波形钢腹板PC矮塔斜拉桥设计与力学性能分析

论文总字数：42011字

摘 要

波形钢腹板PC组合箱梁桥出现于20世纪80年代，是一种新型桥梁。与普通的预应力混凝土箱梁相比，该结构用波型钢板代替了混凝土腹板，成为一种新的钢-混凝土结构，优点众多。首先其结构自重较轻，减少了下部结构的工程量，降低了工程造价。其次，作为腹板的波形钢板几乎不承受轴向力，预应力钢束可以集中布置在顶板和底板，提高了预应力效率。另外，因为不再需要混凝土腹板，所以减少了大量的混凝土浇筑工程，施工方便，缩短工期。尤其重要的是，传统的预应力混凝土箱梁腹板容易出现斜裂缝，但是波纹钢腹板有效地解决了这个问题。近年来，随着我国大跨径桥梁的迅猛发展，波形钢腹板矮塔斜拉桥这一新颖的结构形式，依靠其自重轻、建造成本较低、抗震效果较好等优点，得到了广泛运用。

郑登快速通道朝阳沟水库特大桥位于郑州至登封快速通道改建工程朝阳沟水库北侧，桥位区位于水库库区北侧水域较窄地带，横跨朝阳沟水库。桥梁跨径组成为58 118 188 108=472m，桥梁全长484.8m。主桥采用悬臂浇筑施工法。主桥上部采用波形钢腹板PC部分斜拉桥。本毕业设计以郑州市交通规划勘察设计院的施工图设计图纸为依据，利用Midas Civil软件对郑登快速通道朝阳沟水库特大桥上部结构建模，进行施工阶段和成桥阶段分析。论文按照相应规范要求对主梁的承载能力、应力、抗裂性、变形、波形钢腹板的抗剪强度和抗剪稳定性进行验算。验算结果表明，郑登快速通道朝阳沟水库特大桥在现行的公路-I级荷载作用下，主梁的承载能力、应力、抗裂性、变形、波形钢腹板的抗剪强度和抗剪稳定性等方面均满足规范要求。验算过程中，体现出波形钢腹板这种新型钢-混凝土组合结构的力学特性。

关键词：波形钢腹板，预应力混凝土，悬臂浇筑，矮塔斜拉桥

Abstract

The prestressed concrete composite box-girder bridge with corrugated steel webs is a new kind of bridge which emerged in 1980s. It is a new steel-concrete composite structure which replaces the concrete webs with corrugated steel webs. Compared with the conventional structure, the advantages of the corrugated steel webs are as follows. Firstly, its self-weight is lighter than the prestressing concrete structure, so that it could reduce the quantity of substructure and the total project cost. Secondly, the corrugated steel webs couldn’t resist the axial force, so it improves the efficient of the prestressed tendons. Thirdly, because there are no concrete webs, it could reduce a lot of templates, supports and concrete pouring projects, which would facilitate the construction and shorten the construction period. And the most important thing is that the corrugated steel webs solve the problem of prestressed concrete webs’ incline cracks successfully. In recent years, with the rapid development of China’s long-span bridges, extradose cable-stayed bridge with prestress concrete composite box girder with corrugated steel webs as a new form of bridge structure, which has light weight, short construction period and good seismic performance and many advantages, has been widely used.

The Cheng Teng Fast Track Chaoyanggou Reservoir Bridge is located in the north of Chaoyanggou Reservoir of Zhengzhou to Dengfeng fast-track reconstruction project. Bridge site area is located in the north of the reservoir, where the water is relatively narrow, and across the reservoir. The bridge is a extradose cable-stayed bridge with prestress concrete composite box girder with corrugated steel webs with a continuous span arrangement of 58m 118m 188m 108m=472m. The construction method is cantilever casting. This graduation project is based on the construction drawings provided by Zhengzhou City Transportation Planning Survey and Design Institute. The Midas Civil software was used to model the bridge’s superstructure, for construction analysis and completion analysis. According to the specifications, this paper checkes the bearing capacity, stress, crack resistance and deformation of the main beam. And the results show that, under the highway load-I of current specifications, the bearing capacity, stress, crack resistance and deformation conform to requirements. In the checking process, the mechanical characteristics of the prestressing concrete composite box-girder structure with corrugated steel webs are reflected.

Keywords: corrugated steel webs, prestressed Concrete,cantilever casting, extradose cable-stayed bridge

目录

目录 IV

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 波形钢腹板PC组合箱梁桥的构造特征 2

1.2.1 整体构造 2

1.2.2 波形钢腹板 3

1.3 波形钢腹板PC矮塔斜拉桥的发展概况 3

1.3.1 国外发展概况 3

1.3.2 国内发展概况 5

1.4 本文工程背景及主要工作 6

第二章 设计资料 9

2.1 主要技术标准 9

2.2 主要设计规范 9

2.3 主要材料 10

2.3.1 混凝土 10

2.3.2 钢材 10

2.3.3 普通钢筋 11

2.3.4 斜拉索 11

2.3.5 预应力钢筋 11

2.3.6锚具及波纹管 12

2.3.7 支座及伸缩缝 12

2.3.8 栓钉与螺栓 12

2.3.9 桥面防水及铺装 12

2.4 设计要点 13

2.4.1 混凝土箱梁构造 13

2.4.2 波形钢腹板构造 14

2.4.3 预应力体系 15

第三章 主梁分段与施工方案及有限元模拟 17

3.1 设计施工程序 17

3.2 材料定义 19

3.3 结构离散 19

3.4 有限元模拟 21

3.4.1 有限元结构分析模型 21

3.4.2 相关参数的计算 22

3.5 预应力钢束分组 23

3.6 施工过程模拟 27

第四章 预加力、收缩徐变、基础变位及温度次内力计算 30

4.1 预加力引起的次内力 30

4.2 徐变、收缩引起的次应力 30

4.2.1 混凝土徐变 30

4.2.2 混凝土收缩 31

4.3 基础变位引起的次应力 31

4.4 温度次内力 32

第五章 上部结构验算 34

5.1 施工阶段受力与变形分析 34

5.1.1 最大悬臂状态 34

5.1.2 中跨合拢完成中跨底板束张拉 36

5.1.3 边跨合拢完成边跨束张拉 39

5.1.4 体外预应力束张拉 41

5.1.5 完成二期恒载 44

5.1.6 收缩徐变 46

5.2 荷载组合 49

5.3 承载能力极限状态验算 51

5.3.1 正截面抗弯承载能力计算 51

5.3.2 斜截面抗剪承载能力计算 53

5.4 正常使用极限状态验算 53

5.4.1 正截面抗裂验算 53

5.4.2 斜截面抗裂验算 54

5.4.3变形验算 55

5.4.4预应力损失及有效预应力的计算 55

5.5 持久状况和短暂状况构件应力验算 57

5.5.1 使用阶段（持久状况）正截面法向应力验算 57

5.5.2 施工阶段（短暂状况）应力验算 58

5.6 波形钢腹板剪切强度验算 60

5.7 波形钢腹板的抗剪屈曲稳定性验算 62

5.7.1 波形钢腹板的屈曲破坏模式 62

5.7.2 抗剪稳定性验算 62

第六章 结论 65

致谢 66

第一章 绪论

1.1 引言

波形钢腹板PC组合箱梁桥作为一种新型桥梁形式，优点众多。1988年，AISC协会首次对波形钢腹板PC组合箱梁桥进行介绍，此后，世界范围内针对这种新型组合结构开展了众多研究。波形钢腹板PC组合箱梁将钢、混凝土两种材料组合起来，充分发挥了两种材料的特性，提高了结构稳定性、强度及材料的使用效率。作为一种新的形式，波形钢腹板PC组合箱梁桥主要有下面几个优点^[1]：

(1) 自身重量较轻，地震激励作用效果显著下降，有较好的抗震性能。

(2) 消耗材料较少，降低工程造价。采用波形钢腹板代替混凝土腹板后，上部结构重量显著降低，减少了基础工程在内的下部结构工程量，降低材料用量与造价。

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