2023年预应力混凝土连续箱型截面梁桥设计.doc

青岛理工大学毕业设计〔论文〕 第1章 概 述 1.1预应力混凝土连续箱型截面梁桥概述 预应力混凝土连续箱型截面梁桥以结构受力性能好、结构刚度好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。本章简介其开展：由于普通钢筋混凝土结构存在不少缺点：如过早地出现裂缝，使其不能有效地采用高强度材料，结构自重必然大，从而使其跨越能力差，并且使得材料利用率低。 为了解决这些问题，预应力混凝土结构应运而生，所谓预应力混凝土结构，就是在结构承当荷载之前，预先对混凝土施加压力。这样就可以抵消外荷载作用下混凝土产生的拉应力。对预应力的理解有三个方面：1、预加应力使混凝土由脆性材料成为弹性材料。2、预加应力充分发挥了高强钢材的作用，使其与混凝土能共同受力和工作。3、预加应力平衡了结构外荷载。自从预应力结构产生之后，很多普通钢筋混凝土结构被预应力结构所代替。 当跨度很大时，连续梁所需的巨型支座无论是在设计制造方面，还是在养护方面都成为一个难题；而T型刚构在这方面具有无支座的优点。因此有人将两种结构结合起来，形成一种连续—刚构体系。这种综合了上述两种体系各自优点的体系是连续梁体系的一个重要开展，也是未来连续梁开展的主要方向。 另外，由于连续梁体系的开展，预应力混凝土连续梁在中等跨径范围内形成了很多不同类型，无论在桥跨布置、梁、墩截面形式，或是在体系上都不断改良。在城市预应力混凝土连续梁中，为充分利用空间，改善交通的分道行驶，甚至已建成不少双层桥面形式。 在设计预应力连续梁桥时，技术经济指针也是一个很关键的因素，它是设计案合理性与经济性的标志。目前，各国都以每平方米桥面的三材〔混凝土、预应力钢筋、普通钢筋〕用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁的技术经济指针。但是，桥梁的技术经济指针的研究与分析是一项非常复杂的工作，三材指标和造价指标与很多因素有关，例如：桥址、水文地质、能源供给、材料供给、运输、通航、规划、建筑等地点条件；施工现代化、制品工业化、劳动力和材料价格、机械工业根底等全国基建条件。同时，一座桥的设计方案完成后，造价指针不能仅仅反响了投资额的大小，而是还应该包括整个使用期限内的养护、维修等运营费用在内。总而言之，一座桥的设计包含许多考虑因素，在具体设计中，要求设计人员综合各种因素，作分析、判断，得出可行的最正确方案。 第2章 方 案 比 选 2.1 构思宗旨 〔1〕符合城市开展规划，满足交通功能需要。 〔2〕桥梁结构造型简洁，轻巧，反映新科技成就，体现人民智慧。 〔3〕设计方案力求结构新颖，保证结构受力合理，技术可靠，施工方便。 〔4〕与高速公路的等级和周边环境相宜。 〔5〕学习箱型截面梁桥的设计过程和PSC截面设计过程。 2.2 比选标准 在我国，安全、经济、适用、耐久、美观是桥梁设计中的主要考虑因素，安全尤为重要。 2.3 设计方案 2.3.1 设计方案一 图2.1连续梁桥布置图 单位：cm 等截面预应力混凝土连续梁桥 〔1〕孔径布置：31m+31m，全长62m，宽11.75m。箱梁根部梁高2m，跨中梁2m，从一号块到跨中按直线变化。由桥面设有2.0％的单向横坡，1.8%的纵坡，其中一侧标高高于另侧标高。 〔2〕主梁结构构造：上部结构为等截面箱梁。采用单幅单箱双室箱型形式。主要采用高强混凝土以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化。 〔3〕下部结构：桥墩根底是连成整体的，全桥根底均采用钻孔灌注端承桩，桥墩为圆端型实体墩。 〔4〕施工方法：全桥整体采用满堂支架整体浇筑施工法，两端桥处也使用整体现浇法。 2.3.2 设计方案二 图2.2 简支梁桥布置图 单位：cm 等截面预应力简支T形梁桥 〔1〕孔径布置：2x31m,全长62m，宽11.75m和15.25m.桥面设有2.0％的单向横坡，1.8%的纵坡。 〔2〕主梁结构构造：上部结构T型梁。主要采用高强混凝土以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化。 〔3〕下部构造：全桥根底均采用钻孔灌注端承桩，桥墩为圆端形实体墩。 〔4〕施工方案：全桥采用满堂支架浇筑施工法。 2.3.3 设计方案三 图2.3 中承式拱桥布置图 单位：cm 上承式拱桥 〔1〕孔径布置：跨径62m，，桥宽11.75m。桥面设有2.0％的单向横坡，1.8%的纵坡。立柱截面形式为矩形，宽度60cm，立柱间距3m。护栏采用金属制桥梁护栏。 〔2〕结构构造：主桥采用箱型混凝土钢筋混凝土拱桥，主跨62m，拱圈高1.9m，矢跨比为1/8，主梁采用单箱单室。拱圈截面形式为箱型截面。 〔3〕施工方案：岸跨及边跨采用有支架施工，主拱圈建成后，进行进行骨架下吊篮现浇施工。 2.3.4 设计方案四 图2.4 斜拉桥布置图 单位：cm 独塔斜拉桥 〔1〕孔径布置：31m+31m，全长62m，双向分开车道由横隔梁连接〔三车道11.75m、四车道15.25m)。桥面设有2.0%的单向横坡和1.8%的纵坡。 〔2〕结构构造：主梁采用单箱单室箱型形式，塔高21米，斜拉索采用热挤聚乙烯拉索，冷铸镦头锚锚固体系，钢丝直径为5毫米。 〔3〕下部结构：桥墩采用钻孔灌注端承桩。 〔4〕施工方案：全桥采用满堂支架施工。 2.4 方案比选 〔1〕根据设计构思宗旨，桥型方案应满足结构新颖、受力合理、技术可靠、施工方便、造价合理的原那么。以上四种方案根本都满足着一要求。 〔2〕方案一与方案二都属于预应力混凝土梁桥，与方案三的拱桥和方案四的斜拉桥相比，他们具有很多梁桥所有的优点： 1.预应力混凝土结构，由于能够充分利用高强度材料〔高强度混凝土、高强度钢筋〕，所以构件截面小，自重弯矩占总弯矩的比例大大下降，桥梁的跨越能力得到提高。 2.与钢筋混凝土梁桥相比，一般可以节省钢材30～40％，跨径愈大，节省愈多。 3.全预应力混凝土梁在使用荷载下不出现裂缝，即使局部预应力混凝土梁在常遇荷载下也无裂缝，鉴于全截面参加工作，梁的刚度就比通常开裂的钢筋混凝土梁要大。 因此，预应力梁可显著减少建筑高度，使大跨径桥梁做得轻柔美观。由于能消除裂缝，这就扩大了对多种桥型的适应性，并提高了结构的耐久性。 4. 预应力技术的采用，不但使钢桥采用的一些施工方法，如：悬臂拼装、顶推法〔由钢桥的纵向拖拉施工方法演化而成〕和旋转施工法在预应力混凝土梁桥中得到新的开展与应用，而且为现代预制装配式结构提供了最有效的接合和拼装手段。根据需要可在结构纵、横和竖向任意分段，施加预应力，即可集成理想的整体。此外还开展了逐段或逐孔现浇施工方法。这种分段现浇或分段预制拼装的施工方法，国外统称为节段施工法，用这种施工方法建成的预应力混凝土桥梁统称为预应力混凝土节段式桥梁。 〔3〕方案一与方案二相比，一个是预应力混凝土连续梁桥，一个是预应力混凝土连续刚构桥。预应力混凝土连续梁桥结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。在恒载作用下，连续梁在支点处有负弯矩，由于负弯矩的卸载作用，跨中正弯矩显著减小。 2.5 方案确定 综上所述，根据安全、经济、适用、美观预应力混凝土连续梁桥，最终选定为本次设计的推荐方案。 第3章 预 应 力 混 凝 土 连 续 梁 桥 总 体 布 置 3.1 桥型布置 本设计推荐方案采用两跨一联预应力混凝土等截面连续梁结构，桥全长62m。 3.1.1 孔径布置 连续梁跨径布置一般以采用不等跨形式 。以三跨连续梁为例，假设为三孔等跨连续梁，其中孔跨中活载正弯矩与活载负弯矩的绝对值之和〔即弯矩变化峰值〕与同跨简支梁弯矩相同。如果减小边跨长度，那么边跨和中跨的跨中弯矩都将减小。一般边跨长度可取为中跨长度的〔0．5～0．8〕倍，这样可使中跨跨中弯矩不致产生异号弯矩。但是鉴于本桥跨径小，等跨径有利于施工。 从结构受力性能分析，等跨连续梁要比不等跨的连续梁差一些。但在某些条件下，特别由于施工工艺要求，也需要采用等跨布置，例如，当桥梁总长度很大，设计者决定采用顶推或先简支后连续梁施工方法时，那么等跨结构受力性能较差所带来的欠缺完全可以从施工经济效益的提高而得到补偿。所以跨湖、过海湾的长桥多采用等跨连续梁的布置。 本设计推荐方案根据任务书要求以及桥址地形和地质条件，确定31m+31m的形式。 3.1.2 桥梁截面形式 〔1〕桥梁立面图 从预应力混凝土连续梁桥的受力特点来分析，连续梁的立面采取等高度的布置。同时，采用满堂支架施工的连续梁，等截面有利于模板的支护，便于施工。变高度与等高度相比拟，等高度梁的缺点是：在支点上不能利用增加梁高而只能增加预应力束筋用量来抵抗较大的负弯矩，材料用量多。综上所述，推荐方案采用的是等截面预应力连续梁桥，其中箱梁根部梁高2m，跨中梁高2m，为等截面连续梁桥。 〔2〕桥梁横截面 梁式桥横截面的设计主要是确定横截面布置形式，包括主梁截面形式、主梁间距、主梁各部尺寸；它与梁式桥体系在立面上布置、建筑高度、施工方法、美观要求以及经济用料等等因素都有关系。 在目前已建成的大跨径预应力混凝土梁桥中，当梁桥的跨径继续增大超过60m后，箱形截面是最适宜的横截面型式。箱型截面还有如下优点：这种闭合薄壁截面抗扭刚度很大，对于采用悬臂施工的桥梁尤为有利。同时，因其顶板和底板都有较大的面积，所以能有效的抵抗正、负弯矩，并满足配筋要求。箱形截面亦具有良好的动力特性。 常见的箱形截面形式有：单箱单室、单箱双室、双箱单室、单箱多室、双箱多室等等。从对箱形截面的受力状态分析说明，单箱双室截面受力明确，施工方便，节省材料用量。一般常用在桥宽22m以内的范围，本设计的桥面宽为11.75m〔15.25m〕。 图3-1支座和跨中截面尺寸 单位：cm 综上所述，根据任务书设计要求本推荐桥型方案横截面采用的是单箱双室的箱型截面。如上图：梁高200cm，上梁板长为1125cm，细部尺寸见结构详图。跨中顶板厚度取22cm，支点顶板厚度取42cm；跨中处底板厚20cm，支点处底板厚为40cm,中间底板板厚成二次抛物线性变化；跨中处腹板厚度采用47cm，支点处腹板采用70cm，中间腹板厚度采用二次抛物线性变化。 〔3〕桥梁的梁高 连续梁在支点和跨中的梁估算值： 根据已建成桥梁的资料分析，梁高可按下表采用： 表3-1 桥型 支点梁高 (m) 跨中梁高 (m) 等高度连续梁 H =(1/15～1/30) L常用(1/18～1/20) L 变高度(折线形)连续梁 H =(1/16～1/20) L h =(1/22～1/28) L 变高度(曲线形)连续梁 H =(1/16～1/20) L h =(1/30～1/50) L 根据以上估算值，本推荐方案取得支点处梁高为2m，跨中梁高为2m。 3.1.3 桥梁细部尺寸 〔1〕顶板与底板 箱形截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位。除承受竖向荷载外，还承受轴向拉、压荷载。竖向荷载是指自重、桥面活载和施工荷载。轴向荷载是指桥跨方向上，恒、活载转换过来的轴向力以及纵向和横向的预应力荷载。因此，顶板、底板除按板的构造要求决定厚度之外，还要按桥跨方向上总弯矩决定其厚度。 箱梁根部底板厚度箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚至墩顶，以适应受压要求。底板除须符合使用阶段的受压要求外，在破坏阶段还宜使中和轴保持在底板以内，并有适当的富裕。一般约为墩顶梁高的1/10~1/