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.doc

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 I目 录目 录I1.概况21.1 计算依据、标准和规范21.2 计算理论和方法的选择及说明31.3 计算软件名称及版本31.4 计算参数和计算荷载工况32.施工阶段结构内力和强度分析52.1 结构内力52.2 混凝土应力62,3 钢束应力62.4 强度安全系数62.5 抗裂安全系数72.6 小结73 运营阶段结构内力和强度分析93.1 主梁内力93.2 混凝土应力133.3 钢束应力153.4 强度安全系数153.5 抗裂安全系数173.6 小结174 结构变形分析184.1 竖向挠度184.2 横向挠度184.3 梁端转角184.4 墩顶位移194.5 预拱度204.6 小结205 下部结构检算215.1 桥墩检算215.2 承台检算215.3 桩基础检算216 结构动力特性分析261.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（g/cm3）粘聚力c (kPa)内摩擦角()基本承 载力(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1.91818180/0.3601:11:1.25(2)碎石土（Q4dl+el）稍密2.2/45250/0.41201:11:1.25(3)卵石土（Q4al+pl）松散中密2.2/50300/0.41401:11:1.25(4)砂岩泥岩、泥质砂岩（T1f2）W32.2/35300/0.35901:0.751:1W22.4/45450/0.45/51:0.51:0.75(5)砂岩泥岩、泥质砂岩夹灰岩（T1f1）W32.2/40300/0.41001:0.751:1W22.4/50500/0.5/51:0.51:0.75(6)灰岩（P2c）W32.2/50400/0.51601:0.51:0.75W22.6/60700/0.612.01:0.31:0.5工程技术标准：（1）铁路等级：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：IV类 设计采用的规范标准：(1)铁路桥涵设计基本规范（TB 10002.1-2005）(2)铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范 (TB 10002.3-2005)(3)铁路桥涵地基和基础设计规范 (TB 10002.5-2005)(4)铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范 (TB 10002.4-2005)(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2003439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2003205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/Civil 7.4.1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15.2mm钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95105MPa，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con0.7fpk=1302MPa(不包括锚圈口摩擦损失)。（3） 塑料波纹管孔道摩阻系数0.15，孔道偏差系数K0.001；金属波纹管孔道摩阻系数0.35，孔道偏差系数K0.003；锚具变形与钢束回缩值（一端）L6mm。 （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/（L0.5-0.2）-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312.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：con =p1 +L 0.75fpk con 预应力钢筋在锚下的控制应力(Mpa)； p1 预应力钢筋中的有效预应力(Mpa)；L 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 fPAPfSASpaAPfSASfcbx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x1800mm（底板厚度）跨中截面：根据公式 fPAPfSASpaAPfSASfcbx得出，应按宽度为的矩形截面计算。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：Kfcfct对于受弯，大偏心受拉或大偏心受压构件：Kfcfct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；c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)；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)1-1.230.02-0.262-141.4-7481.2-139.193-3373.7-4606.297112.194-356.37-5368.69293.915-86.15-4455.5416619.156-54.14-2707.0427362.217-19.16-958.632863.62822.181372.732037.61946.954033.521231.091042.266727.88-284.7711139452.07-32639.3712-45.7912222.2-75985.8813-132.8215048.15-130532.0314-261.4817940.02-196525.8615-399.3120908.81-274259.0816-580.9123964.94-364065.317-1187.5127103.1-466299.5718-1250.1330043.89-580755.0319-1326.7133247.53-707504.7820-1373.0536282.37-829348.0421-2430.5439494.78-962189.9222-2601.7142515.77-1106160.423-2749.845231.25-1238202.8224-2892.248067.19-1378595.4925-3021.5851027.38-1527705.0726-3178.8954112.78-1685902.3527-3344.5257327.98-1853575.1228-4292.8159490.84-1970810.1929-42.68-2134.04-533.6230-76.11-2302.32-1439.833117.51-2303.47-1440.553242.68-2134.04-533.6233-8248.9160660.14-2040813.6734-7198.1758557.01-1921088.7735-6904.455350.46-1749687.8536-6625.1452273.04-1587737.5737-6378.7149318.98-1434858.5438-6123.6446490.14-1290665.1539-5867.6843782.18-1154796.440-5576.240770.01-1006337.4141-4336.7537641.21-868621.3242-4149.234611.48-74199543-3948.631410.99-609777.6144-3772.9428472.55-489847.7745-3043.8425385.31-381787.7946-2735.9122346.42-286228.4447-2470.1919392.29-202680.8348-2231.3616514.82-130814.4949-2023.5313702.16-70341.9650-1846.9210944.57-21005.2851-1697.658230.7317368.1752-1579.225545.9744938.7153-1488.372893.6361836.9854-1430.65567.6668646.7255-1418.99-15.1668935.8656-1418.9915.1668935.8657-1407.32597.9768625.9558-1371.872924.3961682.0659-1356.455578.2444660.6160-1367.558265.616960.7561-1424.510986.65-21553.4162-1495.2713745.71-71049.3463-1592.9216564.28-131701.8464-1710.2319448.9-203773.6965-1869.2422411-287555.4166-2047.3125459.74-383385.4667-2630.7528574.02-491696.9468-2688.8231517.13-612052.7969-2761.3734723.07-744704.470-2827.5537757.9-871723.4771-3940.3140933.76-1009801.8672-4111.0643955.2-1158838.3973-4258.6546671.21-1295225.7374-4400.2349508-1439963.4575-4568.7152467.15-1593416.376-4701.5355554.65-1755963.9577-485158771.32-1927987.3278-5818.8460914.59-2048129.6879-42.68-2134.04-533.6280-76.11-2302.32-1439.838117.51-2303.47-1440.558242.68-2134.04-533.6283-6664.6759238.95-1964166.384-5631.257115.68-1847344.8785-5353.5153908.05-1680288.3486-5095.950829.09-1522682.0387-4808.3447880.44-1374139.6188-4552.4645052.49-1234284.7789-429642345.09-1102754.4490-4004.139333.36-959353.7891-2803.8336167.64-826877.292-2620.733139.09-705430.0693-2420.2529940.64-579117.7494-2240.1127004.82-465080.5595-1524.9223890.33-363094.4896-1222.4120843.76-273557.2297-967.1617882.72-196059.7998-732.5514997.78-130271.2599-532.7812177.56-75906.47100-363.459411.99-32721.82101-225.446691.14-515.73102-113.453999.0920862.41103-31.971339.4331535.4110419.83-991.6532222.710554.8-2740.126625.7210693.2-4488.4715777.85107-141.92-5411.618387.09108-3211.66-4760.586128.65109158.15-7513.96-1167.66110-19.78-0.45-0.12图3-2 ZK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c0.5fc主力加附加力组合作用时c0.55fc式中c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（N1N7）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/mm2)弹性变形损失 (N/mm2)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/mm2)松弛损失 (N/mm2)应力(扣除全部损失)/ 应力(扣除短期损失)1132.3309-45.81330.9595-66.4006-28.30830.87591134.9329-43.72020.9615-64.616-28.37330.87951134.93293.31861.0029-3.1287-28.37330.97521136.8813.2311.0028-3.2206-28.4220.9751136.8819.99111.0088-9.0075-28.4220.97591142.06158.84051.0077-9.615-28.55150.97431136.8819.98311.0088-9.003-28.4220.97591142.06158.8431.0077-9.6247-28.55150.97431134.93293.33011.0029-3.1131-28.37330.97521136.8813.22021.0028-3.2354-28.4220.9751132.3309-45.49320.9598-66.2865-28.30830.87631134.9329-43.10920.962-64.2955-28.37330.8804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 fPAPfSASpaAPfSASfcbx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x1800mm（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 fPAPfSASpaAPfSASfcbx得出，应按宽度为的矩形截面计算。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数义满足规范要求。4 结构变形分析4.1 竖向挠度计算得到在2线ZK荷载，中跨跨中位移2.94 cm，挠跨比：2.94/12800=1/4353；边跨跨中最大位移0.87cm，挠跨比：0.87/6800=1/7816；4.2 横向挠度计算得到在横向摇摆力+横向风载+温度荷载作用下，中跨跨中横向位移0.4 4cm，挠跨比：0.44/12800=1/29000；边跨跨中最大位移0.35cm，挠跨比：0.35/6800=1/19428；4.3 梁端转角4.3.1 梁端竖向转角计算得到2线ZK荷载作用下，梁端竖向转角0.64。5.3.2 梁端水平折角计算得到摇摆力+风+温度荷载作用下，梁端水平转角0.03。4.4 墩顶位移计算得到2线ZK荷载+列车制动力+纵向风力作用下，中间主墩最大纵向位移1.61cm。4.5 预拱度悬臂施工预应力混凝土连续刚构桥的预拱度计算需要考虑施工预抛高、徐变收缩、温度、结构体系转换活载等影响产生的挠度计算值，其中施工预抛高的确定在很大程度上是根据设计经验确定，结构的预拱度在施工图设计阶段给出。4.6 小结结构的位移反映了结构的刚度，由以上位移及挠度数据可以看出，结构的刚度满足规范的要求。5 下部结构检算5.1 桥墩检算计算考虑的荷载有：恒载：包括上部桥跨载自重、二期恒载、桥墩自重、基础变位的影响，其中边墩基础变位影响仅使桥墩产生位移；列车荷载：ZK活载，考虑列车竖向动力作用，竖向荷载动力系数为：1+（1.44/（L0.5-0.2）-0.18）1,取1。制动力或牵引力：制动力或牵引力按列车竖向荷载的10计算，当与离心力或列车竖向动力作用同时计算时，取列车竖向静荷载的7；风力：包括纵向风力、横向风力（墩、梁及列车所受横向风力），列车受风面积按3m高长方带计算，其作用点在轨顶上2m高处，基本风压1500kP。该桥为直线桥，不考虑列车离心力。荷载组合：恒活，取最不利的荷载组合进行桥墩的检算。由模型得出主墩应力状态如下：由上图可知：应力满足要求。5.2 承台检算承台尺寸的确定一方面需要满足桩基布置的要求，另一方面需要满足采用刚性角的要求。经验证，满足规范要求。5.3 桩基础检算3#墩桩基计算：1、作用于承台中心底部的荷载作用于承台中心底部的荷载可由桥墩检算的Midas计算模型提取。N(kN)My(kN.m)Py(kN)Mx(kN.m)Px(kN)荷载组合146366.6007703.855.7主力146291.200730362.4主力+纵向附力146366.60038958.9591.1主力+横向附力2 . 墩顶位移* 控制荷载: 主力 dY = 0.240(cm) dY= 4.123(cm) dY dY, 墩顶位移不控制 ! 3 . 单桩承载力 * 荷载组合: 主力 P =%14230.7578125 (kN) P=%27331.85546875 (kN) P P * 荷载组合: 主力+横向附加力 P =%14947.4306640625 (kN) P=%32798.2265625 (kN) P P 4 . 桩侧土压力 * 荷载组合 : 主力+横向附加力 max= 6.51(kPa) Yo= 2 (m) = 176.42(kPa) max 5 .桩身配筋及检算 * 荷载组合 : 主力+横向附加力 控制截面 : y= 0 (m) 1) 最大弯矩与最大轴向力组合: 计算截面弯矩 M= 86.30(kN.m) 计算截面轴向力 N= 13926.41(kN) 截面半径 r= 1 (m) 环形截面内半径 ro= 0 (m) 杆件计算长度 lo= 9.30(m) 钢筋中心至截面外缘的保护层厚度 a=0.080(m) 钢筋直径 = 20 (mm) 钢筋种类 GX: 级钢筋 混凝土强度等级 HB: C 30 规范规定之最小配筋率 Umin= 0.1500% 弯矩增大系数 =1.012 考虑弯矩增大系数后之偏心距 eo=0.006(m) ( 小偏心 ) 钢筋根数 Gn= 30 砼最大压应力 h= 4.423(MPa) 砼偏心受压时之容许压应力 h= 14.560(MPa) 钢筋最大压应力 gi= 44.142(MPa) 钢筋最大拉应力(小偏心时最小压应力)gl= 42.185(MPa) 钢筋容许应力 a= 230.000(MPa) 实际全截面配筋率 u=0.00300 考虑纵向挠曲稳定的砼最大压应力 w= 4.243(MPa) 砼中心受压时之容许压应力 a= 11.700(MPa) 2) 最大弯矩与最小轴向力组合: 计算截面弯矩 M= 86.30(kN.m) 计算截面轴向力 N= 12147.69(kN) 截面半径 r= 1 (m) 环形截面内半径 ro= 0 (m) 杆件计算长度 lo= 9.30(m) 钢筋中心至截面外缘的保护层厚度 a=0.080(m) 钢筋直径 = 20 (mm) 钢筋种类 GX: 级钢筋 混凝土强度等级 HB: C 30 规范规定之最小配筋率 Umin= 0.1500% 弯矩增大系数 =1.011 考虑弯矩增大系数后之偏心距 eo=0.007(m) ( 小偏心 ) 钢筋根数 Gn= 30 砼最大压应力 h= 3.871(MPa) 砼偏心受压时之容许压应力 h= 14.560(MPa) 钢筋最大压应力 gi= 38.628(MPa) 钢筋最大拉应力(小偏心时最小压应力)gl= 36.674(MPa) 钢筋容许应力 a= 230.000(MPa) 实际全截面配筋率 u=0.00300 考虑纵向挠曲稳定的砼最大压应力 w= 3.701(MPa) 砼中心受压时之容许压应力 a= 11.700(MPa) 6 . 工程数量 桩身的全部钢筋混凝土数量 Vz =490.090(m3)4#主墩桩基计算：1、作用于承台中心底部的荷载作用于承台中心底部的荷载可由桥墩检算的Midas计算模型提取。N(kN)My(kN.m)Py(kN)Mx(kN.m)Px(kN)荷载组合292845.8415023.510096.114432.793.2主力292764.1387103.49649.519450.839.4主力+纵向附力292845.8415023.510096.1118307.81325.3主力+横向附力2 . 墩顶位移 * 控制荷载: 主力+纵向附加力 dY = 1.253(cm) dY= 4.796(cm) dY dY, 墩顶位移不控制 ! 3 . 单桩承载力 * 荷载组合: 主力 P =44420.29296875 (kN) P=75319.6796875 (kN) P P * 荷载组合: 主力+纵向附加力 P =46336.9609375 (kN) P=90383.6171875 (kN) P P 4 . 桩侧土压力 * 荷载组合 : 主力+纵向附加力 max= 22.14(kPa) Yo= 5 (m) = 173.38(kPa) max 5 .桩身配筋及检算 * 荷载组合 : 主力+纵向附加力 控制截面 : y= 0 (m) 1) 最大弯矩与最大轴向力组合: 计算截面弯矩 M= 3591.55(kN.m) 计算截面轴向力 N= 38159.00(kN) 截面半径 r= 1.75 (m) 环形截面内半径 ro= 0 (m) 杆件计算长度 lo= 11.72(m) 钢筋中心至截面外缘的保护层厚度 a=0.