论文总字数：38771字

摘 要

：本设计以宁波奉化江大桥为背景工程，设计某三跨连续组合梁桥，桥梁跨径布置为100 160 100m，桥宽15m，桥梁全长360m，上部结构为预应力混凝土波纹钢腹板连续箱梁，按左右两幅独立设计，其左右幅结构形式相同，本文取单幅进行设计。利用 Midas/Civil软件对大桥上部结构进行有限元建模，并进行施工全过程模拟。此外，按照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、抗剪稳定性等进行验算。Midas/Civil 模型精确模拟了挂篮悬臂浇筑的施工方法。同时，验算结果表明，此桥在现行规范公路-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。



关键词：有限元模型、数值模拟、波形钢腹板

A Corrugated Steel Web Girder Bridge with Variable Depth and Numerical Simulation of Construction

05111109 TANG Shuyang

Supervisor: XI Zhuo

Abstract: This design of a single box single cross section corrugated steel web girder bridge with variable depth, is on the base of the construction drawings design of Fenghuajiang Bridge in Ningbo. The total length of this bridge is 360m, which is arranged as 100 160 100m, and the width is 15m. The Midas/Civil software is used for model establishment and construction process simulation for this bridge superstructure. Moreover, according to the specification, the bearing capacity, stress, cracking resistance, deformation of girder and the sheer resistant, sheer stability of corrugated steel webs are checked in this paper. The model by Midas/Civil is reasonable for cantilever site cast construction. The result indicates that, the bearing capacity, stress, cracking resistance, deformation of girder and the sheer resistant, sheer stability of corrugated steel webs meet the specification requirements while the bridge is under the highway load- I of current specifications.

Key words: finite element model, numerical simulation, corrugated steel webs

东南大学毕业 设 计（论 文）独创性声明

本人声明所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

论文作者签名： 日期： 年 月 日

东南大学毕业 设计（论 文）使用授权声明

东南大学有权保留本人所送交毕业（设计）论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学教务处办理。

论文作者签名： 导师签名：

日期： 年 月 日日期： 年 月 日

目录

第1章 绪论 - 6 -

1.1波形钢腹板箱梁的研究与应用现状 - 6 -

1.2 波形钢腹板箱梁桥的结构构造 - 9 -

1.2.1 整体构造 - 9 -

1.2.2 波形钢腹板 - 9 -

1.2.3波形钢腹板连接 - 10 -

1.3波形钢腹板箱梁桥的技术特点 - 12 -

1.3.1 波形钢腹板箱梁桥的优势 - 12 -

1.3.2波形钢腹板箱梁桥的不足之处 - 13 -

1.4 本文的主要设计工作 - 14 -

第2章 工程概况与结构设计 - 15 -

2.1 主要技术标准和设计基础资料 - 15 -

2.1.1 主要技术标准和设计基础资料 - 15 -

2.1.2 材料参数 - 15 -

2.1.3 设计依据的规范 - 16 -

2.2 结构总体布置与参数拟定 - 17 -

2.2.1桥梁立面设计 - 17 -

2.2.2 桥梁平面布置 - 17 -

2.3关键构造设计 - 17 -

2.3.1混凝土箱梁构造 - 17 -

2.3.2 波形钢腹板构造 - 18 -

2.3.3 预应力体系设计 - 18 -

第3章 波形钢腹板箱梁桥结构有限元模型 - 20 -

3.1 模型建立的简化与假定 - 20 -

3.2 Midas/Civil有限元模型 - 20 -

3.2.1 结构参数 - 20 -

3.2.2 材料参数 - 21 -

3.2.3 预应力钢束分组 - 22 -

3.2.4 边界处理 - 23 -

3.2.5 有限元模型 - 24 -

3.3 施工过程模拟 - 24 -

3.3.1大桥施工程序 - 24 -

3.3.2 划分施工阶段结构组 - 25 -

3.3.3定义荷载及荷载组 - 26 -

3.3.4施工过程 - 29 -

3.3.5施工阶段受力与变形分析 - 32 -

第4章 整体极限状态验算 - 43 -

4.1 荷载组合 - 43 -

4.2 承载力极限状态验算 - 45 -

4.2.1 正截面承载力计算 - 45 -

4.2.2斜截面抗剪承载能力计算 - 47 -

4.3 正常使用极限状态验算 - 47 -

4.3.1抗裂验算 - 47 -

4.3.2 斜截面抗裂分析 - 48 -

4.3.3挠度验算 - 48 -

第5章 持久状况和短暂状况构件应力验算 - 50 -

5.1 持久状况应力验算 - 50 -

5.1.1 使用阶段正截面法向应力验算 - 50 -

5.1.2 使用阶段混凝土主应力验算 - 51 -

5.2 短暂状况应力验算 - 52 -

5.3 波形钢腹板强度验算及安全性评估 - 53 -

5.3.1 波形钢腹板剪应力验算 - 54 -

5.3.2波形钢腹板屈曲安全性评估 - 57 -

毕业设计总结 - 63 -

参考文献 - 65 -

致谢 - 66 -

第1章 绪论

1.1波形钢腹板箱梁的研究与应用现状

预应力箱梁具有较大的抗弯、抗扭刚度，结构受力性能合理，能够满足施工过程对稳定性的要求，是现代大跨径桥梁常用的结构形式。但随着跨径的增大，其自重也明显增大，梁体自重占总荷载的比重高达80%~90%，加重了下部结构的负担，大大影响了其跨越能力和经济性。因此，减轻预应力箱梁的自重，使其具有更大的跨越能力、更省材料、更具美观轻盈的视觉效果，一直是桥梁工程师们努力的目标。

近几十年，各国桥梁专家们在上述的问题上开展了诸多研究。随着科技的进步和体外预应力技术的不断发展，钢混组合结构在桥梁工程中的得到越来越广泛的应用，世界各国也在钢混结构的研究上付出了巨大的努力。法国的很多机构对大跨径桥梁的上部结构轻型化进行了研究，并首先提出了用平面钢板代替箱形截面中的混凝土腹板，通过箱形截面内的体外索对梁施加体外预应力，并应用于实践，其中法国的Fert’e-Saint-hubin桥是这种结构形式的典型代表(如图1-1)。但是因为钢板与混凝土的弹性模量差别很多，混凝土收缩和徐变产生的变形收到钢板的约束，钢腹板与混凝土翼板之间会发生应力重分布现象，从而造成混凝土顶板和底板的预应力严重损失。同时，由于钢腹板承受的较大的预应力，这就要求在钢腹板上增设加劲板或增大钢板厚度或缩小加劲板的间距以防止失稳，这将会增加结构的造价，也就显示不出结构的优越性。

图1-1平钢腹板典型截面

为解决平钢腹板这一致命的缺点，法国学者Pierre Thrivans提出将原来的平钢板改为沿桥轴方向可伸缩的波形钢板，由此而形成了一种新型的、结构受力更合理的箱梁结构-波形钢腹板PC组合箱梁，见图1-2所示。由于几毫米厚的钢板就能承担数十厘米厚混凝土所能抵抗的剪力，而钢板重量亦仅为混凝土板的1／20左右，这样就能有效地减轻结构的重量，从而实现了桥梁的轻量化，使其具有更大的跨越能力(如图1-2)。

图1-2波形钢腹板PC组合梁结构示意图

在这一指导思想下，1986年，法国率先建成世界上第一座波形钢腹板桥（Campenon 桥），以波形钢腹板代替混凝土腹板。这一全新的桥梁形式的出现，在某种意义上宣告了由传统混凝土腹板带来的问题已不复存在。与传统的混凝土箱梁桥相比，波形钢腹板桥能够彻底解决腹板开裂及大跨预应力混凝土连续梁桥的长时间挠曲问题。除此以外，由于钢材在结构上的部分使用，自重大大减轻，有助于抗震设计，外形也符合美学审美。即具有自重轻、抗震性能好，施工速度快、节省劳动力，造型美观等优点。其后，此种桥型在欧洲得到进一步发展，如法国的Maupre桥、ASteri桥、Dole桥、挪威Tronko桥等。日本于上世纪80年代末，经由法国引入此种桥梁技术，作为降低建设成本的一项重要措施，并对其结构特点与施工方法改进方面进行了大量深入的研究，并用不同的施工方法修建了多座波形钢腹板PC结合型箱梁桥。由于认识到这一新型桥梁结构形式与传统的PC箱梁相比具有上述诸多优点。据不完全统计，自1993 年以来日本已建成两百余座波形钢腹板组合桥梁，结构形式包括简支梁、连续梁、连续刚构、斜拉桥等，桥梁跨径呈逐步加大的发展势态。目前，已建波形钢腹板连续梁桥的最大跨度已超过150m，波形钢腹板斜拉桥的最大跨度已达235m。这些大跨径的桥梁，均采用变高度的变截面箱梁结构形式，并采用节段悬臂技术进行施工。

相对而言，我国在波形钢腹板箱梁桥研究及运用实践方面起步较晚，目前处于起步阶段，设计理论和设计方法上均尚未成熟，但是在国内一些科研单位的推动下，伴随着钢铁工业在我国的蓬勃发展带来的钢材价格的大大降低，以及对于抗震的要求越来越高，最近10年内，波形钢腹板桥如雨后春笋般在我国中大型桥梁建设领域中得到广泛应用。我国第一座波形钢腹板组合桥梁始于2005 年，据不完全统计，截止2014 年1 月，我国已修建包括正在施工中的约30 余座，桥梁跨径也在逐步增加，其中主跨超过100m 的大跨桥梁约有5 座。波形钢腹板梁桥的跨径有逐年上升趋势。这一现状一方面反映了中国桥梁建设发展向着更轻，更大跨径，更好的抗震性能，更经济的方向迈进的现实需求，也对我国的桥梁事业提出了新的要求。为挖掘这种新型桥梁的应用潜力，促进我国桥梁事业的发展，使桥梁建设在结构设计、施工及应用范围上更加广阔，我们应当加强波形钢腹板桥梁的科研工作。

1.2 波形钢腹板箱梁桥的结构构造

1.2.1 整体构造

波形钢腹板组合梁桥的截面形式主要有两种：箱型截面和工字型截面。箱形截面中两片波形钢腹板倾斜放置，工字形截面中一片波形钢腹板竖直放置。其中大多数波形钢腹板预应力组合梁桥采用了箱型截面，下边主要介绍箱形截面波形钢腹板组合梁的结构构造特点。波形钢腹板PC 组合箱梁由混凝土顶底板与两块作为腹板的波形钢板通过剪力连接件结合，再辅以预应力系统的组合箱梁结构，见图1-3。使用钢腹板后，腹板内无法再布置预应力索，因此体内弯起束全部改用体外索。整个结构主要由波形钢腹板、混凝土顶底板、转向块、体内和体外预应力钢筋以及横隔板等构成。

图1-3波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥结构示意图

1.2.2 波形钢腹板

波形钢腹板一般是在工厂通过冷弯加工制作成形，原则上要保证弯曲半径为板厚的1倍以上，当不能达到要求时，应保证钢材具有一定的冲击韧性，并且要控制氮元素的含量。波形钢腹板的板厚除满足承载力要求外，通常还要满足钢板最小厚度的要求，一般使用的最小厚度为8mm，而最大厚度则要根据计算确定。波形钢腹板形状的设计除了要满足力学方面的要求，即要通过腹板剪应力和腹板剪切压屈稳定验算，还需兼顾制作、施工、美观以及经济等方面的因素。在实际工程中，使用较多的是采用转角弯折成弧度的梯形波形。它主要由直板段、斜板段以及圆弧段组成，具体构造如图1-4所示。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：38771字

相关图片展示：