30米预应力简支箱形梁桥结构设计(迈达斯计算)

本科毕业设计

题 目: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号:

学生姓名： 指导教师: 职称:

二○一四年 四月 三十日

30m预应力混凝土简支箱梁计算书

摘 要

预应力混凝土简支箱梁桥以结构受力性能好、变形小、行车平顺舒适、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。预应力混凝土简支梁桥是一种预先储存了足够预加应力的新型梁桥，预加应力可大幅度提高梁体的抗裂性，并增加了梁的耐久性，截面尺寸减小，高跨比减小，受力明确，理论计算较简单，设计和施工的方法日趋完善和成熟。简支箱形截面梁具有优良的力学特性：较大的刚度和强大的抗扭性能、结构简单、受力明确、节省材料、架设安装方便，跨越能力较大、桥下视觉效果好，因而被广泛地应用于城市桥梁和高等级公路立交桥的上部结构中。

本次设计的主要内容是关于预应力简支箱形梁桥的结构设计。设计跨度是30m,双向四车道，桥面宽度15m（0.5m防撞墙+4×3.5m行车道+0.5m防撞墙），采用单箱双室箱形截面，桥轴线为直线，荷载等级：公路I级汽车荷载，地震设防烈度：7级。梁高采用变高度梁，因梁桥在支点处截面的剪力过大，故在梁桥支点处选择变截面过渡，按一次曲线变化。

设计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、内力组合验算、主梁截面应力验算。利用软件Midas Civil 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。

关键词：预应力混凝土、简支、箱梁、结构分析、内力验算

30m prestressed concrete box girder calculations

Because of the long-span pre-stressed concrete continuous box Girder Bridge have many advantages such as its big span ability, flexible construction methods, adaptability, structural rigidity, anti-seismic capability, Structure stress performance good, small deformation, less expansion joints, driving smooth and comfortable, beautiful forms, small maintenance quantity and etc a,it become the most competitive one of the main bridge ,and it becomes more and more widely used in China.

This graduate design is mainly about the design of the superstructure of the road pre-stressed concrete Charpy Bridge. The span of the bridge is 30m. This design is a continuous bridge which has four lanes. The bridge deck is made of C50 water-protected concrete. It consists of 3.5m (the width of road deck) ×4 + 0.5m (the width of the sidewalk) ×2=15m; The axis of this bridge is a straight line, The design load standard is the Road One-Level Load，Seismic fortification intensity 7. And the height of girder is changing in the form of conic.

The design of pre-stressed concrete continuous girder bridge is mainly the upper structure design , in the design of the main bridge layout and structure size, load calculation, bridge pre-stressing tendons estimation and layout ,the loss of pre-stress and stress of the bridge, the resultant checked, internal combination calculation, section stress calculation girder. This design using the Midas software analysis the structure, according to the size of the bridge, the basic model establishment bridge worked, then force analysis, calculation results of reinforced, for each phase analysis and construction. At the same time, consider the concrete shrinkage, Creep force times and temperature resultant time’s factors.

Key word: Pre-stressed Concrete; Simple Support; Box girder; Structural Analysis; Checking

the internal forces

目 录

第一章 绪论 1

1.1概述 1 1.2预应力梁桥受力特点 1 1.3预应力混凝土梁桥发展综述 2 1.3.1国外预应力混凝土梁桥的发展 2 1.3.2国内预应力混凝土梁桥的发展 3

1.4我国高速公路桥梁的发展 4 1.4.1公路桥梁发展现状 5 1.4.2我国高速公路桥梁建设特点 5

1.5桥梁设计的基本原则 6 1.6预应力混凝土简支梁桥的特点 7 1.7预应力混凝土梁桥施工技术 8 1.8毕业设计主要内容 8 1.9毕业设计的目的和意义 9 第二章 设计要点及构造、材料、尺寸的拟定 10

2.1桥梁选取的基本原则 10 2.2设计的基本资料 10 2.3箱形截面桥梁的特点 10 2.4主要技术标准 11 2.5主要材料及材料性能 11 2.6设计参数取值 11 2.7结构概述 13 2.7.1截面形式及截面尺寸拟定 13

2.8计算原则及控制标准 15 第三章 结构有限元模型的建造过程 16

3.1 Midas Civil软件介绍 16 3.2模型建立过程 17

3.2.1设定建模环境 17

3.2.2设置结构类型 18 3.2.3定义材料和截面特性值 19 3.2.4建立结构有限元模型 21 3.2.5定义边界条件 23 3.2.6定义荷载 23

3.2.7定义施工阶段 29 3.2.8汽车荷载 29

每四章 主梁作用效应计算 32

4.1作用分类 32 4.2公路预应力钢筋混凝土（psc）桥梁设计设计验算内容 34 4.2.1施工阶段法向压应力验算 34 4.2.2受拉区钢筋的接应力验算 41 4.2.3使用阶段正截面抗裂验算 43 4.2.4使用阶段斜截面抗裂验算 50 4.2.5使用阶段正截面压应力验算 55 4.2.6使用阶段斜截面主压应力验算 60 4.2.7使用阶段正截面抗弯验算 65 4.2.8使用阶段斜截面抗剪验算 71 4.2.9使用阶段抗扭验算 78

结论 89 致谢 90 参考文献 91

第一章 绪论

1.1概述

我在进行毕业设计之前，先阅读了各种文献，对桥梁的历史和发展有一个初步的了解，同时也要对桥梁结构的各种形式有系统的了解，以便今后对毕业设计有更好的把握。

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，就是在结构承担荷载之前，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。自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。预应力混凝土桥梁是在二战前后发展起来的，当时西欧很多国家在战后缺钢的情况下，为节省钢材，各国开始竞相采用预应力结构代替部分的钢结构以尽快修复战争带来的创伤。50年代，预应力混凝土桥梁跨径开始突破了100米，到80年代则达到440米。虽然跨径太大时并不总是用预应力结构比其它结构好，但是，在实际工程中，跨径小于400米时，预应力混凝土梁桥常常为优胜方案。

1.2预应力混凝土简支梁桥的受力特点：

预应力混凝土简支梁桥，它具有简支梁桥和预应力混凝土桥的一般优点。预加应力可大幅度提高梁体的抗裂性，并增加了梁的耐久性；预应力混凝土梁桥的主要不同之处是截面尺寸减小，高跨比减小；受力明确，理论计算较简单，设计和施工的方法日趋完善和成熟。简支箱形截面梁具有优良的力学特性：较大的刚度和强大的抗扭性能、结构简单、受力明确、节省材料、架设安装方便，跨越能力较大、桥下视觉效果好；而被广泛地应用于城市桥梁和高等级公路立交桥的上部结构中。

预应力混凝土简支箱型梁桥一般只用在跨线桥上，相较于其他梁桥较少，箱形梁同时也具有造价高，自重大，抗风性较差等缺点。

1.3预应力混凝土梁桥发展综述

1.3.1国外预应力混凝土梁桥的发展

预应力混凝土桥梁的发展在第二次世界大战以前尚处在萌芽阶段，但正在逐步向成熟阶段过渡。第二次世界大战以后，联邦德国、法国等西欧国家因遭受战争破坏，大量桥梁急待修复，而当时战后钢材奇缺，客观上为预应力混凝土桥和预应力锚具的发展提供了非常有利的环境。而在非洲、拉丁美洲一些第三世界国家亦为避免从国外输入昂贵的钢材，也常优先考虑预应力混凝土桥梁方案。应力混凝土桥梁一旦跃上桥梁建设的历史舞台，就显示出它强大的竞争能力，从50年代创建了突破loom的跨径记录，经过三十余年的迅猛发展，至今已创建了440m的跨径记录。口前，在规划中的设计方案有突破500m跨径记录的趋势。而在实际的工程实践中，在400M以下的跨径范围内，预应力混凝土桥梁已常为优胜的方案。

在三十余年的高速发展阶段，几座典型桥例是非常值得一提的。1953年联邦德国建成的胡尔姆斯(Worms)桥，主跨114.2m，它标志着钢桥传统的施工方法—悬臂拼装方法在预应力混凝土桥上创造性的应用，即悬臂浇筑法，从而发展了预应力混凝土结构的一种新体系-T型刚构。1964年联邦德国又建成了主跨为208m的本道尔(Bendorf)桥，再一次成功地显示出悬臂施工方法的优越性，并且在结构体系上又有了创新，薄型的胜墩与上部连续梁固结，形成带铰的连续一刚构体系。1962年在委内瑞拉建成的马拉开波( Maracaibo)桥，桥全长8272m,其中主桥为斜拉桥，跨径为160 + 5 x 235 + 160m。它标志着预应力混凝土对新型结构体系的强有力的适应性。斜拉桥体系首创于钢结构，尔后，预应力混凝土结构相继应用，70年代以后，成为大跨径预应力混凝土桥梁的主要桥型之一，并接近世界大跨径钢斜拉桥的记录。预应力混凝土桥梁的发展不但在跨径记录上一再突破，而且在结构体系上“百花争艳”，充分体现了可塑性复合建筑材料的优越性。

预应力混凝土桥梁的高速发展不单是取决于材料与预应力技术的先进水平，设计理论的日益完善和计算机技术的发展，作为桥梁方案的竞争能力，更取决于现代化施工技术水平的捉高、桥梁造价的降低。据欧洲地区各国的统计，混凝土结构的造价，其中劳动力费用占38%，材料占46%，设备占9%，运输占7%，其中劳动力与材料两项占了总造价的84%。从1960年至1970年的统计数字，国外劳动力价格的提高是材料价格提高的2.5倍。

因而，现代化先进的施工方法不断发展，建立了一系列应用预应力技术的新型桥梁施工架设方法。从1953年悬臂浇筑法(Cast-in-Site Cantilever Method)成功间世以来，1960年提出了逐孔架设法(Span by span)，1962年又发展了顶推法(Incremental Launching Method)，同年在悬锗浇筑法不断完善的基础上又发展了悬臂预制拼装法(Precast Segmental Cantilever Method)。至70年代。这些方法在具体桥梁工程的应用上各国又有不断的革新。

近年来，预应力混凝土桥有两座典型新结构值得一提。一座是瑞士的甘特(Canter)桥，总长678m，平面上双向曲线布置，跨越深谷，墩高124.5m，主跨为174m。在结构型式上貌似斜拉桥，又似连续一刚构，是组合体系。另一座是1983年建成的科威特巴比延(Bubiyan)桥，总长达2503.05M，由12组5跨或6跨连续梁组成，主跨为53.8m，用逐孔拼装法架设，最快的速度是约24小时拼装一孔。结构型式为空间构架(Space Frame)，由预制构件和工厂浇制顶、底板连成一个拼装单元。拼装时用的导粱为斜拉钢结构。

世界第一座用熟铁铆接的箱形梁桥。又称不列颠箱管桥。位于英国威尔士切斯特至霍利里德铁路跨越梅奈海峡的双线铁路上。建于1846～1850年。4跨连续，分跨为 70＋ 140 ＋140＋70米。单孔箱梁重1285 吨，在工地预制组装后用趸船运至桥，用千斤顶提升就位，列车在箱形梁内穿行。1970年5月23～25 日的火灾，使桥遭到严重破坏，主跨下垂不能通行。在修复中，河中两跨改为钢桁架拱，边跨改为钢筋混凝土刚架支承的钢梁。1973年竣工后又敷设公路桥面，称布列坦尼亚新桥。公路、铁路两用。

1.3.2国内预应力混凝土梁桥的发展

我国的预应力混凝土结构起步晚，但近年来得到了飞速发展。现在，我国已经有了简支梁、带铰或带挂梁的T构、连续梁、桁架拱、桁架梁和斜拉桥等预应力混凝土结构体系。虽然预应力混凝土桥梁的发展还不到80年。但是，在桥梁结构中，随着预应力理论的不断成熟和实践的不断发展，预应力混凝土桥梁结构的运用必将越来越广泛。我国自1956年建成第一座跨径20m的预应力混凝土梁桥后,在1970年河南省建成了跨径52m的鱼腹形预应力混凝土简支梁桥,1988年浙江省建成了跨度为62m国内跨度最大的预应力混凝土简支梁桥飞云江桥。近几年来,公路简支梁桥大量应用跨径为40～50m的箱形梁或T形梁。预应力混凝土梁桥在我国展现了强大的生命力。

桥梁的发展大致经历了以下三次飞跃。19世纪钢材的出现，随后又出现高强度钢材，使桥梁工程的发展获得了第一次飞跃，跨度不断加大。20世纪初，钢筋混凝土的应用以及

30年代兴起的预应力混凝土技术，使桥梁建设获得了廉价、耐久、且刚度和承载力都很大的建筑材料，从而推动桥梁的发展产生第二次飞跃。20世纪50年代以后，随着计算机技术和有限元技术的迅速发展，使得人们能够方便完成过去不可能完成的大规模结构计算，这使桥梁工程获得了第三次飞跃。随着提速及快速铁路的发展要求,大跨径简支箱梁的应用越来越广泛,而32m和40m双线整孔箱梁也得到了应用。很明显,混凝土简支梁正在向40m以上的跨度发展。随着这些大跨度简支梁桥的建成,其施工技术也取得了很大成就,从较早的满堂支架浇筑到移动模架系统,无论在施工方法,还是在施工机具等方面都得到了极大发展。 随着施工技术的进步,原有混凝土简支梁桥施工方法的分类已不能反映技术的进步,为方便起见,分为支架现浇法、整孔架设法和移动模架法三类。

1.4我国高速公路桥梁的发展：

桥梁设计与建造技术已成为现代高速公路建设中关键技术之一。桥梁建设作为高速公路土建工程的重要组成部分，主要功能是为高速列车提供平顺、稳定的桥上线路，以确保运营的安全和旅客乘坐的舒适。以京沪高速公路为例，它经过的区域是东部经济发达地区，全长为1300多公里，桥梁占1000多公里，为全长的77%。我国的高速公路建设通过借鉴德国、日本等国高速公路桥梁先进技术和成功建设经验，在我国高速公路桥梁建设发展中，逐渐完善技术的同时形成自己的特色。

1.4.1公路桥梁发展现状

随着我国公路客运专线建设的全面推进，中国高速公路桥梁建设取得了实质性进展。目前，中国在建和即将开工建设的客运专线规模达到9700km，其中桥梁比重近50%。其中桥梁比重最高的广珠城际公路达到90%以上；已经开通运营的京津城际公路桥梁比重达到88%；全长1318km的京沪高速公路桥梁总长达1060km，桥梁比重为80%。

近年来，中国公路通过引进、消化、吸收再创新，探索和积累了符合国情的高速公路桥梁建设的技术标准、设计技术、建造技术，在高速公路桥梁设计、施工、科研以及建设管理等方面实现了重大跨越。同时，大吨位桥梁建造技术取得重大突破，国内自主研发客运专线900t架桥机和运梁车，解决了大吨位整孔箱梁架设问题，推动了我国公路桥梁事业发展。再者，深水大跨桥梁建造技术取得了相当大的进展。例如 ，武汉天兴洲长江大桥

是国内外已建的时速为250km最大跨度斜拉桥；南京大胜关长江大桥是目 前世界上设计时速为350km最大跨度的高速公路桥梁。公路桥梁建造技术发展迅猛，逐步达到世界领先水平。与此同时，为推动高速公路修建的发展起到了至关重要的作用。

1.4..2我国高速公路桥梁建设特点

由于客车速度大幅提高，其对桥梁结构的动力作用远大于普通公路桥梁。桥梁又是公路线路中修建中的薄弱和复杂环节，对整条线路运行的性能影响甚大。桥梁出现较大挠度会直接影响桥上轨道平顺性，造成结构物承受很大冲击力，旅客舒适度大幅度下降，甚至危及列车运行安全。这些都对桥梁结构的刚度和整体性提出了极高的要求本文从以下七个方面介绍其建设特点： [1]大量修建高架桥

我国正处于高速公路建设大发展的时期，在建和待建的高速公路总里程将达到上万公里。为了充分贯彻节约土地的基本国策，加快公路建设速度以适应国民经济发展的需要，在高速公路建设中大量采用了以桥代路。所以高架桥梁在高速公路中修建中所占的比例较大，主要在平原软土以及人口和建筑密集地区，同时降低了对周边环境和居民生活的影响，提高公路的安全性能，缩短行程距离。 [2]大跨度桥梁数量较多

因受到我国地形特点和道路实际情况的制约，我国客运专线中，跨度达100m及以上的大跨度桥梁很多据统计，在建与拟建客运专线中，100m以上跨度的高速桥梁至少在200座以上。其中，预应力混凝土连续梁桥的最大跨度为128m，预应力混凝土刚构桥的最大跨度为180m，钢桥的最大跨度504m。 [3]主要采用简支箱梁结构形式

根据我国高速公路建设规模工期要求和技术特点，其结构形式整体性好，机械化程度高，便于施工。通过深入的技术比较，确定以32m简支箱梁作为标准跨度，整孔预制架设施工预应力体系有先张法和后张法两种少部分采用12m，16m跨度的T形梁，预制吊装。 [4]桥梁整体性能好

为了保证列车高速舒适安全行驶，高速公路桥梁必须具有足够大的竖向和横向度以及良好的整体性，以防止桥梁出现较大挠度和振幅同时，还必须严格控制由混凝土产生的徐变上拱和不均温差引起的结构变形，以保证轨道的高平顺性。

[5]加强对纵向位移的限制

避免桥上无线路出现过大的附加力由于桥梁结构的温度变化列制动桥梁挠曲会使桥梁在纵向产生一定的位移，引起上无缝线路钢轨产生附加应力，过大的附加应力会导致上无缝线路失稳，影响行车安全。因此，要求桥梁墩具有足够的纵向刚度，以尽量减少钢轨附加应力和梁轨的相对位移 [6]提高耐久性，减少维修工作

高速公路是其重要的交通运输设施，桥梁结构物应尽量做到少维修免维修，因此，设计时需要将改善结构物的耐久性作为计原则，统一考虑合理的结构布局和构造细节，并在施中加以严格控制，保证质量另一方面，高速公路运营任务繁重，列车速度高，维修时间都放在夜间“天窗”时间进行一般为4h，因此桥梁结构构造应易于检查和维修。 [7]重视抗震设计

高速公路在未来国家发展中所占据的重要位置就对其自身的各方面性能提出了更高的要求，经历了汶川震灾后，结构抗震性能的优劣显得更加至关重要。高速公路桥梁的抗震性能也就成了高速公路抗震设计的核心环节。新颁布的公路抗震规范，提出了三水准两阶段设计的原则，在多遇地震下，桥梁结构按弹性理论设计，不允许结构产生大的损伤和破坏。罕遇地震下，桥梁结构按弹塑性理论设计，引入延性设计方法，允许结构产生可修复的损伤和破坏，但结构物不得倒塌。从而使“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计原则在规范标准体系中得以体现。与旧规范相比，新规范较大幅度地提高了桥梁的抗震设防水准。建设中不断引入减震设计方法，探寻和研究适合高速公路桥梁减震设计的措施，增强高速公路桥梁抵御地震灾害的能力。

1.5桥梁设计的基本原则：

桥梁设计必须遵照适用、经济、安全和美观的基本原则进行，必须考虑下述各项要求。 （1）使用上的要求

桥梁必须适用。要有足够的承载和泄洪能力，能保证车辆和行人的安全畅通；既满足当前的要求，又照顾今后的发展，既满足交通运输本身的需要，也要兼顾其它方面的要求；在通航河道上，应满足航运的要求；靠近城市、村镇、铁路及水利设施的桥梁还应结合有关方面的要求，考虑综合利用。建成的桥梁要保证使用年限，并便于检查和维护。

（2）经济上的要求

桥梁设计应体现经济上的合理性。设计必须经过洋细周密的技术经济比较，使桥梁的总造价和材料等的消耗为最小，在使用期间养护维修费用最省，并且经久耐用。另外，桥梁设计还应满足快速施工的要求，缩短工期不仅能降低施丁费用，而且尽早通车在运输上将带来很大的经济效益。

（3）设计上的要求

桥梁设计必须积极采用新结构、新殴备、新材料、新工艺和新的设计思想，认真研究国外的先进技术，充分利用国际最新科学技术成果，把国外的先进技术与我们自己的独创结合起来。保证整个桥梁结构及其各部分构件在制造、运输、安装和使用过程中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。 （4）施工上的要求

桥梁结构应便于制造和安装，尽量采用先进的工艺技术和施工机械，以利于加快施工速度，保证工程质量和施工安全。 （5）美观上的要求

在满足上述要求的前提下，尽可能使桥梁具有优美的建筑外型，并与周围的景物相协调。在城市和游览地区，应更多地考虑桥梁的建筑艺术，但不可把美观片面地理解为豪华的细部装饰。

1.6预应力混凝土简支梁桥的特点

（1）简支梁桥属于单孔静定结构，它受力明确，结构简单，施工方便，结构内力系受外力影响，能适应在地质较差的桥位上建桥。

（2）在多孔简支梁桥中，由于各跨经结构尺寸同意，其结构尺寸易于设计成系列化，标准化。有利于组织大规模的工厂预制生产并用现代化起重设备，进行安装，简化施工管理工作，降低施工费用。

（3）装配式的施工方法可以节省大量模板，并且上下部结构可用时施工，显著加快建桥速度缩短工期。

（4）在简支梁桥中，因相邻各单独受力，桥墩上常设置相邻简支梁的支座，相应可以增加墩的宽度。

本次设计桥梁是预应力混凝土简支梁桥。

1.7预应力混凝土梁桥施工技术

（1）在我国中小跨径的预应力混凝土连续梁桥施工中，除了最古老的支架现浇方法外，还采用了先简支后连续、顶推法、移动模架逐孔浇筑法、移动导梁逐孔拼装法和梁体预制浮吊安装法等施工技术。

（2）平衡悬臂拼装施工法和平衡悬臂浇筑施工法的采用促进了预应力混凝土连 续梁桥的发展。大跨径预应力混凝土连续梁桥大多采用悬臂浇筑法施工。根据连 续梁桥的特点，采用逐段平衡悬臂浇筑，先形成 T 构，再逐跨合龙，逐跨释放 临时固定支座，完成体系转换，最终形成多跨预应力混凝土连续梁桥。大跨径预 应力混凝土连续箱梁广泛采用挂篮进行悬臂浇筑施工。常用的挂篮形式有偏架式 和斜拉式。随着施工技术的进步，挂篮结构向着轻型化的方向发展，尽可能采用 构造合理、受力明确、自重轻、利用系数高、使用安全方便，具有良好技术经济 指标的挂篮。

（3）高强度预应力钢材、高标号混凝土和大吨位预应力锚固体系的研制开发和 应用，促进了大跨径预应力混凝土连续梁桥的发展。

1.8毕业设计的主要内容

1.8.1毕业设计的题目为：

某高速公路I级上的桥梁，采用预应力混凝土简支梁结构，拟定跨度为30米，双向四车道，桥面宽度15m（0.5m防撞墙+4×3.5m行车道+0.5m防撞墙），采用单箱双室箱形截面。荷载等级：公路I级汽车荷载，地震设防烈度：7度。结构设计与计算内容包括：桥梁上部结构设计；荷载计算；计算简图、内力分析、内力组合及变形验算。

1.8.2主要内容：

（1）预应力混凝土简支梁桥的构造尺寸计算，包括计算恒载内力、活载内力、温度次内力等，并进行截面的作用效应组合；

（2）纵向预应力钢筋的估算，布置，调整，优化； （3）预加力产生的次内力计算； （4）主梁截面强度计算与验算； （5）应力变形及其它验算；

（6）编制结构设计计算书；

（7）绘制结构设计的主要构造图、预应力束布置图及施工顺序图、普通钢筋图等。

1.9毕业设计的目的和意义

1.9.1毕业设计的目的

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。

1.9.2毕业设计的意义

(1)在老师的指导下，独立完成一座公路预应力混凝土简支梁桥上部结构的设计，基本掌握该工程设计的全过程，巩固了自己的已学知识。

(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)预应力混凝土简支梁桥毕业设计的手算工作量较大，且准确性难以保证，所以采用了专业桥梁软件Midas Civil进行内力计算，并以AutoCAD, Excel等进行辅助设计计算。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，使自己的能力得以提高。

第二章 设计要点及构造、材料、尺寸的拟定

2.1桥型选取的基本原则：

（1）在符合线路基本走向的同时，力求接线顺畅、路线短捷、桥梁较短、尽量降低工程造价。

（2）在满足使用功能的前提下，力求桥型结构安全、适用、经济、美观。同时要根据桥位区的地形、地貌、气象、水文、地质、地震等条件，结合当地施工条件，选用技术先进可靠、施工工艺成熟、便于后期养护的桥型方案。 （3）尽量降低主桥梁体高度，缩短桥长。

2.2设计的基本资料：

桥梁的跨度与宽度：

桥梁的跨度为30米，双向四车道；

桥面的宽度为15米（0.5m防撞墙+4×3.5m行车道+0.5m防撞墙）,采用单箱双室截面；

2.3箱形截面桥梁的具有以下特点:

（1）箱梁截面抗扭刚度大，结构在施工与使用过程中都有良好的稳定性；

（2）箱梁的顶板和底板部具有较大的混凝土面积，能有效地抵抗正负弯矩，并满足配筋的要求，适应具有正负弯矩的结构或构件，如连续梁、拱桥、刚架桥、斜拉桥等，也适应于主要承受负弯矩的悬臂梁、T型刚构等桥型。

（3）能适应现代化施工的要求，如悬臂施工、顶推施工等，这类施工方法均要求截面具备较厚的底板。

（4）承重结构与传力结构相结合，使各部件共同受力，同时截面效率高，并适合预应力混凝土结构空间布束，达到较好经济效果。

（5）对于宽桥，由于抗扭刚度大，使各部共同受力，跨中无需设置横隔板就能获得满意的荷载横向分布。

（6）适合于修建曲线桥，具有较大适应性；能很好适应布置管线等公共设施。

2.4主要技术标准：

设计荷载：公路一级汽车荷载； 公路等级：I级公路； 地震设防烈度：7度；

2.5主要材料及材料性能:

表2.1 混凝土

表2.2 钢材

其他材料

钢板：锚头下垫钢板、灯具连接板等采用低碳钢； 预应力管道：采用波纹管成型；

2.6设计参数取值

（1）永久作用 ①结构重力

一期恒载混凝土容重为26.0kN/m3，按实际断面计重量，横梁按集中荷载考虑, 抗压及抗弯弹性模量为3.45×104MPa，线膨胀系数为0.00001 。桥面铺装层厚度取10cm；护栏

按每10m长度3.01m3混凝土计，混凝土重度为25kN/m3。

②预加力

预应力钢绞线采用公称直径为15.2mm的钢绞线，其抗拉强度标准值fpk＝1860MPa，弹性模量Ep＝1.95×105 MPa，松弛率=3.0%，孔道摩擦系数0.25，孔道偏差系数0.0001，一端锚具变形及钢束回缩6mm，锚下张拉控制应力为0.75fpk=1395Mpa。将桥面铺装当作二期恒载。

③混凝土收缩及徐变作用

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）计算,环境年平均相对湿度RH值取80%。 （2）可变作用 ①汽车荷载

公路Ⅰ级荷载，qk=10.5kN/m，pk=280kN； ②人群荷载

本次设计不考虑人群荷载作用。

依据的设计规范：

（1）中华人民共和国交通部标准.公路工程技术标准（JTGB01—2003）.人民交通 出版社，2004

（2）中华人民共和国交通部标准.公路桥涵设计通用规范（JTGD60—2004）.人民 交通出版社，2004.

（3）中华人民共和国交通部标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62—2004）.人民交通出版社，2004.

（4）中华人民共和国交通部标准 . 公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）. 人 民交通出版社，2005.

（5）JTK023－85 规范允许桥梁构件按部分预应力混凝土（ppc）设计。

A 类构件--在短期荷载作用了截面受拉边缘允许出现拉应力，但拉应力值不超过规范中的规定限值，如有些箱梁的顶板横向预应力是按 A 类构件设计的。

B 类构件--在短期荷载作用下，截面受拉边缘允许出现裂缝，即拉应力值超过规范中的规定限值，目前在大跨径预应力箱梁桥设计中未见采用。

PPC 构件具有节约钢材、降低造价、能减少由预应力引起的反拱度、改善结构受力性能等优点，已在一般公路桥梁和城市桥梁工程中逐步推广应用。

2.7结构概述

2.7.1截面形式及截面尺寸拟定

（1）主梁梁高

高速公路桥变截面连续梁桥的中、支点梁高H中与跨度L中之比一般取1/12～1/21，本次设计取2.2m,高跨比约为1/15； （2）横截面截面形式及尺寸

桥面宽度为15m，采取单箱双室的构造断面，箱梁顶板采用混凝土。为使顶板横向配筋较为适宜，箱梁腹板净距以不超过5m为宜。考虑布置预应力钢束、普通钢筋及承受轮载的需要，箱梁顶板厚度一般为20-40 cm，本次设计支点截面取35cm，跨中截面取20cm。腹板与顶、底板相接处做成80cm×25cm，30cm×20cm承托，利于脱模并减弱转角处的应力集中。主梁横断面构造如图2-1、2-2所示。

图2.1 主梁横断面构造图（支点截面）(单位：cm)

图2.2 主梁横断面构造图（跨中截面）（单位：cm）

（3)纵断面形式及尺寸。

桥梁跨度为30m,考虑到桥梁在实际使用中两边支点处截面的剪力较大，故在桥梁的两端加长度为1m的横隔梁。支点截面到跨中截面的过渡长度为1米，过渡曲线为一次线性直线。主梁纵断面构造图如图2-3所示。

图2.3 主梁纵断面构造图（单位：cm）

（4) 箱梁底缘曲线

箱梁底缘曲线设置为一次线性直线。 （5)箱梁腹板厚度

本次设计的箱梁腹板均取为60cm。 （6)钢束布置

本次设计的桥梁为预应力混凝土梁桥，预应力钢束全部采用1860MPa钢绞线。布置方式如下表所示。

表2.3 预应力钢束使用表

施工概括

本设计采用满堂支架施工，只支架一次整体落架，没有体系转换。施工过程分三步：第一步为满堂支架浇筑混凝土箱梁；第二步待混凝土达到强度要求后张拉锚固全部预应力钢束；第三步为桥面铺装及附属结构等，拆除满堂支架。

2.8计算原则及控制标准

2.8.1持久状况承载能力极限状态计算

(1) 正截面受压区高度计算结果（需满足规范 5.2.1 条～5.2.2 条） (2) 荷载组合下强度验算结果

① 正截面抗弯承载力验算（需满足规范 5.2.2～5.2.5 条） ② 斜截面抗剪承载力验算（需满足规范 5.2.6～5.2.12 条） ③ 截面抗扭承载力验算（需满足规范 5.5.1～5.5.5 条）

2.8.2持久状况正常使用极限状态计算

(1) 荷载组合下抗裂验算（需满足规范 6.3 条~6.4 条） ① 正截面抗裂验算――正截面混凝土拉应力验算； ② 斜截面抗裂验算――斜截面混凝土主拉应力验算。 (2) 挠度验算（需满足规范 6.5 条）

第三章 结构有限元模型的建造过程

箱梁有限元模型采用Midas Civil软件进行建立，在估算并开始布置预应力钢束时，使用AutoCAD软件辅助进行建模。第一步首先手工估算预应力钢束数量，根据钢束估算量，配置预应力钢束，并考虑施工过程与结构体系及截面特性的匹配关系；第二步开始整体进行建模，设计相关的材料特性值、截面的相关参数、桥梁的跨度以及变截面等，然后进行相应的计算和验算。

3.1 Midas Civil软件介绍

使用软件为Midas Civil，MIDAS/Civil是针对土木结构，特别是分析象预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，同时可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。为能够迅速、准确地完成类似结构的分析和设计，以填补土木结构分析、设计软件市场的空白，而开发的“土木结构专用的结构分析与优化设计软件”。 应用比较广泛,如钢筋混凝土桥梁 : 板型桥梁、刚架桥梁、预应力桥梁 联合桥梁 : 钢箱型桥梁、梁板桥梁 预应力钢筋混凝土箱型桥梁 : 悬臂法、顶推法、移动支架法、满堂支架法 大跨度桥梁 : 悬索桥、斜拉桥、拱桥 大体积混凝土的水化热分析 : 预应力钢筋混凝土箱型桥梁、桥台、桥脚、防波堤 地下结构: 地铁、通信电缆管道、上下水处理设施、隧道 工业建筑: 水塔、压力容器、电力输送塔、发电厂 国家基础建设: 飞机场、大坝、港口。

MIDAS/Civil是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。

特别是针对桥梁结构，MIDAS/Civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各大公路、铁路部门的设计院所采用。

3.1.1 MIDAS/Civil的主要特点如下

（1）提供菜单、表格、文本、导入CAD和部分其他程序文件等灵活多样的建模功能，并尽可能使鼠标在画面上的移动量达到最少，从而使用户的工作效率达到最高。 （2）提供刚构桥、板型桥、箱型暗渠、顶推法桥梁、悬臂法桥梁、移动支架/满堂支架

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