本科毕业论文---高速公路64+2×113+64m连续梁桥设计.doc

西南交通大学本科毕业设计(论文)西 南 交 通 大 学本 科 毕 业 设 计高速公路(64+2113+64)m连续梁桥设计年 级： 2010 级学 号：20100449 姓 名：樊志飞专 业：土木工程 指导老师：施 洲2014年 6月 院系 土木工程 专 业 桥梁工程 年级 2010级 姓 名 樊志飞 题目 高速公路(64+2113+64)m连续梁桥设计 指导教师 施洲 评 语 指导教师 (签章) 评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日摘 要本设计为（642113+64）m公路预应力混凝土连续梁桥设计，此桥为高速公路单室，三车道，四跨公路连续梁桥。桥面宽度为12.75m,桥底宽7m。支座处梁高为7m，跨中处为 3m，按1.6次抛物线变化；底板厚度支座处为0.8m,跨中为0.4m，厚度线性变化；腹板厚度支座处0.7m，跨中处0.4m，线性变化。桥轴线为直线，采用2%的横坡设计，不设置纵坡。设计荷载为公路级。主梁采用挂篮悬臂对称施工，边跨采用满堂支架就地浇筑施工法，合龙方案为先边合龙再中合龙。本设计主要采用桥梁博士3.0分析软件来进行结构内力分析计算，期间也用了Autocad 和Excel进行辅助设计。全桥上部结构共分为112个梁单元，定义有51个施工阶段。本设计的顺序是在CAD中画好各个截面，导入桥梁博士完成桥梁建模。并把每个毛截面的特性和内力以文本的形式输出。对荷载进行简单组合，把自重内力与移动活载内力进行组合用来初步估算纵向预应力钢筋束量。运行桥梁博士数据计算，根据估算的预应力钢筋束在桥梁博士中调束，最后以文本的形式输出桥梁的预应力损失和各个次内力的数据。最后进行运营结构验算，包括主力组合、附加力组合和抗裂组合。承载能力极限验算包括主力组合和主力+附加力组合，要确保每种组合应力不超过容许值，设计才能通过。关键词：预应力混凝土；梁桥；悬臂浇筑施工；设计；AbstractThe design for the (64 +2 113 +64) m highway prestressed concrete continuous beam bridge design , this highway bridge is a single room, three -lane , four-span continuous girder highway bridges . Deck width 12.75m, bridge bottom width 7m. Bearing beam at a height of 7m, the span at mid is 3m, by 1.6 times parabola ; the plane at back thickness at the support of 0.8m, cross for 0.4m, thickness varies linearly ; web thickness bearing at 0.7m, span at 0.4m, linear. Bridge axis is a straight line, using a 2% cross slope design, do not set the longitudinal slope . Design load for the highway - . Cradle cantilever beam with symmetrical main construction , side -situ pouring across adopt Trestle construction method , closure plan for the closure and then the first side closure .This design uses Dr. Bridges 3.0 analysis software for structural analysis and calculation of internal forces , also used during the Autocad and Excel aided design . Ministry of full bridge girder structure is divided into 112 units , there are 51 definitions construction phase .The design is in the order of the CAD drawing the various sections, the import is completed , Dr. bridge bridge modeling . And the characteristics and internal forces the output of each section of the hair in the form of text. For simple load combination , the weight of internal forces and moving live load force combined to preliminary estimates the amount of longitudinal prestressing tendons . Dr. Run bridge data calculation , based on estimates of prestressing tendons , Dr. bridge beam tuning in , the final form of text output bridge prestressing loss of secondary forces and various data . Finally, the operational structure checking, including the main mix, a combination of additional forces and crack combinations. Carrying capacity limit checking the main mix and the main and portfolio includes additional force to ensure that each combination does not exceed the allowable stress values .Than the designed can be passed.Keywords : prestressed concrete ; bridge ; cantilever casting construction ; design ;目 录 第1章 绪论11.1 预应力混凝土连续梁桥概述11.2 毕业设计的目的和意义11.3 施工工艺11.3.1 施工特点11.3.2 施工顺序21.3.3 设计流程2第2章 整体设计说明42.1 设计的基本资料42.1.1 主要技术指标42.1.2 所用材料规格42.2 截面尺寸的拟定52.2.1 梁高的拟定52.2.2 腹板总厚度的拟定52.2.3 底板厚度的拟定62.2.4 截面尺寸的最后拟定62.2.5 截面尺寸图72.3 主梁的施工分段7第3章 桥梁建模103.1 桥梁博士3.0的简介103.2 利用桥梁博士建模103.2.1输入单元信息103.2.2 输入施工阶段信息123.2.3 输入使用阶段信息13第4章 主梁结构内力计算164.1 主梁恒载内力计算164.1.1 毛截面几何特性164.1.2施工时的荷载164.1.3 所用二期恒载174.1.4 计算模型174.1.5 恒载计算结果174.2 活载内力计算结果20第5章 预应力筋的估束和布置275.1 预应力筋的估算原理275.2 预应力筋的估算275.2.1组合最不利荷载275.2.2 估算预应力钢筋295.3 预应力筋的布置355.3.1 CAD模型中钢筋图的布置355.3.2 桥梁博士模型中钢筋图的布置35第6章 预应力损失及有效预应力计算376.1 预应力损失计算原理376.1.1 管道摩阻损失计算376.1.2 锚头变形损失计算376.1.3 温差损失计算376.1.4弹性压缩损失计算386.1.5 钢筋松弛损失计算386.1.6 混凝土收缩徐变损失计算396.2 有效预应力值计算39第7章 次内力的计算437.1 收缩、徐变次内力437.2 温度次内力497.3 支座不均匀沉降引起的次内力52第8章 截面验算568.1 内力组合与截面验算568.1.1 承载能力极限状态基本组合568.1.2正常使用极限状态短期效应组合568.1.3正常使用极限状态长期效应组合578.2 承载能力极限状态下的正截面验算578.3 正常使用极限状态计算668.3.1 正常使用极限状态计算理论668.3.2使用阶段正截面抗裂验算678.4 挠度验算74第9章 主要工程数量估算769.1 混凝土用量估算769.2 预应力钢绞线用量769.3 锚具用量估算77毕业设计总结78致谢79附录81附录1 毕业实习报告81第VI页 第1章 绪论1.1 预应力混凝土连续梁桥概述由于高速公路比普通公路速度高很多，所以其设计规范比较严格。高速公路桥梁主要以桥梁刚度以及整体性为主。因为此特殊原因，高速公路桥梁的施工造价也很高。设计时也要重点考虑。当超载时，连续梁有可能发生内力重分布，提高整个两部结构的承载能力。因此连续梁桥是适合跨径介于20-300m之间的桥型，也是目前应用广泛的公路和铁路桥梁形式。本设计采用箱型截面，箱型截面具有较好的抗弯和抗扭特性。预应力混凝土连续箱梁桥受力极其复杂，其箱型截面腹板的主拉应力极其重要，如果腹板上的主拉应力超限，会使腹板出现裂缝，如果设计不当，会造成裂缝过多，进而导致桥梁跨中挠度过大，一来桥梁美观受到影响；二来对桥梁的整体刚度也有很大影响。1.2 毕业设计的目的和意义本次设计的具体内容是（642113+64）m公路预应力混凝土连续梁桥设计，桥宽为26.5m，分为两幅，设计时只考虑单幅的设计。梁体采用单箱单室箱型截面，主梁共分112个单元，单元长度分3m、3.5m、4m、5m四种，合龙段为2m。由于多跨连续刚构桥的受力特点，靠近中间支点附近承受较大的负弯矩，而跨中则承受正弯矩，则梁高采用变高度梁，按1.6次抛物线变化。本设计中主要利用的软件主要有桥梁博士、Excel编程计算、CAD软件。1.3 施工工艺1.3.1 施工特点主要部分0号块，是整个预应力混凝土连续桥梁的核心，0号块最先被浇筑，然后以0号块为操作平台，在上面安装施工器械、挂篮。然后对称浇筑1、2、3、4号块等等。由于0号块的特殊作用。其跨度一般为12m。0号块内部结构复杂，普通钢筋和预应力钢筋交错，中间需要增设刚性横隔板以传递荷载。0号块中间设有过人小洞。由于在施工过程中昼夜温差大、混凝土收缩徐变等问题导致合拢段两侧桥梁变形不一致，进而出现内力传递出现问题。1.3.2 施工顺序下面是施工顺序及所需的天数：1.0#块浇筑。由于是悬臂施工，合龙之前0#块通过固定支座固定在桥墩上（30天）2. 等0#块强度达到一定要求，进行预应力张拉（1天）3.1#块挂篮安装。（2天）4.1#块安装。（8天）5.重复前面步骤，直至合龙段前三个施工阶段开始用满堂支架施工边跨现浇段。（28天）6.继续施工，至合龙段，进行边跨合龙。（8天）7.边跨顶、底板束张拉。（2天）8.中跨合龙。（8天）9. 中跨顶、底板束张拉。（2天）10.改变约束条件。（2天）11.桥面铺装。（30天）12.收缩徐变。（1000天）1.3.3 设计流程1. 根据经验公式拟定桥梁的截面尺寸。2. 利用桥博软件建立桥梁模型，并确定施工阶段，使用阶段阶段。3. 利用桥博软件计算内力，并进行组合。按照组合情况计算配筋情况。并确定预应力筋的布置。4. 将算好的钢筋画到CAD中，并导入桥梁博士中。5. 计算预应力产生的次内力，徐变产生的次内力，温度产生的次内力，支座沉降产生的次内力。6. 进行承载力极限状态和正常使用极限状态下的强度、应力和变形验算。若验算不合格，修改截面或调整配束直至验算合格为止。7. 当一切都通过时，绘制施工图，编写计算书。 第2章 整体设计说明2.1 设计的基本资料2.1.1 主要技术指标1. 荷载标准：荷载标准直接反映桥梁通行荷载类型和承载力水平。我国的三类桥梁类型相应的荷载标准为：（1） 公路荷载：公路级、公路级；（2） 铁路荷载：铁路A级、铁路B级；（3） 城市道路荷载：城A级、城B级；（4） 人群荷载：2.54kN/m2此次毕设荷载标准值取公路级。2. 桥面宽度: 高速公路取2（0.5m防撞栏杆+11.75m车行道+1m/2中间分隔带）=25.5m其中，车行道包括：3m应急停车带+7.5m车行道+1.25m左路沿带。3. 桥面纵坡： 桥面纵坡是桥梁线形设计的重要指标。本次毕设取桥跨线路纵坡为0%，即为平坡。4. 桥面横坡：公路桥梁桥面比较宽，横坡范围为1.520%。此次毕设桥面横坡取2%。2.1.2 所用材料规格1. 主梁混凝土：本设计跨度为113m，小于200m，因此采用C50级混凝土。桥面板及栏杆混凝土：C30混凝土。桥面铺装混凝土：C40级防水混凝土。2. 预应力钢束及锚具： 主梁纵向预应力钢筋用高强度低松弛钢绞线。 此次毕设所用钢绞线为七股钢绞线，由七股的钢丝绕制而成的钢绞线，用表示。单根钢绞线公称直径15.24mm，公称断面面积为140.00mm2。其抗拉强度标准值和抗拉抗压强度设计值分别为：、。2.2 截面尺寸的拟定根据公路连续梁桥结构尺寸拟定的经验公式可以依次拟定出截面中支点梁高、中跨跨中梁高、腹板厚度t、箱室间距和顶底板厚度等。2.2.1 梁高的拟定1.中支点梁高的拟定：其中，为中支点梁高；为中跨跨径。2.中跨跨中梁高的拟定：其中，为中跨跨中梁高；为中跨跨径。 在本设计，跨中截面处梁高为3m，支座处梁高为7.0m。梁高方程为：（ 坐标原点为中跨跨中） ；2.2.2 腹板总厚度的拟定腹板总厚度的拟定：其中，为桥面总宽度（单位：m）；为主跨跨径（单位：m）。为单个腹板厚度，是为了满足构造要求。2.2.3 底板厚度的拟定顶底板厚度的拟定： 顶、底板最小厚度不小于箱室间距的和。 在本设计中墩处的底板厚取80cm，跨中底板厚取40cm，在墩与跨中间按1.6次抛物线形变化，则底板厚度的变化方程为：（ 坐标原点为中跨跨中）y40+0.000753x1.6(cm) 2.2.4 截面尺寸的最后拟定经过计算，基本确定下了截面尺寸，如表2-12-1 截面尺寸拟定取值范围 拟定尺寸（m）4.25-7.53 7（m）2.05-2.85 3箱室间距（m）不大于7 7顶板厚度（m） 不小于0.23 0.3底板厚度（m）支座处底板厚度 不小于0.23 0.8跨中底板厚度 不小于0.23 0.4桥面宽度（m）/12.752.2.5 截面尺寸图 箱梁截面尺寸如图2-1、2-2 所示：图2-1 跨中截面尺寸图 (单位：cm)图2-2 支座截面尺寸图 (单位：cm)2.3 主梁的施工分段本设计整个桥梁划分成 112个单元；从墩中心线向跨中计起：0号块12m ，6m1+3m1+3.5m3+4m4+5m4+1m=56.5m，中跨和边跨合龙段均是2m，边跨现浇段为6.5m，共354m。具体划分见图纸。各梁段截面尺寸如图2-3所示：图2-3 梁段截面尺寸图 (单位：cm)具体尺寸如表2-2所示：表2-2截面尺寸参数 截面号 X坐标(m) 截面高度h(cm) 底板厚度h2(cm) 腹板厚度b1(cm) 截面面积(mm2)10300404010.1225322.84142.9710.41310342.84345.9410.86415369.745.748.9111.43520403.849.151.8812.16624433.752.154.2612.8728468.755.656.6313.57832505.759.35914.39936545.863.361.3815.311039.5582.76763.4616.171143621.770.965.5417.11246.5663.775.167.6218.111349.5689.878.769.419.021456.5700807019.35其中第1号截面是跨中截面，而14号截面是支点处的截面。中间2号截面到13号截面是中间的截面。各梁段重量如表2-3所示:表2-3悬臂施工时各梁段重量梁段长度（m） 重量（t）梁段长度（m） 重量（t）1号块3.0 128 7号块4 1402号块 3.5 1338号块4149 3号块3.5 1399号块5138 4号块3.514710号块51465号块4125 11号块51546号块413212号块5139第3章 桥梁建模3.1 桥梁博士3.0的简介 Dr.Bridge系统可以进行数据处理、管理数据库、进行结构分析、以及打印与帮助，是一个综合桥梁结构设计与施工的计算系统。桥梁博士系统非常的精确，可以与迈达斯等工程软件相媲美，大大的节省了计算过程的繁琐。唯一缺点就是，桥梁博士是二维空间的设计，不涉及桥梁横向的结构，因此，程序是大大简单化了，但是，相应的设计出来的结果还需进行进一步优化。3.2 利用桥梁博士建模3.2.1输入单元信息桥梁博士支持多种截面输入方式，包括l1、图形输入：选择常用的或用户自定义的图形，输入其参数；2、节线输入：输入不同高度处的截面宽度；3、特殊输入：直接输入截面的各项指标；4、坐标输入：用户以坐标形式，逐点描述截面形状；5、自AutoCAD读入。本设计采用第五种方式，先把划分好的梁段左右截面图画在CAD中，根据上述表格数据，画好各个截面，保存为cad2007 dxf格式图纸，进入输入单元信息选项，右键左截面或者右截面出现如图 3-1所示，然后进而出现如图 3-2的条框，点击浏览，选择之前画好的dxf文件路径，注意准确填写单元编号、截面类型再从CAD中导入截面，图3-1桥博中导入cad图图3-2桥博中浏览选项以此操作方法可完成对桥梁的截面输入，依次把各个单元的左右截面导入桥梁博士中，然后在经过对称，得出全桥单元图，从而完成桥梁建模。如下图3-3,3-4：图3-3桥边跨单元图图3-4 1/2桥跨中单元图3.2.2 输入施工阶段信息 首先桥梁是0号块浇筑，然后在以0号块为基础浇筑其他普通梁段，整个桥总体步骤是首先浇筑0号块，其次浇筑其他普通梁段，然后是合拢段，最后铺装道砟也就是二期恒载、收缩徐变阶段。浇筑普通梁段分为为期8天的浇筑混凝土阶段、为期一天的张拉预应力钢筋阶段、为期一天的挂篮前移阶段。所以每一个梁段需要十天的工期，本桥梁共设计了51个施工阶段，具体的施工工序为：，0#块浇筑，等0#块强度达到一定要求，进行预应力张拉，1#块挂篮安装，1#块安装。重复前面步骤，直至合龙段前三个施工阶段开始用满堂支架施工边跨现浇段继续施工，至合龙段，进行边跨合龙边跨顶、底板束张拉。中跨合龙，中跨顶、底板束张拉，改变约束条件，桥面铺装，收缩徐变。二期恒载：包括铺装层和栏杆重，按30kN/m 计入。图3-3第四施工阶段图3.2.3 输入使用阶段信息1、 活载中汽车荷载为公路级。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。桥梁架构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载，涵洞桥台和挡土墙压力等的计算采用车辆荷载。2、 车道荷载横向分布系数，按设计车道数布置车辆荷载进行计算。多车道桥梁的汽车荷载应考虑折减，但折减后的效应不得小于两条设计车道的荷载效应。表3-1 横向折减系数取值横向布置设计车道数2345678横向折减系数10.780.670.60.550.520.5 本次毕设我所用车道数为3，因此横向折减系数为0.78.大跨度桥梁要考虑车道荷载纵向折减。折减系数的取值原则见表3-2。表3-2 纵向折减系数取值计算跨径L0（m）纵向折减系数计算跨径L0（m）纵向折减系数150L04000.97800L010000.94400L06000.96LO10000.93600L08000.95 本次毕设计算跨径为113m，因此纵向折减系数为0.97.3、汽车荷载包括竖向动力作用时，应将竖向静荷载乘以动力系数，其中为冲击系数。 连续梁桥基频计算： 为计算冲击力引起的正弯矩和剪力效应时使用；为计算冲击力引起的负弯矩时使用。本次毕设使用，代入各参数计算得。 冲击系数计算公式见下： 代入，可计算得，动力系数=1.1314、桥梁结构在坏境中受到的梯度温度见下图。如图所示为竖向温度梯度曲线，为桥面板表面的最高温度，当400mm时，。的取值见表。 表3-3 竖向日照正温差计算的温度基数取值结构类型T1（C)T2（C)混凝土铺装256.750mm混凝土沥青铺装206.7100mm混凝土沥青铺装145.5 此次毕设铺装层为100mm沥青混凝土，因此,.因此要输入升温温差，降温温差，按照规范取为20度，非线性温度按梯度取值，箱梁表面为10度，100mm处为6.07度，400mm处为1.35度，支座沉降为中间两个支座沉降1cm。此次毕设为高速公路，因此不计人群荷载。 最后得出桥梁整体的模型。如图3-4图3-4 全桥一半模型图第4章 主梁结构内力计算4.1 主梁恒载内力计算4.1.1 毛截面几何特性由桥梁博士可直接得到各截面的截面几何特性，如表4-1。表4-1 单元截面几何特性值截面号面积A(m2)惯性矩Ix(m4) 中性轴至梁顶Y0(m) 梁高(m)110.1213.51.333.0210.4114.821.3823.228310.8617.611.4853.428411.4321.831.6263.697512.16281.8064.038612.834.21.9694.337713.5742.482.1614.687814.3952.492.3665.057915.3164.932.5895.4581016.1777.842.7995.8271117.193.183.0216.2171218.11111.73.2626.6371319.02129.63.4676.9981419.35136.33.5417.0其中第1号截面是跨中截面，而14号截面是支点处的截面。中间2号截面到13号截面是中间的截面。4.1.2施工时的荷载本设计施工荷载的取值为：挂篮、机具、人群等施工荷载重按800kN计，或者将挂篮重量确定为最大悬浇块件重量的一半。4.1.3 所用二期恒载此外，我们还要设置二期恒载，根据高速公路相关规范，我们取二期恒载为30kN/m。4.1.4 计算模型悬臂现浇法不同施工阶段对应不同计算模型，具体参看桥梁博士程序。运营阶段计算模型如图4-1所示图4-1 桥梁博士全桥计算模型4.1.5 恒载计算结果桥梁博士可以完成所有荷载的内力计算，这里的恒载包括一期恒载和二期恒载，桥梁博士支持内力以txt文本格式进行输出，然后在excel里导入其txt。恒载作用下结构内力见下表4-1，结构内力图见图4-2。注：表中弯矩以截面下侧受拉为正，剪力与模型的局部坐标系正Z方向相同为正，与-Z方向相同为负。表4-1 恒载内力（全桥一半，另一半对称）单元节点号轴力（kN）剪力 Q(kN)弯矩 M(kNm）11-2.10E-102.06E-111.95E-1012-2.10E-101.42E+02-3.54E+01231.24E-10-2.01E+034.54E+03343.75E-10-1.44E+037.99E+03451.50E-10-8.73E+021.03E+04566.06E-11-5.90E+021.10E+0467-4.23E-10-3.07E+021.15E+0478-2.01E-101.13E+039.44E+0389-3.82E-102.61E+031.33E+02910-2.87E-104.15E+03-1.67E+041011-4.08E-105.77E+03-4.15E+041112-5.97E-107.14E+03-6.73E+041213-4.97E-108.58E+03-9.87E+041314-4.26E-101.01E+04-1.36E+051415-7.48E-101.17E+04-1.80E+051516-4.58E-101.32E+04-2.23E+051617-1.47E-101.48E+04-2.72E+051718-9.48E-111.64E+04-3.27E+0518191.76E-101.79E+04-3.78E+0519201.47E-111.84E+04-3.96E+0520211.13E-092.02E+04-4.64E+0521221.44E-092.06E+04-4.74E+0522233.48E-092.18E+04-4.95E+0523243.90E-09-2.09E+04-4.74E+052425-9.85E-09-2.04E+04-4.63E+052526-2.58E-09-1.86E+04-3.95E+0526272.63E-10-1.81E+04-3.76E+052728-2.01E-09-1.66E+04-3.24E+052829-2.00E-09-1.50E+04-2.69E+052930-1.56E-09-1.34E+04-2.19E+053031-2.33E-09-1.20E+04-1.75E+053132-2.24E-09-1.03E+04-1.30E+053233-2.25E-09-8.82E+03-9.21E+043334-2.13E-09-7.39E+03-5.97E+043435-2.26E-09-6.02E+03-3.29E+043536-2.16E-09-4.39E+03-6.89E+033637-2.26E-09-2.85E+031.12E+043738-2.30E-09-1.37E+032.17E+043839-2.19E-096.38E+012.50E+043940-2.25E-093.47E+022.48E+044041-2.08E-096.30E+022.43E+044142-2.23E-092.06E+031.76E+044243-2.20E-093.54E+033.56E+034344-2.13E-095.09E+03-1.80E+044445-2.10E-096.71E+03-4.74E+044546-2.07E-098.08E+03-7.70E+044647-2.04E-099.52E+03-1.12E+054748-2.01E-091.10E+04-1.53E+054849-2.01E-091.26E+04-2.01E+054950-1.96E-091.41E+04-2.47E+055051-1.78E-091.57E+04-3.00E+055152-1.80E-091.73E+04-3.57E+055253-1.74E-091.88E+04-4.12E+055354-1.88E-091.93E+04-4.31E+055455-1.59E-092.11E+04-5.01E+055556-1.02E-092.16E+04-5.12E+055657-1.15E-092.27E+04-5.34E+055758-4.31E-09-2.16E+04-5.12E+05在