桥型设计计算书.doc

摘 要 本设计是根据设计任务书的要求和公路桥规的规定，对棋盘山立交桥进行方案比选和设计并对棋盘山跨越鱼塘部分的桥梁进行结构设计计算。对于棋盘山立交桥，为使其桥型与周围环境相协调，又节省资金，本论文提出两种不同的立交桥型方案进行比较和选择：方案一为小环型立交桥，方案二为变喇叭式立交桥。通过对桥梁安全、经济、适用、美观、和使用效果等方面的比较，确定变喇叭式立交桥为推荐方案。跨越鱼塘部分的桥梁结构形式定为等截面预应力混凝土箱形连续梁桥。在设计中，桥梁上部结构的计算着重分析了桥梁在施工过程中，恒载内力的计算。运用力法方程求解活载内力影响线，并根据新规范的规定进行活载的加载，进而求出活载内力。另外还进行了主梁的配筋计算，估算了钢绞线的六种预应力损失。进行了预应力阶段和使用阶段主梁截面的强度和变形验算、挠度及预拱度的计算。下部结构采用以钻孔灌注桩为基础的单墩柱，支座采用盆式橡胶支座，并分别对支座、桥墩和桩基础进行了计算和验算。根据本桥跨鱼塘线通车的特点和现场条件，采用了满堂红支架的施工方案。 本设计的全部图纸采用AutoCAD绘制。另外，本论文还翻译了预应力混凝土桥梁”的英文文献。关键词：变喇叭式立交、预应力、等截面箱形连续梁、计算机辅助设计AbstractA design of partial bridge structure over the railway in Qi panshan was finished in this paper, according to Designing Assignment and the Standard of Road and Bridge. Based on type of the bridge corresponding with the ambience and cost saving, this paper provides two different types of bridge for selection. The first one was circular crossroads and the second one is trumpet crossroads. After the comparisons of economy, appearance, characteristic under the strength and effect, the second one is selected for this design. The bridge striding over fishpond adopted pre-stressed concrete continuous bridge.In the design, in construction process of the structural calculation of the upper part in the continuous bridge, the permanent load were simulated and calculated. The method of Force Equation is used to calculate the influence line of the variable load. Also the method of the dynamic programming is used to load the variable load. Then the pre-stress loss was estimated. The checking calculation of strength for main girder was preceded not only during period of pre-stressing force but also in using. The deformation of the main girder, deflection, pre-camber and the assessment of reinforcing steel bar were checked too.The pier of the bridge was based on digging pile, and the rubber pot bearing is adopted. According to the characteristic of the overpass bridge and locale condition, a red construction were adopted.All of the design drawings were draw by AutoCAD. In addition to the thesis called “Pre-stressed concrete bridges” was translated into Chinese.Keywords: Bridge Engineering; Pre-stressed Concrete; Continuous Bridge; AutoCAD目 录引 言6第一部分 桥 梁 设 计7第一章 桥型设计方案比选71.1 设计说明71.1.1 设计原始资料71.1.2 设计范围71.1.3 岩土工程勘查技概况71.1.4 地层71.2方案比选81.2.1立交方案说明81.2.2 方案比选：10第二章 上部结构设计112.1 设计说明112.1.1 任务依据及设计范围112.1.2 桥梁设计概述112.2 桥型及纵、横断面的布置122.2.1桥梁的布置及孔径的划分122.2.2 截面形式及截面尺寸拟定132.3 恒载内力计算132.3.1 计算恒载集度132.3.2解算二次超静定结构：142.4温度及支座沉降次内力计算142.4.1温度次内力的计算142.4.2支座沉降次内力计算152.5 活载内力计算162.5.1 活载增大系数162.5.2 绘制三跨连续梁内力影响线182.5.3 影响线加载272.6内力组合282.6.1 按承载能力极限状态设计282.6.2 按正常使用极限状态设计282.7配筋设计332.7.1预应力筋计算与设计332.7.2钢束的布置342.7.3 毛截面的几何特性与换算截面的几何特性计算362.8预应力损失及有效应力的计算372.8.1 摩阻损失的计算372.8.2 锚具变形、钢束回缩损失的计算402.8.3 混凝土弹性压缩损失的计算412.8.4 钢筋松弛引起的应力损失的计算422.8.5 混凝土的收缩和徐变损失432.8.6预应力损失组合及有效应力442.9 预加力产生的次内力452.10 应力、变形及其它验算462.10.1预加应力阶段的正截面应力验算462.10.2使用阶段正应力验算472.10.3使用阶段的主应力的验算482.10.4 非预应力钢筋的设置532.10.5截面强度计算542.10.6斜截面强度验算542.10.7 挠度与预拱度计算55第三章 桥梁下部结构的设计573.1 支座的设计573.1.1 支座上的荷载组合573.1.2 支座尺寸的确定593.2 桥墩的设计593.2.1 荷载计算593.2.2 配筋计算613.3 桩基础及承台的设计623.3.1 承台的设计623.3.2 桩的设计63第四章 施工方案654.1 主要材料654.1.1施工前的准备工作654.2上部结构施工664.3 预应力混凝土连续箱梁施工684.3.1 工程材料684.3.2预应力体系684.3.4 预应力后张法施工工艺694.4下部结构施工704.4.1 盆式橡胶支座的施工704.2.2 桥墩的施工704.2.3 桩基础的施工70第二部分 桥梁工程英文资料及文献翻译74第三部分 专题81第四部分 附录91结 束 语91致 谢92附件一: 弯矩影响线数值表93附件二: 设计图纸119参 考 文 献120引 言毕业设计对于我们土木工程专业的学生而言是一个十分重要的实践性学习环节。我们通过毕业设计，可以将以往所学的基础课、专业基础课和专业课课程进行综合性应用，同时也是我们毕业走向工作的一次演习。本设计为棋盘山互通立交工程（跨河区域）方案比选和部分结构设计。按照设计任务书的要求进行设计。本文提出两种立交方案：环形立交和变喇叭形立交。跨越鱼塘部分的桥梁采用预应力混凝土连续梁桥。设计共分为四部分：第一部分为桥梁设计，包括第一章介绍桥型设计方案比选，第二章介绍桥梁上部结构设计，第三章介绍桥梁上部结构设计，第四章介绍施工方案；第二部分为桥梁工程英文资料及文献翻译；第三部分为专题；第四部分为附录。设计本着安全、经济、适用、美观的原则按照新规范进行设计，并参考了大量的相关书籍。设计数据力求准确无误，满足使用要求。由于时间、能力和知识有限，设计难免有疏漏之处，敬请老师指正。 第一部分 桥 梁 设 计第一章 桥型设计方案比选1.1 设计说明1.1.1 设计原始资料 由辽宁省交通勘测设计院提供的棋盘山互通立交工程地质勘探点平面布置图、以及该设计院提供的棋盘山互通立交桥钻孔地质柱状图。1.1.2 设计范围 107省道与抚顺至沈阳高速公路的连接部分，实现三条右转匝道，一条左转匝道。1.1.3 岩土工程勘查技概况 该立交区所处地貌为低山丘陵区，山前冲积平原地带，地势开阔，由北向南缓倾，地下水稳定水位埋深在5.08.5米，主要受大气降水补给，随季节变化较大。本段地处中朝准台胶辽古陆之上，处于长期缓慢上升阶段，断裂构造发育，但活动性不强，地震活动较少，地震基本烈度为VII度，区段内未见不良地质现象。1.1.4 地层该桥揭露地层为第四世纪的亚粘土、亚砂土、碎石、及太古界混合花岗岩。依据公路工程地质勘察规范（JTJ 064-98），分述如下：(1)素填土：杂色，由粘性土及碎砖块、砖坯等组成，为砖厂废料回填物，较松散，分布在立交桥位区北部，厚度为2.0米。(2)亚粘土：黄褐色、深黄色，很湿，软塑状态，块状构造，含砂、黑色矿物及氧化铁条纹，韧度较好，干硬度较高，刀切略见光滑面，无摇振反应，主要分布在立交桥位区，顶部多分布薄层含植物根及有机质的耕表土，厚度一般为4.37.0米，其它地段有少量分布。(3)亚粘土：褐色，很湿，硬塑状态，块状构造，韧度较好，干硬度较高，刀切略见光滑面，无摇振反应，多分布在圆管涵部位，揭露厚度为1.22.6米。(4)亚砂土：黄褐色，很湿，中密状态，块状构造，含砂及少量风化砾石，局部夹薄层碎石，韧度中等，干硬度较低，刀切无光滑面，无摇振反应，厚度为1.01.2米。(5)碎石：黄褐色，由花岗岩等硬质岩石组成，磨圆度较差，棱角状，粒径3050米，强弱风化，充填砂及粘土，中密状态，分布范围较小，厚度为1.01.2米。(6)混合花岗岩：全风化，黄褐色，矿物成份风化变色严重，原岩结构分辨不清，含较多的粘土矿物，岩芯破碎，呈中粗粒砂状，厚度为5.07.3米，标准贯入试验使用值为50击。(7)混合花岗岩：强风化，黄褐色、褐黄色，矿物成份以长石、石英为主，中粗粒结构，构造不清晰，矿物风化变色较重，节理、裂缝发育，岩芯多呈散体砂状、碎石状，岩块可掰断，标准贯入试验使用值为98击，揭露厚度为1518米。1.2方案比选1.2.1立交方案说明 （1）方案一：图1-1 环形立交该立交地处郊外，不受地形限制，采用环行立交，如图1-1所示。该方案共包括4条匝道和一个环行匝道，其中三条右转匝道，一条左转匝道。通过这四条匝道和环行匝道，可以实现四个方向的自由转向，从而实现了部分互通式立交。匝道最小平曲线半径80m，匝道设计宽度为7米，最大纵坡4%。连接主线的匝道均采用单一的出入口，进出匝道的道口均采用平行式设计，加速或减速车道长均按照有关规定、规范进行设计。桥梁的上部结构采用现浇整体钢筋混凝土连续箱梁，下部结构为柱式桥墩，钻孔灌注桩基础，桥墩与桩之间采用承台连接，埋置式桥台。从总体上来看，每条匝道的线形简洁明快，行车平顺，结合实际的场地条件，合理地布置在两条主线的周围，整座立交桥就如同一只设计精美的网球拍，从外观布局的角度来看，比较合理。随着交通业的发展，可以改建成大环交的全互通式立交。（2）方案二： 在相同的场地条件，该方案采用，半穿越变喇叭式立交形式，其线形图如图12，该方案共包括四条匝道，四条右转匝道。通过这八条匝道，可以实现六个方向的自由转向，从而实现了部分互通式立交。匝道最小平曲线半径80m,设计宽度为7m，最大纵坡，在主线的设置上，采用与方案一相同的办法，通过设置两条半径为300m的平曲线实现与次线的连接。连接主线的匝道仍然采用单一的出入口，进出匝道的道口均采用平行式设计，加速或减速车道长均按照有关规定、规范进行设计。最小净空高度为4.5m，是相关规范的最小值。图12 变喇叭形立交桥梁的上部结构采用现浇整体钢筋混凝土连续箱梁，下部结构为柱式桥墩，钻孔灌注桩基础，桥墩与桩之间采用承台连接，埋置式桥台。 （3）方案比较： 表 11 方案比较表 方案比较内容方案一方案二立交类型环形立交变喇叭式立交主线最大跨径15m15m 主线最大纵坡4%3.3% 匝道最小平曲线半径80m80m 结构体系连续梁体系连续梁体系施工工艺 满堂红支架，现浇混凝土满堂红支架，现浇混凝土运营性能行车基本平顺，个别地段视野不够开阔，环行匝道存在交织，行车速度不高。行车平顺，有开阔的视野，匝道与主线衔接流畅，行车速度较高。与环境协调造型美观，整座立交桥形如一只设计精美的网球拍。占地面积较大，建设维修费用较高。造型美观，匝道充分利用场地的地形条件，合理分布于主线的周围，占地面积少，造价低，外形美观， 1.2.2 方案比选：方案一的优点是： 行车方向容易辨别。 方案一的缺点是： （1） 有部分匝道之间存在交通交织，降低行车速度。（2）主线及匝道的最大纵坡均较大，接近规范规定的最大值，匝道与主线之间的净空高度较低。 （3） 跨线匝道较多，视野不够开阔方案二的优点是： （1）匝道之间没有冲突，通行能力大，行车安全。 （2）所有匝道都能为转弯车辆较高速的定向运行。方案二的缺点是： （1）南西右转弯匝道绕行时间较长。（2）上部结构截面不单一，施工复杂。综上所述，两个方案的运营性能基本相当。方案一的造型比较新颖，但方案一存在交通交织，而方案二没有交织带，这比方案一有优势。从养护费用和造价来看，方案二也比方案一稍低。再考虑场区的实际条件，方案二的匝道布置较好的利用场区的地理条件，与环境很好的融为一体，故推荐采用方案二。第二章 上部结构设计2.1 设计说明2.1.1 任务依据及设计范围（1）任务依据（2）设计范围 设计范围为立交桥跨越渔塘部分，位于直线段上。2.1.2 桥梁设计概述（1）路线平面本桥跨越渔塘部分桥梁全长为200m，其中主梁的标准跨度40m。纵断面本桥桥上纵坡分别为4%、3.3%。 （2）结构设计采用规范公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）公路桥涵地基于基础设计规范（JTJ 024-85）公路工程抗震设计规范（JTJ 004-89）公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-89）公路桥涵设计规范（合订本）技术标准荷载：汽车超20级。桥面全宽：26m材料：a.钢筋混凝土：25#（下部），50#（上部） b.钢材：普通钢筋：级（构造筋）II级（受力筋） 预应力筋：钢绞线 预埋件：A3钢2.2 桥型及纵、横断面的布置2.2.1桥梁的布置及孔径的划分（1）跨径布置图2-1 连续梁桥跨布置本桥跨越鱼塘部分全长200m，为使其梁内弯矩合理分布，全桥分为二联，三跨为一联。边跨跨径约为中跨跨径的0.60.8倍 左右，再考虑跨线桥桥下净空的要求，每联中跨径距应较大，设置中跨跨径为40m，两边跨均为30m。则每联跨径布置为30m+40m+30m。总体布置如图1-1所示。2.2.2 截面形式及截面尺寸拟定 （1）截面形式及梁高 采用等截面箱形截面，连续梁桥的高跨比为L，本桥取中间值1/22 L，同时以中间最大一跨为基准，取梁高为1.8 m. （2）横截面尺寸 桥面全宽为26m，防撞栏两边各0.5m，净宽为15m，双向四车道。故采用两个分离式单箱双室截面为桥的构造断面。每个箱梁的顶板宽1275cm，顶板翼缘外悬270cm，箱梁底板宽度为735cm，两个边肋厚40cm，中肋厚50cm。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2025cm左右，本设计取为25cm，底板厚度取的较厚为30cm。考虑到局部承压的需要，在梁端各设厚为0.5的横隔板，中间墩顶各设一道厚为0.8的横隔板，横隔板上设过人洞。2.3 恒载内力计算2.3.1 计算恒载集度（1）计算上部结构毛截面面积： 毛截面的面积：A1=15*140+0.5*10*140+25*130+0.5*25*130+25*367.5+40*155+155*25+30*302.5+25*50+25*25*2=75775（cm2）图2-2 横断面图(2) 计算恒载集度：主梁自重 =75775×0.0001×25=189.4375 (KN/M) （一期恒载）沥青混凝土： =0.02×12.8×22=5.632 (KN/M) （二期恒载）防水混凝土： =0.08×12.8×23=23.552 (KN/M)栏杆： =2×（0.25×0.9+0.5×0.25×0.5） ×25=14.376 (KN/M)恒载集度： = +=232.9885(KN/M) 2.3.2解算二次超静定结构：图2-3 力法方程的计算简图 列出力法方程： (2-1)其中： 代入并整理得：解得： 用已求得的支座反力，可以求出全部支座的反力，然后求出其余支座的反力，列出各计算截面的内力值见表2-1。2.4温度及支座沉降次内力计算2.4.1温度次内力的计算 温度应力对预应力混凝土桥梁的危害在近二十年来越来越受到重视。在大跨度的预应力混凝土箱形梁桥中，特别是超静定结构体系中，温度应力可能达到甚至超出活载应力，被认为是预应力混凝土桥梁产生裂缝的主要原因。但是由于箱形梁桥的腹板因悬臂的遮荫，两侧温差变化不大，因此只考虑沿截面高度方向的日照温差的影响。应用工程类比法可知，温度次内力很小，但计算复杂，所以不予考虑。2.4.2支座沉降次内力计算由于各个支座处的竖向支座反力和地质条件的不同引起支座的不均匀沉降，连续梁是一种对支座不均匀沉降特别敏感的结构，所以又它引起的次内力是构成内力的重要组成部分。但由于连续梁各个支座都会引起次内力，假定只有一个支座产生沉降的方法与实际相差太远，而计算太复杂，不予计算。表2-1 恒载内力表截面号X坐标全桥恒载内力截面号X坐标全桥恒载内力X(m)M(KN.m)Q(KN)X（m）M（KN.m）Q(KN)1右0.00.02513.222.52.516420.2-582.422.55554.91930.72355.014235.9-1164.935.09653.61348.32457.510595.4-1747.447.512296.2765.82560.05498.7-2329.9510.013482.6183.32662.5-1054.2-2912.3612.513212.8-399.22765.0-9063.2-3494.8715.011486.8-981.62867.5-18528.4-4077.3817.58304.6-1564.129左70.0-29449.8-4659.8920.03666.3-2146.629右70.0-29449.84476.51022.5-2428.2-2729.03072.5-18985.83893.91125.0-9978.9-3311.53175.0-9978.93311.51227.5-18985.8-3893.93277.5-2428.22729.013左30.0-29448.8-4476.53380.03666.32164.613右30.0-29448.84659.73482.58304.61564.11432.5-18527.64077.33585.011486.8981.61535.0-9062.53494.83687.513212.8399.21637.5-1053.52912.33790.013482.6-183.31740.05499.22329.93892.512296.2-765.81842.510595.81747.43995.09653.6-1348.31945.014236.11164.94097.55554.9-1930.72047.516420.4582.441100.00.0-2513.22150.017148.40.0图2-4 全桥的恒载弯矩图图2-5 全桥恒载剪力图2.5 活载内力计算2.5.1 活载增大系数 （1）边梁的横向分配系数 使用偏心压力法计算边梁的横向分配系数。抗扭修正系数 (2-2) 式中：主梁根数； 混凝土的剪切模量，可近似取0.425； 主梁的惯性矩； 抗扭惯矩近似等于各个矩形截面的抗扭惯矩之和，可按下式计算： 式中：、相应为单个矩形截面的宽度和厚度； 矩形截面抗扭刚度系数，根据t/b比值查表计算； m梁截面划分成单个矩形截面的块数。边梁的横向分布系数按考虑主梁抗扭刚度的修正偏心压力法计算， 边主梁的活载分配系数：由于桥面净宽<9.0m，故只可布置两车队，按最不利位置布置简图如图2-6。图2-6 内力增大系数计算简图=12.75/2-（2.75+0.5+0.5+1.8+1.3/2）=0.175m则增大系数为： =30.34485=1.034552.5.2 绘制三跨连续梁内力影响线 在进行活载内力计算这一环节，首先需要绘制出二次超静定结构的内力影响线，列出含有未知数x的力法方程：图2-7 力法方程的计算简图（1） 当P=1作用在第一跨，设X=a*l(l为第一跨的计算跨径，a为计算截面到支座的距离与l的比值)图2-8 MP图 图2-9 M1图 图2-10 M2图列出力法方程： (2-3) 其中： 代入方程得：解得:图2-11 力法方程计算简图 (2) 当P=1作用在第二跨，设X=a*l (l为第二跨的计算跨径，a为计算截面到支座的距离与l的比值)图2-12 Mp图 图2-13 M1图图2-14 M2图列出力法方程： (2-4) 其中： 代入方程得： 解得：图2-15 力法方程计算简图（3）当 P=1作用在第三跨，设X=a*l (l为第三跨的计算跨径，a为计算截面到支座的距离与l的比值) 图2-16 Mp图图2-17 M1图图2-18 M2图 列出力法方程： (2-5) 其中： 代入方程得： 解得： 每2.5米取一个截面，代入上式得支座1的影响线数值见表2-2.等截面连续梁任意截面的弯矩和剪力按下列公式进行计算： (2-6) (2-7)荷载P=1在连续梁上移动时，连续梁任意截面的弯矩影响线纵标；荷载P=1在连续梁上移动时，连续梁任意截面的剪力影响线纵标；连续梁的ij跨作为简支梁考虑，荷载P=1移动时任意截面的弯矩影响线纵标；连续梁的ij跨作为简支梁考虑，荷载P=1移动时任意截面的剪力影响线纵标；荷载P=1移动时，左支点的弯矩；荷载P=1移动时，右支点的弯矩；所选41个截面的弯矩影响线和剪力影响线数值见附件一。表2-2 X=30的弯矩影响线支座1X=30截面坐标弯矩影响线数值截面号弯矩影响线数值0.00.00052.5-3.0352.5-0.57955.0-2.6565.0-1.13457.5-2.2207.5-1.64160.0-1.75010.0-2.07462.5-1.27012.5-2.41065.0-0.80215.0-2.62567.5-0.37117.5-2.69470.00.00020.0-2.59372.50.29322.5-2.29775.00.50925.0-1.78277.50.65627.5-1.02580.00.74130.00.00082.50.77032.5-1.19185.00.75035.0-2.11587.50.68937.5-2.79390.00.59340.0-3.25092.50.46942.5-3.50995.00.32445.0-3.59497.50.16647.5-3.527100.00.00050.0-3.333图2-19 X=30的弯矩影响线 由于结构的对称性，支座2截面的弯矩影响线与支座1截面的弯矩影响线呈对称形式,支座2的弯矩影响线见下图：图2-20 X=70的弯矩影响线 图2-21 X=0弯矩影响线图2-22 X=0剪力影响线 图2-23 X=15弯矩影响线 图2-24 X=15剪力影响线 图2-25 X=30剪力影响线 图2-26 X=40弯矩影响线图2-27 X=40剪力影响线 图2-28 X=50弯矩影响线图2-29 X=50剪力影响线 2.5.3 影响线加载 连续梁内力计算以影响线为基础，考虑车道荷载和车辆荷载，活载内力计算公式为： (2-8) 式中： 主梁最大活载内力； （1+）荷载冲击系数，根据公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004规定 ，对于预应力混凝土连续梁桥，车道荷载取则1+µ=1.05；对于车辆荷载（局部加载）按公路桥涵设计通用规范取（1+µ）=1.3； 汽车荷载纵桥向折减系数，计算跨径小于150m，按公路桥涵设计通用规范表4.3.1-5取=1； 汽车荷载横桥向折减系数，根据公路桥涵设计通用规范第2.3.1条规定，横向布置两车道，汽车荷载不予折减； 箱梁的内力增大系数； 车队数 车辆荷载轴重； 沿桥跨纵向与荷载位置对应的主梁内力影响线坐标值； 布置两车队时：车道荷载：=2*1.05111.03455=2.173*计算结果见表2-3。2.6内力组合 按照“桥规”（JTJ 023-85）要求和以上计算结果，可进行三种承载能力极限状态组合和三种正常使用极限状态组合。组合结果用来按承载能力及按应力估算钢束。对于混凝土连续梁桥，同一截面因不同荷载作用所产生内力可能同号，也可能异号，因此应考虑不同的荷载安全系数进行内力组合2.6.1 按承载能力极限状态设计参照“桥规”（JTJ 023-85）第4.1.2条进行，其荷载组合方式为：(1)当结构重力产生的效应与汽车（或挂车）荷载产生的效应同号时： 组合：1.2恒载+1.4活载； (2)当结构重力产生的效应与汽车（或挂车）荷载产生的效应异时：组合：0.9恒载+1.4活载；按承载能力极限状态最不利组合状态结果见表2-4。2.6.2 按正常使用极限状态设计 对于结构进行正常使用荷载极限状态计算时，相应的荷载组合为： 组合：恒载+活载；按正常使用极限状态最不利状态组合结果见表2-5。表2-3 活载内力表截面号MQMQMQMQ1右0.0000.0000.0000.0000.0001158.2320.000-169.34622363.211169.6225-381.037-169.3462228.2681017.54-317.043-173.12834082.24822.02114-762.529-169.3463855.623882.79213246.392-252.86445451.057-115.078-1143.57-169.3464935.996756.07544014.074-351.85156200.597-254.573-1523.23-169.3465524.346636.75114203.299-454.34166632.444-391.905-1927.83-169.3465682.365525.12