摘 要

本次设计题目为三河大桥上部结构设计和计算分析。三河大桥是一座预应力混凝土连续刚构桥，跨径为64 116 64m，主要采用悬臂浇筑法施工。设计步骤如下：

首先，根据初始资料及通过已有桥梁数据拟定主梁跨中及支点处截面尺寸。截面形式为单箱单室，主梁采用变截面梁，线性为二次抛物线，主梁节段为2~4m，合龙段2m。单幅桥宽12.25m，中支点处梁高7.0m，跨中处梁高2.5m，墩顶设置有横隔板。

然后利用迈达斯软件建立有限元模型，模拟结构实际受到的荷载、边界条件和施工过程。全桥共170个节点，153个单元，其中主梁划分为93个单元，墩柱划分为60个单元，施工阶段共划分为73个。

利用初步完成的模型计算结构内力及次内力，并进行第一次荷载组合。使用承载能力极限状态基本组合，按照全预应力构件在使用阶段截面上下缘不得出现拉应力的原则，计算配置纵向预应力钢束，设置预应力荷载，进一步完善模型。

重新计算结构次内力，并进行第二次荷载组合。按规范进行各项验算，调整设计直至验算全部通过。

最后绘制施工图，编写计算说明书。

通过这次设计，完成对预应力混凝土连续刚构桥上部结构的设计和计算分析，并掌握预应力混凝土连续刚构桥的结构形式、细部构造、受力特点、设计计算方法、施工方法，熟悉相应设计规范及结构构造要求，熟练桥梁施工图的绘制。

关键词：预应力混凝土；连续刚构桥；有限元分析；悬臂施工；设计

Abstract

The design topic is the design and calculation of the upper structure of Sanhe Bridge. It is a prestressed concrete continuous rigid frame bridge with a span of 64 116 64m. It is mainly constructed by the cantilever method. The design steps are as follows:

First, based on the initial data and the existing bridge data, the cross-sectional dimensions at the midspan and the fulcrum of the main beam are determined. The cross section is in the form of a single box, with a variable cross-section girder for the main girder, a quadratic parabola for the linear, a section of the main girder of 2 to 4 m, and a length of 2 m for the girder section. The single-beam bridge is 12.25m wide, with a beam height of 7.0m at the mid-column point and 2.5m high at the mid-span beam, with diaphragms at the top of the pier.

Then use Midas to build a finite element model to simulate the loads, boundary conditions, and construction processes that the structure actually receives. The whole bridge has a total of 170 nodes and 153 units, of which the main beam is divided into 93 units and the pier columns are divided into 60 units. The construction period is divided into 73 units.

Use the initially completed model to calculate the internal and secondary internal forces of the structure and perform the first load combination. Using the basic combination of the ultimate state of carrying capacity, according to the principle of no tensile stress at the upper and lower edges of the full-prestressed component in the use phase, the longitudinal pre-stressed steel beam is calculated and pre-stressed loads are set to further improve the model.

Recalculate the structural internal forces and perform the second load combination. According to the specifications for various checks, adjust the design until the check all passed.

Finally, draw the construction drawings and prepare the calculation instructions.

Through this design, the design and calculation of the superstructure of the prestressed concrete continuous rigid frame bridge are completed, and the structural form, detailed structure, force characteristics, design calculation method and construction method of the prestressed concrete continuous rigid frame bridge are mastered. Corresponding design specifications and structural requirements, skilled bridge construction drawing.

Key Words：Prestressed concrete; continuous rigid frame bridge; finite element analysis; cantilever construction; design

目 录

第一章 绪 论 1

1.1 设计总体概述 1

1.2 设计基本流程 1

1.3 毕业设计的目的和意义 2

第二章 设计依据及设计计算资料 4

2.1 地质资料 4

2.2 设计规范 4

2.3 主要技术指标 4

2.4 材料性能指标 5

2.4.1 主梁混凝土 5

2.4.2 中间墩及桥面铺装混凝土 6

2.4.3 主梁纵横向预应力钢绞线 6

2.4.4 预应力锚具规格 6

第三章 桥梁总体布置及有限元模型建立 8

3.1 截面尺寸 8

3.1.1 主梁尺寸 8

3.1.2 墩柱尺寸 9

3.2 主梁节段 9

3.3 施工阶段 10

3.4 建立结构模型 11

3.4.1 建立节点和单元 11

3.4.2 定义边界条件 12

3.4.3 设置荷载和支座沉降 12

3.4.4 模拟施工阶段 13

第四章 结构内力计算 14

4.1 毛截面特性计算 14

4.2 结构内力计算 15

4.2.1 结构重力作用下结构内力 15

4.2.2 混凝土收缩徐变次内力 22

4.2.3 基础变位作用次内力 25

4.2.4 汽车荷载作用下的结构内力 28

4.2.5 温度作用次内力 31

4.3 第一次荷载组合 36

第五章 纵向预应力钢束设计 40

5.1 预应力钢束估算原理 40

5.2 预应力钢束估算 41

5.3 预应力钢束布置 42

第六章 结构次内力计算与荷载组合 45

6.1 结构次内力计算 45

6.1.1 混凝土收缩徐变次内力 45

6.1.2 基础变位作用次内力 48

6.1.3 温度作用次内力 50

6.1.4 预加力作用次内力 54

6.2 第二次荷载组合 56

6.2.1 承载能力极限状态 56

6.2.2 正常使用极限状态 59

第七章 截面验算 66

7.1 施工阶段法向应力验算 66

7.2 受拉区钢筋的拉应力验算 67

7.3 使用阶段截面抗裂验算 69

7.3.1 正截面抗裂验算 69

7.3.2 斜截面抗裂验算 70

7.4 使用阶段截面压应力验算 71

7.4.1 正截面压应力验算 72

7.4.1 斜截面主压应力验算 73

7.5 使用阶段正截面抗弯验算 74

第八章 总结与讨论 77

参考文献 78

致 谢 79

第一章 绪 论

本章首先简要叙述了预应力混凝土连续刚构桥的发展形势和结构特点，然后概括了完成设计所需的流程，最后阐述了这次毕业设计的目的和意义。

1.1 设计总体概述

本设计的设计对象三河大桥是一座预应力混凝土连续刚构桥。二十世纪三四十年代，预应力混凝土连续刚构桥作为一种受力性能优秀的桥梁结构形式开始发展起来。二十世纪五十年代，悬臂施工法的出现，又极大的促进了大跨径连续体系梁桥的发展。

二十世纪八十年代，我国开始修建大跨度的预应力混凝土连续梁桥和刚构桥，目前国内预应力混凝土连续刚构桥最大跨径已经突破了300m。这种桥现已成为我国桥梁的主要结构形式之一。

刚构桥是指主梁与桥墩刚性连接并与桥墩一起形成钢架的梁桥。这种桥梁的优点是变形小、结构受力性能好、伸缩缝少、行车平顺舒适、后期养护工程量少，并且造型简洁美观。该类桥梁发展至今，已成为应用广泛的公路和铁路桥梁形式，其设计施工方法已经较为成熟。

预应力混凝土技术是推动桥梁跨径提高的不可忽视的技术之一。其得以发展一方面，离不开高性能混凝土和高强超高强预应力筋的采用以及高效率的张拉锚固体系的发展。另一方面混凝土材料，浇筑方便，价格廉价，而且预应力束钢材用量相比钢结构及普通混凝土结构省得多。这使得预应力混凝土桥梁成为目前世界上最重要、最有发展前途的结构之一。因此，在接下来的结构设计和计算中，预应力钢束的设计和验算将是预应力混凝土连续刚构桥设计中不可忽视的一部分内容。

对此桥拟采用悬臂浇筑法作为桥梁主体最主要的施工方法。悬臂浇筑法是采用挂篮作为施工设备，在桥墩及零号梁段完成浇筑并且混凝土达到要求强度后，再以桥墩为中心，利用挂篮对称向两悬臂端逐段浇筑梁段混凝土，待梁段混凝土达到要求强度后，张拉部分预应力束，并进行孔道灌浆，然后移动挂篮至悬臂端，进行下一节段的施工，最后从边跨至中跨依次合龙。悬臂施工法解决了大跨桥梁的施工难题，目前已经广泛应用于大跨径预应力混凝土连续梁桥和刚构桥的建造中。由于施工方法及施工步骤如：纵向预应力钢束锚固位置、锚固顺序等会影响结构成桥阶段的内力。因此，施工阶段设计也应作为重要的一部分纳入桥梁设计之中。

1.2 设计基本流程

设计的基本步骤为：

（1）参考已有桥梁资料拟定结构几何尺寸，包括支点截面、跨中截面及桥墩截面尺寸；

（2）用迈达斯建立模型模拟桥梁的实际受力，施加荷载和边界条件，按照悬臂浇筑法施工的施工特点，设置施工阶段，模拟实际施工过程；

（3）运行模型，分析结果，并进行承载能力极限状态荷载组合；

（4）按照全预应力构件，即主梁截面不允许出现拉应力的设计要求估算预应力钢束，施加预应力荷载；

（5）计算结构次内力，并进行荷载组合；

（6）进行截面验算，局部调整钢束和截面，直至验算通过；

（7）绘制施工图，编制计算书。

详细流程图如图1.1所示。

图1.1 预应力混凝土连续刚构桥设计基本流程

1.3 毕业设计的目的和意义

三河大桥是64 116 64m的公路预应力混凝土连续刚构桥，对其上部结构进行设计和计算。

设计步骤主要包括，根据通过已有桥梁资料拟定主梁跨中及支点处截面尺寸；利用迈达斯软件建立模型，模拟悬臂浇筑法和满堂支架法施工过程，并在拟定的荷载等级下，计算内力；配置纵向预应力钢束，完善模型；计算结构次内力，并组合，进行各项验算，调整设计直至通过；最后绘制施工图，编写计算说明书。

进行这次设计，旨在掌握预应力混凝土连续刚构桥的结构形式、细部构造、受力特点、设计方法、计算方法、施工方法，并熟悉相应设计规范及结构构造要求，熟练桥梁施工图的绘制。

通过这次设计，串联起混凝土结构设计原理、桥梁工程、桥梁施工等专业课之间的联系，回顾本科阶段所学的专业知识，建立清晰、详实、系统的的知识脉络。

第二章 设计依据及设计计算资料

本章依次罗列了设计所参照的地质资料、设计用到的规范、主要技术指标和材料性能指标。

2.1 地质资料

根据工程地形地质条件，进行桥型的选择和基础设计，测量时钻孔深度42.5m。本桥桥址处有淤泥、粉质黏土、粗砂、残积粉质黏土、全风化花岗岩、沙砾状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、碎裂花岗岩等土层。

2.2 设计规范

本桥设计均参考中国规范，涉及到的规范如下所列：

（1）中华人民共和国交通部标准，《公路工程技术规范 JTG B01-2003》；

（2）中华人民共和国交通部标准，《公路桥涵设计通用规范 JTG D60-2015》；

（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》；

（4）中华人民共和国交通部标准，《公路桥涵地基与基础设计规范 JTJ024-85》；

（5）中华人民共和国交通部标准，《公路桥梁预应力钢绞线用YM锚具、连接器规格系列 JT/T329.1-1997》。

2.3 主要技术指标

（1）孔跨布置：三跨连续刚构桥，跨径布置为64m 116m 64m，边跨跨径64m，中跨跨径116m。边跨与中跨的比值为0.55，桥梁全长244m。

（2）中间墩高及类型：双肢空心薄壁墩，根据地形条件设计墩高30m。

（3）汽车荷载：等级为公路-I级。根据《公路桥涵设计通用规范 JTG D60-2015》的4.3.1条对公路-I级荷载的有关规范，得到本桥的设计荷载。

图2.1 车道荷载

规范规定当计算跨径大于50m时，公路-I级车道荷载均布荷载标准值为，集中荷载标准值。计算剪力效应时，上述集中荷载标准值应乘以系数1.2，车道荷载的计算图示如图2.1所示。车道荷载横向分布系数取0.78，不考虑纵向折减。

（4）桥面宽度： 2×[0.50m防撞栏杆 11.75m车行道（3m紧急停靠 7.5m车行道 1.25m左路沿带） 2m/2中央分隔带]=26.5m，上、下行车道分离式布置。

（5）桥涵净空：考虑桥梁跨域河道通航净空宽度、高度以及过水断面对设计洪水流量、洪水位高程等要求，并结合规范中的有关规定，本桥桥下净空宽度为70m，净空高度为15m。桥面净空高度5m。

（6）桥面纵坡：通过桥跨线路纵坡为0%（平坡）。

（7）桥面横坡：。

（8）桥轴平面线形：直线。

（9）温度荷载：整体温差，温度梯度，，竖向温度梯度曲线如图2.2所示。

图2.2 温度梯度曲线（单位：mm）

（10）基础不均匀沉降：0.01m。

（11）二期荷载：桥面栏杆，一侧桥面栏杆荷载集度为。安装桥面伸缩缝、铺设桥面铺装层及人行道板（8cm），荷载集度为。

2.4 材料性能指标

2.4.1 主梁混凝土

主梁采用C50级混凝土，表2.2为C50混凝土材料性能。

表2.2 C50级混凝土材料性能

2.4.2 中间墩及桥面铺装混凝土

中间墩及桥面铺装采用C40级混凝土，表2.3为C40混凝土材料性能。

表2.3 C40级混凝土材料性能

2.4.3 主梁纵横向预应力钢绞线

主梁纵横向预应力钢绞线采用，是由七股直径的钢丝绕制的高强度低松弛钢绞线。单根钢绞线公称直径为15.24mm，公称断面面积为140.00mm²。表2.4为钢绞线材料性能。

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