大跨度铁路连续梁拱组合桥梁设计

中文摘要

　　本次设计的题目是大跨度铁路连续梁拱组合桥梁设计（90+180+90m）。

　　本设计主梁采用预应力混凝土结构，主拱采用钢管混凝土。主梁为变截面箱形梁。本文主要阐述了该桥的设计和计算过程。首先进行桥型方案比选，对主桥进行总体结构设计，然后结构进行内力、预应力筋计算，再进行强度、应力及变形验算。具体包括以下几个部分：  桥型方案比选， 桥型布置，结构各部分尺寸拟定， 选取计算简图， 恒载内力计算， 活载内力计算，  荷载组合， 预应力筋计算， 预应力损失计算， 截面强度验算， 截面应力及变形验算。

　　关键词：预应力混凝土，连续梁拱组合桥，变截面箱形梁

Abstract

　　The Design of long span girder-arch combination railway bridge （90+180+90m）  is finished  in this paper.

　　The super structure of this bridge is prestressed.The arch section is steel tube filled with concrete.

　　This paper focuses on the design and calculation process of the bridge.First,are compared and the best one is chosed.Second, an general structure design is done.Third, the calculation of the internal force and reinforcing bar of the superstructure is performed. Finally,the strenrth and the defuection are cheeked.

　　The main parts of the design are as the follows,the comparison of several bridge types,the arrangement of the bridge types,the selection of the structutedimensions,the calculation of the internal force of dead load,the calculation of the internal force of movable load,the combination of loads,the arrangement of prestressed tendons,the calculation of the prestressed tendon loss,the check of the section strength,the check of the section stress and deflection.

　　Key words:Prestressed conctete,long span girder-arch combination bridge,Tapered box girder

目录

　　第1章 绪论

　　1.1 概述

　　梁拱组合体系桥是目前发展较快的一种桥型，它是一种经济、实用、美观的桥型，在我国某些地区已有一些比较成功的应用实例。连续梁拱组合桥作为一种新型的组合结构，它具有能使拱与梁共同受力特性，既可以充分发挥混凝土拱的优越性，又可避免桥梁墩台承担水平推力。其结构外形轻巧，竖向刚度大，因而比较适用于承受较大竖向荷载的大跨度铁路桥梁。组合桥式结构因具有结构刚度大、动力性能好等优越性，近年来相继在铁路桥梁设计中得到应用与研究 .采用预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱肋组合形成的连续梁拱组合桥，具有较大的竖向刚度和良好的动力性能，特别适合高标准铁路建设的需要。

　　1.2 连续梁拱组合桥梁的国内外研究现状

　　从连续刚构按结构体系的发展脉络来看，经历了由简单到复杂的过程，即从简支梁（板）桥一T形刚构桥一悬臂梁桥和连续梁桥一连续刚构桥。其跨越能力较T型刚构桥和连续梁桥大，已成为主跨120~300m范围内的首选。1991年葡萄牙建成的主跨跨径250m的Oporto预应力混凝土铁路桥居同类桥型的世界首位。1999年挪威建成的Stolma公路桥主跨跨径达301m,居同类桥型的世界前列，其跨中182 m采用轻质混凝土。2006年中国重庆石板坡长江太桥公路复线桥主跨更是达330m,居同类桥型的世界第一，实现的方案是主跨采用钢筋混凝土箱梁结构。以上的工程实践是不改变连续刚构的桥梁形式，除了对混凝土梁段施加强大的预应力以外，某些桥梁还通过降低部分节段的重量来增大主跨跨越能力。如果把连续刚构作为主体桥梁，柔性拱体系看作梁体的加劲部分，这样演变而成的连续刚构柔性拱组合桥也将是增大跨径的有效桥梁形式。

　　1.3 毕业设计的目的与意义

　　1.3.1 毕业设计目的

　　毕业设计是高等工科院校本科培养计划中的最后一个教学环节，是对四年所学知识的总结与运用。

　　（1）运用学过的基础理论和专业知识，结合工程实际，参考国家有关规范、标准、工程设计图集及其他参考资料，独立地完成预应力混凝土连续梁拱桥上部结构的设计；

　　（2）同时初步掌握桥梁设计的步骤、方法，培养分析问题、解决问题的能力，为以后的继续学习和工作奠定基础。

　　1.3.2 毕业设计意义

　　（1）在老师的指导下，独立完成一座三跨双线预应力混凝土连续梁拱桥上部结构的设计，基本掌握该工程设计的全过程，巩固已学知识。

　　（2）增强考虑问题、分析问题和解决问题的能力，其实践性和综合性无以取代，为以后无论是继续学习还是参加工作都打下了良好的基础。

　　（3）由于预应力混凝土连续梁拱桥为超静定结构，手算工作量较大，且准确性难以保证，所以采用了有限元分析软件MIDAS进行，这样不仅提高了效率，而且准确度也得以提高。同时也更加熟练了计算机辅助设计软件Auto CAD,Excel等的使用。

　　第2章 方案比选
　　2.1  方案比选
　　2.1.1 拱桥方案
　　2.1.2 预应力混凝土连续梁桥
　　2.1.3 连续梁拱组合桥梁
　　2.1.4方案确定
　　2.2 上部结构尺寸拟定
　　2.2.1主梁构造
　　2.2.2拱肋构造

　　第3章 荷载内力计算
　　3.1 内力计算方法
　　3.2 恒载内力计算
　　3.2.1 自重
　　3.2.2 支座沉降
　　3.3 活载内力计算
　　3.3.1 车辆荷载
　　3.3.2 温度
　　3.4 内力组合

　　第4章 预应力钢束设计
　　4.1 预应力钢束的估算
　　4.1.1 计算原理
　　4.1.2 预应力钢束估算
　　4.2 纵向预应力钢束的布置
　　4.2.1 纵向预应力钢束受力特点
　　4.2.2 纵向预应力钢束布置原则
　　4.2.3 本桥纵向预应力钢束布置
　　4.3 预应力损失及有效预应力的计算
　　4.3.1 预应力束与管道之间摩擦引起的预应力损失
　　4.3.2 锚具变形、钢束回缩和接缝压缩引起的应力损失
　　4.3.3 混凝土弹性压缩引起的应力损失
　　4.3.4  钢束松弛引起的应力损失
　　4.3.5混凝土收缩和徐变引起的应力损失
　　4.3.6 有效预应力计算

　　第5章 正截面承载能力计算
　　5.1正截面验算
　　5.1.1取跨中截面
　　5.1.2.取中支点截面
　　第6章 斜截面抗剪承载力
　　6.1斜截面验算
　　6.1.1 中支点处
　　6.1.2跨中截面处

　　第7章 截面正应力计算
　　7.1 预加应力、运送及安装阶段结构验算
　　7.1.1预加应力的过程中
　　7.1.2在传力锚固时
　　7.1.3在传力锚固或存梁阶段
　　7.2 运营阶段结构检算

　　第8章 梁斜截面主拉应力和主压应力
　　8.1 计算原理
　　8.2计算结果
　　第9章 吊杆的验算
　　第10章 拱的验算
　　10.1 截面强度验算
　　10.2 代表截面的验算
　　10.2.1拱跨中截面（拱顶截面）
　　10.2.2拱脚截面
　　第11章 施工方法

总结与讨论

　　一、毕业设计总结

　　经过近两个月的努力，我基本完成了毕业设计的各项内容。通过毕业设计，我觉得自己收获了很多，不仅使所学的知识得到了进一步的巩固，加强了横向联系，而且也学到了很多新的东西，加强了理论与实际的联系。我认为基本达到毕业设计的目的。

　　在这两个月的时间里，我始终抱着一种对自己负责的态度认真地对待毕业设计，一面认真地查阅资料，一面仔细地分析计算，遇到不懂的问题，及时向老师和同学请教。由于此前从未接触到这样一个完整的设计，在做之前脑海中是一片模糊。怎样将所学的知识联系起来应用到设计中，怎样去查阅有关的规范，都是比较突出的问题。随着设计的推进，在老师的悉心指导下，在和同学的交流过程中，这些问题都一一得到了解决。

　　首先，对一些基本概念原理有了一定的了解，比如混凝土结构的一些基本概念受力特征、材料力学的截面特性，对设计一座预应力混凝土连续梁桥的基本步骤，主要思路和应该考虑的因素有了一个大致的轮廓；

　　其次，通过毕业设计，我基本掌握了桥梁电算软件MIDAS6.71的使用，熟练了word、excel、Auto CAD软件的使用，熟悉了相关规范和资料；

　　再次，毕业设计增强了我独立分析、解决问题以及与人协作的能力。在这个竞争日益激烈的社会上，个人的努力和与人协作的能力缺一不可，我们要想在社会上立足，必须具备这两种能力。

　　虽然本次毕业设计与工程实践结合得并不紧密，但它的确在毕业之际给了我一次锻炼的机会。当然我们还必须在工程实践中不断地学习，增强实际经验。

　　当然，在设计的过程中，也存在一定的不足，没有设计经验，在进行前面的工作时不能有效的预见随后发生的问题，设计的有些方面还不能满足实际工程的需要，这些均需在以后的学习和工作中加以提高。

　　总之，通过此次设计，不仅学到了知识，学到了方法，而且懂得了如何将学到的知识运用到实际中去，并发现了自己的不足，这些都为以后的发展奠定了基础。

　　二、毕业设计讨论

　　①箱形截面的受力分析

　　大跨度预应力混凝土连续梁桥多采用箱形截面。箱形截面具有较大的抗扭能力，因而在偏心荷载作用下的整体受力性能也较好。

　　箱梁分析通常将闭合截面上的荷载分解成两组基本荷载，即对称荷载与非对称荷载。在对称荷载作用下，截面如同受弯的梁一样，产生纵向弯曲正应力和弯曲剪应力。而在反对称荷载下，箱梁将产生扭转。

　　当箱壁较厚、横隔板较密时，一般可以假设：箱形截面梁在扭转时截面周边保持不变形，扭转就如刚体转动。

　　但是当箱壁较薄、无横隔板时，截面就不能满足周边不变形的假设。此时，在反对称荷载作用下，截面不但扭转而且要发生畸变，从而产生畸变翘曲正应力σdw和剪应力τdw,箱壁上还将引起横向弯曲应力σdt.由于时间所限，本设计没有考虑这方面的影响。

　　②三向预应力体系

　　在毕业设计中没有涉及到非预应力钢筋的布置问题，很多地方的计算采用简化公式，对结果的准确性有一定的影响。

　　实际工程设计中，箱梁设计按三向预应力体系计算。竖向预应力和横向预应力是必须的。竖向预应力钢筋的布置主要是为了提高截面的抗剪能力。竖向预应力钢筋主要布置在箱梁截面的腹板内，尽可能沿腹板的中轴布置。竖向预应力钢筋一般采用高强精轧螺纹粗钢筋，竖向直线配置。对于梁较宽，顶板翼缘伸臂较长时，必须进行横向计算，进行横向预应力筋的布置。横向预应力一般施加在截面的顶板内或横隔板内。

　　本次设计未涉及到以上内容。

　　③箱梁的横向分布计算

　　对于连续梁箱形截面，桥跨恒载一般为对称荷载，而桥跨的活载一般是不对称的。在计算箱形梁的活载内力时，通常采用增加系数值来计入偏心荷载对截面的内力影响，即荷载的横向分布系数。关于箱形梁的横向分布系数的计算目前常用的方法有：（1）经验系数法；（2）偏心受压法；（3）偏心受压修正法；经验系数法既不考虑结构的尺寸，也不考虑车辆荷载的偏心位置， 可能会带来不安全的结果。

　　本设计由于是双线铁路桥，按两线同时加载，荷载对称，取荷载横向分布系数1.0.

　　当然，从工程实用上分析，考虑了荷载的横向分布后，按平面分析的正应力较接近空间分析的计算结果，但对剪应力的分析仍然相差很大。对于重要桥梁进行空间的分析是有必要的。

　　④箱梁的剪力滞后效应

　　对于翼缘较宽的箱形梁，由于翼缘板中的剪切变形导致纵向正应力沿翼缘板宽度方向呈不均匀分布，其间存在传力的滞后现象，即所谓的"剪滞效应".靠近腹板翼缘板中的正应力大于靠近翼缘中点的正应力，称之"正剪力滞";反之，谓之"负剪力滞".剪力滞效应可采用解析法或半解析法进行计算。

　　影响剪力滞效应的主要原因有：（1）梁的支承条件；（2）梁的连续状况；（3）截面的形状与尺寸；（4）荷载的形式，如集中荷载或分布荷载；（5）截面在梁中所处的位置等。

　　本设计未考虑剪力滞效应的影响。

　　⑤其它未考虑的因素

　　除以上外，还有不少影响结构内力的项目在设计时也没有考虑，如风荷载、地震荷载以及结构的动力特性等，这些因素对结构的性能还是具有不小的影响，在实际的桥梁设计中必须考虑。

　　地震力一般不会出现，但是一旦出现，将会给结构带来毁灭性的破坏。所以，在设计桥梁结构时，必须按照规范规定的抗震设防等级，采取相应的计算和构造措施来避免或减轻地震带来的灾难。

　　结构的动力特性也是必须考虑的因素之一，在周期性外荷载的作用下，结构的位移动力系数和内力动力系数可能很大，给结构带来意想不到的后果，所以必须采取措施避免共振的发生。

　　 参考文献
　　[1] xx,桥梁工程，人民交通出版社。
　　[2] 王文清，梁拱组合体系桥梁的设计与施工，工程与建设，2007年第21卷第2期
　　[3] xx xx,xx高铁xx特大桥主桥连续梁拱设计，铁道勘测与设计2008（5）
　　[4] TB10002.3-2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范
　　[5] 京沪高速铁路设计暂行规定
　　[6] TB10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范

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