建议钢绞线规格采用7Φ5，以下为常用锚具尺寸供设计时选用。
如表2.1所示
锚具型号
锚垫板寸mm
波纹管径
外/内mm
螺旋筋
圈径mm
圈数
千斤顶
型号
锚具最小布
置间距mm
OVM15-5
180
62/55
170
4
Ycw100
200
OVM15-7
200
77/70
240
6
Ycw150
230
OVM15-9
230
87/80
270
6
Ycw250
260
VM15-12
270
97/90
330
7
Ycw250
290
OVM15-19
320
107/100
400
8
Ycw400
420
OVM15-27
370
127/120
470
8
Ycw650
490
YM15-5
165
67/60
170
5
YDC1500
210
YM15-7
190
77/70
190
5
YDC1500
230
YM15-9
215
87/80
210
6
YDC2000
270
YM15-12
250
92/85
250
6
YDC2500
320
YM15-15
290
102/95
320
6
YDC3200
370
YM15-17
300
107/100
340
7
YDC4200
400
YM15-19
300
107/100
350
7
YDC4200
420
YM15-24
320
117/110
400
7
YDC5200
460
表2.1常用锚具型号
其产品性能符合国际预应力协会编制的《后张预应力体系验收建议》（FIP-91）和《预应
力筋锚具、夹片和连接器》（GB/T14370-93）的要求。
供货厂家必须取得ISO9002和BSI质量体系认证证书。
2.3主桥箱梁施工
箱梁采用满堂支架法施工。
3桥跨总体布置及结构尺寸拟定
3.1尺寸拟定
本方案引桥采用三跨一联的预应力混凝土连续箱型梁桥，桥梁全长170m，设计主跨为70m。
3.1.1桥孔分跨
连续梁桥有做成三跨或者多跨一联的，但一般不超过六跨。
对于桥孔分跨，往往受到以下因素的影响：
地形、地质和水文条件，通航要求以及墩台基础及支座构造，力学要求，美学要求等。
若采用三跨一联不等的桥孔布置，一般边跨与主跨之比为0.-0.8倍，这样可使中跨跨中不至于产生正弯矩，此外，边跨与中跨之比还与施工方法有关系。
本设计跨度，主要根据设计任务书来确定，其跨度组合为50m+70m+50m。
符合以上原理要求，主跨比为0.71。
3.1.2截面形式
1.立面布置
当连续梁的跨径接近或大于70m时，在恒、活载作用下，支点截面将出现较大的负弯矩。
从绝对值来看，指点截面的负弯矩远远要大于跨中截面的正弯矩。
所以，采用加大支点高度的变截面梁可以更好的适应结构的内力分布规律。
这样做既对恒载引起的截面内力影响不大，也不会妨碍桥下通航的净空要求，并且还能满足支点处较大剪力的要求。
同时，变截面的立面布置使结构外形和谐、美观。
采用变截面布置尤其适用于悬臂法施工，施工阶段主梁的刚度大，且与施工内力状态相吻合。
图形如3.1所示。
图3.1立面布置
2.横截面布置
预应力混凝土连续梁桥横截面形式主要有：
板式、肋梁式和箱型截面。
板式截面一般用于中小跨径的连续梁桥中，多采用支架现浇施工，一般空心截面用于跨径15-30m的连续梁桥中。
此外，连续梁桥主梁除了跨中部分承受正弯矩外，支点还要承受负弯矩，因此，在截面设计中支点截面往往需要加强。
常做成马蹄形的T形截面，适用跨径在30-50m。
当跨径较大时，主梁一般采用箱型截面。
箱型截面的顶、底板都有比较大的面积，因而能有效抵抗正、负弯矩，并满足配筋要求。
而且截面闭合抗扭刚度比较大，具有比T形截面高的截面效率指标，当桥梁承受偏心荷载时内力分布比较均匀，整体性好。
另外，箱型截面构造布置灵活，适用于悬臂施工、逐孔施工、支架现浇施工等。
箱型截面根据桥面宽度、施工方法的不同，可以采用不同的形式，常见的截面形式有单箱单室（顶板宽度小于20m）；单箱双室（顶板宽度35m左右）；双箱单室（顶板宽度达40m左右）；多箱多室截面可以不受限制。
本设计采用单箱双室截面，截面宽度为13m。
3.1.3梁高
根据经验数据和已建成桥梁的资料分析可知，通常支点梁高和主跨之比一般为（1/16-1/20）L，跨中梁高：
一般为（1/30-1/50）L。
当建筑高度不受限制时，增大梁高往往是比较经济的方法，因为增大梁高只是增加腹板高度，而混凝土的用量却增加不多，却能显著减少预应力钢束的用量。
经验数据如下
等截面连续梁：
一般施工法梁高为1/15-1/25
顶推法施工梁高为1/12-1/17
变截面连续梁：
折线形跨中梁高为1/22-1/28
支点处梁高为1.1-1.75倍的跨中梁高，即1/16-1/20
曲线形跨中梁高为1/30-1/50
支点处梁高1.5-3.2倍的跨中梁高，即1/16-1/20
本次设计采用变截面曲线形，支点梁高取1/18.7，即3.75m，跨中梁高取1/40，即1.75m。
3.1.4细部尺寸
一、顶板与底板
顶板厚度一般要考虑两方面的因素：
一方面，按照行车道板的要求，具有承受横向弯矩的能力；另一方面，要满足布置纵、横向预应力束筋的要求。
通常，顶板的中部厚度不应小于板净跨径的1/30，且不小于200mm。
连续梁中底板要承受支座负弯矩和跨中正弯矩，因此，要按构造要求设计。
支点处底板：
一般为（1/10-1/12）H支，跨中底板一般在22-25cm之间。
本次设计中采用双面配筋，且底板也是由支点处向跨中按抛物线变化，因此，支点处底板取37cm，跨中底板取25cm，顶板取25cm。
二、腹板和其它细部尺寸
1）、腹板厚度
一般来说，变截面箱梁采用直腹板，主要功能是承受结构的弯曲切应力和扭转切应力所引起的主拉应力，墩顶区域剪力大，因而腹板较宽，跨中区域的腹板较窄。
一般设计经验为：
1、腹板内无预应力束筋管道布置时，其最小厚度采用20cm。
2、腹板内有预应力束筋管道布置时，其最小厚度采用25-30cm。
3、腹板内无预应力束筋锚固头时，其最小厚度采用35cm。
本次设计支座处腹板厚度取60cm，跨中腹板厚度取25cm。
2）、承托
箱型截面梁顶与腹板相连处应设置承托，底板与腹板相连处应设倒角，必要时也设置承托。
目的在于提高截面的抗扭刚度和抗弯刚度，减小扭转切应力和畸变应力。
此外，承托使力线过渡比较平缓，减弱了应力的集中程度。
常用的承托在顶板与腹板之间一般为1:
1,1:
2.1:
3，底板与腹板之间一般为1:
1。
本次设计中，支点处顶板与腹板之间采用200x600mm，底板与腹板采用600x600mm，跨中处顶板与腹板之间采用200x600mm，底板与腹板采用300x300mm。
跨中截面和支点截面示意图如3.2a和b所示：
（单位为cm）
图a支点处截面
b支点横断面图
图3.2桥梁断面图
4主梁建模
4.1主梁分段与施工阶段划分
4.1.1分段原则
采用杆系结构有限元单元法分析桥梁时，分段越细，计算所得的内力越接近实际内力的分布状况真实值。
本次设计分为80个单元。
4.1.2具体分段
本次设计引桥部分全长170m，全桥共分为80个单元，分别为17*1m、10*3m、2*3m、10*3m、2*2m、10*3m、2*3m、10*3m、17*1m。
起初，本次设计采用悬臂施工法进行建模，因为悬臂施工法在施工阶段划分的过程有一定的难度，而且存在体系转换，受力比较复杂，具有一定的挑战性。
建力模型如下图所示（由于单元号和节点号较多，显示出来无法看清，故省略）如图4.1和4.2所示
图4.1全桥外形图
图4.2全桥三维图
本次设计中在采用悬臂施工法时，由于考虑施工阶段较多，而且存在体系转换，受力比较复杂，由于时间关系，没有过多的时间和精力去研究和考虑，所以临时改为满堂支架法。
全桥共分为80个单元，分别为17*1m、10*3m、2*3m、10*3m、2*2m、10*3m、2*3m、10*3m、17*1m。
因为满堂支架不考虑施工阶段的划分，所以单元划分不像悬臂施工法那么麻烦，由于时间关系，单元划分和悬臂施工法的单元划分采取一致建模图形如下4.3和4.4所示（由于单元号和节点号较多，故省略）
图4.3全桥外形图
图4.4全桥三维图
4.1.3主梁施工方法及注意事项
满堂支架法是采取按一定间隔，密布搭设，起支撑作用的脚手架的施工方法。
目前常见于现浇桥梁施工及现浇楼板施工。
满堂支架法施工是一种长期被采用的方法,施工时需要大量的模板支架。
支架法施工是在桥位处搭设支架,在支架上浇筑桥体混凝土,待混凝土达到强度后拆除模板及支架。
支架法施工最大的优点是不需要大型吊装设备,其缺点是施工用的支架模板消耗量大、工期长,对山区桥梁及高墩有很大的局限性
满堂支架法现浇预应力混凝土连续箱梁在桥梁工程中是一种较为常见的施工方法，最近几年，随着国内铁路、公路交通基础设施建设的高速发展，按照满堂支架施工设计的桥梁也越来越多，大大推进了满堂支架的应用进程，满堂支架施工工艺也不断进行改进。
现代满堂支架施工技术亦朝着大吨位、大跨径方向发展，常规满堂支架钢管杆件本身承载能力有限，所以探讨如何实现在特殊大吨位箱梁、高墩、大断面现浇箱梁等工况条件下的现浇箱梁施工是桥梁建设者经常考虑的问题之一。
一、施工特点：
满堂支架是在一联或多跨桥下设置支架，体系转换次数很少，或者没有，南京三桥南引桥满堂支架施工按照逐孔现浇设计，需要发生体系转换，但是逐孔现浇施工法的优点是需要的支架数量少，周转次数多，利用效益高，
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