利用桥梁博士进行3x25m 5x25 3x25m预应力混凝土连续梁桥设计计算书.docx
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利用桥梁博士进行3x25m5x253x25m预应力混凝土连续梁桥设计计算书
毕业设计
院系名称土木与水利工程学院
20xx年6月3日
摘要：
设计主要是以某大桥作为工程背景，利用桥梁博士进行桥梁的结构设计。
设计总长为275米的公路直线预应力混凝土连续梁桥,跨径3x25m+5x25m+3x25m，在设计中先用桥梁博士建立桥梁模型，然后按照实际情况和规范要求输入设计参数，按照过往工程经验进行预应力钢束布置；最后，调整至验算通过，经分析比较证明该桥设计计算正确，内力分布合理，符合设计任务要求。
关键词：
预应力混凝土连续梁桥、配筋设计、内力
Abstract:
Thedesignisundertheengineeringbackgroundofsomebridge,usingtheDoctorbridgeCivilsoftwaretodothestructuredesign.Thedesignisaboutatotallengthof175mhighwaylinearprestressedconcretecontinuousrigidframebridgecomposedof3x25m+5x25m+3x25m.Firstly,usingtheDoctorbridgesoftwaretoestablishstructuralmodel,thenaccordingtotheactualsituationandspecificationrequirementstodefinesomerelatedparameters,afterthat,proceededwiththelayoutsofprestressedreinforcement.Finally,tinkerupthereinforcementuntilthecheckingmeetstotherequirement.Aftercalculationandcheckingofthestress,distortionofmodelunderdeadloadandlivingload,theresultshowthatthedesignisuptothedemands.
Keywords:
Prestressedconcretecontinuousrigidframebridge;reinforcementsdesign;internalforce
毕业设计是高校本科培养计划中最后一个重要的教学环节，目的是使学生在学完培养计划所规定的基础课、技术基础课及各类必修和选修专业课程之后，通过本次毕业设计可以加强查找文献和阅读文献的能力，增强对桥梁结构深层次的理解，掌握桥梁计算软件的应用，培养独立思考、创新性思维的能力，培养处理独立和团队合作的能力，加强团队合作意识，将所学的理论知识、实习中所学到的东西与实际工程相结合，提高专业素质。
和以往的理论教学不一样，毕业设计是学生在老师的指导下，独立系统完成一个工程设计，以期能掌握一个工程设计的全过程，在巩固已学课程的基础上，学会考虑问题、分析问题和解决问题，并可以继续学习到一些新的专业知识，有所创新，为将来走向工作岗位打下良好的基础。
1．1工程概况
清潭沟大桥位于霍山县佛子岭镇北郊，桥梁横跨东淠河，此河流历史上实测最大流量为5100m3/s，发生在1969年，其相应洪水位为81.86m，最大流速为5m/s。
常水位为74.43m。
该河道无通航要求，河床局部冲刷至71.00m高程。
该桥建设将会极大的促进佛子岭的经济发展，尤其对于清潭沟地区的旅游产业将会有重要的推动作用，是一项利民的民生工程。
1.1.2技术标准
（1）汽车荷载：
公路-Ⅱ级；人群荷载：
3.5kN/㎡
（2）环境类别：
Ⅰ类
（3）桥面净宽：
净-7m（车行道）+2×1.0m（人行道）
（4）地震设防烈度：
7度
（5）高程系统：
黄海高程
（6）设计洪水频率：
1/50
1.1.3工程地质条件
该区域地层属于青白口纪北淮阳地层区，该区地层称佛子岭群。
根据野外编录、现场调查，参考收集的资料，现将拟建场地地层分为7层，自上而下分别叙述如下：
（1）种植土：
深灰色；松散状态；稍湿；分布不均匀；含植物根系、小粒径碎石等，富含有机腐殖质；该层分布于河岸两侧的岸坡，层厚0.4～0.8m。
（2）粉质粘土：
灰色；稍湿；可塑状态，局部夹杂薄层粘质粉质土。
该层分布于桥位东岸，层厚约3.4m。
（3）细砂：
黄褐、灰褐；中密状态；饱和；含少量细颗粒角砾，粒径为0.2～1.5cm。
该层主要分布于河道两侧的岸坡，层厚3.6～3.8m。
（4）角砾土：
棕褐色；湿～饱和；中密～密实状态；分布不均匀，中、细砂填充于砾石层空隙，砾石层和细砂层形成互层，砂含量约30%～40%；砾石岩性主要为石英砂岩、石英砾岩、花岗岩、硅质灰岩，砾石粒径为1～20cm，形状不规则，有棱角，少数磨圆度稍好；该层主要分布于现有河床及河西岸漫滩，层厚0～6.3m。
（5）漂石土：
杂色；密实状态；饱和；漂石岩性主要为石英砾岩、花岗岩，粒径为20～35cm，粗颗粒空隙被沙粒填充。
该层在场地分布广泛，层厚0.4～0.8m。
（6）中、微风化炭质灰岩：
灰绿～青灰色；湿；岩石结构呈一定程度破坏；风化裂隙、节理发育，岩芯破坏程度高。
层厚0.4～1.2m。
（7）炭质灰岩：
为新鲜基岩面；青灰色；岩质硬脆；上部单层厚度小，为2～15cm，层理清晰；节理发育，纵向节理切割岩层；岩芯破碎程度高，RQD指标低。
下部单层厚度增加，岩芯完整性增高；节理大多闭合，张开节理被方解石脉填充。
该层在全场地均有分布，本次勘察未揭穿该层，揭露厚度为3.3～5.2m。
场地未发现活动断裂及其他影响工程稳定性的地质构造。
1.1.4自然条件及气象、水文
区域内地貌发育受地壳升降及流水作用，形成本区多样的地貌形态。
北岸为低山丘陵，坡地标高在70.0～120.0m（黄海高程，下同）左右。
南岸原为河谷滩地，河流受大堤约束。
滩地标高约为66.0～70.0m，分布有农田、村庄和集镇，霍山县城紧挨南岸河堤，建筑在东淠河一级滩地上。
东淠河属于典型的山区向平原过渡区河流，河底标高64.0m，砂质河床，河槽宽浅，漫滩宽阔，没有明显的主河槽。
南河岸大堤修建在砂质河滩地上，规划大堤标高70.42m，防洪标准可达20年一遇。
桥址处两岸堤距约为530m左右。
本地区属于亚热带季风性湿润气候区，四季分明，具有明显的季节性特点。
多年平均气温15.0°C，最高气温多在7-8月份，平均气温为27.8°C，极端最高气温达43.2°C；最低气温多出现在1月，平均气温为2°C，极端最低气温为-17.4°C。
多年平均降水量1391.2mm，降水量年际变化较大，丰水年最高为2357.3mm（1954年），干旱年为732.3mm（1978年）；降水在全年分配不均，7月降水量较大，12月降水量较少。
本区降雨多集中在梅雨季节，易引起洪涝灾害。
东淠河属淮河水系，贯穿霍山全境。
主河干道从佛子岭水库坝下至六安两河口全长55km，河道比降千分之一，主要为砂石河床。
清潭沟大桥位于现有淠河简易索桥北侧，拟建桥梁中心线距老桥中心线约220m。
所跨河流淠河为天然河，该处河床较宽，约200m，现有水面宽度约120m，最深处河底高程为69m；因上游建有电站，故现有河道流量变化频繁。
场地地貌单元为河床地貌。
清潭沟大桥位于霍山县佛子岭镇北郊，桥梁横跨东淠河，此河流历史上实测最大流量为5100m3/s，发生在1969年，其相应洪水位为81.86m，最大流速为5m/s。
常水位为74.43m。
该河道无通航要求，河床局部冲刷至71.00m高程。
汽车荷载：
公路-Ⅱ级；人群荷载：
3.5kN/㎡;环境类别：
Ⅰ类;桥面净宽：
净-7m（车行道）+2×1.0m（人行道）;地震设防烈度：
7度;高程系统：
黄海高程;设计洪水频率：
1/50。
1．2方案比选
桥形方案比选在综合考虑目前的造价控制以及高速公路施工企业桥梁施工的普遍水平的情况下，高速公路上合理桥型的选择总结起来有以下几点：
1）桥型方案选择力求能适应当地的恶劣环境和交通运输条件的限制，合理选择上部结构形式。
2）桥型方案选择应结合桥梁重载车辆多的特点，不但要选用结构受力明确、造型简捷、技术先进、可靠，工程方案经济、合理，施工方便，质量易于控制的桥型，而且还要充分考虑结构的耐久性和运营期间的养护费用。
根据当地实际地形，参考当地地质条件及施工条件，初步确定主桥部分拟定如下2种方案：
方案一、预应力混凝土连续梁桥（推荐方案）
一孔跨布置
本桥为跨线公路桥，故其分跨情况为（3×25m+5×25m+3×25m）预应力混凝土连续箱梁。
连续箱梁横断面为四箱，各箱单独预制，简支架设，现浇连续梁接头后成为连续结构体系。
现浇连续箱梁采用单箱单室斜腹板，顶板宽：
7.0m,箱底宽4m,臂宽2.0m,梁高1.8m.
总体布置图：
截面图：
二桥墩桥台及基础
1.两端桥台采用钢筋混凝土肋板式桥台及混凝土U型桥台，其中肋板式桥台采用钻孔桩基础，U型桥台采用明挖基础。
2.桥墩采用柱式墩，现浇连续箱梁部分采用独柱墩，基础采用钻孔桩基础。
三施工方法
现浇连续部分采用支架法施工。
四受力特点
1．优点
一般一次落架施工的连续梁桥在结构自重荷载作用下，支点截面产生负弯矩，且支点截面负弯矩大于跨中截面正弯矩。
与同等跨径的简支梁桥相比，连续梁桥的最大正弯矩及负弯矩均小于简支梁的跨中正弯矩，因此连续梁桥的内力分布比简支梁桥要均匀，有利于发挥材料的作用
2缺点
连续梁属于超静定结构，非线性的温度变化，预应力的作用，混凝土收缩徐变及基础的不均匀沉降等都将引起结构的附加内力。
方案二、预应力混凝土刚构桥
一孔跨布置
本桥为跨线公路桥，考虑到通车净空，分跨采用：
桥为60m+2×80m+60m的T型刚构，引桥：
（2×20+2×20）简支梁桥，主桥采用单箱单室箱梁，刚构部分采用变截面形式，支点处梁高较大，以承受支点处较大的负弯矩，跨中（包括挂梁）梁高较小，增大了桥下净空。
梁底曲线采用折线，这样有利于施工。
引桥简支梁桥为等高度箱梁。
总体布置图：
截面布置：
二桥墩桥台及基础
本桥所处桥位由于地址条件限制，采用灌注桩基础。
桥墩为轻型园端型桥墩。
两端桥台桥台为肋板式桥台及混凝土U型桥台，其中肋板式桥台采用钻孔桩基础，U型桥台采用明挖基础，引桥部分桥墩为柱式墩。
三施工方法
采用悬臂施工法
四受力特点
1优点
恒载作用下，由于支点负弯矩的卸载作用，使跨中的弯矩大大减小，活载作用在挂梁时，由于支撑跨径较小，从而使得跨中正弯矩较小；T型刚构桥属于静定结构，不会因为支座沉降，温差等产生次内力，使得该结构可以适应于地基较差的条件。
2缺点
构造复杂，行车条件不好，带挂梁的T型刚构桥型在混凝土的长期收缩徐变作用下和汽车荷载的冲击作用下，T构悬臂端会发生下挠，行车给乘客带来不平稳的感觉，并且个T梁之间不能共同工作，使其跨径受到限制。
1
主桥
主桥：
预应力混凝土连续梁：
（3×25+5×25+3×25）
主桥：
（60+2×80+60）mT型刚构桥
2
桥长（m）
275
280
3
工艺技术要求
技术先进，工艺要求严格，主梁上部结构构造除了用挂蓝施工外，挂梁需另一套设备。
技术较先进，工艺要求叫严格，主梁上部结构构造除了用挂蓝施工外，挂梁需另一套设备。
4
受力特点
属超静定结构，受力较好，主梁桥面连续，行车条件好，养护也容易。
属于静定结构，受力不如超静定结构好，桥面平整度易受到悬臂挠度影响，行车条件较差，主桥每孔有两道伸缩缝容易损坏
5
造价及用材
造价较低
造价低。
1．3力学特点及适用范围
连续梁桥在结构重力和汽车荷载等恒、活载作用下，主梁受弯，跨中截面承受正弯矩，中间支点截面承受负弯矩，通常支点截面负弯矩比跨中截面正弯矩大。
作为超静定结构，温度变化、混凝土收缩徐变、基础变位以及预加力等会使桥梁结构产生次内力。
由于预应力结构可以有效地避免混凝土开裂，能充分发挥高强材料的特性，促使结构轻型化，预应力混凝土连续梁桥具有比钢筋混凝土连续梁桥较大的跨越能力，加之它具有变形和缓、伸缩缝少、刚度大、行车平稳、超载能力大、养护简便等优点，所以在近代桥梁建筑中已得到越来越多的应用。
预应力混凝土连续梁桥适宜于修建跨径从30m到100多m的中等跨径和大跨径的桥梁。
1．4立面布置
预应力混凝土连续梁桥的立面布臵包括体系安排、桥跨布臵、梁高选择等问题，可以设计成等跨或不等跨、等截面或变截面的结构形式。
结构形式的选择要考虑结构受力合理性，同时还与施工方法密切相关。
1.4. 1．桥跨布臵
根据连续梁的受力特点，大、中跨径的连续梁桥一般宜采用不等跨布臵，但多于三跨的连续梁桥其中间跨一般采用等跨布臵。
当采用三跨或多跨的连续梁桥时，为使边跨与中跨的最大正弯矩接近相等，达到经济的目的，边跨取中跨的0.8倍为宜，当综合考虑施工和其他因素时，边跨一般取中跨的0.5～0.8倍。
对于预应力混凝土连续梁桥宜取偏小值，以增加边跨刚度，减小活载弯矩的变化幅度，减少预应力筋的数量。
若采用过小的边跨，会在边跨支座上产生拉力，需在桥台上设臵拉力支座或压重。
当受到桥址处地形、河床断面形式、通航（车）净空及地质条件等因素的限制，并且同时总长度受到制约时，可采用多孔小边跨与较大的中间跨相配合，跨径从中间向外递减，以使各跨内力峰值相差不大。
桥跨布臵还与施工方法密切相关。
长桥、选用顶推法施工或者简支—连续施工的桥梁，多采用等跨布臵，这样做结构简单，统一模式。
等跨布臵的跨径大小主要取决于经济分跨和施工的设备条件。
连续梁跨数以三跨连续梁用得最为广泛，连续梁桥连续超过五跨时的内力情况虽然与五跨时相差不大，但连续过长会造成梁端伸缩量很大，需设臵大位移量的伸缩缝，因此，连续跨数一般不超过五跨。
1.4.2梁高布置
连续梁桥采用等截面布臵，构造简单、预制定型、施工方便，随着施工方法的发展愈来愈受到重视。
中等跨径40～60m的连续梁桥，若采用预制装配施工和就地浇筑施工，为便于预制安装和模板周转使用，宜选用等截面布臵。
采用顶推法施工，为便于布臵顶推和滑移设备，一般均采用等截面梁。
对于长桥，选用中等跨径，采用逐跨架设施工和移动模架法施工，按等截面布臵最为有利，它可以使用少量施工设备完成全桥的施工。
等截面连续梁桥的梁高，在拟定时可参考有关资料选用，可取梁高与最大跨径的关系。
当桥梁的跨径较大，采用顶推法施工时，梁高的选择不仅取决于桥梁的跨径，同时还要考虑顶推施工时对梁高的要求，为了避免顶推法施工最大悬臂时的不利受力状态，通常可设臵临时墩。
不设臵临时墩时，梁高与顶推跨径之比选在1／12～1／15为宜。
本设计采用梁高为1.8米。
1．5设计依据
-《公路工程技术标准》JTGB01-2003
-《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004
-《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004
-《公路桥涵地基与基础设计规范》JTGD63-2007
-《公路圬工桥涵设计规范》JTGD61-2005
-《公路桥梁抗震设计细则》JTG/TB02-01-2008
-《公路桥梁抗风设计规范》JTG/TD60-01-2004
-《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000
-《公路工程结构可靠度设计统一标准》GB/T50283—1999
2.1桥跨结构图式及尺寸拟定
2.1.1设计技术标准：
1、设计荷载：
汽车荷载：
公路-Ⅱ级；人群荷载：
3.5kM/m2
2、桥梁宽度：
桥面宽9m，即：
净2×3.5m（车行道）+2×1m（人行道）；
3、桥面设2％的双向横坡。
4、拟定参数：
横断面下缘宽度6m，上缘宽度9m，上翼缘外悬臂长为1.5m。
2.1.2结构图式
1、截面形式
为了减小上部结构的自重，本桥采用单箱双室箱截面。
上部结构采用1.8m
等截面箱形梁.两端桥台采用钢筋混凝土肋板式桥台及混凝土U型桥台，其中肋板式桥台采用钻孔桩基础，U型桥台采用明挖基础。
桥墩采用柱式墩，现浇连续箱梁部分采用独柱墩，基础采用钻孔桩基础。
2、立面形式
本桥为预应力混凝土连续梁桥。
本桥跨径组3x25+5x25+3x25＝275m。
3、施工方法
（1）主桥下部施工
下部基础采用钢板桩围堰，搭设水中工作平台，进行钻孔成桩和浇筑承台，
墩身采用翻模板分两节进行施工。
（2）上部箱梁施工
采用现浇的方法。
箱型梁具有良好的动力性能，收缩变形数值小，闭合薄壁截面抗扭刚度很大，能够适应施工中大多不利施工工况。
2.1.3主要尺寸拟定
1、跨度
桥梁跨度应根据公路等级，功能，通行能力及抗洪防灾要求，再根据水利
部门推荐桥位处主桥主跨径的范围，及主河槽布置桥孔要求，结合桥址处的水
文、地质、河道断面、通航、环境要求综合考虑，选出适合于该桥位的跨径。
桥位选择在河道顺直稳定，河床地质条件良好的河段。
本桥跨径组成：
3x25m+5x25m+3x25m
，边跨与中跨的比值为0.6，桥梁工程全长275m。
2、主梁高度
本桥刚墩顶梁高1.8m，是主跨径的1/13.9。
3、箱梁腹板厚度
腹板确定经验公式：
（1）t=B/50（1+L/B）（m）
其中，B为桥面总宽度（m）；L为主跨跨度（m）。
同时应满足构造要求：
单个腹板厚度t≥0.15m。
根据经验，腹板厚度为40cm。
4、箱梁底板厚度
（1）箱梁桥墩处底板厚度
箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而从跨中逐渐加厚直至桥墩处，以适应受压要求。
底板除需符合使用阶段的受压要求外，在破坏阶段还宜保持在底板以内有适当的富余。
本桥桥墩处底板厚度选用40cm。
（2）箱梁跨中底板厚度
连续箱梁因跨中弯矩要求底板内需配置一定数量的钢束和钢筋，此时跨中底板厚度取为40cm。
5、箱梁顶板厚度
确定箱形截面顶板厚度一般考虑两个因素：
满足桥面板横向弯矩的要求，满足布置纵向预应力钢束的要求。
箱梁断面顶板厚在全梁范围内一致取为30cm。
2.2主梁分段与施工阶段的划分
2.2.1具体分段
本桥全长275m分75m，125m，75m三联，75m联共分66个梁段单元，1号块长度0.25m，一般梁段长度分成1.25m，边跨及跨中合拢段均为2m。
2.2.3施工阶段的划分
1、步骤：
（1）所有墩身施工完毕至墩顶。
（2）梁体浇筑浇筑各号梁段。
（3）混凝土强度达到85％后，张拉预应力索。
（4）桥面铺装。
（5）桥面徐变。
3.1恒载内力计算
3.1.1计算方法
恒载内力计算采用相关软件提供的有限元方法计算，由于不同的施工方法所计算出来的恒载内力会不一样，所以计算时应该严格考虑施工阶段的划分。
混凝土及钢筋材料特性的取值混凝土：
桥墩及铺装C40，主梁C50容重：
γ1＝25.0kN/mγ2＝26.0kN/m弹性模量C40：
Ec＝3.25×104MPa；C50：
Ec＝3.45×104MPa；线膨胀系数：
α＝1.0×e−5；混凝土抗压标准强度C40：
fck＝26.8MPa；C50：
ftk＝32.4MPa；混凝土抗拉标准强度C40：
fck＝2.40MPa；C50：
ftk＝2.65MPa；钢绞线：
采用高强度低松弛钢绞线，用9φ15.2（顶，腹板），17φ15.2（底板）的钢丝烧制而成的钢绞线；单根φS15.24公称断面面积：
A＝140.00mm2；抗拉强度标准值：
fpk＝1860MPa；弹性模量：
Ep＝1.95×105MPa；粗钢筋：
采用精扎螺纹钢，直径25mm；预应力筋管道：
连续刚构梁纵、横向采用金属波纹管成孔，竖向预应力采用铁皮管成孔；锚具：
采用YM15－15，YM15－17锚具。
2、二期荷载
（1）桥面铺装及横断面
主梁顶平坡，铺装层横坡2％的双向坡。
桥面铺装水泥混凝土，最薄处厚8.0cm。
水泥混凝土铺装层的优点：
造价低，耐磨性能好，适合重载交通。
（2）二期恒载计算
按48.6kN/m计算。
3.1.2截面几何特性的计算
计算结构的内力、应力前，需要首先计算出截面的几何特性。
由于结构对称，故现在只列出1-64号单元各个截面的几何特性值，其余截面与其对应，如表5-1所示；
表3.1单元截面几何特征
3.截面特征及单元特征信息列表
原始截面信息
单元号
节点号
截面抗弯惯距
截面面积
截面高度
中性轴高
1
1
5.25075
9.06799
1.05
2.2
2
2
2.87005
6.66799
0.954
1.8
3
3
2.87005
6.66799
0.954
1.8
4
4
2.87005
6.66799
0.954
1.8
5
5
2.87005
6.66799
0.954
1.8
6
6
2.87005
6.66799
0.954
1.8
7
7
2.87005
6.66799
0.954
1.8
8
8
2.87005
6.66799
0.954
1.8
9
9
2.87005
6.66799
0.954
1.8
10
10
2.87005
6.66799
0.954
1.8
11
11
2.87005
6.66799
0.954
1.8
12
12
2.87005
6.66799
0.954
1.8
13
13
2.87005
6.66799
0.954
1.8
14
14
2.87005
6.66799
0.954
1.8
15
15
2.87005
6.66799
0.954
1.8
16
16
2.87005
6.66799
0.954
1.8
17
17
2.87005
6.66799
0.954
1.8
18
18
2.87005
6.66799
0.954
1.8
19
19
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6.66799
0.954
1.8
20
20
2.87005
6.66799
0.954
1.8
21
21
2.87005
6.66799
0.954
1.8
22
22
5.25075
9.06799
1.05
2.2
23
23
5.25075
9.06799
1.05
2.2
24
24
2.87005
6.66799
0.954
1.8
25
25
2.87005
6.66799
0.954
1.8
26
26
2.87005
6.66799
0.954
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