六跨预应力混凝土连续梁桥初步设计.docx

1、六跨预应力混凝土连续梁桥初步设计湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目六跨预应力混凝土连续梁桥初步设计作者刘 永学院土木工程学院专业工 程 力 学学号0802060121指导教师 罗 浩二零一二 年 五 月 三十 日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 土木工程学 院 工程力学 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 学号: 专业: 1 设计（论文）题目及专题： 六跨预应力混凝土连续梁桥初步设计 2 学生设计（论文）时间：自 2012 年 3 月 20 日开始至 2012 年 5 月 31 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：一、衡阳湘江特大

2、桥桥设计资料；二、铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）；三、铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB1002.3-2005）； 四、铁路桥涵施工规范（TB10203-2002）；五、范立础：桥梁工程（上册）；六、徐岳：预应力混凝土连续梁桥设计；七、孙树礼：高速铁路桥梁设计与实践.4 设计（论文）应完成的主要内容：一、熟悉设计资料、预应力连续梁桥的设计特点、受力特点和构造特点，明确设计思路,拟定桥梁总体平、纵、横断面布置及主梁结构尺寸；二、预应力连续梁桥施工阶段结构受力分析，计算施工阶段主要截面内力.三、成桥后结构分析, 计算成桥后恒载内力、计算主要控制截面内力影响线，

3、计算活载内力图计算，以及支座沉降和温度次内力.四、进行内力组合，主梁预应力配束设计，含控制截面配束计算，梁内钢束布置设计等.五、预应力损失及有效预应力计算，结构强度计算、结构应力和变形验算.六、绘制总体布置图、主梁主要构造图、主梁配束图等相关图纸，编写设计说明书. 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：设计成果提交设计说明书（论文）一本、和图纸若干.论文格式按院发统一要求书写，打印，要求工整，条理性好，设计思路明晰，计算准确，章节清楚，内容完整，无错漏字.图纸绘制以标准图为范本，做到规范、清晰、易读.6 发题时间： 年 月 日 指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南

4、科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语指导人： （签名）年 月 日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语评阅人： （签名）年 月 日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书 共 页2 设计（论文）图 纸 共 页3 指导人、评阅人评语 共 页毕业设计（论文）答辩委员会评语：答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 成绩： 摘 要武广客运高速铁路线，路经湖南省衡阳县，于衡阳湘江段需建立一座跨江特大桥.根据任务要求，本设计对衡阳特大桥上部结构进行初步设计.

5、根据现行铁路桥梁规范，兼顾安全、实用、经济、美观的原则，将本桥梁设计为64+4*116+64m六跨预应力混凝土连续梁桥.全长593.5m(含两侧梁端至中心0.75m)，采用箱型变截面，运用悬臂施工法，最终转为连续结构.本方案运用桥梁博士3.0进行建模及各施工阶段的模拟，包括结构尺寸的拟定及几何特性计算、作用效应组合计算、配筋设计及布置、承载能力及正常使用状态计算、预应力损失计算以及对设计的桥梁进行验算.关键词：六跨预应力混凝土连续梁；桥梁博士3.0；设计及验算ABSTRACTHigh-spreed rail line from Wuhang to Guangzhou go through Hu

6、nan province City Hengyang,in whith a big bridge is necessary.On the basis of the assignment,we should design the bridge.Leading by the principle of standarid,at the same time considering safe,funcation,price and artistic,the bridge with the length 64+4*116+64m.The main segment length 593.5m,whose c

7、ross-section is a variable box-pile.Apply a cantilever fabricat and in the end let it become continuous.This project use Dr.bridge V3.0 to intate and calculate.it include the sectional dimension,effect of force,steel bars design and checking.Keywords:six-cross prestressed continuous girder bridge; D

8、r.bridge V3.0; design and checking.第一章 前 言毕业设计作为大学中最后一个学术活动，它旨在培养学生综合运用所学过的基本理论、基础知识和基本技能.它具有较强的实践性和综合性，需要我们大学生独立的运用掌握的知识，分析和解决问题，是一种培养学生独立工作的途径和方法.在设计过程中，我进一步了熟悉了自己所学过的专业知识，以及在大量的资料查阅过程中，扩展了自己的知识面，同时深刻的认识到作为一个土木工作者应该具备严谨的思维和负责任的态度.在知识的运用上，我也深刻的认识到，要将所学知识综合运用起来，并与实际情况相结合.本设计是武广客运铁路在湖南省衡阳县段湘江上的特大桥梁的设

9、计.全长2399.53米，主桥长592米，采用6跨箱型预应力连续梁.设计分为八个章节，从第二章开始进行桥梁的设计.第二章主要介绍桥梁的工程状况及对桥梁尺寸的初步拟定；第三章介绍桥梁博士建模及其计算出来的计算数据；第四章进行内力计算；第五章对设计的桥梁进行配筋估算；第六章预应力损失及有效预应力计算；第七章配筋后的验算；第八章总结.论文共分八章进行阐述，并配有多幅插图，力求更具说服力.限于本人水平和资料不足，设计中肯定存在诸多不足，敬请老师和同学批评指正.第二章 桥梁选型及尺寸拟定2.1 工程概论本桥梁为衡阳湘江特大桥上部结构初步设计.其位于湖南省衡阳县，是武广高速客运铁路线跨度最大的桥梁.随着武

10、汉至广州沿线客流的迅速增加，建设武广客运铁路线意义重大，它直接联系和影响着整个华中、华南、西南乃至港澳和台湾地区.作为武广客运铁路重要的组成段衡阳湘江特大桥有着其特有的意义.它直接影响到湖南地区的经济发展.衡阳湘江特大桥北引道起点里程桩号：DK1707+753.64，南引道起点里程桩号：DK1707+268.59，大桥全长2399.53米，其中主桥长592米.本设计以安全为宗旨，兼顾造型优美，造价低廉，施工方便，对环境影响最小.2.2 设计资料及标准2.2.1 设计基本情况1) 铁路等级：客运专线（双线铁路，线间距5.0m）2) 设计速度：200km/h，预留350km/h提速条件3) 桥式：

11、预应力混凝土连续梁，全长593.5m（含两侧梁端至中心各0.75m）2.2.2 设计技术标准1) 恒载：梁体自重：取26.5kN/m.二期恒载：146.7kN/m（无碴轨道）2) 设计荷载：Z-K活载、人群活载(竖向静荷载用5KPa)3) 混凝土收缩徐变环境条件按野外一边条件计算，相对湿度取0.7徐变系数终极值取：2.0（混凝土龄期为6天）徐变增长速率为0.0055收缩速度系数为0.00625收缩终极系数为0.000164) 支座沉降：不均匀沉降差均以2cm计5) 施工荷载：挂蓝及施工荷载总重按1000kN计6) 基本风压：w0=1000pa7) 温度变化：体系温度根据当地气候用+20C，-2

12、0C，顶板升温按8C考虑8) 底板预应力索径向力：T=F/R2.2.3 建筑材料1) 混凝土箱梁采用C60耐久混凝土，fc=40MPa，fct=3.50MPa，Ec=3.65104MPa挡喳槽采用C40混凝土，管道抽真空压浆所用水泥强度等级不低于M50，封顶采用C40微膨胀混凝土2) 预应力筋钢绞丝：采用级低松弛高强钢绞丝，标准强度fpk=1860MPa，公称直径15.2mm，公称截面积139mm，Ep=1.9510MPa，采用夹片锚锚固体系，制孔采用塑料波纹管.孔道摩擦系数0.14，孔道偏差系数0.0025.纵向预应力束锚下张拉控制应力为=1260MPa横向预应力束锚下张拉控制应力为=134

13、0MPa预应力螺纹钢筋：竖向采用直径32mm预应力混凝土螺纹钢筋，标准强度fpk=830MPa，锚下张拉控制应力650MPa，采用直径45mm铁皮管制孔，施工中采用二次张拉工艺，锚固时锚具回缩量不得大于1mm.确保竖向预应力筋的永存应力满足要求.2.2.4 采用规范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（TB1002.3-2005）3) 铁路桥涵施工规范（TB10203-2002）4) 新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定(铁建设函2005285号)5) 京沪高速铁路设计暂行规定(铁建设2004157号)6) 铁路工程

14、抗震设计规范（GBJ111-87）7) 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定8) 铁路架桥机架梁规范TB10213-992.3方案比选方案比选是桥梁设计过程中最基础的工作.根据当地的自然环境，通过详细、科学地优选，提出最为合理的方案.方案的选取主要考虑安全、功能、经济、美观以及与自然环境的协调，其中以安全为主要考虑因素，兼顾经济效益.此外，随着现代化交通事业的迅速发展，对桥梁功能的要求也日益提高.对于湘江这种通航梁桥还需考虑其通航净空要求.通过对以下几种方案的对比，综合分析每个方案的优缺点，最后对桥梁的桥型、施工方法进行对比，选定一个最佳推荐方案.2.3.1 方案一：斜拉桥斜拉桥又称斜张桥，属于组

15、合系桥梁.它的上部结构由主梁、拉索和索塔组成.斜拉桥是一种桥面体系以主梁承受轴向力（密索体系）或者承受弯矩（稀索体系）为主，支撑体系拉索受拉，索塔主要承受压力.拉索的作用是使主梁的跨径显著减小，从而大大的减小了梁内弯矩、梁体尺寸和梁体重力，使桥梁的跨域能力显著增大.斜拉桥比梁式桥跨越能力大，是适合大跨度桥梁的桥型.此方案孔径布置为64+4116+64（边端离支座中心0.75m），桥全长953.5m，桥宽13.4m，施工方法为悬臂施工法.图2.1 斜拉桥方案布置图（单位：mm）2.3.2 方案二：八跨连续梁钢筋混凝土连续梁桥构造简单、造价低廉、便于施工养护维修等优点，其具有较好的整体刚性，结构刚

16、度大、变形小、抗震性能好.较多的用在60-150m跨度的梁桥中.与简支体系相比较，连续梁可以减小跨内弯矩的绝对值、降低主梁高度，从而减少材料的用量和结构的自重.此方案孔径布置50+682+50m（边端离支座中心0.75m），桥全长593.5m，采用悬臂施工法.图2.2 八跨连续梁布置图（单位：mm）2.3.3 方案三：六跨连续梁改变连续梁桥的跨径，从而达到减少墩台的圬工量.而且改变跨径能够增大桥梁的通航净空，保证桥梁下面的正常通航.通过截面的变化，可以减少混凝土的自重，从而降低了桥梁的跨中及支座处的最大弯矩.此方案孔径布置为64+4116+64（边端离支座中心0.75m），桥全长593.5m，

17、采用悬臂施工法.图2.3 六跨连续梁布置图（单位：mm）2.3.4 方案比选本设计选用方案三.相比于方案一，本方案费用较低，工期上较短，而且连续梁造型简洁流畅，技术难度低，施工难度小.相比于方案二，六跨连续梁跨径大，满足了通航要求，而且八跨连续梁需要更多的桩基，增大了圬工量，根据湘江的地质环境，结合设计原理，宜采用此方案，即采用64+4116+64m六跨预应力混凝土梁桥.2.4 截面尺寸设计2.4.1 截面的选择本设计采用变高度箱型截面，原因如下：1）箱型截面整体性好，结构刚度大；2）箱梁的顶、底板可提供足够面积来布置预应力钢束，以承受正、负弯矩；3）箱型截面抗扭能力强；4）箱型截面能提供较大

18、的顶板翼缘悬臂，底板宽度相应较窄，可以大幅度减下部工程量；5）采用变高度是适应连续梁内力变化的需要.2.4.2 尺寸的确定1）桥面本桥的桥面宽取为13.4m，为特大型跨江桥梁.此时宜采用箱型截面，故选用单箱单室的构造断面.2）梁高主跨跨径为116m的大跨度连续梁，一般采用变高度形式，高度变化基本与内力变化相适应.梁底曲线可以采用折线、抛物线、圆曲线和正弦曲线等.本设计采用的是二次抛物线.支点梁高H1取最大跨径的（1/12-1/16）L，跨中梁高按H2=（1.5-2）H1确定，且高跨比不应小于1/25.本桥选取：H1=1/13L=8.9m；H2=1/22L=5.2m.（H1-H2）/L=9，H2

19、/L=22，满足矢跨比以及高跨比要求.3）顶板根据相关规范并参考国内已见预应力连续梁桥，0号块距墩中心3m范围内顶板开始加厚，至距中心1.5m处加厚到950mm.顶板宽度即为桥面宽度，为14.3m.4）底板0号块距墩中心3m处开始加厚，至距墩中心1.5m处加厚到1.5m.底板从合拢段至距墩中心1.5m处按二次抛物线变化.底板宽度设置为顶板宽度的一半，即6.7m.5）腹板腹板承受截面剪力和主拉应力，本梁桥腹板厚度一致按1.2m布置，在合拢段及支座处加厚腹板，具体尺寸见横隔板.6）翼缘箱梁顶部板翼缘端部厚度取200mm，根部厚度为750mm，在桥面设置1%的排水坡.7）承托及横隔板腹板和顶板相接处

20、做成1200mm400mm的承托，腹板与底板相接处采用300mm600mm的承托，以利脱模并减弱转角处的应力集中.除在0号块设置3m厚的横隔板，在边跨端部设置厚1.5m的横隔板，以及在合拢段设置0.6m的横隔板，其他部位不设置横隔板.主梁支点及跨中的横截面构造及尺寸如图2.4及2.5.图2.4 未加横隔板截面尺寸图（单位：cm）图2.5 加横隔板截面尺寸图（单位：cm）2.5 施工方法介绍目前预应力混凝土连续梁桥的施工方法有很多，常用的有支架就地浇筑施工、悬臂施工法、简支-连续施工、顶推法施工.本设计采用的是悬臂现浇施工方法.悬臂现浇施工是从已建成的桥墩顶部开始，对称逐段的沿桥跨方向向两边延伸

21、施工，并通过预应力钢筋的张拉将新建节段集合成为整体.施工过程中不需要满设支架，为了承受是施工荷载产生的不平衡弯矩，需首先将墩和梁临时固结，施工时先形成两端带悬臂的T型刚架，待合龙后才能成为连续梁，因此施工过程中存在体系转换.本设计先在桥墩完成0号段的的施工，待达到一定强度后，在0号段两端设置吊篮，浇筑混凝土，待混凝土达到一定强度后，张拉预应力钢筋，而后移动挂蓝继续下一段的悬臂浇筑.到达合龙段时，先实现2、5跨合龙，再完成3、4跨中的合龙，最后将两端进行合龙.采用悬臂施工法是考虑到以下几点原因：1，不需要大量的施工支架和大型临时设备；2不影响桥下通航、通车；3不受季节、洪水影响，不受跨数限制；4

22、桥梁施工受力状态与运营受力状态基本相近；5不需要占用很大的预制场地；6逐段浇筑，易于调整和控制梁段的位置，整体性能好，且各阶段施工属严密的重复工作，需要施工人员少.第三章 桥梁博士建模介绍及计算参数本章主要介绍运用桥梁博士3.0进行建模，以及输出部分计算参数：截面几何特性、截面钢束面积.3.1 桥梁博士建模介绍3.1.1 模型基本尺寸桥梁采用64+4116+64m布置方案，桥两端预留0.75m，支座处截面高8.9m，跨中截面高5.2m，截面采用抛物线变截面，抛物线公式为：y=0.0012x （3.1）两端至最近合龙段保持梁高5.2m不变化.其半桥模型如图3-1所示.图3.1 半桥模型图（单位：

23、mm）3.1.2 单元划分单元的划分应遵循以下三个基本原则：1）计算模型应尽量符合实际结构的构造特点和受力特点，以保证解的真实性；2）保证体系的几何不变性，特别是在错综复杂的转换过程中更应注意，同时要避免出现与实际结构受力不符的多余联结；3）在合理模型的前提下，减少不必要的结点数目，以缩短计算时间，减少后处理工作量.根据以上三点，本设计把节点划分在：关键控制截面处；结构交接点、转折点；截面突变处；不同材料不同阶段结合处；所有支承点；施工缝处；对于变截面部分，按照施工阶段划分，使其更接近实际情况.根据以上节点划分要求，本设计将整座桥梁划分为了198个单元，其前两跨节点划分如图3-2所示：图3.2

24、 第一、二跨单元划分图3.1.3 桥梁博士建模过程桥梁博士3.0具有强大的桥梁设计功能，能够进行内力位移计算，估算结构配筋面积，能够完成全桥结构的安全验算，以及计算拉索面积.本设计主要运用桥梁博士进行结构配筋估算和全桥结构安全验算.本节介绍连续梁桥的模型建立.1）启动桥梁博士3.0图3.3 桥梁博士3.0启动界面启动后进入工作界面，如图3-4图3.4桥梁博士工作界面2）创建项目点击文件-新建项目组-右击新项目组，弹出创建项目窗口，在此窗口中输入项目名称“*-5-7”（学号加日期建立），项目类型默认的为“直线桥梁设计计算”，不需要更改，点击浏览，弹出保存文件对话框，文件保存的格式为.prj，选择

25、你要保存的位置及改变文件的名字，完成项目的建立.图3.5创建项目界面（单位：mm）图3.6文件保存界面3）输入总体信息点击上述步骤的“Open”按键默认进入整体信息的设置，将工程描述改为“六跨预应力连续梁桥初步设计”，将备忘描述修改为“估算配筋”.改变计算类别为“估算结构配筋面积”，根据设计要求设置桥梁环境为“野外一般条件”，相对湿度调整为“0.7”，进行面积估算时，只考虑活载效应，故去掉计算内容中“计算收缩”和“计算徐变”前的“”，附加信息采用默认值，计算细节控制信息中，勾选桥面为竖直截面.修改规范为中铁最新规范，点击“配筋估算信息”，进入截面配筋一般信息窗口，根据设计要求，修改普通钢筋直径

26、为25，普通受力钢筋为中铁钢筋：级钢筋（20MnSi）,预应力筋采用中铁预应力筋：270K级钢绞丝（15.24），预应力损失估算为20%，估算阶段不设置截面压应力富裕量.图3.7总体信息设置界面图3.8截面配筋一般信息输入界面4）输入单元信息右击空白处或者点击数据，可以选择单元信息输入，单元信息输入界面见图3-9.按照前面单元划分的原则，逐步输入单元信息，由于设计桥梁的高度对称性，及变化的规律性，本设计采用了直线建模，然后进行截面的修改，使桥梁截面符合设计要求.图3.9单元输入界面由快速编辑器进入“直线单元编辑”，勾选4个编辑内容，就可以进行直线快速编辑，设置起点X=0，终点X=64.75，然

27、后在控制点距离起点距离填写0，点击添加，即可看到控制断面出现控制界面距离及界面拟合类型，依次添加其他控制界面，重复上述操作，本设计对第一跨进行快速编辑，设置控制界面依次为0m，11.75m，63.25m，64.75m.然后是设置编辑单元号1.23，左节点号1.23，右节点号为2.24，在分段长度里依次填写每个单元的长度.操作界面如图3.10.由于变截面采用的是抛物变化，其变化起点为8.5m，终点为63.75m，故在11.75m处选择向后抛物线，在63.25m处选择向后抛物线.图3.10直线快速编辑界面选择要编辑的控制截面，点击截面特性，进入“截面特性描述”（图3.11），图3.11截面特性描述

28、界面点击图形输入，进入“桥梁断面几何类型选择”（图3.12）.本设计采用的是铅直腹板单箱单室，双击进入“截面几何描述”（图3.13），按照截面设计尺寸输入数据.全部点击确定后，回到“输入单元信息窗口”，右击图形信息框，选择全桥单元信息，即可得到第一跨桥梁模型（如图3.15）.图3.12桥梁横断面几何类型选择界面图3.13截面几何描述截面右击图形信息框可以查看单元三维图形.图3.14 单元三维图形图3.15 第一跨单元信息图选择1单元，对其左右截面进行修改，使其变为实际中加了横隔板的实际图形，同样的方法修改其他有横隔板或截面发生变化的截面.选择图3-9中对称命令，进入单元对称操作，选择模板单元组

29、及填写节点号，以及对称轴，点击确定即可完成对称操作，重复上述过程，完成整座桥梁的模型建立.图3.16单元组对称操作至此已经完成了桥梁模型的建立，图3.16,3.17分别是全部单元外形图和全桥三维图.图3.17全桥单元图形图3.18全桥三维图形3.2 截面几何特性计算计算结构内力、挠度和应力前，首先需要计算出截面几何特性.对于简单、规则的断面可以直接解析式求得.但箱型截面形状复杂，难以用解析式求出.故计算是，将截面划分为若干规则的小块，计算出每个小块的断面特性，再叠加得到整个断面的特性.划分方法主要有：三角形法，节线法.截面形心计算方法，以42节点截面为例：将截面划分为10个规则图形进行计算，其

30、节线划分如图3.18图3.19截面节线划分图取箱型梁上边缘为基础，则截面静矩计算公式：Si=AiYi (3.2)其中：Ai表示第i块面积Yi表示第i块的形心高度表3.1 42单元截面静矩计算表分块编号面积A（m）形心高度Y（m）截面静矩S（m）分块编号面积A（m）形心高度Y（m）截面静矩S（m）12.685.113.6686-0.930.65-0.604520.5454.9752.7113757-0.180.7-0.12630.06234.9830.31044098-0.384.65-1.76741.19834.6595.58287979-0.244.61-1.1064533.37132.47582.59396810-16.1252.675-43.13438A=19.97mS=58.52m故Yx=S/A=2.93m按照上述方法可以计算得到其他各单元的截面面积，以及形心距离底边的高度，其计算结果如表3-2：表3.2 原始信息和毛截面特性左截面节点X坐标(m)截面高度H(m)截面面积A（m2）截面抗弯惯距I（m4）截面中性轴高度Yx(m)105.235.992.82.820.755.235.9