公路预应力混凝土双薄壁墩连续刚构桥设计.docx
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公路预应力混凝土双薄壁墩连续刚构桥设计
摘要
随着国家经济的迅速发展,桥梁建设也得到了飞速发展。
连续刚构桥山于建设费用低、对周围交通环境影响小以及预应力混凝土技术的发展而得到了大力发展。
它的主要优点是:
外形尺寸小,桥下净空大,桥下视野开阔,混凝土用量少,结构刚度好等。
本设计为107.5m+190m+107.5m公路预应力混凝土双薄壁墩连续刚构桥,全桥分为左右两幅,每幅全长405m,宽为11.5m。
横截面釆用单箱单室变截面箱梁,最大梁高为12m,位于中墩根部,最小梁高为4.0m,位于跨中,其间梁高按二次抛物线变化;主梁腹板厚度按二次抛物线变化从70cm过渡到35cm;底板厚度最厚处为110cm,最薄处为30cm,也按二次抛物线变化;顶板厚度为18cm保持不变。
桥面设计为:
0.5m栏杆+2X3.75m车行道+3.0m应急车道+0.5m栏杆=11.5m。
设计荷载标准为公路I级。
桥面纵坡釆用平坡设计,横坡坡度为2%o桥轴平面线性为直线。
主梁施工主要釆用悬臂施工法。
本设计主要通过MIDASCIVIL软件来建立相应的模型,然后进行受力分析,并通过正截面抗弯、抗剪和裂缝宽度等来检验和修改所设计的模型。
分析的主要内容有:
恒载、活载内力计算,各施工阶段内力计算,温度荷载、支座不均匀沉降、预应力引起的次内力计算及承载力极限与正常使用极限状态的讣算等。
最后进行了主要工程量的计算。
桥梁结构设计完成,绘制了桥梁结构的主要构造图(立面、平面、横断面和阶段划分图),分阶段预应力钢筋布置图(各施工阶段预应力布置,包括纵向立面,平面和各个断面布置),施工程序图等。
关键词:
连续刚构桥;悬臂施工法;内力计算;受力验算
Abstract
Withtherapiddevelopmentofnationaleconomy,theconstnjctionofbridgeshasbeenmakingremarkableprogress.Becauseoflowcostandlittleinfluencetothenearbytrafficenvironmentaswellasthedevelopmentofpre-stressedreinforceconcrete,thecontinuousrigidframehasdevelopedquickly.It'smainadvantagesarehavingsmallsize,largeclearanceandwideviewunderthebeamjessuseofconcrete.andgoodstiucturalstiffness・
Thedesignisahighwaypre-stressedconcretethin-walledpiercontinuousrigidframebridge,whosespanis107.5m+190+107.5m.Itis405mlonghand11.5mwide.Whendesignedthebridge.thesinglecellboxsectionwaschosenasitscrosssection.Itsmaximumbeamheightis12monthepiers,andtheminimumis4matthemiddleofthemainspan.Betweenthem.thechangeoftheheightisaccordingtotheparabola.Thedepthofthewebandbottomplateofthemainspanischangingfrom70cmto35cmand110cmto30cm,alsoaccordingtotheparabola.Thedepthofthetopplateremains30cm・Thedesignofthedeckis0.25mfence+2x3.75mmaincarriageway+3.5memergencelane.ItsloadstandardisIclassofhighway.Thedesignofthelongitudinalslopeisflatandthecrossslopeis2%.Thecantileverconstructionmethodisadoptedtoconstructthemaingirder.
ThemodelofthedesignismainlybuiltthroughtheMIDASCIVIL.Afterthat,themodelwillbeanalysedandfigureitoutthatifthemodelisrightaccordingtothetestofflexural,shearandcrackwidth.Theloadanalysismainlyincludesthecalculationoftheconcretegrosssectionproperties^theinnerforceproducedbydeadandliveload,andtheforceproducedduringtheconstruction・Inaddition,thecalculationofotherinnerforcecausedbythetemperature.theunevensubsidenceofthebearing.andthepre-stressedreinforce.Finallyjtwillcalculatethemainamountofconstructionwork・
Afterfinishingbuildingthemodel,someblueprintswillbedrawnjncludingthemainstructuredrawings(includingelevation,flat,crosssectionanddifferentstagesofconstruction),thelayoutofpre-stressedreinforcementofdifferentconstructionstages(includingthelayoutofpre-stressedreinforcementofdifferentconstiuctionstagesandthelayoutofelevation,flatandcrosssection),andtheconstructionprocedures.
KeyWords:
Continuousrigidframebridge;Cantileverconstiuctionmethod;Internalforcecalculation;Theprovementofforceanalysis.
第一章绪论1
1.1设计过程1
1.2受力和构造特点2
第二章概论4
2.1设计依据及设计资料4
2.1.1主要设计指标4
2.1.2材料规格4
2.1.3设计依据5
2.2桥梁结构总体布置及截面尺寸5
2.2.1桥梁基本结构5
2.2.2截面尺寸拟定5
2.3单元划分及施工方法6
2.3.1单元划分6
2.3.2施工方法6
第三章主梁内力计算8
3.1桥梁电算8
3.1.1单元划分8
3.1.2施工顺序8
3.2所用材料数据9
3.2.1材料特性值9
3.2.2二期恒载9
3.3恒载内力计算10
3.4活载内力17
第四章预应力钢束的估束与布置22
4.1预应力的估束22
4.1.1计算原理22
4.1.2按承载能力极限状态计算配束22
4.1.3按正常使用状态计算23
4.1.4预应力筋的估算25
4.2预应力钢束的布置28
第五章截面特性计算30
5.1毛截面儿何特性30
5.2净截面儿何特性计算31
5.2.1净截面面积31
5.2.2净截面形心的确定31
5.2.3净截面惯性矩计算31
5.3换算截面特性计算31
5.3.1换算截面面积31
5.3.2换算截面形心的确定31
5.3.3惯性矩计算31
5.4计算结果31
第六章预应力损失计算33
6.1预应力钢束与管道之间摩擦损失33
6.2锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩损失33
6.3混凝土弹性压缩损失34
6.4钢束松驰引起的应力损失34
6.5混凝土收缩和徐变引起的预应力损失35
6.6有效预应力值35
第七章次内力的计算39
7.1预应力钢束引起的次内力39
7.2基础不均匀沉降引起的次内力43
7.3收缩徐变引起的次内力47
7.4温度次内力计算55
7.5内力组合63
7.5.1承载能力极限状态下内力组合63
7.5.2正常使用极限状态下内力组合67
7.5.3弹性阶段截面应力计算时的荷载组合68
第八章截面验算77
8.1承载能力极限状态77
8.1.1主梁正截面强度验算77
8.2正截面抗裂验算81
8.3预应力混凝土构件应力验算82
8.3.1使用阶段正截面压应力验算82
8.3.2使用阶段斜截面主压应力验算84
8.3.3施工阶段正截面法向应力验算85
8.3.4受拉区钢筋的拉应力验算88
8.4刚度验算90
8.4.1中跨变形验算90
8.4.2边跨变形验算90
第九章主要工程数量91
9.1混凝土用量91
9.2钢束用量92
总结错误!
未定义书签。
致谢95
参考文献95
附录错误!
未定义书签。
第一章绪论
毕业设计是本科培养的重要环节,是专业基础课和基础相关理论课进行结合应用的过程。
通过该环节可以培养综合运用所学基本理论、基本知识的能力,是对本科阶段学习成果的一个系统检阅;同时这一环节也是培养独立分析解决问题的能力以及创新能力的重要手段。
在此次设计中,不仅可以掌握应用软件进行建模,而且还对作图、外文阅读等能力进行了加固。
1.1设计过程
预应力混凝土连续钢构桥作为中等、大跨度桥梁选择方案之一,III于建设费用低、技术成熟度高和对周圉交通环境影响小等原因,近年来在我国桥梁建设中得到了大力发展。
连续刚构桥最重要的特点是墩梁固结,这使得它不仅继承了连续梁桥的结构受力性能好、伸缩缝少、行车平顺舒适、变形和养护工程量小、造型简洁美观等的优点,还节省了支座,提高了桥梁承受水平荷载和抗震性能的能力,从而成了当前最具竞争力的主要桥型选择。
预应力混凝土连续钢构桥的一般设计步骤:
(1)查阅完工的设计图纸并结合有关公式,拟定结构儿何尺寸,确定材料种类,釆用相关软件模拟施工步骤,计算结构的恒载内力、活载内力相加并增大15%,按正常使用极限状态和承载能力极限状态工况组合进行运算,再根据结果和计算公式进行钢筋估束;
(2)将恒载内力、活载内力相加并增大15%,按正常使用极限状态和承载能力极限状态工况组合进行运算;
(3)根据两种组合状态,分别按正常使用和承载能力进行钢束总面积的佔算,再根据单根钢束的面积估算出各截面的钢束总数量,根据规范及相关经验布置钢束位置,再次模拟施工,此时考虑预应力的作用,计算结构恒载内力;
(4)重新讣算各种荷载作用下的内力包括预应力和温度支座等引起的次内力,进行正常使用极限状态和承载能力极限状态组合;
(5)根据组合结果,进行截面强度验算、使用阶段的应力验算和变形验算;
(6)各项验算均满足要求,则设计通过。
若某项验算通不过,调整钢束数量、位置或者修改截面尺寸,重复(3)-(5)步骤,直到各项验算均通过为止。
预应力混凝土连续刚构桥的设讣过程一般包含两次正常使用和承载能力状态的组合。
第一次组合用于估算钢束总量,使用的截面都是毛截面,且没有考虑次内力和施工荷载等,所以计•算得到的钢筋束数是不准确的,只能作参考。
鉴于预加应力对混凝土的收缩徐变有较大的影响,因此估算钢束总量时,对混凝土的收缩徐变不加于考虑。
第二次状态组合是考虑预加应力和混凝土收缩徐变影响后,结构真实状态下的内力组合,用于各项验算。
预应力混凝土连续钢构桥主要采用悬臂施工和满堂支架施工。
在釆用支架浇筑好墩和零号块之后,对其两侧主梁采用对称悬臂施工;在施工到合龙段时,桥台处的主梁用满堂支架浇筑,然后进行边跨和中跨的合龙。
在整个施工过程中,涉及到了体系转化问题。
合龙前是静定结构,合龙后转化成了超静定结构。
在施工阶段,静力体系也在不断变化,因为其中涉及到挂篮的移动和预应力的张拉等。
因此在建立模型时,应该准确模拟各个施工阶段,这反映在边界条件的定义,单元荷载和湿重的激活与钝化上。
桥梁恒荷载是山各个施工阶段叠加而成的,显然不同的施工方法得到恒载是不一样的;而活载和支座沉降等是成桥之后才加上去的,和施工方法无关。
为了保证桥梁的施工安全和使用的耐久性,进行设计时,必须计算出每个受力阶段在各种荷载组合作用下的内力,和其产生的应力和变形。
变截面的连续刚构体系使得次内力讣算变得很复杂,故在计算次内力的时候借助电算进行一些偏于安全的简算是必要的。
1.2受力和构造特点
刚构桥是桥跨结构和墩台整体相连的结构,山于两者之间是刚性连接,在竖向荷载作用下,将在主梁端部(墩台处)产生负弯矩,因而可以减少跨中的正弯矩,跨中截面尺寸也相应的得以减少。
刚构桥在竖向荷载的作用下,墩顶处除了承受压力外,还承受弯矩。
支柱一般也用混凝土构件做成,其在竖向荷载作用下,一般都会产生水平推力。
刚构桥大多是超静定结构形式,故混凝土收缩、温度变化、墩台不均匀沉降和预应力等因素都会在结构中产生附加内力。
在施工过程中,当结构体系发生转变时,徐变也会引起附加内力。
有时,这些附加内力有时可占整个内力相当大部分。
钢构桥的桥面构造和梁式桥没区别很小。
主梁截面形状与梁桥相同。
主梁在纵方向的变化可做成等截面、等高变截面和变高度三种。
特定情况下,还可以把主梁做成儿种不同的截面型式,以适应内力的变化和方便施工。
例如,主梁跨中段做成肋式,支承段做成箱形。
对小跨度宜采用等高度主梁,以利施工。
变高度主梁的底缘形状可以是:
曲线形、折线形、曲线加直线等,这主要应根据主梁内力的分布情况,按等强度原则选定。
在下缘转折处,为保证底板的刚度,一般均宜设置横隔墙。
支柱有薄壁式和立柱式。
立柱式中乂可分为多柱和单柱。
多柱式的柱顶通常都用横梁连接,形成横向框架,以承受侧向作用力。
当立柱较高时,尚应在其中部用横撑将各柱连接起来。
当桥梁很高时,为了增加其横向刚度,还可以做成斜向立柱。
支柱的横截面可以做成实体矩形、I字形或箱形等。
对于单柱式,其截面要与主梁截面相配合,腹板要尽可能与主梁腹板布置一致,以利传力。
第二章概论
2.1设计依据及设计资料
2.1.1主要设计指标
(1)公路等级:
四车道高速公路
(2)孔跨布置:
107.5m+190m+107.5m公路预应力混凝土双薄壁墩连续刚构桥;
(3)设计荷载:
公路一I级(不考虑人群荷载);
(4)桥面宽度:
(半幅)2x0.5m防撞墩+7.5m车行道+3m应急车道,总宽11.5m,单向2车道;
(5)桥面坡度:
纵向坡度0%,横坡双向2%o
(6)桥轴平面线型:
直线。
(7)桥面铺装:
8cm的C50杜拉纤维混凝土+10cm的SMA沥青混凝土
(8)通航要求:
无
2.1.2材料规格
(1)梁体混凝土:
C50级混凝土;
(2)桥面铺装及栏杆混凝土:
C50杜拉纤维混凝土,SMA沥青混凝土;
(3)预应力钢筋及锚具:
主梁纵向预应力钢筋采用19-315.24级高强度低松弛钢束(1-415.24公称断面面积为140.00mm2),R[=1860MPa,Rv=1488MPa。
预应力锚具参照有关的产品规格选取YM15-19:
对应波纹管直径(内径)为"100mm(外径比内径大7mm)。
顶板横向预应力钢束均采用3-415.24的钢束,用YJBM15-3扁锚体系锚固,采用一端张拉方式,预应力张拉端与锚固端沿桥轴线方向交义布置。
0号梁段上横隔板采用JL32精扎螺纹钢筋,其锚具采用YJM32,釆用一端张拉。
竖向预应力采用JL32精扎螺纹钢筋精扎螺纹钢筋,采用一端张拉,其锚具采用YJM32。
(4)普通钢筋:
受力主钢筋用HRB400("=12-28),=33OMPa,fad=33OMPa;非受力钢筋用HRB335((l>=8-20),佥=280MPa,fad=280MPao
2.1.3设计依据
(1)《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)
(2)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)
(3)《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》(JTJ022-85)
2.2桥梁结构总体布置及截面尺寸
2.2.1桥梁基本结构
本设计为三跨变截面连续刚构桥,结构如图2-1
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图2-1三跨连续钢构桥
2.2.2截面尺寸拟定
1.梁高尺寸拟定
(1)支座处梁高:
根据相关资料查得,中支点梁高H文与中跨跨度L中之比为H中=(1/15-1/25)L中。
中跨跨度为190m,故可取中支点梁高为12m。
(2)中跨跨中梁高:
根据相关资料查得,中跨跨中梁高H中与中跨跨度L中之比为H(1/40-1/50)L中;中跨跨度为190m,故取中跨跨中梁高为4.0m。
(3)变截面处梁高:
从支座处梁高到跨中梁高按二次抛物线变化:
其中,桥面不变,梁底是二次曲线变化。
2.横截面尺寸拟定
本设计中,只设计半幅桥。
其中每幅为单箱单室箱梁截面,梁底宽6.8m,两边的悬臂部分分别长2.35m。
(1)底板、顶板厚度
箱梁根部底板厚度:
一般约为墩顶粱高的1/10-1/12,取110cm。
箱梁跨中底板厚度:
一般为20~35cm,取30cmo
箱梁顶板厚度:
取18cm。
(2)箱梁腹板厚度
桥墩处取70cm,跨中处取35cm,从跨中到桥墩处腹板厚度连续变化。
3.桥墩尺寸拟定
通常情况下,连续刚构桥适用于大跨高墩桥,且桥墩采用柔性薄壁墩,故本设计选用双薄壁墩。
薄壁墩宽度一般为0.2~0.3H,薄壁墩中心距在8~12m之间。
本设计釆用2m宽的双薄壁墩,中心距为8mo
4.其余细部具体尺寸见图纸
2.3单元划分及施工方法
2.3.1单元划分
整个桥梁划分成128个单元,其中,主梁上部结构有124个单元,双薄壁墩有4个单元;从双薄壁墩中心线向跨中算起:
6+8X3+8X3.5+X4+l=95m,中跨和边跨合拢段均是是2m,边跨满堂支架现浇段为11.5m,共405m。
2.3.2施工方法
1、施工方案:
本设计上部结构采用悬臂浇注施工和满堂支架就地浇注施工。
2、施工顺序:
首先浇筑桥墩,然后再墩上架设支架浇筑0#块;待0#块达到强度要求后开始组装挂篮,然后进行悬臂施工,逐段浇筑梁块并张拉预应力钢筋;边跨支座处釆用满堂支架浇筑,最后进行边跨和跨中的合龙。
3、挂篮的形式、自重和承载能力。
新浇注的混凝土的自重是通过挂篮作用在已安装梁体上的,挂篮的形式决定了其力学计算图式;挂篮的自重对桥梁受力特别是施工状态的受力有影响;挂篮的承载能力决定了每一梁段的最大重量。
4、箱梁施工节段的划分,考虑以下因素:
1)挂篮的承载能力和抗倾覆稳定性。
可拟取单边挂篮集中荷载800kN~1200kN,节段划分长度不宜超过5m;
2)对大跨径预应力混凝土连续刚构桥,一般顶板钢束釆用大吨位预应力群锚体系,集中锚固腹板承托上;
3)梁段不宜过短,应满足预应力管道弯曲半径和最小直线段的要求;
4)梁段划分的规格尽量少,以利于施工。
边跨11.5米釆用满堂支架就地浇注施
工。
第三章主梁内力计算
3.1桥梁电算
主梁内力计算在整个设计过程中至关重要。
主梁内力计算结果决定随后设计工作的展开,计算的正确性直接决定本次设计的成败。
然而,主梁内力计算乂是一个非常复杂的环节。
本次设计的变截面连续刚构桥,手算已经已经不可能达到计算要求的精确度。
本次设计釆用是MIDASCIVIL有限元分析软件,进行结构内力计算。
3.1.1单元划分
结构的离散化是有限元分析的一个重要环节,通常是将完整的结构模型划分成有限个单元进行研究。
理论上,单元划分得越细汁算结果越精确,但是这样的话,在计算机中实现就越复杂。
所以在保证一定计算精度的前提下,把结构模型划分成尽量少的单元。
为了建模计•算的简单,本次设计计算单元即是施工单元,所以单元的划分不仅要考虑内力的分析需要,而且要考虑具体的施工步骤。
本设计采用挂篮悬臂现浇施工法,单元的划分需要考虑挂篮最大的悬臂长度、挂篮的最大起重能力。
为了保证所釆用挂篮的经济合理性,每个单元的重量尽量保持一致。
山于本次设计采用的是自重loot的挂篮,最大的起重能力是2500RN,最大的悬臂长度是5m,所以划分的单元长度在支座根部附近釆用3m,在跨中附近釆用本次设计采用划分了128个单元,其中124个梁单元和4个桥墩单元。
3.1.2施工顺序
本设计•将该桥的施工阶段划分为29的阶段。
桥墩和0#块直接在单元中加上。
臂施工段,考虑实际的施工情况将一个单元的施工过程分为七个施工步骤,可以简化成三个施工阶段:
第一个阶段包括移动承重架、安装挂篮、绑扎钢筋(用时7天);第二阶段是浇注混凝土(用时1天)、混凝土养护(用时4天);第三个阶段包括张拉预应力钢筋(用时1天)和波纹管压浆。
25个悬臂施工单元共计29个施工阶段,第26阶段采用满堂支架浇注边跨支座段和边跨合拢,笫27阶段边跨合拢钢束张拉,第28阶段中跨合拢,第29阶段中跨合拢钢束张拉,第29阶段桥面铺装加载二期恒载。
3.2所用材料数据
3.2.1材料特性值
(1)上部结构
C50混凝土:
查JTGD62-2004第3.1.3-3」・5条规范,可得
表3-1C50混凝土参数
轴心抗压强度/MPa
轴心抗拉强度/MPa
弹性模量/MPa
容重/kN/m5
标准值/b
设计值/氣
标准值/仁
设计值/f“
Ee
26.0
32.4
22.4
2.65
1.83
34500
(2)下部结构
表3-2C40混凝土参数
轴心抗压强度/MPa
轴心抗拉强度/MPa
弹性模量/MPa
容重/kN/nf
标准值/fck
设计值/fed
标准值/fik
设计值/fid
1;
26.0
26.8
1&4
2.40
1.65
32500
(3)C50混凝土铺装层:
查JTGD60-2004第421条规范,可得,
容重
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