成贵铁路初步设计落脚河大桥68 128 68m连续刚构计算分析初步设计计算报告大学毕业论文设计.docx
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成贵铁路初步设计落脚河大桥6812868m连续刚构计算分析初步设计计算报告大学毕业论文设计
成贵铁路初步设计
落脚河大桥（68+128+68）m
连续刚构计算分析
初步设计计算报告
1.概况
1.1计算依据、标准和规范
依据中铁二院集团提供的地质资料确定主桥的平立面布置、桩基及承台尺寸。
计算中参考的岩土层的物理力学特性值见表1-1
表1-1建议岩土物理力学指标
岩土
代号
岩土
名称
稠度或
风化程度
天然
密度ρ
（g/cm3）
粘聚力c（kPa）
内摩
擦角φ
（°）
基本
承载力
σ（kPa）
压缩
模量Es1-2
（MPa）
基底
摩擦
系数
桩周极限
摩阻力
（kPa）
天然饱和极限抗压强度（MPa
边坡率
临时
永久
（1）
粉质黏土
（Q4dl+el）
硬塑
1.9
18
18
180
/
0.3
60
1:
1
1:
1.25
（2）
碎石土
（Q4dl+el）
稍密
2.2
/
45
250
/
0.4
120
1:
1
1:
1.25
（3）
卵石土
（Q4al+pl）
松散~中密
2.2
/
50
300
/
0.4
140
1:
1
1:
1.25
（4）
砂岩泥岩、泥质砂岩（T1f2）
W3
2.2
/
35
300
/
0.35
90
1:
0.75
1:
1
W2
2.4
/
45
450
/
0.45
/
5
1:
0.5
1:
0.75
（5）
砂岩泥岩、泥质砂岩夹灰岩（T1f1）
W3
2.2
/
40
300
/
0.4
100
1:
0.75
1:
1
W2
2.4
/
50
500
/
0.5
/
5
1:
0.5
1:
0.75
（6）
灰岩（P2c）
W3
2.2
/
50
400
/
0.5
160
1:
0.5
1:
0.75
W2
2.6
/
60
700
/
0.6
12.0
1:
0.3
1:
0.5
工程技术标准：
（1）铁路等级：
Ⅰ级
（2）桥上线路：
双线，线间距5m，直线、坡度20‰
（3）旅客列车速度目标值：
350km/h，线路平面和重点桥隧工程等预留160km/h净空限界
（4）牵引种类：
电力
（5）闭塞类型：
自动闭塞
（6）建筑限界：
满足开行双层集装箱运输建筑限界要求
（7）设计荷载：
ZK荷载（客车）；
（8）桥梁守护类型：
类
设计采用的规范标准：
（1）铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）
（2）铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB10002.3-2005）
（3）铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-2005）
（4）铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范（TB10002.4-2005）
（5）《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》（2003年10月，北京）（铁建设函[2003]439号）；
（6）《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》（2003年6月，北京）（铁建设函[2003]205号）；
（7）铁建鉴（1992）93号文《关于南昆线四座大桥横向刚度的补充技术要求》；
1.2计算理论和方法的选择及说明
初步设计阶段对主桥68+128+68m预应力混凝土连续刚构桥进行了施工过程和成桥运营两个阶段的结构分析。
对部分施工阶段和成桥运营阶段结构的强度、刚度、稳定性进行了验算。
施工阶段考虑的荷载主要有结构恒载（包括自重，二期恒载、挂篮重及施工临时荷载）、预应力和混凝土的收缩徐变；运营阶段考虑的荷载有ZK活载、体系温差正负20度，制动力、风荷载及10年的收缩徐变。
收缩徐变的计算参考公路桥涵规范进行。
计算模型中未考虑桥面纵坡。
1.3计算软件名称及版本
采用Midas/Civil7.4.1对结构进行计算分析。
计算模型如下图：
1.4计算参数和计算荷载工况
结构材料部分：
（1）连续刚构梁体采用C55混凝土，弹性模量
，泊松比
，
，
；
（2）主桥桥墩采用C40混凝土，弹性模量
，泊松比
，
，
，墩顶5m范围内采用C55混凝土。
（3）梁体纵向预应力及顶板横向预应力采用Ф15.2mm钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，其各项技术指标应符合“ASTMA416-94”标准的要求；
（4）管道压浆用水泥浆强度等级M40
（5）封锚用微膨胀混凝土强度等级C50
设计计算参数：
（1）梁部顶板宽12m，不需人行道板和托梁，梁体圬工容重按26.5kN/m3，线路设备及道碴自重等（二期恒载）按140kN/m考虑。
（2）纵向钢束钢绞线锚下控制应力бcon＝0.7fpk=1302MPa（不包括锚圈口摩擦损失）。
（3）塑料波纹管孔道摩阻系数μ＝0.15，孔道偏差系数K＝0.001；
金属波纹管孔道摩阻系数μ＝0.35，孔道偏差系数K＝0.003；
锚具变形与钢束回缩值（一端）ΔL＝6mm。
（4）施工荷载：
挂篮、机具、人群等施工荷载重按1250kN计。
（5）温差：
升降温20℃。
（6）竖向荷载动力系数为：
1+（1.44/（L
0.5-0.2）-0.18）<1,取1。
（7）制动力或牵引力:
按一线满载时竖向静活载的10%计算。
与列车的竖向动力作用同时计算时按列车竖向静活载的7％计算。
双线采用一线的制动力。
（8）列车横向摇摆力:
一个横向100kN的集中力作用在钢轨顶面
（9）风荷载强度：
按《桥规》规定计算，风压按500Pa。
荷载组合：
主力：
（1）恒载（结构重+二恒）
（2）恒载+双线ZK活载动力作用+横向摇摆力+长钢轨纵向力
主力+附加力：
（3）恒载+双线ZK活载动力作用+横向摇摆力+长钢轨纵向力+制动力或牵引力+升、降30度
（4）恒载+双线ZK活载动力作用+横向摇摆力+长钢轨纵向力+风力+升、降30度
2.施工阶段结构内力和强度分析
2.1结构内力
图2-1最大双悬臂阶段梁体恒载弯矩图（单位：
kN.m）
图2-2边跨合拢后梁体恒载弯矩图（单位：
kN.m）
图2-3全桥合拢施加二期恒载后梁体恒载弯矩图（单位：
kN.m）
2.2混凝土应力
在各施工阶段，梁部截面最大压应力12.43MPa，最大拉应力0.489MPa，满足规范的要求。
梁部最大压应力发生在全桥合拢后张拉中跨底板束的施工阶段。
2,3钢束应力
预加应力的过程中，预应力钢筋在锚下的控制应力应符合下式条件：
σcon=σp1+σL≤0.75fpk
σcon——预应力钢筋在锚下的控制应力（Mpa）；
σp1——预应力钢筋中的有效预应力（Mpa）；
σL——预应力钢筋中的全部预应力损失（Mpa）。
验算：
钢束的最大张拉控制应力：
锚下控制应力符合规范要求。
2.4强度安全系数
分别以全桥合拢作用二期恒载的施工阶段根部截面与跨中截面验算为例：
根部截面：
根据公式fPAP＋fSAS－σpa'AP'－fS'AS'＝fcbx计算中性轴位置，此处忽略非预应力钢筋的影响且AP'=0得简化公式：
fPAP=fcbx
计算中忽略承托梗腋部分参与受力，近似取x＝1800mm（底板厚度）
跨中截面：
根据公式fPAP＋fSAS－σpa'AP'－fS'AS'的矩形截面计算。
因数据较多，其他截面的验算过程此处未给出，施工阶段截面强度安全系数满足规范要求。
2.5抗裂安全系数
对于不允许出现拉应力的构件，其抗裂性按下列公式计算：
正截面
对于轴心受拉，小偏心受拉或小偏心受压构件：
Kfσ≤σc＋fct
对于受弯，大偏心受拉或大偏心受压构件：
Kfσ≤σc＋γfct
γ＝
σ――计算荷载在截面受拉边缘混凝土中产生的正应力（Mpa）；
Kf――抗裂安全系数；
σc――扣除相应阶段预应力损失后混凝土中的预压应力（Mpa）；
fct――混凝土极限抗拉强度（Mpa）；
γ――考虑混凝土塑性的修正系数；
W0――对所检算的拉应力边缘的换算截面抵抗矩（m3）；
S0――换算截面重心轴以下的面积对重心轴的面积矩（m3）
仍以中跨合拢施加二期恒载后根部截面的验算为例：
查该阶段恒载在根部截面上缘产生的拉应力为17.4MPa，扣除相应预应力损失后混凝土中的预压应力为24.99MPa，截面塑性发展系数γ＝1.165，
因数据较多，其他截面的验算过程此处未给出，施工阶段截面强度安全系数满足规范要求。
2.6小结
本章给出了典型施工阶段结构的内力图及强度和抗裂安全系数的计算，因施工阶段和截面数据较多，计算中仅示出了一个截面的计算过程，计算结果表明，梁体施工阶段的强度和抗裂安全系数满足规范的要求。
3运营阶段结构内力和强度分析
3.1主梁内力
悬浇施工完成，全桥合拢后主梁中由恒载产生的内力图见图3-1，数值见表3-1。
活载产生的内力包络图见图3-2，数值见表3-2。
图3-1成桥状态主梁内力图
表3-1恒载内力数值（为I端）
单元
轴向（kN）
剪力-z（kN）
弯矩-y（kN*m）
1
-1.23
0.02
-0.26
2
-141.4
-7481.2
-139.19
3
-3373.7
-4606.29
7112.19
4
-356.37
-5368.6
9293.91
5
-86.15
-4455.54
16619.15
6
-54.14
-2707.04
27362.21
7
-19.16
-958.6
32863.62
8
22.18
1372.7
32037.61
9
46.95
4033.5
21231.09
10
42.26
6727.88
-284.77
11
13
9452.07
-32639.37
12
-45.79
12222.2
-75985.88
13
-132.82
15048.15
-130532.03
14
-261.48
17940.02
-196525.86
15
-399.31
20908.81
-274259.08
16
-580.91
23964.94
-364065.3
17
-1187.51
27103.1
-466299.57
18
-1250.13
30043.89
-580755.03
19
-1326.71
33247.53
-707504.78
20
-1373.05
36282.37
-829348.04
21
-2430.54
39494.78
-962189.92
22
-2601.71
42515.77
-1106160.4
23
-2749.8
45231.25
-1238202.82
24
-2892.2
48067.19
-1378595.49
25
-3021.58
51027.38
-1527705.07
26
-3178.89
54112.78
-1685902.35
27
-3344.52
57327.98
-1853575.12
28
-4292.81
59490.84
-1970810.19
29
-42.68
-2134.04
-533.62
30
-76.11
-2302.32
-1439.83
31
17.51
-2303.47
-1440.55
32
42.68
-2134.04
-533.62
33
-8248.91
60660.14
-2040813.67
34
-7198.17
58557.01
-1921088.77
35
-6904.4
55350.46
-1749687.85
36
-6625.14
52273.04
-1587737.57
37
-6378.71
49318.98
-1434858.54
38
-6123.64
46490.14
-1290665.15
39
-5867.68
43782.18
-1154796.4
40
-5576.2
40770.01
-1006337.41
41
-4336.75
37641.21
-868621.32
42
-4149.2
34611.48
-741995
43
-3948.6
31410.99
-609777.61
44
-3772.94
28472.55
-489847.77
45
-3043.84
25385.31
-381787.79
46
-2735.91
22346.42
-286228.44
47
-2470.19
19392.29
-202680.83
48
-2231.36
16514.82
-130814.49
49
-2023.53
13702.16
-70341.96
50
-1846.92
10944.57
-21005.28
51
-1697.65
8230.73
17368.17
52
-1579.22
5545.97
44938.71
53
-1488.37
2893.63
61836.98
54
-1430.65
567.66
68646.72
55
-1418.99
-15.16
68935.86
56
-1418.99
15.16
68935.86
57
-1407.32
597.97
68625.95
58
-1371.87
2924.39
61682.06
59
-1356.45
5578.24
44660.61
60
-1367.55
8265.6
16960.75
61
-1424.5
10986.65
-21553.41
62
-1495.27
13745.71
-71049.34
63
-1592.92
16564.28
-131701.84
64
-1710.23
19448.9
-203773.69
65
-1869.24
22411
-287555.41
66
-2047.31
25459.74
-383385.46
67
-2630.75
28574.02
-491696.94
68
-2688.82
31517.13
-612052.79
69
-2761.37
34723.07
-744704.4
70
-2827.55
37757.9
-871723.47
71
-3940.31
40933.76
-1009801.86
72
-4111.06
43955.2
-1158838.39
73
-4258.65
46671.21
-1295225.73
74
-4400.23
49508
-1439963.45
75
-4568.71
52467.15
-1593416.3
76
-4701.53
55554.65
-1755963.95
77
-4851
58771.32
-1927987.32
78
-5818.84
60914.59
-2048129.68
79
-42.68
-2134.04
-533.62
80
-76.11
-2302.32
-1439.83
81
17.51
-2303.47
-1440.55
82
42.68
-2134.04
-533.62
83
-6664.67
59238.95
-1964166.3
84
-5631.2
57115.68
-1847344.87
85
-5353.51
53908.05
-1680288.34
86
-5095.9
50829.09
-1522682.03
87
-4808.34
47880.44
-1374139.61
88
-4552.46
45052.49
-1234284.77
89
-4296
42345.09
-1102754.44
90
-4004.1
39333.36
-959353.78
91
-2803.83
36167.64
-826877.2
92
-2620.7
33139.09
-705430.06
93
-2420.25
29940.64
-579117.74
94
-2240.11
27004.82
-465080.55
95
-1524.92
23890.33
-363094.48
96
-1222.41
20843.76
-273557.22
97
-967.16
17882.72
-196059.79
98
-732.55
14997.78
-130271.25
99
-532.78
12177.56
-75906.47
100
-363.45
9411.99
-32721.82
101
-225.44
6691.14
-515.73
102
-113.45
3999.09
20862.41
103
-31.97
1339.43
31535.41
104
19.83
-991.65
32222.7
105
54.8
-2740.1
26625.72
106
93.2
-4488.47
15777.85
107
-141.92
-5411.61
8387.09
108
-3211.66
-4760.58
6128.65
109
158.15
-7513.96
-1167.66
110
-19.78
-0.45
-0.12
图3-2ZK活载弯矩包络图
图3-3升温引起的梁体弯矩（kN.m）
图3-4预应力次内力——弯矩（kN.m）
3.2混凝土应力
运营荷载作用下正截面混凝土压应力（扣除全部应力损失后）应符合下列规定：
主力组合作用时
σc≤0.5fc
主力加附加力组合作用时
σc≤0.55fc
式中
σc――运营荷载及预应力钢筋有效预应力产生的正截面混凝土最大压应力。
fc――混凝土抗压极限强度。
图3-5主力组合下梁体上缘混凝土正应力包络图
图3-6主力组合下梁体下缘混凝土正应力包络图
图3-7主加附（主力+整体升温）时梁体上缘正应力包络图
图3-8主加附（主力+整体升温）时梁体下缘正应力包络图
由上图可见，在主力组合下，梁体上下缘均处于受压状态，上缘最大压应力13.44MPa，下缘最大压应力14.73MPa；在主+附组合下梁体上缘最大压应力13.44MPa，下缘最大压应力14.87MPa，满足规范的要求。
3.3钢束应力
运营阶段荷载作用下，预应力钢束（钢丝，钢绞线，预应力混凝土用螺纹钢筋）最大应力应符合规定：
钢束的张拉控制应力采用1302MPa和1275MPa两种，顶板的短直束（N1～N7）和底板钢束N50，张拉控制应力采用1275MPa，其余钢束的张拉控制应力采用1302MPa，调整后的钢束应力能满足规范要求。
下表列出其中N1损失后应力：
应力（扣除短期损失）（N/mm^2）
弹性变形损失（N/mm^2）
应力（扣除弹性变形损失）/应力（扣除短期损失）
徐变/收缩损失（N/mm^2）
松弛损失（N/mm^2）
应力（扣除全部损失）/应力（扣除短期损失）
1132.3309
-45.8133
0.9595
-66.4006
-28.3083
0.8759
1134.9329
-43.7202
0.9615
-64.616
-28.3733
0.8795
1134.9329
3.3186
1.0029
-3.1287
-28.3733
0.9752
1136.881
3.231
1.0028
-3.2206
-28.422
0.975
1136.881
9.9911
1.0088
-9.0075
-28.422
0.9759
1142.0615
8.8405
1.0077
-9.615
-28.5515
0.9743
1136.881
9.9831
1.0088
-9.003
-28.422
0.9759
1142.0615
8.843
1.0077
-9.6247
-28.5515
0.9743
1134.9329
3.3301
1.0029
-3.1131
-28.3733
0.9752
1136.881
3.2202
1.0028
-3.2354
-28.422
0.975
1132.3309
-45.4932
0.9598
-66.2865
-28.3083
0.8763
1134.9329
-43.1092
0.962
-64.2955
-28.3733
0.8804
从表中可看到，调整后的钢束应力能满足规范要求。
因数据较多，其他钢束的验算过程此处未给出，满足规范要求。
3.4强度安全系数
仍以根部截面与跨中截面为例验算截面的强度安全系数：
在验算截面强度时，预应力钢束作为抗力计算，钢束产生的初内力不计入组合，仅计钢束次内力。
在验算主力+附加力组合下的强度安全系数时，截面弯矩取各种组合下的最大值。
图3-9验算强度安全系数时采用的弯矩包络图（主力组合）
图3-10验算强度安全系数时采用的弯矩包络图（主+附组合）
根据公式fPAP＋fSAS－σpa'AP'－fS'AS'＝fcbx计算中性轴位置，此处忽略非预应力钢筋的影响且AP'=0得简化公式：
fPAP=fcbx
计算中忽略承托梗腋部分参与受力，近似取x＝1800mm（底板厚度）
主力组合时：
主加附组合时（弯矩取各种工况下的最大值）：
跨中截面：
根据公式fPAP＋fSAS－σpa'AP'－fS'AS'的矩形截面计算。
忽略普通钢筋的影响
主力组合：
主+附组合：
因数据较多，其他截面的验算过程此处未给出，施工阶段截面强度安全系数满足规范要求。
3.5抗裂安全系数
仍以根部截面的验算为例：
主力组合下（结构自重+中活载）截面上缘的拉应力为18.6MPa，主力+附加力组合下截面上缘的拉应力为18.84MPa，扣除相应预应力损失后混凝土中的预压应力为24.99MPa，截面塑性发展系数γ＝1.165，
主力组合下：
主+附组合下：
因数据较多，其他截面的验算过程此处未给出，运营阶段阶段截面的抗裂安全系数满足规范要求。
3.6小结
运营阶段梁部全部处于受压状态，压应力满足规范要求，截面的强度安全系数和抗裂安全系
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