公路预应力混凝土连续梁桥设计

摘 要

　　本设计题目为公路预应力混凝土连续梁桥设计，桥梁跨径布置为 5x30m,两车道，上部结构采用先简支后连续的预应力混凝土连续 T 型梁桥。简支转连续是桥梁施工中较为常见的一种方法，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。目前随着高速公路的发展，为改善桥梁行车的舒适性，简支转连续梁桥在中、小跨径的连续梁桥中得到了广泛地应用。

　　本设计利用 Midas Civil 软件进行结构分析，根据桥梁的尺寸拟定建立桥梁基本模型，然后进行内力分析，计算配筋结果，进行施工各阶段分析及截面验算。

　　同时，必须要考虑混凝土收缩、徐变次内力和温度次内力等因素的影响。

　　本设计主要是预应力混凝土连续梁桥的上部结构设计，设计中主要进行了桥梁总体布置及结构尺寸拟定、桥梁荷载内力计算、桥梁预应力钢束的估算与布置、桥梁预应力损失及应力的验算、次内力的验算、主梁截面应力验算。

　　最后，经过分析验算表明该设计计算方法正确，内力分布合理，符合设计任务的要求。

　　关键词：简支转连续 T 梁 预应力 Midas Civil 钢束

Abstract

　　The design prestressed concrete continuous girder bridge, the bridge spanarrangement for the 5x30m,two-lane,the upper structure with simply supported Continuousprestressed concrete continuous T-beam bridge. Simply supported continuous constructionof the bridge a more common method of construction,the main features of the constructionmethod is simple and feasible,the construction qualit,the factory realized the bridgeconstruction,and assembly of standardization. With the current high road of development,to improve the driving comfort of the bridge,simply supported continuous beam bridge inthe small span continuous bridge has been widely applied.

　　This design using the Midas Civil software analysis the structure,according to the sizeof the bridge,the basic model establishment bridge worked,then force analysis,calculationresults of reinforced,for each phase analysis and construction. At the same time, mustconsider the concrete shrinkage,Creep force times and temperature resultant times factors.

　　The design of prestressed concrete continuous girder bridge is mainly the upperstructure design,in the design of the main bridge layout and structure size,load calculation,bridge prestressing tendons estimation and layout,the loss of prestress and stress of thebridge,the resultant checked,section stress calculation girder.

　　Finally,after analysis shows that the design calculation method of calculating theinternal force distribution,reasonable,comply with the design requirements of the task.

　　Key words: simply supported continuous T-beam bridge prestressed Midas Civilthe steel beam
 

目 录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 预应力混凝土连续梁桥的特点

　　连续梁桥结构体系具有变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、伸缩缝少、养护简单、抗震能力强等优点。因而常常成为高速公路桥梁建设中首选的方案。连续梁桥是具有两跨或两跨以上连续的梁桥，属于超静定体系。

　　连续梁桥在结构重力和汽车荷载等恒、活载作用下，主梁的跨中截面承受正弯矩，中间支点截面承受负弯矩，通常支点截面负弯矩比跨中截面正弯矩大，而弯矩的绝对值均较同跨径桥的简支梁小。产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用，使内力状态比较均匀合理，因而梁高可以减小，节省材料，且刚度大，整体性好，超载能力大，安全度大，桥面伸缩缝少。连续梁桥通常是将 3~5 孔做成一联，在一联内没有桥面接缝，行车较为顺适。连续梁桥施工时，可以先将主梁逐孔架设成简支梁然后互相连接成为连续梁。近几十年，在设计预应力混凝土连续梁时，成功地采用了先简支后连续的施工方法，即先期预制并简支安装具有半成品意义的 T 梁段，预制 T 梁时完成正弯矩预应力施加，并在 T 梁顶板内预留负弯距预应力束孔道；架设安装完成之后，后浇筑钢筋混凝土连续湿接头，达到强度后施加负弯矩预应力，然后解除临时支座，达到整联桥梁连续的目的。连续梁桥主梁内有正弯矩和负弯矩及存在体系转换，所以构造比较复杂。此外，连续梁桥的主梁是超静定结构，墩台的不均匀沉降会引起梁体各孔内力发生变化。因此，连续梁一般用于地基条件较好、跨径较大的桥梁上。

　　预应力混凝土连续梁桥是其主要结构形式，由于预应力结构可以有效地避免混凝土开裂，能充分发挥高强材料的特性，促使结构轻型化，预应力混凝土连续梁桥具有比钢筋混凝土连续梁桥较大的跨越能力，它具有接缝少、刚度好、行车平顺舒适等优点，在 30~120m 跨度内常是桥型方案比选的优胜者。而横张预应力混凝土技术在 T型梁、箱型梁、空心板桥三座常规跨径简支梁桥中的应用，取得了明显的技术经济效益。为拓宽横张预应力技术的应用范围，将其应用到更大跨度的连续梁桥中就显得尤为必要了。加上这种桥型的设计施工均较成熟，施工质量和施工工期能得到控制，成桥后养护工作量小。预应力混凝土连续梁的适用范围一般在 150m 左右，上述种种因素使得这种桥型在公路、城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。

　　1.2 先简支后连续预应力混凝土连续梁桥的发展

　　简支转连续是连续梁桥施工中较为常见的一种方法。一般先架设预制主梁，形成简支梁状态；进而再将主梁在墩顶连成整体，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的施工工艺，却可达到建造连续梁桥的目的。目前随着高等级公路的发展，为改善桥梁行车的舒适性，简支转连续梁桥在中、小跨径的连续梁桥中得到了广泛的应用。

　　在简支转连续连续梁桥中由简支状态转化为连续梁状态的常见方法有以下几种：

　　（1）将主梁内的普通钢筋在墩顶连续；

　　（2）将主梁内纵向预应力钢束在墩顶采用特殊的连接器进行连续；

　　（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续。

　　第一种方法虽然简单易行，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。方法二的效果最好，但施工很困难，故一般不采用。第三种方法不仅施工可行，并且具有方法二的优点，同时又克服了仅采用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与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横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横载、活载、温度、支座沉降产生的内力以及负弯矩束的预加力、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要求。

　　简支转连续梁桥施工程序对结构内力也有一定影响。目前施工有两种做法：一种是先将每片简支梁转换为连续梁后，再进行横向整体化；另外一种做法是先将简支梁横向整体化后，再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，较为复杂。

　　第 2 章 Midas 简介

　　2.1 简介

　　2.2 Midas 使用说明

　　2.3 具体参数输入

　　第 3 章 桥跨总体布置及结构尺寸拟定

　　3.1 设计基本资料

　　3.1.1 设计标准

　　3.1.2 主要材料规格

　　3.1.3 设计计算依据

　　3.1.4 基本计算依据

　　3.2 设计要点及结构尺寸拟定

　　3.2.1 设计要点

　　3.2.2 结构尺寸拟定

　　3.2.3 横截面沿跨长的变化

　　3.2.4 横隔梁的设置

　　3.2.5 毛截面几何特性计算

　　第 4 章 主梁作用效应计算

　　4.1 结构自重作用效应计算

　　4.2 汽车荷载作用效应计算

　　4.2.1 冲击系数和车道折减系数

　　4.2.2 计算主梁的荷载横向分布系数原理

　　4.2.3 用 Midas Civil 算汽车荷载内力

　　4.3 温差应力计算

　　4.4 支座沉降内力计算

　　4.5 内力组合

　　4.5.1 按承载能力极限状态设计

　　4.5.2 按正常使用极限状态设计

　　4.5.3 计算结果

　　第 5 章 钢束预应力筋的设计与布置

　　5.1 钢束估算

　　5.1.1 按正常使用极限状态的正截面抗裂验算要求估束

　　5.1.2 按正常使用极限状态截面压应力要求估算

　　5.1.3 按承载能力极限状态的应力要求计算

　　5.1.4 估算结果

　　5.2 钢束布置

　　第 6 章 预应力损失及有效预应力计算

　　6.1 基本理论

　　6.2 预应力损失计算方法

　　6.2.1 后张法由预应力钢筋与管道之间摩擦引起的应力损失

　　6.2.2 后张法由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值引起的应力损失

　　6.2.3 后张法由混凝土弹性压缩引起的应力损失

　　6.2.4 后张法由钢筋松弛引起的预应力损失终极值

　　6.2.5 后张法由混凝土收缩、徐变引起的预应力损失

　　6.2.6 截面预应力损失合计和有效预应力

　　第 7 章 主梁截面验算

　　7.1 持久状况承载能力极限状态验算

　　7.1.1 正截面抗弯承载力验算

　　7.1.2 使用阶段预应力混凝土受压区混凝土最大压应力验算

　　7.1.3 预应力钢筋中的拉应力验算

　　7.1.4 使用阶段斜截面抗剪验算

　　7.2 持久状况正常使用极限状态应力验算

　　第 8 章 结论和展望

　　8.1 结论

　　本次设计为 5×30m 预应力混凝土连续梁桥，桥跨截面采用等高度 T 梁，最大限度地采用 Midas/civil 建立模型进行计算，使用 Excel 进行预应力钢束估算，以提高效率和准确率。设计的主要步骤为：

　　（1）撰写开题报告，明了毕业设计的总体安排及设计的意义；（2）进行方案比选，确定本设计所用的桥型和桥跨布置，并加深对各种桥型的认识；（3）拟定截面尺寸；（4）确定施工荷载，施工阶段；（5）利用 Midas Civil 建立桥梁模型，计算配筋时的桥梁内力；（6）进行荷载组合，并估算、配置预应力钢束，配置非预应力钢筋；（7）进行 PSC 设计，对桥梁结构进行各种规范规定的验算，其间结合配筋调节，最终得到满足要求的桥梁结构。

　　在设计的过程中，我有几点体会：

　　（1）工程类的设计非常注重规范。各种规范构成设计的指南，所有的设计都应在规范的指导下完成，如果忽视了这一点，后果将是非常严重的。比如在《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）中规定，运营荷载作用下，预应力钢筋（钢丝、钢绞线、预应力混凝土用螺纹钢筋）最大应力应不超过 0.6 倍预应力钢筋抗拉强度标准值。这个规定主要是考虑预应力钢筋的疲劳。在设计时没看到这一点，结果将预应力钢束的张拉控制应力取为 0.75 倍抗拉强度标准值，又由于设计中所采用的预应力钢束未考虑平弯，所以预应力损失很小，这样一来导致设计中所采用的预应力钢束在运营阶段的应力超过限值。这是一个很严重的失误，如果发生在实际工程中，后果不堪设想；

　　（2）工程类的设计非常注重实际。在设计开始时，我按照书本上所学结合自己的"合理想象"来做，但老师指出我的很多做法是不合实际的，这让我触动很大。有时候，一种设计可能在理论上看来是十分完美的，但在实际工程中它却中看不中用；有时候某个问题在理论上解决起来很麻烦，可根据实践经验却可以轻松解决。在设计的后半段时间里，我开始注重设计的实际可操作性。比如在成桥阶段张拉的顶板预应力钢束其端部应该弯曲到顶板外部，以便于张拉锚固；

　　（3）在设计中要有发散思维，要结合自己所学的知识来解决问题。在本设计中，预应力钢束估算是个难点。我根据解方程的思想，结合桥梁结构的受力特点，合理假设部分预应力钢束布置，利用相关公式来估算某一种不能假设的钢束，最后再调整，最终得到合理的预应力钢束数量和布置；

　　（4）学习工作一定要细心，要认真，要一丝不苟。在做一个系统的工作时，要非常注重细节，认真仔细。只有确保小地方正确，才能得到正确的结果。

　　由于时间关系，本次设计还是比较粗糙的。在模型、预应力钢束和非预应力钢筋布置、施工阶段划分等方面不够细致，且只涉及到桥梁的上部结构，所以跟实际工程相比差距不小。

　　总体来看，此次设计基本完成了毕业设计任务书里规定的各项任务，在最终的验算时，主要验算均通过。但美中不足的是，运营阶段的预应力钢束应力值超限，这是由于自己对规范不熟造成的，在以后的工作中要牢记这一点。

　　总之，通过这次设计，提高了我们的各项综合能力，也让我们体会到了大学四年所学习的一些实质性的内容（例如对 word,excel 等的使用还有 cad 软件的熟练操作），此次设计给我的大学生活留下了浓重的一笔。

　　8.2 展望

　　目前预应力混凝土已经成为国内外土建工程最主要的一种结构材料，再辅之以计算机技术，将带给桥梁设计施工巨大的飞跃。大量软件诸如 Midas Civil、Autocad 等的应用给桥梁设计带来了极大的方便。

　　今后的桥梁结构将更加轻型合理，大跨度桥梁将向更长、更大、更柔的方向发展，更多高强、轻质材料将会在桥梁上应用。今后的桥梁结构必将更加重视建筑艺术造型，重视桥梁美学和景观设计，重视环境保护。

　　近来二三十年来，我国预应力混凝土桥梁发展很快，无论在桥型，跨度以及施工方法与技术方面都有突破性发展，不少预应力混凝土桥梁的修建技术已达到国际先进水平。

　　预应力混凝土连续梁桥在我国的发展与应用虽然只有几十年历史，但如今在公路、城市道路和铁路建设中广泛采用。目前我国无论在设计、施工、预应力材料和设备上都取得了很大进步和一定成就，然而与国际先进水平仍存在一定差距。现在，我们需要不断地总结经验、吸取教训，在设计理论、设计规范、预应力材料和施工技术上不断完善、不断发展、勇于创新。相信通过大家共同努力，在 21 世纪一定能将我国预应力混凝土梁桥的设计、施工水平推向更新的高度。

　　参考文献

　　[1] JTGJ024-85. 公路桥涵施工技术规范[S]. 北京：人民交通出版社，2000

　　[2] JTG D62-2004. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2004

　　[3] 邹毅松。王银辉。 连续梁桥[S]. 北京：人民交通出版社，2009

　　[4] 姚玲森。 桥梁工程[M]. 北京：人民交通出版社，1995

　　[5] 易建国。 桥梁计算示例集[M]. 北京：人民交通出版社，1990

　　[6] 范立础。 预应力混凝土连续梁桥[M]. 北京：人民交通出版社，1988

　　[7] 刘效尧。 公路桥涵设计手册[M]. 北京：人民交通出版社，2000

　　[8] 廖元裳。 钢筋混凝土桥[M]. 北京：中国铁道出版社，1996

　　[9] 叶见曙。结构设计原理[M]. 北京：人民交通出版社，2004

　　[10] 徐岳。 预应力混凝土连续梁桥设计[M]. 北京：人民交通出版社，2000

　　[11] 沈蒲生。 梁兴文。 混凝土结构设计原理[M]. 北京：高等教育出版社，2005

　　[12] 葛俊颖。 桥梁工程（上） [M]. 北京：中国铁道出版社，2007

　　[13]Wojciech Radomski. . Bridge rehabilitation . Imperial College Press. 2002.

　　[14] P.J.Barr,M.ASCE.Live-Load Analysis of a Curved I-Girder Bridge[J] . Journal of Bridge Engineering,Volume 11,Number 2 2007: 477-480

　　[15] H.Beushausen,M.G.Alexander. Bond strength development between concretes of different ages[J]. Magazine of Concrete Research, Volume 60 Numeber 1 2008

（如您需要查看本篇毕业设计全文，请您联系客服索取）