midas连续钢构桥毕业设计
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广州大学土木工程学院毕业设计
永胜一桥设计
土木工程专业(城市道路与桥梁)2005 级土木工程(5)班 指导老师:孙卓 陆有聪
摘要: 本设计根据毕业设计任务书及现行公路桥梁设计规范, 对永胜一桥的主桥和引桥进行 了设计.通过方案比选,综合考虑永胜一桥河床地质,地形等条件,确定设计桥长 695m, 两边引桥采用 25m 主桥采用预应力混凝土五跨连续刚构型式, 跨径组合为 70m+3 × 110m+70m, 标准跨径的后张法预制预应力混凝土简支 T 梁. 本设计主要对主桥进行内力计算, 控制截面 的抗弯配筋计算及变形验算;对引桥进行内力,配筋计算,预应力损失计算,强度验算,使 用阶段裂缝宽度验算和变形验算; 最后对主桥和引桥的基础进行了单桩承载力计算与桩身强 度验算.计算分析结果表明,永胜一桥的设计合理,达到设计任务的要求. 关键词:预应力, 连续刚构, 简支 T 梁, 下部结构 Abstract: In this design, based on the design assignment and the present Highway Bridge Specifications,a design of the main bridge and the approach bridge of the No.1 YongSheng Bridge has been completed.After the selection of possible bridge projects,take the geology for further analysis,the main bridge of the No.1 YongSheng Bridge adopted the pretress concrete continuous beam bridge with three spans of 70m+3 × 110m+70m, while the approach bridge adopt posttensioning method of precast simple span prestress concrete PC T-beam bridge with a span of 25m.In regard to the main bridge,the internal force,the disposition of pretress steel and the deflection at the main cross-section are studied in brief.In the meantime, as to the approach bridge, strength intensity, disposition of prestress steel, lost of prestressing force and deflection the of the service stage are calculated.Futhermore,the capacity and the strength of the sill are analyzed.The result indidcated that the design is fit the need of the design task. Keywords: pre-stress;continuous rigid frame;simple span PC T-beam bridge;substructure
1. 前 言
本设计对永胜一桥的主体结构进行初步设计,其目的主要是使我们通过独立系统地完 成一个工程项目的设计, 比较具体的了解了一个工程设计的全过程, 在巩固已学课程的基础 上,培养了自己考虑问题,分析问题,解决问题的能力,同时接触到和掌握一些新的专业知 识和技能,通过综合运用已学课程的知识,正确地分析和解决所遇到的新问题. 该桥车道数为双向四车道,两侧各设宽度为 2m 的人行道;设计荷载为公路Ⅰ级;III 级通航要求;最大纵坡为 2%;桥面横坡为±1.5%.设计参考的规范如下:JTG D60-2004 《公路桥涵设计通用规范》 JTG D62-2004《
公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 ; 范》 ;JTGD63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》 .
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2. 主桥设计
2.1 桥型方案设计与比选 2.1.1 设计构思
根据《永胜一桥桥址位置处地质剖面图》 ,毕业设计任务书的要求,结合桥梁结构的设 计,受力,施工等特点,兼顾考虑结构的实用,安全,经济,美观等要求,参照工程实例和 经验,对主桥提出了两个桥型方案——连续梁桥,连续刚构桥. 主桥构思方案见图 2-1,图 2-2.
设计水位 63.00m
通航水位 61.00m
粉砂土 全风化带 强风化带 弱风化带 微风化带 砂岩 微风化带
土 粉砂 化带 强风
图 2-1
预应力混凝土连续梁桥总体布置图(方案一)
设计水位 63.00m
通航水位 61.00m
粉砂土 全风化带 强风化带 弱风化带 微风化带 砂岩 微风化带
土 粉砂 带 强风化
图 2-2 预应力混凝土连续刚构桥总体布置图(方案二)
2.1.2 方案比较
1, 受力比较 预应力混凝土连续梁桥:主梁为主要承重结构,依靠其抗弯能力来承受荷载.同时,由 于支点负弯矩的卸载作用,跨中正弯矩显著减少,使主梁内力分配更加合理. 预应力混凝土连续刚构桥:受力特点与连续梁桥类似,但跨中区域活载正弯矩比同跨 径连续梁桥的小 .同样作为超静定结构,温度变化,混凝土收缩徐变,基础变位以及预加 力等,都会使连续刚构桥产生次内力,其次内力比连续梁桥大,但由于连续刚构桥多采用双 柱薄壁墩,此处桥墩较高,因此柔性比较大,能减少变形时受到约束时所产生的次内力,从 而降低根部梁弯矩峰值.并且可以利用高墩的柔度来适应结构由预应力,混凝土收缩,徐变 和温度变化所引起的纵向位移,因此可具有较大的跨越能力.
广州大学土木工程学院毕业设计 2, 施工比较 预应力混凝土连续梁桥:施工技术成熟,但施工过程相对来讲比较复杂,需要梁墩临时 固结和体系转换,最后必须拆除临时固结措施,使主墩上的永久性支座进入工作,施工工期 长. 预应力混凝土连续刚构桥: 采用悬臂挂篮浇注的施工方法, 无需临时固结措施与大型支 座,避免了施工过程中的支座更换,临时固结等复杂工序,缩短施工工期. 3,实用性比较 预应力混凝土连续梁桥:伸缩缝少,结构刚度大,变形小,主梁变形挠曲线平缓,行车 平顺,通畅,安全,容易满足交通运输要求. 预应力混凝土连续刚构桥:与连续梁桥类似,但施工技术成熟,易保证工程质量,同等 跨度下主桥尺寸比连续梁桥小,桥下净空大,可满容易足通航要求. 4,安全性比较 预应力混凝土连续梁桥:伸缩缝少,行车性能良好,可保证司机正常行车,满足交通运 输安全要求.桥墩尺寸较大,防撞性能
好,但是阻水面积大. 预应力混凝土连续刚构桥:型整体性好,行车舒适,养护工作量少,能够避免工人在 支座养护时所可能遇到的危险.桥墩较薄,阻水面积小,对防洪排洪影响甚小,易满足水利 部门的要求.有利于抗震,能够将地震水平分力分摊到各个桥墩上去,使得地震水平力引起 的桥墩下端弯矩减少,也能够减少汽车制动力等水平分力的影响.由于墩梁固结,上下部结 构形成高次超静定体系, 即使局部结构屈服, 仍能够因应力重分布而减少整体破坏的可能性. 5,经济性比较 预应力混凝土连续梁桥:施工技术成熟,需要的机具少,无需大型设备,可充分降低施 工成本,所用材料普通,价格低,但需要造价昂贵的大型永久性支座,运营阶段的支座养护 费用高. 预应力混凝土连续刚构桥:与连续梁桥基本相同.但无须支座,节省大型永久性支座的 费用以及日后养护的费用,降低工程造价. 6,外观比较 预应力混凝土连续梁桥:形势简单,造型单一. 预应力混凝土连续刚构桥:墩梁固结作用可降低梁高,配合双柱薄壁墩,可以使主桥看 起来更纤巧,更美观. 因此,从设计,使用,施工的可行性,以及工程的经济,安全,美观以及施工周期等方 面考虑,最终确定了主桥采用连续刚构桥的方案.
2.2 推荐方案内力分析与配筋估算
运用 MIDAS/Civil 专业程序建立空间梁单元计算分析模型, 进行内力计算分析, 根据程 序对节段的划分要求,计算精度以及对施工时吊重的要求,主桥一共分为分为 193 个单元, 共 194 个节点,见图 2-3 所示,承载能力组合下的弯矩,剪力包络图见图 2-4,图 2-5.
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图 2-3 主桥结构计算模型
图 2-4 承载能力组合剪力包络图(单位:kN)
图 2-5
承载能力组合弯矩包络图(单位: kN m )
2.3 预应力钢束的估算
各截面根据正截面抗裂要求,按公式(2-1), (2-2)确定预应力钢筋数量.
N pe ≥
M s /W 1 ep 0.85( + ) A W
(2-1)
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np =
N pe (σ con σ s ) Ap
(2-2)
由此得各控制截面预应力钢束数量,结果见表 2-1. 表 4-3 各控制截面预应力钢束估算结果 截面位置 跨中 L/4 主跨 L/8 支点 边支点 L/8 L/4 边 跨 3L/4 7L/8 L/2 Ep Ms ( kN m) ( m ) m 102909.99 -45833.18 -248103.82 -517678.12 0.00 77854.09 117513.19 78761.75 -129099.30 -302504.63 1416.7 1517.7 2097.2 2847.7 ~ 1369.8 1420.5 1760.1 1790.4 2448.4 Npe ( kN ) 60164.69 -19317.95 -81793.05 -134060.06 ~ 47404.12 68560.94 35724.04 -49060.77 -88860.37 钢丝所 配置钢 预应 配筋面积( mm2 ) 需根数 丝根数 力束 518 -167 -704 -1152 ~ 408 590 308 -422 -764 530 190 722 1178 ~ 418 608 342 456 798 28 10 38 62 ~ 22 32 18 24 42 73948 26410 100358 163742 ~ 58102 84512 47538 63384 110922
主桥采用混
凝土用C50 号混凝土, f ck = 32.4 MPa, f cd = 22.4 MPa . 各截面预应力筋均采用 19 φ 15.2 预应力钢绞线,极限强度 f pk = 1860 MPa ,设计强
j
度 f pd = 1260 MPa .采用 OVM15—19 型锚具,由 φ100 金属波纹管成孔,预留管道直径为 107mm.
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3.引桥设计
3.1 设计资料 根据设计任务书要求,引桥横断面布置见图 3-1.
图 5-1
引桥横断面图(左跨中,右支点) (单位 cm)
T 梁主要结构尺寸见图 3-2,3-3.
图 5-2
T 梁半立面图(单位 cm)
图 5-3 主梁半剖面图(单位 cm) 主梁高度 h=2000mm,主梁间距 S=2200mm,其中主梁上翼缘预制部份宽 160cm,现浇段 宽为 60cm.全桥由 9 片梁组成.预制 T 形梁的翼板端部厚度取用 18cm,根部加厚取 30cm. 初拟马蹄宽度 50cm,高度 25cm.T 形梁腹板跨中区段厚度均取 20cm,支点厚度 50cm.本 设计主梁采用等高形式,横截面的 T 形梁翼缘板厚度沿跨长不变,马蹄部分为配合钢束弯 起而在近支点范围内逐渐将马蹄抬高,将腹板逐渐加厚到与马蹄同宽.全桥共设 5 横隔梁, 中间间距 585cm,端部间距 585.5cm.具体细部尺寸布置见图 5-2,5-3.
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3.2 主梁内力计算
引桥内力计算包括恒载内力计算和活载内力计算.恒载内力包括一期恒载和二期恒载; 活载计算的内容包括跨中和支点处的荷载横向分布系数,均布荷载和内力影响线面积计算, 冲击系数,各控制截面由活载引起的弯矩和剪力计算.其中,跨中的荷载横向分布系数按刚 性横梁法计算, 而支点处的横向分布系数采用杠杆法计算. 内力组合主要针对承载能力极限 状态和正常使用极限状态,主梁各截面内力组合最大值见表 3-1. 表 3-1 主梁各截面内力组合最大值表 截 面 位 置 支点 L/4 跨中 变截 面 基本组合 Sd 项目
Md (kN m)
短期组合 Ss
Ms
长期组合 S L
ML
Vd
( kN ) 1170.198 514.670 178.485 861.237
Vs
( kN ) 726.822 302.954 71.124 556.845
VL
( kN ) 632.606 248.952 39.479 485.912
( kN m)
( kN m)
M max , Vmax M max , Vmax M max , Vmax M max , Vmax
0.000 4346.271 5795.132 1848.495
0.000 2904.792 3873.102 1235.725
0.000 2577.886 3437.192 1096.907
3.3 预应力钢束估算及布置 引桥预应力筋估算过程与主桥预应力筋估算过程相似,可按公式(2-1), (2-2)
确定预应力钢筋数量.
j 经计算得出引桥 T 梁采用 3 束 7 φ 15.2 预应力钢丝束,采用 OVM15—7 型锚具.所供给
的预应力筋截面面积为 Ap = 21×139 = 2919(mm ) ,并采用 φ 70 金属波纹管成孔,预留管
2
道直径为 75mm.
预应力钢束布置见图 5-4.
图 5-8
预应力钢束布置图(单位 cm)
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4.基础
设计
4.1 基础方案选定
根据已知的水文地质资料以及上部结构的荷载大小, 主桥基础采用直径 d=2.0m 的钻孔 灌注桩,桩群布置经初步计算拟采用 10 根钻孔灌注桩,且每根桩必须打到微风化岩层以下 1m 深;引桥基础采用直径 d=2.0m 的摩擦桩,摩擦桩根数经初步计算拟采用 3 根,桩长为 31.2m.主桥和引桥的下部结构具体构造见图 4-1,图 4-2..
图 4-1 主桥下部结构构造图(单位 cm)
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图 4-2 引桥下部结构构造图(单位 cm)
4.2 主桥和引桥桩截面配筋以及布置
主桥和引桥的基础均按桩截面面积的 0.5%含筋率配置钢筋, 主桥采用 32 根φ25 HRB335 钢筋;引桥采用 26 根φ25 HRB335 钢筋. 为了节省钢筋用量以及降低工程造价,经计算可知: 主桥基础在深度 Z=12m 处(即承台地面以下 H=17.5m)以下的弯矩非常小,所以按构 造要求只把一半主筋伸到桩底,另外一半主筋在 H=17.5m 处截断. 引桥基础在深度 Z=11m 处(即墩底以下 H=15.2m)以下的弯矩非常小,所以按构造要 求只把一半主筋伸到桩底,另外一半主筋在 H=15.2m 处截断. 主桥最大横向应力集中在 Z=1.85m 附近, 所以按构造要求在 Z=0m~Z=5m(即 H=0-10.5m) 之间设置 Q235, φ 8 @100 的箍筋,在 H=10.5m 以下间距为 200mm.
广州大学土木工程学院毕业设计 引桥最大横向应力集中在 Z=2.12m 附近,所以按构造要求在 Z=0m~Z=4m(即 H=0-8.2) 之间设置 Q235, φ 8 @100 的箍筋,在 H=8.2m 以下间距为 200mm.
由于篇幅的关系,主桥和引桥的上部结构与下部结构的验算略.
5. 结论
永胜一桥设计坚持安全,实用,经济,美观的原则.该桥构造尺寸合理,并符合规范承 载能力极限状态验算与正常使用极限状态验算的要求. 通过内力计算与各项验算, 证明了本 设计方案是可行的.
参考文献
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北京:科学出版社,2005. 范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001. 张继尧, 王昌将. 悬臂浇注预应力混凝土连续梁桥[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004. 范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京:人民交通出版社,1988. 邵旭东,胡建华.桥梁设计百问[M].北京:人民交通出版社,2005. 张树仁,郑绍珪,黄侨,鲍卫刚.钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计原理[M].北 京:人民交通出版社,2004. [7] 程文瀼,康谷贻.混凝土结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2002. [8] 叶见曙.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2002. [9] 凌治平,易经武.基础工程[M].北京:人民交通出版社,1997.