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                        公路預應力混凝土連續梁橋設計

                        添加時間:2021/06/18 來源:未知 作者:樂楓
                        本設計主要是預應力混凝土連續梁橋的上部結構設計,設計中主要進行了橋梁總體布置及結構尺寸擬定、橋梁荷載內力計算、橋梁預應力鋼束的估算與布置、橋梁預應力損失及應力的驗算、次內力的驗算、主梁截面應力驗算。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          本設計題目為公路預應力混凝土連續梁橋設計,橋梁跨徑布置為 5x30m,兩車道,上部結構采用先簡支后連續的預應力混凝土連續 T 型梁橋。簡支轉連續是橋梁施工中較為常見的一種方法,該施工方法的主要特點是施工方法簡單可行,施工質量可靠,實現了橋梁施工的工廠化、標準化和裝配化。目前隨著高速公路的發展,為改善橋梁行車的舒適性,簡支轉連續梁橋在中、小跨徑的連續梁橋中得到了廣泛地應用。

                          本設計利用 Midas Civil 軟件進行結構分析,根據橋梁的尺寸擬定建立橋梁基本模型,然后進行內力分析,計算配筋結果,進行施工各階段分析及截面驗算。

                          同時,必須要考慮混凝土收縮、徐變次內力和溫度次內力等因素的影響。

                          本設計主要是預應力混凝土連續梁橋的上部結構設計,設計中主要進行了橋梁總體布置及結構尺寸擬定、橋梁荷載內力計算、橋梁預應力鋼束的估算與布置、橋梁預應力損失及應力的驗算、次內力的驗算、主梁截面應力驗算。

                          最后,經過分析驗算表明該設計計算方法正確,內力分布合理,符合設計任務的要求。

                          關鍵詞:簡支轉連續 T 梁 預應力 Midas Civil 鋼束

                        Abstract

                          The design prestressed concrete continuous girder bridge, the bridge spanarrangement for the 5x30m,two-lane,the upper structure with simply supported Continuousprestressed concrete continuous T-beam bridge. Simply supported continuous constructionof the bridge a more common method of construction,the main features of the constructionmethod is simple and feasible,the construction qualit,the factory realized the bridgeconstruction,and assembly of standardization. With the current high road of development,to improve the driving comfort of the bridge,simply supported continuous beam bridge inthe small span continuous bridge has been widely applied.

                          This design using the Midas Civil software analysis the structure,according to the sizeof the bridge,the basic model establishment bridge worked,then force analysis,calculationresults of reinforced,for each phase analysis and construction. At the same time, mustconsider the concrete shrinkage,Creep force times and temperature resultant times factors.

                          The design of prestressed concrete continuous girder bridge is mainly the upperstructure design,in the design of the main bridge layout and structure size,load calculation,bridge prestressing tendons estimation and layout,the loss of prestress and stress of thebridge,the resultant checked,section stress calculation girder.

                          Finally,after analysis shows that the design calculation method of calculating theinternal force distribution,reasonable,comply with the design requirements of the task.

                          Key words: simply supported continuous T-beam bridge prestressed Midas Civilthe steel beam
                         

                        目 錄

                          第 1 章 緒論

                          1.1 預應力混凝土連續梁橋的特點

                          連續梁橋結構體系具有變形小、結構剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少、養護簡單、抗震能力強等優點。因而常常成為高速公路橋梁建設中首選的方案。連續梁橋是具有兩跨或兩跨以上連續的梁橋,屬于超靜定體系。

                          連續梁橋在結構重力和汽車荷載等恒、活載作用下,主梁的跨中截面承受正彎矩,中間支點截面承受負彎矩,通常支點截面負彎矩比跨中截面正彎矩大,而彎矩的絕對值均較同跨徑橋的簡支梁小。產生的支點負彎矩對跨中正彎矩有卸載的作用,使內力狀態比較均勻合理,因而梁高可以減小,節省材料,且剛度大,整體性好,超載能力大,安全度大,橋面伸縮縫少。連續梁橋通常是將 3~5 孔做成一聯,在一聯內沒有橋面接縫,行車較為順適。連續梁橋施工時,可以先將主梁逐孔架設成簡支梁然后互相連接成為連續梁。近幾十年,在設計預應力混凝土連續梁時,成功地采用了先簡支后連續的施工方法,即先期預制并簡支安裝具有半成品意義的 T 梁段,預制 T 梁時完成正彎矩預應力施加,并在 T 梁頂板內預留負彎距預應力束孔道;架設安裝完成之后,后澆筑鋼筋混凝土連續濕接頭,達到強度后施加負彎矩預應力,然后解除臨時支座,達到整聯橋梁連續的目的。連續梁橋主梁內有正彎矩和負彎矩及存在體系轉換,所以構造比較復雜。此外,連續梁橋的主梁是超靜定結構,墩臺的不均勻沉降會引起梁體各孔內力發生變化。因此,連續梁一般用于地基條件較好、跨徑較大的橋梁上。

                          預應力混凝土連續梁橋是其主要結構形式,由于預應力結構可以有效地避免混凝土開裂,能充分發揮高強材料的特性,促使結構輕型化,預應力混凝土連續梁橋具有比鋼筋混凝土連續梁橋較大的跨越能力,它具有接縫少、剛度好、行車平順舒適等優點,在 30~120m 跨度內常是橋型方案比選的優勝者。而橫張預應力混凝土技術在 T型梁、箱型梁、空心板橋三座常規跨徑簡支梁橋中的應用,取得了明顯的技術經濟效益。為拓寬橫張預應力技術的應用范圍,將其應用到更大跨度的連續梁橋中就顯得尤為必要了。加上這種橋型的設計施工均較成熟,施工質量和施工工期能得到控制,成橋后養護工作量小。預應力混凝土連續梁的適用范圍一般在 150m 左右,上述種種因素使得這種橋型在公路、城市和鐵路橋梁工程中得到廣泛采用。

                          1.2 先簡支后連續預應力混凝土連續梁橋的發展

                          簡支轉連續是連續梁橋施工中較為常見的一種方法。一般先架設預制主梁,形成簡支梁狀態;進而再將主梁在墩頂連成整體,最終形成連續梁體系。該施工方法的主要特點是施工方法簡單可行,施工質量可靠,實現了橋梁施工的工廠化、標準化和裝配化。概括地講簡支轉連續施工法是采用簡支梁的施工工藝,卻可達到建造連續梁橋的目的。目前隨著高等級公路的發展,為改善橋梁行車的舒適性,簡支轉連續梁橋在中、小跨徑的連續梁橋中得到了廣泛的應用。

                          在簡支轉連續連續梁橋中由簡支狀態轉化為連續梁狀態的常見方法有以下幾種:

                         。1)將主梁內的普通鋼筋在墩頂連續;

                         。2)將主梁內縱向預應力鋼束在墩頂采用特殊的連接器進行連續;

                         。3)在墩頂兩側一定范圍內的主梁上部布設局部預應力短束來實現連續。

                          第一種方法雖然簡單易行,但常在墩頂負彎矩區內發生橫向裂縫,影響橋梁的正常使用。方法二的效果最好,但施工很困難,故一般不采用。第三種方法不僅施工可行,并且具有方法二的優點,同時又克服了僅采用普通鋼筋連續的開裂問題。所以一般簡支轉連續梁橋多采用墩頂短束與普通鋼筋連續這樣的構造處理來實現簡支轉連續。

                          由于簡支轉連續梁橋在施工過程中常存在體系轉換,那么必須依據具體的施工過程來分析結構的受力。施工的第一階段是形成簡支梁,此階段主梁承受一期橫載自重產生的內力及在簡支梁上施加的預應力;第二階段首先澆筑墩頂連續段混凝土,待混凝土達到要求的強度后張拉墩頂負彎矩束(局部短束),最終形成連續梁。連續梁成橋狀態主要承受二期橫載、活載、溫度、支座沉降產生的內力以及負彎矩束的預加力、預加力的二次矩、徐變二次矩等。由上面的分析可知,簡支轉連續梁橋跨中正彎矩要比現澆一次落架大,而支點負彎矩要比現澆一次落架小。因此,在主梁內要配置足夠數量的正彎矩束筋,以滿足連續梁狀態的承載要求和簡支狀態下承受結構自重和施工荷載的要求。

                          簡支轉連續梁橋施工程序對結構內力也有一定影響。目前施工有兩種做法:一種是先將每片簡支梁轉換為連續梁后,再進行橫向整體化;另外一種做法是先將簡支梁橫向整體化后,再進行結構的體系轉換。前者按平面結構進行計算分析較為合理;而后者體系轉換后已屬空間結構,要進行較為精確分析,較為復雜。

                        混凝土連續梁橋設計

                          第 2 章 Midas 簡介

                          2.1 簡介

                          2.2 Midas 使用說明

                          2.3 具體參數輸入

                          第 3 章 橋跨總體布置及結構尺寸擬定

                          3.1 設計基本資料

                          3.1.1 設計標準

                          3.1.2 主要材料規格

                          3.1.3 設計計算依據

                          3.1.4 基本計算依據

                          3.2 設計要點及結構尺寸擬定

                          3.2.1 設計要點

                          3.2.2 結構尺寸擬定

                          3.2.3 橫截面沿跨長的變化

                          3.2.4 橫隔梁的設置

                          3.2.5 毛截面幾何特性計算

                          第 4 章 主梁作用效應計算

                          4.1 結構自重作用效應計算

                          4.2 汽車荷載作用效應計算

                          4.2.1 沖擊系數和車道折減系數

                          4.2.2 計算主梁的荷載橫向分布系數原理

                          4.2.3 用 Midas Civil 算汽車荷載內力

                          4.3 溫差應力計算

                          4.4 支座沉降內力計算

                          4.5 內力組合

                          4.5.1 按承載能力極限狀態設計

                          4.5.2 按正常使用極限狀態設計

                          4.5.3 計算結果

                          第 5 章 鋼束預應力筋的設計與布置

                          5.1 鋼束估算

                          5.1.1 按正常使用極限狀態的正截面抗裂驗算要求估束

                          5.1.2 按正常使用極限狀態截面壓應力要求估算

                          5.1.3 按承載能力極限狀態的應力要求計算

                          5.1.4 估算結果

                          5.2 鋼束布置

                          第 6 章 預應力損失及有效預應力計算

                          6.1 基本理論

                          6.2 預應力損失計算方法

                          6.2.1 后張法由預應力鋼筋與管道之間摩擦引起的應力損失

                          6.2.2 后張法由錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值引起的應力損失

                          6.2.3 后張法由混凝土彈性壓縮引起的應力損失

                          6.2.4 后張法由鋼筋松弛引起的預應力損失終極值

                          6.2.5 后張法由混凝土收縮、徐變引起的預應力損失

                          6.2.6 截面預應力損失合計和有效預應力

                          第 7 章 主梁截面驗算

                          7.1 持久狀況承載能力極限狀態驗算

                          7.1.1 正截面抗彎承載力驗算

                          7.1.2 使用階段預應力混凝土受壓區混凝土最大壓應力驗算

                          7.1.3 預應力鋼筋中的拉應力驗算

                          7.1.4 使用階段斜截面抗剪驗算

                          7.2 持久狀況正常使用極限狀態應力驗算

                          第 8 章 結論和展望

                          8.1 結論

                          本次設計為 5×30m 預應力混凝土連續梁橋,橋跨截面采用等高度 T 梁,最大限度地采用 Midas/civil 建立模型進行計算,使用 Excel 進行預應力鋼束估算,以提高效率和準確率。設計的主要步驟為:

                         。1)撰寫開題報告,明了畢業設計的總體安排及設計的意義;(2)進行方案比選,確定本設計所用的橋型和橋跨布置,并加深對各種橋型的認識;(3)擬定截面尺寸;(4)確定施工荷載,施工階段;(5)利用 Midas Civil 建立橋梁模型,計算配筋時的橋梁內力;(6)進行荷載組合,并估算、配置預應力鋼束,配置非預應力鋼筋;(7)進行 PSC 設計,對橋梁結構進行各種規范規定的驗算,其間結合配筋調節,最終得到滿足要求的橋梁結構。

                          在設計的過程中,我有幾點體會:

                         。1)工程類的設計非常注重規范。各種規范構成設計的指南,所有的設計都應在規范的指導下完成,如果忽視了這一點,后果將是非常嚴重的。比如在《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3-2005)中規定,運營荷載作用下,預應力鋼筋(鋼絲、鋼絞線、預應力混凝土用螺紋鋼筋)最大應力應不超過 0.6 倍預應力鋼筋抗拉強度標準值。這個規定主要是考慮預應力鋼筋的疲勞。在設計時沒看到這一點,結果將預應力鋼束的張拉控制應力取為 0.75 倍抗拉強度標準值,又由于設計中所采用的預應力鋼束未考慮平彎,所以預應力損失很小,這樣一來導致設計中所采用的預應力鋼束在運營階段的應力超過限值。這是一個很嚴重的失誤,如果發生在實際工程中,后果不堪設想;

                         。2)工程類的設計非常注重實際。在設計開始時,我按照書本上所學結合自己的"合理想象"來做,但老師指出我的很多做法是不合實際的,這讓我觸動很大。有時候,一種設計可能在理論上看來是十分完美的,但在實際工程中它卻中看不中用;有時候某個問題在理論上解決起來很麻煩,可根據實踐經驗卻可以輕松解決。在設計的后半段時間里,我開始注重設計的實際可操作性。比如在成橋階段張拉的頂板預應力鋼束其端部應該彎曲到頂板外部,以便于張拉錨固;

                         。3)在設計中要有發散思維,要結合自己所學的知識來解決問題。在本設計中,預應力鋼束估算是個難點。我根據解方程的思想,結合橋梁結構的受力特點,合理假設部分預應力鋼束布置,利用相關公式來估算某一種不能假設的鋼束,最后再調整,最終得到合理的預應力鋼束數量和布置;

                         。4)學習工作一定要細心,要認真,要一絲不茍。在做一個系統的工作時,要非常注重細節,認真仔細。只有確保小地方正確,才能得到正確的結果。

                          由于時間關系,本次設計還是比較粗糙的。在模型、預應力鋼束和非預應力鋼筋布置、施工階段劃分等方面不夠細致,且只涉及到橋梁的上部結構,所以跟實際工程相比差距不小。

                          總體來看,此次設計基本完成了畢業設計任務書里規定的各項任務,在最終的驗算時,主要驗算均通過。但美中不足的是,運營階段的預應力鋼束應力值超限,這是由于自己對規范不熟造成的,在以后的工作中要牢記這一點。

                          總之,通過這次設計,提高了我們的各項綜合能力,也讓我們體會到了大學四年所學習的一些實質性的內容(例如對 word,excel 等的使用還有 cad 軟件的熟練操作),此次設計給我的大學生活留下了濃重的一筆。

                          8.2 展望

                          目前預應力混凝土已經成為國內外土建工程最主要的一種結構材料,再輔之以計算機技術,將帶給橋梁設計施工巨大的飛躍。大量軟件諸如 Midas Civil、Autocad 等的應用給橋梁設計帶來了極大的方便。

                          今后的橋梁結構將更加輕型合理,大跨度橋梁將向更長、更大、更柔的方向發展,更多高強、輕質材料將會在橋梁上應用。今后的橋梁結構必將更加重視建筑藝術造型,重視橋梁美學和景觀設計,重視環境保護。

                          近來二三十年來,我國預應力混凝土橋梁發展很快,無論在橋型,跨度以及施工方法與技術方面都有突破性發展,不少預應力混凝土橋梁的修建技術已達到國際先進水平。

                          預應力混凝土連續梁橋在我國的發展與應用雖然只有幾十年歷史,但如今在公路、城市道路和鐵路建設中廣泛采用。目前我國無論在設計、施工、預應力材料和設備上都取得了很大進步和一定成就,然而與國際先進水平仍存在一定差距,F在,我們需要不斷地總結經驗、吸取教訓,在設計理論、設計規范、預應力材料和施工技術上不斷完善、不斷發展、勇于創新。相信通過大家共同努力,在 21 世紀一定能將我國預應力混凝土梁橋的設計、施工水平推向更新的高度。

                          參考文獻

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