730m公路预应力混凝土连续梁桥上部结构设计[个人本科毕业设计].doc

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1、目 录第1章概述11.1 设计资料11.1.1 设计资料及构造布置11.1.2 施工方法21.1.3 设计依据21.2 设计特点2第2章 桥梁结构总体布置42.1 立面布置42.2 截面布置42.2.1 截面形式42.2.2 主梁跨中截面主要尺寸拟定42.2.3 主梁间距和主梁片数52.2.4 横截面沿跨长的变化62.2.5 横隔梁的设置62.2.6 主梁尺寸计算7第3章 结构内力计算123.1 主梁内力计算123.1.1 预制主梁自重（第一期恒载）123.1.2第二期恒载133.2 活载内力计算143.2.1 活载冲击系数143.2.2 车道折减系数143.2.3 计算活载内力19第4章 预

2、应力钢束估算及其布置244.1预应力钢束的估算244.1.1钢绞线及锚具244.1.2 跨中截面的钢束估算与确定244.1.3 支点截面所需抵抗负弯矩的上部预应力钢束的估算结合确定254.2 预应力钢束的布置264.2.1 连续梁预应力钢束的配置原则264.2.2 跨中截面钢束布置274.2.3 锚固截面的钢束布置274.2.4 钢束起弯角和线形的确定284.3 钢束计算294.3.1钢束起弯点到跨中截面的距离计算294.3.2 控制截面的钢束重心位置计算294.3.3 钢束长度计算31第5章 计算主梁截面几何特性335.1 截面面积及惯矩计算335.1.1 净截面几何特性计算335.1.2

3、换算截面几何特性计算335.2 各阶段截面对重心轴的静矩计算36第6章 次内力的计算43第7章 钢筋预应力损失计算457.1 预应力钢筋与管道壁之间的摩擦：457.2 由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失（考虑反摩擦）：467.3 混凝土的弹性压缩损失：487.4 由预应力钢筋松弛引起的应力损失：497.5 混凝土的收缩和徐变引起的损失：50第8章 主梁截面强度与应力验算538.1 持久状况承载能力极限状态计算538.1.1 正截面抗弯承载能力验算538.1.2 斜截面抗弯强度验算598.1.3 斜截面抗剪承载力验算598.1.4 局部承压验算648.2 持久状态正常使用极限状态计算

4、668.2.1 抗裂验算668.2.2 挠度验算748.3 持久状况构件的应力计算768.3.1 受压区混凝土最大压应力和受拉区预应力钢筋最大拉应力验算768.3.2 混凝土的主压应力验算83第9章 行车道板计算859.1 悬臂板荷载效应计算859.1.1 恒载效应859.1.2 活载效应879.2 连续板荷载计算889.2.1 恒载效应889.2.2 活载效应909.2.3 荷载组合929.3 截面设计配筋与强度验算92致 谢94参考文献95附 录 196附 录2102第1章概述1.1 设计资料题目：730m公路预应力混凝土连续梁桥上部结构设计1.1.1 设计资料及构造布置1. 设计资料桥孔

5、布置形式：7-30=210m标准跨径：30m；梁长：29.90m；计算跨径：29.20m桥宽：为分离式 左右幅均为12.25m 净11.25m设计荷载：公路级2. 材料(1).上部T梁C50混凝土：弹性模量容重25kN/m3 15.24低松弛钢绞线：弹性模量张拉控制应力、其他钢材(2).护拦：C30钢筋混凝土(3).桥面层：C40钢筋混凝土沥青混凝土沥青容重23kN/m33. 工艺按后张法工艺制作主梁。1.1.2 施工方法上部结构施工方案采用（负弯矩筋）的方法， 预制简支连续施工程序：预制简支，分支进行预制安装，预制时按预制简支梁的受力状态进行第一次预应力筋（正弯矩筋）的张拉锚固，安装完成后经

6、调整位置，浇筑墩顶接头处混凝土，更换支座，进行第二次预应力筋（负弯矩筋）的张拉锚固，进而完成一联预应力混凝土连续梁的施工。1.1.3 设计依据1.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JDG D602004）以下简称桥规人民交通出版社20042.公路桥涵设计通用规范（JDG D602004）以下简称通规人民交通出版社20043.桥梁工程姚玲森主编人民交通出版社19854.结构设计原理叶见曙主编人民交通出版社19965.桥梁施工及组织管理以下简称桥施黄绳武主编人民交通出版社6.预应力混凝土连续梁桥设计以下简称预混连桥徐岳主编人民交通出版社1.2 设计特点简支转连续是桥梁施工中较为常见的一种方

7、法，一般先架设预制主梁，形成简支梁状态；进而再将主梁再墩顶连成整体，最终形成连续梁体系。该施工方法的主要特点是施工方法简单可行，施工质量可靠，实现了桥梁施工的工厂化、标准化和装配化。概括地讲，简支转连续施工法是采用简支梁地施工工艺，却可达到建造连续梁桥地目的。目前随着高等公路地发展，为改善桥梁行车地舒适性，简支转连续梁桥再中、小跨径地连续梁桥中得到了广泛地应用。简支转连续梁桥中由简支状态转换为连续梁状态地常见方法有下列几种：1 将主梁内的普通钢筋再墩顶连续；2 将主梁内的纵向预应力钢束再墩顶采用特殊的连接器进行连接；3 在墩顶两侧一定范围内的主梁上部布设局部预应力短束来实现连接。第一种方法虽然

8、简单易行，但常在墩顶负弯矩区内发生横向裂缝，影响桥梁的正常使用。第二种方法效果最好，但是施工很困难，故一般不采用。第三种方法不仅施工可行，而且具有方法二的优点，同时又克服了仅有普通钢筋连续的开裂问题。所以一般简支转连续梁桥多采用墩顶短束和普通钢筋连续这样的构造处理来实现简支转连续。由于简支转连续梁桥在施工过程中常存在体系转换，那么必须依据具体的施工过程来分析结构的受力。施工的第一阶段是形成简支梁，此阶段主梁承受一期恒载自重产生的内力及在简支梁上施加的预应力；第二阶段首先浇筑墩顶连续段混凝土，待混凝土达到要求的强度后张拉墩顶负弯矩束（局部短束），最终形成连续梁。连续梁成桥状态主要承受二期恒载、活

9、载、温度、支座沉降产生的内力及其负弯矩束的预应力、预加力的二次矩、徐变二次矩等.由上面的分析可知,简支转连续梁桥跨中正弯矩要比现浇一次落架大,而支点的负弯矩要比现浇一次落架小。因此，在主梁内要配置足够数量的正弯矩束筋，以满足连续梁状态的承载要求和简支状态下承受结构自重和施工荷载的需要。简支转连续梁桥施工程序对结构内力也有一定影响。目前施工有两种方法：（1）先将每片简支梁转换为连续梁后，在进行横向整体化；（2）先将简支梁横向整体化，在进行结构的体系转换。前者按平面结构进行计算分析较为合理；而后者体系转换后已属空间结构，要进行较为精确分析，比较复杂。本设计采用的是第一种方法。第2章 桥梁结构总体布

10、置2.1 立面布置 在预应力混凝土连续梁桥的设计中，连续梁体系的选择、主跨大小、分跨或跨径组合、主梁高度、横截面形式和主要尺寸的拟定等问题是方案设计的关键所在。桥型方案的确定，不但要考虑其实用、合理性，而且要满足经济和美观的要求。在大型桥梁工程中，往往个别联跨的桥型及尺寸拟定要服从整体布局的要求。本设计为彭水武隆高速公路桥其中的冲溪沟1号右线大桥，其设计孔为：30+30+30+30+30+30+30m。设计桥段左右两侧与主梁相连需分别预留5cm的伸缩缝。按全桥纵断面布置，本桥段桥面纵坡为-2.8%，桥面横坡为2.5%。2.2 截面布置2.2.1 截面形式采用的是T形截面，此种截面用料省，模板安

11、装、拆除方便，支座受力均匀。桥面横坡：设为双向排水，以支座高度控制桥面铺装：铺设15的混凝土2.2.2 主梁跨中截面主要尺寸拟定1. 主梁高度预应力混凝土连续桥的主梁高度与其跨径之比通常在 之间。当建筑高度不受限制时，增大梁高往往是较经济的方案，因为增大梁高可节省预应力钢束用量，同时梁高加大一般只是腹板加高，而混凝土用量增加不多。综上所述，对于30m跨径的连续梁桥取用180cm的主梁高度是比较合适的。2. 主梁截面细部尺寸 如图21图21 主梁各截面细部尺寸（单位：cm）T梁翼板的厚度主要取决于桥面板承受车轮局部荷载的要求，还应考虑能否满足主梁受弯时上翼板受压的强度要求。根据桥规9.3.3规定

12、本设计预制T梁的翼板厚度取用16cm，翼板根部加厚到30cm以抵抗翼缘根部较大的弯矩。为使翼板与腹板连接和顺，在截面转角处设置圆角，以减小局部力和便于脱模。在预应力混凝土梁中腹板内因主拉应力甚小，腹板厚度一般由布置制孔管的构造决定，同时从腹板本身的稳定条件出发，腹板厚度不宜小于其高度的。本设计的T梁腹板厚度取20cm。马蹄尺寸基本由布置预应力钢束的需要确定的，设计实践表明，马蹄面积占截面总面积的1020为合适。初拟马蹄宽度48cm，高度26cm。马蹄与腹板交接处做成斜坡的折线钝角，以减小局部应力。2.2.3 主梁间距和主梁片数 主梁间距通常应随梁高与跨径的增大而加宽为经济，同时加宽翼板对提高主

13、梁截面效率指标很有效，故在许可条件下应适当加宽T梁翼板。但标准设计主要为配合各种桥面宽度，使桥梁尺寸标准化而采用统一的主梁间距。交通部公路桥涵标准图中，钢筋混凝土和预应力混凝土装配式简支T形梁跨径30m，为减少下部结构工作量，主梁间距均为2.5m (留60cm工作缝，T梁上翼缘宽度为190cm) 边梁悬臂长度为1.125m，采用5片T梁。考虑人行道适当挑当，附20.50m的桥宽则选用五片主梁（如下图22所示）。图22 结构尺寸图 (单位:cm)2.2.4 横截面沿跨长的变化如图22 所示，本设计主梁采用等高度形式，横截面的T玲翼板厚度沿跨长不变，马蹄部分为配合钢束弯起而从四分点开始向支点逐渐抬

14、高。梁端部区段由于锚头集中力的作用而引起较大的局部应力，也由于布置锚具的需要，在梁端一定的范围内将腹板加厚到与马蹄同宽，变化截面（腹板开始加厚处）到支点的距离为3m，中间还设有0.3m的腹板加厚过渡段2.2.5 横隔梁的设置 模型试验结果表明（参见同济大学路桥教研组公路桥梁荷载横向分布计算第五章），在荷载作用处的主梁弯矩横向分布，当该处有内横隔梁时它比较均匀，否则直接在荷载作用下的主梁弯矩很大。为减小对主梁设计起主要控制作用的跨中弯矩，在跨中设置一道中横隔梁；当跨度较大时，四分点处也宜设置内横隔梁。本设计每跨在桥跨中点两个四分点及梁端共设置五道横隔梁，其间距为7.3m。横隔梁采用开洞形式，为便

15、脱模工作，做成上宽下窄，上缘厚16cm ，下缘厚14cm，平均厚度为15cm。2.2.6 主梁尺寸计算根据拟定的主梁尺寸计算出毛截面（净截面）面积及几何特性。主梁跨中截面的几何特性计算见表21和表22，截面分块见如图23图2-3 截面分块图(单位:cm)表21边梁跨中截面几何特性表分面积编号名称截面各分面积Ai分面积型心至上缘距离Yi分面积对上缘的一次静距Si分面积自身惯距Idi=Ys-Yi分面积对截面型心轴惯距Ii大毛截面1上翼缘380083040081066.66751.920767102439112上承托58820.6712153.966402.66739.250767905886.14

16、3梁肋2760852346004380120-25.079231735951.54下三角196149.33329269.2682134.222-89.412231566931.35马蹄124816720841670304-107.0792143095218592514839.234540027.628762201Ys=59.920767I=33302228小毛截面1上翼缘332082656070826.66754.993001100404442上承托58820.6712153.966402.66742.32300110532473梁肋2760852346004380120-22.0071336

17、6904下三角196149.33329269.2682134.222-86.341461100.75马蹄124816720841670304-104.007135001858112510999.234529787.627391667Ys=62.993001I=31921454表22 中梁跨中截面几何特性分面积编号名称截面各分面积Ai分面积型心至上缘距离Yi分面积对上缘的一次静距分面积自身惯距Iodi=Ys-Yi分面积对截面型心轴惯距Ii大毛截面1上翼缘 400083200085333.3350.739676102980592上承托 58820.6712153.966402.66738.0696

18、76852188.523梁肋2760852346004380120-26.260321903308.84下三角196149.33329269.2682134.222-90.593321608601.55马蹄 124816720841670304-108.2603146269328792516439.234544294.229289089Ys=58.739676I=33833383小毛截面1上翼缘 304082432064853.33356.9590439862771.22上承托 58820.6712153.966402.66744.2890431153373.43梁肋2760852346004

19、380120-20.040961108526.24下三角196149.33329269.2682134.222-84.373961395317.15马蹄 124816720841670304-102.041129946217832508759.234523814.226514609Ys=64.959043I=31038423表23 主梁变化点截面的几何特性分面积编号名称截面各分面积Ai分面积型心至上缘距离Yi分面积对上缘的一次静距分面积自身惯距Iodi=Ys-Yi分面积对截面型心轴惯距Ii大毛截面1上翼缘400083200085333.3358.452707136668762上承托58820.

20、6712153.966402.66745.7827071232481.13梁肋1960651274001568653.31.45270664136.29884下三角196109.33321429.2682134.222-42.88029360389.035马蹄31681474656961149984-80.54729205535619912658679.232812507.535817443Ys=66.452707I=38629951小毛截面1上翼缘304082432064853.33364.721093127340132上承托58820.6712153.966402.66752.051093

21、15930783梁肋1960651274001568653.37.7210934116845.954下三角196109.33321429.2682134.222-36.61191262724.615马蹄31681474656961149984-74.27891174789848952650999.232792027.632185645Ys=72.721093I=34977672表24 主梁临时支点截面的几何特性分面积编号名称截面各分面积Ai分面积型心至上缘距离Yi分面积对上缘的一次静距分面积自身惯距Iodi=Ys-Yi分面积对截面型心轴惯距Ii大毛截面1上翼缘400083200085333.3

22、358.630525137501542上承托261.3333319.111114994.371264.724847.519415590115.433梁肋78729877145617643776-31.369477746394.112133.333808450.371773037422086663Ys=66.630525I=39817037小毛截面1上翼缘304082432064853.33363.667993123229842上承托261.3333319.111114994.371264.724852.556883721861.693梁肋78729877145617643776-26.3320

23、1545824511173.333800770.371770989418503091Ys=71.667993I=36212985第3章 结构内力计算3.1 主梁内力计算3.1.1 预制主梁自重（第一期恒载）按跨中截面计算主梁每延米的自重由于马蹄抬高形成四个横置的三棱柱，折算成恒载集度为 由于梁端腹板加宽所增加的重力折算成线荷载 横隔梁折算成每延米的重量。 中间横隔梁的体积为：端横隔梁的体积为边梁的横隔梁折算成线荷载中梁的横隔梁折算成线荷载第一期恒载及预制梁的恒载集度为3.1.2第二期恒载 现浇T梁翼缘板恒载集度 现浇横隔梁恒载集度铺装层恒载集度若将桥面铺装均摊给5片主梁护栏恒载集度若将两侧护栏

24、均摊给5片主梁则二期恒载集度为 各号梁各期恒载集度见下表3-1表31 各号梁各期恒载集度一期恒载集度二期恒载集度122.901316.5434222.748817.5563322.748817.55633.2 活载内力计算3.2.1 活载冲击系数冲击系数可以按下式计算 通规432第5条 当对于连续梁桥：计算冲击力引起的正弯矩效 应和剪力效应时，采用 计算冲击力引起的负弯矩效应时采用式中 结构的计算跨径本设计 （m） E结构材料的弹性模量 结构跨中截面的惯矩 结构跨中的单位长度质量，当换算成G结构跨中处沿米结构重力 重力计算时，其单位应为 g重力加速度，3.2.2 车道折减系数根据通规表4.3.

25、1-4 因为有三个车道，所以横向折减系数为0.78 1. 计算主梁的荷载横向分布系数跨中的荷载横向分布系数一段桥跨内设有三道横隔梁，具有可靠的横向联结，且承重结构的长宽比为所以可以按修正的刚性横梁法绘制横向影响线和计算横向分布系数(1). 计算主梁抗扭惯矩对于T形梁截面，抗扭惯矩可近似按下式计算 相应为单个矩形截面的宽度和厚度矩形截面抗扭刚度系数m梁截面划分成单个矩形截面的个数 对于跨中截面翼缘本的换算平均厚度马蹄部分的换算平均厚度图31示出了 的计算图示， 计算见表32图31 的计算图示表32 计算表分块名称翼缘板25018.560.07424532785.835腹板128.44200.15

26、570.3005308564.265马蹄48330.68750.1915330332.9041171682.995 （ 由桥梁工程表252查的）(2). 计算抗扭修正系数主梁的间距相同，并将主梁近似看成等截面，则得 与主梁条数有关，取值见桥梁工程表2-5-1 n=5 所以=1.042 G混凝土的剪切摸量，按规范3 16取(3). 按修正的刚性横梁法计算横向影响线的竖坐标值 式中： 则计算所得的值见表33表33 的计算表梁号e（m）150.5920.19222.50.3960.004300.20.2 跨中的横向分布系数的计算图见图32图32 跨中的横向分布系数计算图 (单位:cm)(4). 计算

27、荷载横向分布系数1，2，3号主梁的横向影响线和最不利布载图示见图32 对于1号梁 对于2号梁 对于3号梁 2. 支点的荷载横向分布系数 如图33 按杠杆原理法绘制荷载横向影响线并进行分布 图33 支点的横向分布系数计算图示（尺寸单位：cm）对于1号梁： 对于2号梁：对于3号梁：3. 横向分布系数 表34 主梁活载横向分布系数表梁号10.86460.6920.774150.8830.60.883.2.3 计算活载内力 根据拟定的结构尺寸，估算梁段的重量，同时考虑BSAS（教学版）对梁段总数的限制（最多70段），把整个梁体分为68段。划分单元时，应将支点和桥规规定的验算截面位于单元的节点处，同时在

28、截面构造尺寸变化处也应布置节点。单元分段图见图附录2图A1“全桥节点及梁段划分图”。在此基础上编写BSAS输入数据文件进行内力计算，数据文件见附录1。正常使用状态下的结构包络图见附录2图A2承载能力极限状态下的结构包络图见附录2图A3主梁内力组合： 根据BSAS计算结果整理成内力组合表和包络图可以看出其最大弯矩和最不利截面都在边跨出现，故以下表格只列出边跨的计算数据，即1-10号单元。其中3单元和7单元的i截面表示腹板加厚起变点；4单元和6 单元的i截面表示四分点截面；5单元的i截面表示跨中截面，8单元的i截面表示临时支座截面；10单元的 i截面表示永久支座截面。正常使用极限状态各验算截面的内

29、力见表35承载能力极限状态各验算截面的内力见表36恒载引起的内力见表37汽车引起的内力见表39表35 正常使用极限状态各验算截面内力(i截面)单元号相应 Mz 相应 Nx 相应 Qy1MAX Mz 0.000 0.000 0.000MAX Qy 0.000 0.000 0.000MIN Mz 0.000 0.000 0.000MIN Qy 0.000 0.000 -94.4142MAX Mz -2.979 0.000 563.054MAX Qy -2.979 0.000 874.217MIN Mz -36.024 0.000 564.482MIN Qy -2.979 0.000 534.693

30、3MAX Mz 2239.303 0.000 580.623MAX Qy 2238.924 0.000 673.792MIN Mz 1399.127 0.000 405.440MIN Qy 1805.083 0.000 385.3454MAX Mz 4261.539 0.000 257.162MAX Qy 4252.016 0.000 426.473MIN Mz 2668.840 0.000 209.600MIN Qy 3637.018 0.000 171.6115MAX Mz 5125.166 0.000 -122.503MAX Qy 4940.726 0.000 39.898MIN Mz

31、3125.768 0.000 -84.414MIN Qy 4745.743 0.000 -216.3556MAX Mz 3019.532 0.000 -517.651MAX Qy 2664.083 0.000 -322.368MIN Mz 1436.399 0.000 -378.427MIN Qy 2638.857 0.000 -609.0917MAX Mz 414.746 0.000 -739.768MAX Qy 203.658 0.000 -527.870MIN Mz -714.621 0.000 -630.873MIN Qy -58.634 0.000 -848.6668MAX Mz -

32、1407.284 0.000 -667.199MAX Qy -1407.284 0.000 -667.199MIN Mz -2948.739 0.000 -935.608MIN Qy -2636.200 0.000 -1038.9239MAX Mz -1643.782 0.000 -684.219MAX Qy -1643.782 0.000 -684.219MIN Mz -3281.788 0.000 -966.618MIN Qy -2980.982 0.000 -1060.79110MAX Mz -1678.054 0.000 615.608MAX Qy -2937.589 0.000 10

33、10.165MIN Mz -3330.142 0.000 831.766MIN Qy -1678.054 0.000 615.608表36 承载能力极限状态各验算截面内力 (i截面)单元号相应 Mz 相应 Nx 相应 Qy1MAX Mz 0.000 0.000 0.000MAX Qy 0.000 0.000 0.000MIN Mz 0.000 0.000 0.000MIN Qy 0.000 0.000 -132.1802MAX Mz -3.574 0.000 675.665MAX Qy -2.681 0.000 1144.632MIN Mz -49.837 0.000 677.664MIN Q

34、y -3.574 0.000 465.0583MAX Mz 2926.800 0.000 765.911MAX Qy 2926.254 0.000 885.671MIN Mz 1225.102 0.000 359.032MIN Qy 2345.329 0.000 328.6734MAX Mz 5660.527 0.000 328.056MAX Qy 5646.529 0.000 565.954MIN Mz 2283.945 0.000 172.474MIN Qy 4742.481 0.000 118.4885MAX Mz 6790.627 0.000 -160.294MAX Qy 6519.5

35、00 0.000 83.884MIN Mz 2577.170 0.000 -110.178MIN Qy 6232.874 0.000 -291.6876MAX Mz 4006.635 0.000 -687.434MAX Qy 3484.124 0.000 -274.344MIN Mz 956.117 0.000 -482.774MIN Qy 3447.043 0.000 -806.1957MAX Mz 547.258 0.000 -976.312MAX Qy 264.321 0.000 -474.382MIN Mz -1083.936 0.000 -816.236MIN Qy -165.554

36、 0.000 -1114.7468MAX Mz -1134.071 0.000 -596.499MAX Qy -1134.071 0.000 -596.499MIN Mz -3914.301 0.000 -1233.561MIN Qy -3463.619 0.000 -1359.0449MAX Mz -1345.331 0.000 -611.818MAX Qy -1345.331 0.000 -611.818MIN Mz -4345.264 0.000 -1275.571MIN Qy -3911.502 0.000 -1387.07210MAX Mz -1375.949 0.000 532.488MAX Qy -3841.788 0.000 1322.051MIN Mz -4407.849 0.000 1085.476MIN Qy -1375.949 0.000 532.488表37 恒载引起的内力单元杆端弯矩-M轴力-N剪力-Q1i0.0000.0000.000