三跨一联简支转连续桥梁设计及计-算说明书课程设计.doc

桥梁工程课程设计

三跨一联简支转连续桥梁设计及计算说明书

指导教师：
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1. 设计要求
1 连续梁桥设计要求

1.1 桥跨布置

跨径布置选取3×L(m)，梁高H =2m，桥宽B =25m。其中，L标准跨径，L =27.7m。

1.2 主要技术标准

(1)桥梁荷载标准：公路-I 级

(2)桥梁横断面：0.5m（桥侧护栏）+11.75m（车行道）+0.5m（中央分隔带护栏）+11.75m（车行道）+0.5m（桥侧护栏）。

(3)桥面横坡：1.5%

(4)设计基准期：100 年

(5)抗震设计标准

桥梁抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度峰值为0.10g，设计地震分组为第一组，反应谱特征周期为0.35s。
（6）桥梁设计安全等级：一级
（7）防撞等级：①桥侧防撞护栏等级为SS 级；②中央分隔墩防撞护栏为级。

1.3 采用的主要规范与标准

课程设计主要参考的设计规范与标准：

（1）《工程结构可靠度设计统一标准》（GB-/T50283-1999）；

（2）《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）；
（3）《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004），简称《通规》 ；
（4） 《公路圬工桥涵设计规范》 （JTG D61-2004）；
（5） 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004），简称《公 预规》 ；
（6） 《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2004）；
（7） 《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）；
（8） 《公路交通安全设施设计细则》（JTG/TD81-2006）；
（9） 《公路桥梁伸缩缝装置》（JT/T 327-2004）；
（10）《公路桥梁盆式橡胶支座》（JT 391-1999）；
（11）《预应力混凝土桥梁用塑料波纹管》（JT/T 529-2004）；
（12）《工程建设标准强制性条文公路工程部分》建设部2002；
（13）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）。

2. 结构布置与尺寸拟定
2.1.桥型确定
根据要求，桥为三跨一联连续梁桥，跨径为3×27.7m，在满足要求的前提下，为了便于设计与施工，主梁采用等截面箱梁。箱梁由于顶板和地板面积均较大，能抵抗连续梁桥的正负弯矩；箱形截面闭合，具有较好的抵抗扭矩的性能；另外，箱梁整体性能好，截面效率指标高，故本设计采用箱梁，主梁选用单箱单室箱梁。

2.2.桥垮结构设计
跨径设计：采用三等跨设计，每单跨标准跨径为 27.7m。完成体系转换后，中跨计算跨径即为 27.7m，边跨计算跨径理论为 27.2m，计算中仍以 27.7m 计算；预制的主梁施工初期安装在临时支座上，预制箱梁梁长 27.7m，中墩临时支座中心线距桥墩中心线0.5m，施工阶段简支梁计算跨径为 26.7m。如图：

体系转换前桥跨结构计算简图

成桥后桥垮结构计算简图

2.3 桥面布置与构造：

车道布置：分车道布置，采用分离式主梁。

桥面横坡：采用坡度为 1.5%的单向路拱设计。
桥面铺装：由下向上分别布置 8cm 厚 C40 钢筋混凝土调平层、10cm 厚沥青混凝土桥面铺装。

护栏：车道右侧采用RC防撞护栏，左侧采用钢护栏。

2.4 横断面设计：

2.4.1 桥宽设计：

设计道路等级为公路 I 级，根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）要求，单车道宽度选定为 3.75m，右侧路肩宽度选定为 0.5m，则桥面行车道净宽为 11.75m。 左右两侧护栏宽度分别为左 0.5m，中央分隔带护栏宽为0.5m。
考虑钢筋混凝土箱梁肋间距通常不宜超过 2.5-3.0m，横截面选用四个等截面单室主梁。

2.4.2 主梁尺寸设计
底板：对于连续梁跨中箱型截面，底板厚度一般为20-25厘米，不应小于板净跨 径的1/30，且不应小于200毫米，故跨中取20厘米；对于支点处截面一 般 为梁高的1/10-1/12，取支点处底板厚度为32厘米。
腹板：腹板厚度不应小于14厘米。有预应力束管道布设通过时采用20-30厘米， 有预应力束锚固时采用35厘米左右，参考已有桥梁取支点截面，腹板厚 度为32厘米，跨中截面腹板厚度为20厘米。
顶板：连续梁顶板截面18-20厘米，不应小于板净跨径的1/30,且不小于200毫 米，取20厘米。

2.4.3 横隔梁布置
在每跨的支点和跨中处设置横隔梁，中横隔梁厚度为20厘米，端横隔梁厚度为35厘米。

2.5 施工工序
（1） 预制主梁，养生后张拉正弯矩区预应力钢束；
（2） 设置临时支座并安装好永久支座，逐孔架设箱梁，连接桥面板钢筋及横 隔板钢筋；
（3） 连接连续接头段钢筋，帮扎横梁钢筋，浇筑连续接头中横梁及负弯矩区 桥面板；
（4）浇筑剩余桥面板湿接缝，拆除临时支座，完成简支到连续的体系转换

3 内力计算
3.1 计算阶段

根据施工方法，该桥内力计算分为以下阶段计算： （1）施工阶段——简支梁状况

临时支座工作，计算跨径：中跨 l=26.7m ；边跨 l=26.7m ；箱型截面梁翼缘有效宽度：依据《公预规》4.2.3 条计算边跨及中跨边、中梁的跨中和支点截面都取实际宽度作为有效宽度。
（2）使用阶段——连续梁状况

完成体系转换，使用永久支座，计算跨径：中跨 l=27.7m ；边跨 l=27.2m 同样依据《公预规》4.2.3 条，经计算边跨及中跨边、中梁的跨中和支点截面都取实际宽度作为有效宽度。

3.2 截面几何特性计算：
本设计主梁截面变化不大，取跨中截面作为特征界面，使用Midas计算使用阶段的相关截面的几何特性。

截面位置
面积（）
抗弯惯性矩（）
抗扭惯性矩（）
形心（距上边缘）（）
抗弯惯性比
形心（距下边缘）（）
预制中梁
跨中
15250
70443276
84303346
83
1.2
117
支点
20451
84696532
98385460
89
111
预制边梁
跨中
16525
76245754
84776646
77
1.2
123
支点
21726
91656796
98744011
84
116
成桥中梁
跨中
17250
79843572
84682577
74
1.2
126
支点
22451
96026402
98625165
82
118
成桥边梁
跨中
17525
80546353
84892261
73
1.2
127
支点
22726
96951002
98915509
81
119

中跨梁中与支点截面的惯性矩之比为1.2<2.根据《公预规》，不考虑截面惯性矩变化的影响，以等惯性矩梁计算分析，全跨均取跨中截面几何特性。

3.3 恒活载换算
3.3.1 荷载条件
一期恒载即结构自重：预应力混凝土容重和钢筋混凝土容重均为。二期恒载：主梁横隔板，湿接缝等均采用C50混凝土，重度为，调平层采用C40混凝土，重度为，沥青混凝土铺装，重度为，RC防撞护栏计算荷载为15kN/m，钢护栏计算荷载为8kN/m；活载等级：公路一级。
3.3.2 恒载计算
由施工过程克制结构恒载是分阶段形成的，主要包括：预制箱梁一期恒载集度 ，成桥后箱梁一期恒载集度 ，二恒恒载集度 。以中跨中梁为例，并将二期恒载均摊。预制箱梁一期恒载集度 计算：
横截面面积按各截面的加权平均值计算，预制箱梁平均截面面积为：

再有：
（1） 成桥后箱梁一期恒载集度计算

则有：
（2）成桥后二期恒载集度g2计算：
沥青混凝土面层：
C40水泥混凝土调平层：
RC防撞护栏：
钢护栏：
则有：
合计：
3.3.3 活载大小及冲击系数计算
汽车活载按规范查得：均布荷载
集中活载：
基频计算：

冲击系数：
用于正弯矩效应和剪力效应：
用于负弯矩效应：
3.4 行车道板内力计算：
在下面内力计算中均按照《公路桥涵设计通用规范》（ JTG D60-2004） 规定的车辆标准荷载进行最不利载位布载。 由于桥面净宽为11.75m，由规范可知设计道数为 3道。对于行车道板下面只进行使用阶段内力计算。
3.4.1 边梁悬臂板内力
（1） 恒载及其产生的内力
恒载计算：
沥青混凝土面层：
混凝土防水层：
箱形边梁翼缘板自重：
防撞护栏：
合计：
恒载内力：
弯矩：
剪力：
（说明：为边缘翼板长，为防撞护栏简化为集中力的作用点到悬臂根部距离）
（2） 活载（汽车）荷载产生的内力
按照标准车辆荷载横向分布按照最不利布载如图：

可判断在最不利位置时车轮仍不在悬臂板上， 故不计入内力计算中。
（3） 荷载组合
恒+汽：
弯矩：
剪力：
3.4.2 单向板内力计算
通过标准横断面图可知桥面板存在单一箱梁内两腹板间单向板和两相邻箱梁间的单向板两种， 现在选用两箱梁间的单向板进行控制计算。
（1） 单向板有效工作宽度：
单向板厚度，跨度 ，主梁梁肋厚度， 则单向
板计算跨径 ， 铺装层厚度 ，汽车车荷载冲击系数 取 0.3。
由《 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（ JTG D60-2004） 中对单向板的荷载有效分布宽度要求， 求得：
跨中有效宽度：
支撑处有效宽度：
沿横向分布边长：
（2） 恒载及其产生的内力
由 2.1.1 中的计算可知每延米上的恒载，则有：
跨中弯矩：
支点剪力：
（3） 车辆荷载产生内力
分别按照最不利载位布置车轮荷载，可得：
跨中弯矩：
支点剪力：

（4） 荷载组合
恒+汽：M0=3.77+23.34=27.11KN*m
Q0=7.86+54.75=62.61 KN
由于
则设计内力为：
跨中弯矩：
支点弯矩：
支点剪力：
3.6 活载横向分布系数计算
由于主梁间采用湿接，并有可靠的横梁，所以采用修正偏心压力法计算连续梁跨中截面处的横向分布系数； 采用杠杆原理法计算支点截面处的横向分布系数。将变截面梁偏安全地使用跨中截面作为等截面进行计算。
3.6.1 跨中截面处横向分布系数
采用考虑主梁抗扭刚度的修正偏心压力法：

其中
为与主梁片数有关的系数，取。对于等截面三跨连续梁中跨刚度修正系数Cw中=1.818 、边跨刚度修正系数Cw边=1.429。

（1） 边跨梁：
1#梁：

2#梁：

1#梁活载横向分布系数计算（可作出其影响线）：

2#梁活载横向分布系数计算

（2） 中跨梁：
1#梁：

2#梁：

1#梁活载横向分布系数计算（可作出其影响线）：

2#梁活载横向分布系数计算

3.6.2 支点截面处横向分布系数
采用杠杆法求支点截面处横向分布系数， 对于边跨与中跨并无区别。 按照 1#、 2#梁的影响线分别进行最不利布载，

1#梁活载横向分布系数
2#梁活载横向分布系数
综合上述结果，列结构横向分布系数如下表：

截面位置
跨中
支点
边跨
1#
0.774
1.125
2#
0.659
1.127
中跨
1#
0.814
1.125
2#
0.666
1.127

3.7 使用阶段主梁内力计算
参考《公路桥涵设计手册——基本资料》，根据控制截面内力影响线进行最不利布载，由《基本资料》中的影响线参数表求控制截面内力，进而绘制出整个桥垮结构的内力图。（控制界面分别为边支点截面1，边跨跨中截面2，中支点截面3，中跨跨中截面4.）

3.7.1 结构重力恒载内力
前面已经求出主梁恒载集度为80.99kN/m,进行全跨布置，由控制截面内力影响线求控制截面内力。

结果如下表

特征截面
弯矩kN*m
剪力kN
反力kN
左边跨
0
0
894.13
894.13
2
4627.12
-223.53

中跨
3左
-1400.88
-1341.19
2458.86
3右
1117.66
4
1542.37
0

3.7.2 汽车活载内力
汽车活载按规范查得均布荷载，集中荷载：

结果如下

特征截面
弯矩kN*m
剪力
反力kN*m
max
min
max
min
max
min
左边跨
1
0
0
793.69
-39.16
733.69
-39.16
2
2120.49
-495.89
27.99
-55.62

中跨
3左
300.56
-1714.42
4.49
-166.41
1134.82
-72.38
3右
958.78
-199.73
4
1858.11
-684.78
53.61
-166.41

3.7.3 温差作用效应计算
根据《通规》 4.3.10 规定，混凝土上部结构的竖向日照反温差=正温差*（ -0.5），
梁高大于 300mm， A 选为 300mm。桥面采用 10cm 沥青混凝土和8cm C40的水泥混凝土调平层，整体升温20℃，查《通规》表 3.3.10-3，升温：T1=14℃, T2=5.5℃，降温：T1=-7℃,T2=-2.75℃.
三跨连续梁为超静定结构，温差作用效应由温度自内力和温度次内力组成，下面分别计算：
（1)温度自应力：
参考《公预规》附录B计算：

其中：为混凝土线膨胀系数，取0.00001
为混凝土弹性模量，取
为单元面积
为单元面积重心至换算截面中性轴的距离
为单元面积内温差平均值
计算结果如下表：

面积/cm2
t
e/cm
Nt/KN
Mt/KN*m
1
3400
9.75
69.8
1144
-798
2
2714
4.76
60.81
446
-271
3
686
3.40
53.24
81
-43
4
961
1.39
43.50
46
-20

1714
-1132

(2） 温度次内力
使用力法解温度次内力，将中间支座处弯矩约束解除，成三段简支梁的基本结构。
列力法方程为:

因为结构、荷载均对称，故有X1=X2
,,
解得：X1=X2=1360kN*m
温度次内力为：
温度应力为: ， 具体各截面剪力及弯矩温差作用计算结果见下表

特征截面
弯矩kN*m
剪力kN
max
min
max
min
边跨
1
566
-1132
37.5
-18.7
2
226
-452
39.5
-18.7
中跨
3左
228
-114
39.5
-18.7
3右
0
0
4
228
-114
0
0

3.7.4 基础沉降内力计算
基础不均匀沉降使得超静定连续梁产生次内力，因此当桥建在非岩石地基上时， 必须计入次内力的影响。相邻墩台沉降差为 l/3000cm，采用位移法计算支座沉降，计算时分别取左侧边支座，中支座分别沉降 1.0cm，然后组合。

（1） 边支座沉降：
位移法方程：

其中：

又有：，，则
解得：,。根据

（2） 中边支座沉降：
位移法方程：

其中：

又有：，，则
解得：,。
根据

综上，整理由支座位移引起的桥跨结构内力最大值最小值汇总如下：

控制截面
弯矩
剪力

max
min
max
min
边跨
1
0
0
17.2
-7.6
2
311.5
-138
17.2
-7.6
中跨
3左
623
-276
17.2
-7.6
3右
9.4
-18.0
4
103.5
-104
9.4
-18.0

3.8 使用阶段主梁内力计算
根据《通规》中的规定，对桥梁内力进行承载能力极限状态和正常使用的短期、长期效应组合：
（1）荷载组合Ⅰ：承载能力极限状态组合。

其中，桥梁重要性系数；一二期结果重力载分项系数，基础变位分项系数;汽车荷载效应分项系数；温度效应分项系数，其组合系数
（2） 正常使用极限状态----短期效应组合

其中，汽车荷载作用效应的频遇值系数（不计冲击力），温度梯度作用效应频遇值系数
（3） 正常使用极限状态----长期效应组合

其中，汽车荷载作用效应的频遇值系数（不计冲击力），温度梯度作用效应频遇值系数。计算表如下：

1
894.1
-223.5
4627.1
2458.9
-1341.2
1117.7
-1400.9
0.0
1542.4
2
max
793.7
28.0
2120.5
1134.8
4.5
958.8
300.6
53.6
1858.1
min
-39.2
-55.6
-495.9
-72.4
-166.4
-199.7
-1714.4
-166.4
-684.8
3
max
37.5
39.5
226.0
37.5
39.5
0.0
228.0
0.0
228.0
min
-18.7
-18.7
-452.0
-18.7
-18.7
0.0
-114.0
0.0
-114.0
4
max
17.2
17.2
311.5
17.0
17.2
9.4
623.0
9.4
104.0
min
-7.6
-7.6
-138.0
-35.2
-7.6
-18.0
-276.0
-18.0
-104.0
承载能力极限状态
5
max
8.6
8.6
155.8
8.5
8.6
4.7
311.5
4.7
52.0
min
-3.8
-3.8
-69.0
-17.6
-3.8
-9.0
-138.0
-9.0
-52.0
6
max
1081.5
-259.6
5708.3
2959.2
-1600.8
1345.9
-1369.6
4.7
1902.9
min
1069.1
-272.0
5483.5
2933.1
-1613.2
1332.2
-1819.1
-9.0
1798.9
7
max
1111.2
39.2
2968.7
1588.7
6.3
1342.3
420.8
75.0
2601.3
min
-54.9
-77.8
-694.3
-101.4
-233.0
-279.6
-2400.2
-233.0
-958.7
8
max
52.5
55.3
316.4
52.5
55.3
0.0
319.3
0.0
319.3
min
-26.2
-26.2
-632.8
-26.2
-26.2
0.0
-159.6
0.0
-159.6
9
max
2458.2
-193.8
9823.1
5048.9
-1705.3
2957.0
-762.7
87.7
5235.6
min
1092.6
-407.8
4711.3
3091.8
-2053.9
1157.9
-4781.7
-266.2
783.8
10
max
596.8
21.1
1594.4
853.2
3.4
720.9
226.0
40.3
1397.1
min
-29.5
-41.8
-372.9
-54.4
-125.1
-150.2
-1289.0
-125.1
-514.9
正常使用极限状态
短期效应
11
max
417.8
14.8
1116.1
597.2
2.4
504.6
158.2
28.2
978.0
min
-20.7
-29.3
-261.0
-38.1
-87.6
-105.1
-902.3
-87.6
-360.4
12
max
30.0
31.6
180.8
30.0
31.6
0.0
182.4
0.0
182.4
min
-15.0
-15.0
-361.6
-15.0
-15.0
0.0
-91.2
0.0
-91.2
13
max
1529.3
-213.2
7005.2
3586.4
-1566.8
1850.5
-1029.0
32.9
3063.3
min
1033.4
-316.3
4860.9
2880.0
-1715.8
1227.1
-2812.6
-96.6
1347.3
长期效应
14
max
238.7
8.4
637.8
341.3
1.4
288.4
90.4
16.1
558.8
min
-11.8
-16.7
-149.2
-21.8
-50.4
-60.1
-515.6
-50.0
-206.0
15
max
1350.2
-219.6
6526.9
3330.5
-1567.8
1634.3
-1096.8
20.8
2644.1
min
1042.2
-303.7
4972.7
2896.3
-1678.6
1272.1
-2425.9
-59.0
1501.7

3.9内力包络图
由所求控制截面内力组合设计表绘制弯矩、剪力包络图如下：