阜新高速公路颍河桥设计——上部结构设计.doc

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1、0前言时代在前进，经济在发展，我国的公路交通也有了跨越式的发展。近年来为了国家经济进一步飞速发展，国家大力投资基础工程建设，其中交通系统的发展更是盛况空前。桥梁是公路、铁路和城市道路的重要组成部分，桥梁是保证全线贯通的咽喉，“一桥飞架南北，天堑变通途”。因此，桥梁工程的设计应符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求，同时应满足美观、环境保护和可持续发展的要求。而未来的桥梁也将向更长、更大、更柔的方向发展，更加注重桥梁美学的建设及环境保护。本设计为阜（阜阳）新（新蔡）高速公路颍河桥，是依照交通部颁发的有关公路桥涵设计规范（JTG系列）及根据指导教师的指导拟定设计而成。在设计过程中，作者还

2、参考了诸如结构设计原理、结构力学、材料力学、专业英语等相关书籍和文献。在设计过程中，综合考虑了设计桥梁跨径与材料的优化配合，并采用了桥梁博士等软件结构辅助计算。本设计研究的主要内容包括：桥型方案的拟定和比选；主梁截面拟定；主梁的内力计算；主梁的配筋设计；主梁应力及截面验算等。并在此基础上进行工程概预算和外文文献翻译。1. 概述1.1. 设计资料本设计是位于阜（阜阳）新（新蔡）高速公路路线上的颍河桥，全桥长200米，分3跨，跨径，为预应力钢筋混凝土箱形连续梁桥，分离式双向六车道。1.1.1. 设计标准及指标1）采用分离式桥面单个宽度： 2） 车辆荷载标准：公路级荷载3） 设计抗震基本裂度：八级设

3、防。1.2. 工程地质资料根据地质勘察，揭露的地层岩性主要为白垩纪的页岩、泥岩、砂岩等，岩性以泥岩为主。砂岩以夹层出现，上覆第四纪粘性土，简述如下：亚砂土：地质均匀切面粗糙，厚约3.6-4.5米；亚粘土：干强度、韧性中等，厚约5.5-7.5米；亚粘土：岩芯呈柱状，团粒结构，厚约4.6-5.9米；页岩：胶结状，用手可碾碎，厚约9.5-10.5米；页岩与泥岩互层：页岩厚约0.5-0.8米，泥岩厚约13.5-15.9米；泥岩：用手可碾碎，原岩结构已破坏，厚约7.5-8.0米；泥岩：强风化，该层未穿透。土的各项系数为：1）地基土横向抗力系数的比例系数；2）桩身与土的极限摩阻力；3）土的内摩擦角35度；

4、4）土的弹性抗力系数；5）桩尖以上土的容重；6）桩底土的比例系数；7）地基土的承载力；8）考虑入土长度影响的修正系数。1.3. 水文资料桥位滩面广阔，主河槽沟形不明显，河道顺直。测量时水面宽约126米，河流流量随季节变化较大，平均水深洪水5.8米，常水4.4米，枯水3.8米。设计洪水频率为1/100。1.4. 气候资料该地区位于淮河流域，属温带大陆季风性气候，四季分明，年平均气温为16.2，七月份最热，月平均气温32.0，一月份最冷，月平均气温6.8。年平均降水量995.2mm，6-8月份偏多，约占全年降水量45%左右。全年无霜期270天左右。1.5. 设计原则1.5.1. 设计原则桥梁是公路

5、或城市道路的重要组成部分，特别是，大中型桥，对当地的政治经济都具有重要的意义。因此，应根据所设计桥梁的的使用任务，性质和所在路线的远景发展要求，按照运用，经济适当照顾美观的要求，进行总体规划设计。1.5.2. 设计要求 1） 使用上的要求颍河桥的行车道宽度应保证车辆的安全行驶，并应满足未来30年的交通量增长的需要。2） 经济上的要求坚持因地制宜、就地取材、方便施工的原则，合理选用适当的桥型。并能满足快速施工的要求以达到缩短工期的桥梁设计，以提早通车在运输上带来大的经济效益。3） 结构尺寸和构造上的要求整个桥梁结构及其各部分构件，在制造、运输。和使用过程中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。

6、4） 施工上的要求颍河桥的结构应便于制造和架设，应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） 美观上的要求在外观上力求与周围的景致相协调。1.6. 主要设计依据1）公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)2）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）3）公路桥涵设计手册4）颍河桥设计资料2. 方案比选2.1. 方案比选的主要标准 桥梁方案比选有四项主要标准：适用性，安全性，经济性与美观性，其中以安全与经济为重。桥梁的选择应符合因地制宜、就地取材和便于施工、养护的原则。2.2. 桥型拟定桥梁按受力体系可分为梁式桥、拱式桥、

7、悬索桥、斜拉桥和刚架桥。桥梁方案的比选主要有四项标准：安全性，适用性，经济性与美观性，其中以安全性与经济性为重。同时，桥型的选择应充分考虑因地制宜、就地取材和便于施工、养护等原则。根据水文，气象、地质等条件，初拟的桥型方案有三种。方案一：钢筋混凝土箱型拱桥图1-1 钢筋混凝土箱型拱桥Fig.1-1 steel concrete box arched bridge方案分析：拱桥施工技术工艺相对成熟，有大量可以借鉴的经验，但拱桥施工需要大量的吊装设备，占用大量场地以及劳动力。从使用效果方面看，拱桥承载能力大，但是伸缩缝多，处于高速公路上养护麻烦，同时纵坡比较大，填土要求高，土方量大，给取土造成施工

8、上的问题。拱桥虽造价低廉，但耗用木材，水泥，劳动力，工时都很多。重力式墩台圬工量大，虽施工技术成熟，但对地基承载力有很高要求。方案二：预应力混凝土简支箱型梁桥图1-2 预应力混凝土简支箱型梁桥Fig.1-2 prestressed concrete simple support box beam bridge方案分析：简支梁受力明确，构造简单，施工方便，可便于装配施工，省时省工，同时造价低廉，劳动力耗用少，工作量小，但简支梁属于静定结构，受力不如连续梁，应用于高速公路时，行车平顺性不如连续梁桥，尤其是设计车速较大时，同时伸缩缝多，养护麻烦。方案三：预应力混凝土连续箱型梁桥图1-3 预应力混凝土

9、连续箱型梁桥Fig.1-3 prestressed concrete continual box beam bridge方案分析：预应力连续梁的技术先进，工艺要求比较严格，需要专门设备和专门技术熟练的队伍。从使用效果方面看，该结构属于超静定结构，受力较好，同时连续梁结构截面高度小，自重轻，可以节省大量的建筑材料，运营条件好，中间可不设伸缩缝，连续性能好，行车舒适。2.3 比选结果结合颍河桥的地质、水文等条件进行比选，本着安全、经济、适用、美观的桥梁建造原则，同时，综合考虑颍河桥位于（阜阳）新（新蔡）高速公路上等因素，确定桥型比选结果。方案一，拱桥对地址的要求较高，容易产生水平推力。方案二，简支

10、梁桥属于静定结构，行车平顺性较低，伸缩缝较多，养护麻烦。方案三，满足高等级高速公路行车平顺性的要求，同时可不设伸缩缝，养护方便，同时可以节省大量的建筑材料，运营条件好。虽然连续梁桥施工费用比较高，但考虑到颍河桥位于（阜阳）新（新蔡）这条重要的高速公路上，桥的适用性对当地的经济发展非常重要，因此建设出一条符合标准的大桥才是最重要的。综上所述，本设计采取的是方案三所述的预应力混凝土连续箱型梁桥。3. 主梁的设计3.1. 设计资料3.1.1. 技术设计标准标准跨径：总体方案选择的结果，采用悬臂现浇预应力钢筋混凝土箱形梁，跨度。计算跨径：取相邻支座中心间距，中跨100m，边跨50m。桥面净空：由于该桥

11、所在的路线宽度较大，确定采用分离式桥。单侧桥横向布置：3.1.2. 材料水泥混凝土：主梁、栏杆采用C40号混凝土，桥面铺装采用C30号混凝土。钢筋：预应力钢筋，低松弛钢绞线。1)预应力钢筋采用低松弛钢绞线（17标准型），抗拉强度标准值=1860，抗拉强度设计值=1260，公称直径15.2，公称面积140，弹性模量=1.95；锚具采用夹片式群锚。2)非预应力钢筋：HRB400级钢筋，抗拉强度标准值=400,抗拉强度设计值=330。3)混凝土：主梁采用C40，MPa抗压强度标准值=26.8，抗压强度设计值=18.4，抗拉强度标准值=2.40，抗拉强度设计值=1.65。3.2. 主梁截面尺寸拟定3.

12、2.1. 横截面布置本设计桥梁跨径，主要尺寸初定如下：单幅桥采用单片主梁，主梁上翼缘宽度采用1300cm，梁高和底板厚度按二次抛物线变化，梁高，底板厚。详细尺寸见下图： 图3-1 主梁跨中及支点处横断面尺寸（单位：cm）Fig 3-1 Cross size of main beam at middle and fulcrum (unit: cm)3.2.2. 纵断面的布置本设计在桥跨中截面、支点截面设置横隔梁，横隔梁设过人洞。横截面沿跨长的变化，靠近支点时，底板按二次抛物线加厚，腹板加宽，加宽段10m。主梁的基本布置到这里就基本结束了。3.2.3. 主梁跨中毛截面面积及几何特性的计算跨中截面的

13、截面特性采用分块面积法计算。计算公式如下：毛截面面积：= (31)各分块面积对上缘的面积距：= (32)毛截面重心至梁顶的距离：= (33)毛截面惯性距计算移轴公式：=+ (34)式中分块面积；分块面积重心至梁顶的距离；毛截面重心至梁顶的距离；各分块对上缘的的面积距；各分块面积对其自身重心的惯性距。梁跨中毛截面的几何特性下面的图表所示。表3-1 梁的截面几何特性计算表（跨中截面）Tab.3-1 The calculation of the geometrical features of main beam（middle）分块号/cm2/cm/cm4/cm/cm4/cm4136400145096

14、002378133.329878430422400014835520001152000004520544032240028463616001911466.772092966441000044.7447001388888.93588010052200398580088733.394673926250066.7166750173611.135910257550035.3194150147888.92641369582500251.3628250347222.25380222510550011033250104.6121635944.41194073845注：I= =1315709789cm4上核心

15、距：=62.82cm下核心距：=119.23cm截面效率指标：0.613.3. 主梁施工单元划分连续梁桥内力与应力状态与形成结构的顺序及过程密切相关。主梁施工采用悬臂分段现浇的施工方法，单幅桥全桥主梁划分为100个单元，101个节点，每个单元长2m，每个施工节段长4m。主梁单元划分如图：图3-2 主梁施工单元划分Fig 3-2 The partition of bridge beam for construction施工顺序：先完成两主墩工程，再对称向两侧悬臂施工，完成边跨和中跨的合龙。全桥施工分为为13个施工阶段，划分为100个梁段单元，101个单元截面。以左半桥为例，第一施工阶段安装24、

16、25、26、27四个单元，随后每个施工阶段向两侧悬臂施工一个节段，直至十三施工阶段浇筑1、50单元，完成变化和中跨的合龙。挂篮自重及承载力：最大节段自重1630kN，挂篮自重及施工机械总重计为800kN3.4. 主梁施工阶段模拟施工方案及单元划分确定后，就可模拟实际施工过程，计算各阶段内力，再将各阶段内力累加后得到桥梁最终恒载内力。施工过程中主梁逐段形成结构体系，完成静力体系转换，逐步推进，最终获得结构总效应。本桥的每一个施工节段模拟为三个阶段：1） 挂篮前移，绑扎钢筋2） 浇筑混凝土3） 张拉预应力钢束4. 恒载内力计算4.1. 第一期恒载（主梁自重）表4-1 主梁施工节段自重（半桥）Tab

17、.4-1 The self gravity of beam units (unit:kN)单元号自重（KN）单元号自重（KN）单元号自重（KN）155010,11120020,2114902,3110012,13120022,2316304,5115014,15130024,2529406,7115016,1713508,9115018,191450另半桥施工阶段自重分布与此半桥对称。4.2. 第二期恒载1）栏杆：1.5kN/m 防撞墙：7.2 kN/m3）铺装层：图4-2 铺装层计算（单位：cm）Fig 4-2 Pavement calculation (unit: cm)铺装层折算成每延米

18、重量：4.3. 主梁施工顺序图4-3 主梁施工顺序Fig 4-3 The constructional sequence of main beam4.4. 主梁恒载汇总表4-4 主梁支点反力汇总Tab.4-4 the calculation of dead load of beam施工阶段支点反力（kN）施工阶段支点反力（kN）施工阶段支点反力（kN）15870620300113200029120722700123420031210082510013378004150009274005177001029700经过桥梁博士软件进行模拟计算，得最大悬臂阶段施工内力：表4-5 最大悬臂阶段主梁各节点

19、截面内力计算表Table 4-5 The internal force of each section at max-cantilever phrase节点号弯矩（103kNm）剪力（103kN）节点号弯矩（103kNm）剪力（103kN）20027-350-15.83-0.550.5528-319-14.94-2.21.129-290-14.15-4.971.6630-263-13.36-10.02.8231-237-12.67-16.63.5832-212-11.88-24.44.1533-189-11.19-33.34.7334-168-10.410-43.35.3235-148-9.7

20、211-54.55.9136-129-9.0512-67.06.5237-112-8.413-80.67.1338-95.5-7.7614-95.57.7639-80.6-7.1315-1128.440-67.0-6.5216-1299.0541-54.5-5.9117-1489.7242-43.3-5.3218-16810.443-33.3-4.7319-18911.144-24.4-4.1520-21211.845-16.6-3.5821-23712.646-10.0-2.8222-26313.347-4.97-1.6623-29014.148-2.2-1.124-31914.949-0.

21、55-0.5525-35015.8500026-38417.9成桥后恒载内力：表4-6 成桥阶段主梁各节点截面内力计算表Table 4-6 The internal force of each section at bridge-formed phrase节点号弯矩（103kNm）剪力（103kN）节点号弯矩（103kNm）剪力（103kN）10-2.11521050.6523.58-1.47531031.2935.86-0.825499.71.9446.86-0.175595.22.5956.560.485689.43.2464.951.135782.23.972.041.795873.84

22、.578-2.222.4659645.249-7.823.136052.85.9210-14.73.816140.36.6111-23.14.56226.47.3112-32.75.263118.0213-43.85.9164-5.718.7414-56.46.6365-23.99.4715-70.47.3666-43.610.216-85.88.1167-64.81117-1038.8768-87.611.818-1219.6569-11212.619-14110.470-13813.420-16311.371-16514.221-18712.172-19515.122-2121373-22

23、61623-23813.874-25916.924-26714.875-29317.825-29715.776-3312026-33117.977-297-15.727-293-17.878-267-14.828-259-16.979-238-13.829-226-1680-212-1330-195-15.181-187-12.131-165-14.282-163-11.332-138-13.483-141-10.433-112-12.684-121-9.6534-87.6-11.885-103-8.8735-64.8-1186-85.8-8.1136-43.6-10.287-70.4-7.3

24、637-23.9-9.4788-56.4-6.6338-5.71-8.7489-43.8-5.913911-8.0290-32.7-5.24026.4-7.3191-23-4.54140.3-6.6192-14.7-3.814252.8-5.9293-7.8-3.134364-5.2494-2.22-2.464473.8-4.57952.03-1.794582.2-3.9964.95-1.134689.4-3.24976.56-0.484795.2-2.59986.860.174899.7-1.94995.860.8249103-1.291003.581.4750105-0.6510102.1

25、15110605. 活载内力计算5.1. 活载内力计算桥梁自振频率 Hz （5-3）所以冲击系数 （5-4）公路级车道荷载：计算跨径m，大于50之间，集中荷载标准值kN，均布荷载标准值kN/m；计算剪力时，集中荷载标准值kN，均布荷载标准值kN/m。连续梁的内力影响线不易做出，因此借助桥梁博士软件按2m加载步长加载，绘制内力影响线，得到如下结果：节点1内力影响线：图5-1 节点1内力影响线及影响值Fig 5-1 impact line and impact value of section 1节点26内力影响线：图5-2 节点26内力影响线及影响值Fig 5-2 impact line and

26、 impact value of section 26节点51（跨中）内力影响线：图5-3 节点51内力影响线及影响值Fig 5-2 impact line and impact value of section 515.2. 汽车荷载效应按照公路级车道荷载，单幅桥三车道计算汽车荷载效应，利用桥梁博士软件模拟计算，得到部分节点汽车荷载效应图5-4 部分节点汽车荷载效应Fig 5-4 The triffic effection on some sections5.3. 挂蓝的模拟挂篮本身结构一般都是超静定的钢珩架结构，本桥设计把挂篮模拟为单悬臂的简支结构。其作为一个子结构，主从于梁体单元节点。挂

27、篮本身自重对梁体的影响，通过吊点的力作用于梁体。挂篮单元本身受力，不作验算内容。挂篮加载时，加载单元以均布荷载作用于挂篮前伸单元上。挂篮及梁段上施工设备重力取为800kN。6. 主梁内力组合部分节点作用效应如下： 节点1图6-1 节点1处作用效应Fig 6-1 internal force of section 1节点26（支点截面）：图6-2 节点26处作用效应Fig 6-2 internal force of section 26节点51（跨中截面）：图6-3 节点51处作用效应Fig 6-3 internal force of section 5139节点：图6-4 节点39处作用效应F

28、ig 6-4 internal force of section 39将以上计算的恒载、活载内力数据依据规范4.1.6公式组合如下： （6-1）借助桥梁博士软件依据公路04规范组合：荷载长期效应计算得到以下组合值：表6-5 主梁内力组合表Table 6-5 Table girder combination of internal forces节点号1326313951作用组合值-64500-377000-1950003100012700071501990016200961010107. 钢筋面积的估算及钢束布置7.1. 预应力钢筋截面积估算钢束的选择：顶板束与底板束均采用19股一束，XM15-

29、19锚具，单束钢束截面面积为2660mm，塑料波纹管成孔。按承载能力极限状态计算正截面最少钢束数。悬臂箱梁混凝土受压区高度x不超过箱梁底板厚度，有所需最小钢束数跨中：支点：各节点所需配筋面积估算表：表7-1 截面配筋面积估算表Table 7-1 General curculation of steel area at each section节点号最大悬臂阶段正常使用阶段节点号最大悬臂阶段正常使用阶段上缘下缘上缘下缘上缘下缘上缘下缘1275730058700223502854400539003163270421029514004900046502704210304830044000514501

30、540628031453003890062900252066303242100338007474037206520333900028700868305280610034358002380099140724055103532600190001011700968046103629400143001114300122003420372630095902130121720014800198038232005150515013201001800033339201001600900014232002100040172001330015263002410041143001730016294002730042

31、117002120017326003080043914024900183580034300446830285001939000379004547403200020421004150046290035200214530045100471450380002248300487004865040200235140052300491634180024544005600050427002557300597005143100266320066500各截面采用预应力钢束数量表：表7-2 预应力钢筋束数计算表Table 7-2 calculated by the number of prestressed st

32、eel beam table节点号上缘下缘节点号上缘下缘2227243228224229205430206243118724321684433169443414106435141164361212823710213823810214103984151040861612416817144268181443410191644412201845214211846214222047216232048162422491625245018262651187.2. 预应力钢束布置各断面锚固束和通过束确定后，确定各钢束在箱梁中的空间位置及几何特性。跨中截面钢束布置：图7-3 跨中截面钢束布置(单位：mm)Fi

33、g 7-3 cross-prestressed reinforcement layout支点截面钢束布置：图7-4 支点截面钢束布置（单位：mm）Fig 7-4 fulcrum-prestressed reinforcement layout7.3. 预应力管道布设要求随着箱梁施工进展，纵向预应力管道将逐节加长，因多数钢束都设有平弯和竖弯曲线，所以管道定位要准确牢固，接口要封严，不得漏浆。混凝土浇筑时，管道内可衬硬塑料管芯，浇筑完成后拔出，防止管道变形。7.4. 非预应力钢筋截面积的估算及布置按构件承载能力极限状态要求估算非预应力钢筋的数量。在确定预应力钢筋数量后，非预应力钢筋根据正截面承载能

34、力极限状态的要求来确定。梁内设置直径为12mm的箍筋，且采用带肋钢筋，间距取为200mm；自支座中心起1000cm长度范围内采用闭合式箍筋，间距100mm，以加强梁端承受局部应力；锚固区锚具下设置具有喇叭管的锚具垫板，锚垫板下设间接钢筋。水平纵向钢筋按0.6%配筋率配筋。8. 钢束预应力损失估算8.1. 预应力钢筋张拉（锚下）控制应力按公路桥规规定预应力钢筋张拉控制应力采用Mpa8.2. 钢束应力损失由公式计算得各截面各钢束值锚下张拉控制应力管道每米长度的局部偏差对摩擦的影响系数，取为0.0015钢筋与管道壁间的摩擦系数，查表取为0.15从张拉端至计算截面的管道长度在构件纵轴上的投影长度，以m

35、计由公式计算得各截面各钢束值张拉端锚具变形、钢筋回缩、和接缝压缩之和，查表取为4mm张拉端至锚固端之间的距离，以mm计预应力钢筋的弹性模量对每一钢束，每一施工阶段计算钢束沿程预应力损失，进而得到各钢束应力沿程分布，为方便表述，将钢束30等分，计算其在31个节点上的应力。通过桥梁博士模拟计算得到钢束应力损失表：T1钢束：图8-1 T1钢束预应力损失表（单位：Mpa）Fig 8-1 force lost of prestressed-steel T1（unit：Mpa）钢束T2：图8-2 T2钢束预应力损失表（单位：Mpa）Fig 8-2 force lost of prestressed-ste

36、el T2（unit：Mpa）其余钢束的预应力损失可用同样的方法求得。8.2.1. 各截面钢束应力损失值及有效预应力汇总正常使用阶段各项预应力损失及有效预应力：钢束T1：通过单元号：1-100图8-3 T1钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-3 the effective stress of prestressed-steel T1（unit：Mpa）钢束T2：通过单元号：8-93图8-4 T2钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-4 the effective stress of prestressed-steel T2（unit：Mpa）钢束T3：通过单元号：10-91图8-

37、5 T3钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-5 the effective stress of prestressed-steel T3（unit：Mpa）钢束T4：通过单元号：12-89图8-6 T4钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-6 the effective stress of prestressed-steel T4（unit：Mpa）钢束T5：通过单元号：14-87图8-7 T5钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-7 the effective stress of prestressed-steel T5（unit：Mpa）钢束T6通过单元号：18-33图

38、8-8 T6钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-8 the effective stress of prestressed-steel T6（unit：Mpa）钢束T7：通过单元号：20-31图8-9 T7钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-9 the effective stress of prestressed-steel T7（unit：Mpa）钢束T8：通过单元号：22-29图8-10 T8钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-10 the effective stress of prestressed-steel T8（unit：Mpa）钢束T9：通过单元号：68-83图8-11 T9钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-11 the effective stress of prestressed-steel T9（unit：Mpa）钢束T10：通过单元号：70-81图8-12 T10钢束有效预应力表（单位：Mpa）Fig 8-12 the effective stress of prestressed-steel T10（unit：Mpa）