桥梁工程毕业设计计算书(五跨等截面连续梁桥)
1 设计基本资料
1.1 概述
跨线桥应因地制宜，充分与地形和自然环境相结合。跨线桥的建筑高度选取除保证必要的桥下净空外，还需结合地形以减少桥头接线挖方或填方量，最终再谈到经济实用的目的。如果桥两端地势较低，主要采用梁式桥；略高的则主要采用中承式拱肋桥；更高的则宜采用斜腿刚构、双向坡拱等形式。在桥型的选择时，一方面从“轻型”着手，以减少圬工体积，另一方面结合当地的资源材料条件，以满足就地取材的原则。随着社会和经济的发展，生态环境越来越受到人们的关注与重视，高速公路跨线桥将作为一种人文景观，与自然相协调将会带来“点石成金”的效果。高速公路上跨线桥常常是一种标志性建筑物，桥型本身具有的曲线美，能够与周围环境优美结合。
茶庵铺互通式立体交叉K65+687跨线桥，必须遵照“安全、适用、经济、美观”的基本原则进行设计，同时应充分考虑建造技术的先进性以及环境保护和可持续发展的要求。
1.1.1设计依据
按设计任务书、指导书及地质断面图进行设计。
1.1.2 技术标准
（1）设计等级：公路—I级；高速公路桥，无人群荷载；
（2）桥面净宽：净—11.75m + 2×0.5 m防撞栏；
（3）桥面横坡：2.0%；
1.1.3 地质条件
桥址处的地质断面有所起伏，桥台处高，桥跨内低，桥跨内工程地质情况为（从
1.1.4 采用规范
JTG D60-2004 《公路桥涵设计通用规范》；
JTG D62-2004 《公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范》；
JTG D50-2006 《公路沥青路面设计规范》
JTJ 022-2004 《公路砖石及砼桥涵设计规范》；
1.2 桥型方案
经过方案比选，通过对设计方案的评价和比较要全面考虑各项指标，综合分析每一方案的优缺点，最后选定一个最佳的推荐方案。按桥梁的设计原则、造价低、材料省、劳动力少和桥型美观的应是优秀方案。独塔单索面斜拉桥比较美观，但是预应力混凝土等截面连续梁桥桥梁建筑高度小，工程量小，施工难度小，可以采用多种施工方法，工期较短，易于养护。另外该桥是位于山区的高速公路桥，对于美观要求低。综上，设计最终确定采用4×35m预应力混凝土等截面连续梁桥（图1.1）。
图1.1 桥跨总体布置立面图（单位：cm）
1.3 施工方式
采用分段支架浇筑的方式，达到设计强度后，张拉预应力钢束并压注水泥浆，待混凝土达到预定强度后拆除支架并卸模板，再完成主梁横向接缝，最后进行护栏及桥面铺
施工顺序如下：
（1）施工桩基础、承台与桥墩；
（2）搭设支架，立模放样；
（3）预埋预应力波纹管，绑扎普通钢筋，浇筑混凝土；
（4）混凝土达到预定强度后开始张拉预应力钢束；
（5）拆除支架并脱模；
（6）二期自重作用加载，完成全桥工程。
2 毛截面几何特性计算
2.1 基本资料
2.1.1 主要技术指标
设计等级：公路—I级
桥型布置：4×35m等截面连续梁桥
桥面宽度：净—11.75m + 2×0.5 m防撞栏（图2.1）
计算跨径：35m（两墩中心距）
桥面横坡：2.0%
图2.1 主梁横截面图及桥面布置图（单位：cm）
2.1.2 材料规格
主梁：采用C50混凝土，钢筋混凝土容重为26500N/m3，弹性模量取3.45×1010 Pa；
桥面铺装：厚度为8cm的沥青混凝土面层，箱梁横向两端厚度分别为8cm和33cm 的混凝土桥面板单向横坡，混凝土桥面板钢筋混凝土容重为265000N/m3；沥青混凝土容重为20000N/ m3；
防撞护栏：采用C30混凝土，容重为265000N/m3；
横隔板：采用C50混凝土，钢筋混凝土容重为265000N/m3，弹性模量取3.45×1010 Pa。
2.2 毛截面几何特性计算
毛截面的几何特性可以通过AUTOCAD、桥梁博士或ANSYS计算得出，计算得到的几何特性见表2-1和2-2：
表2-1 跨中处毛截面几何特性
表2-2 支座处毛截面几何特性
3 主梁作用效应计算
3.1 结构计算简图
全桥五跨共取32个单元，33个结点，所有单元长4.375m。取1~17节点所对应的截面为控制截面，桥墩简化为活动和固定铰支座。结点x、y坐标按各结点对应截面的形心点的位置来确定，结构计算简图，如图3.1所示。
图3.1 结构计算简图
3.2 结构自重作用效应计算
3.1.1 结构自重荷载计算
一期恒载集度：
q1 =26.5×6.4325=167052.025N/m
二期恒载集度：
桥面铺装重q21 =2.6138×26500+0.08×12.5×20000 = 87871.09N/m 防撞栏杆重q22 =35.0541×26500/140= 6502.54N/m
合计：q2 =q21+q2 2= 87871.09+6502.54=94373.63N/m
3.1.2 结构自重作用效应计算
（1）采用电算Ansys程序计算。APDL命令流如下：
! 4跨连续梁（4*35=140m)内力分析
!1.前处理
*********************************************************************** /FILNAME,hong zai nei li,1 !定义工作文件名
/TITLE,Wangju Jianli Fengxi !定义工作标题
/PREP7 !进入prep7处理器
ET,1,BEAM3 !定义单元类型
R,1,6.4325,3.2975019584,1.8 !定义实常数
MP,EX,1,3.45E10 !材料属性(先按C50)
MP,PRXY,1,0.2
*DO,I,1,33 !创建节点
N,I,(I-1)*4.375,0
*ENDDO
TYPE,1 $ MAT,1 $ REAL,1 !定义单元类型号、材料类型号、实常数号
*DO,I,1,32 !生成单元
E,I,I+1
*ENDDO
FINISH
!2.加载和求解
/SOLU !进入solu处理器
ANTYPE,0 !定义分析类型
D,1,UY !边界条件
D,9,UY
D,17,UX,,,,,UY
D,25,UY
D,33,UY
SFBEAM,ALL,1,PRES,261425.65 !全桥恒载内力
SOLVE
FINISH
!3.后处理
*********************************************************************** /POST1
ETABLE,MI,SMISC,6 !以单元I点弯矩为内容，定义单元表ETABLE,MJ,SMISC,12 !以单元J点弯矩为内容，定义单元表ETABLE,QI,SMISC,2 !以单元I点剪力为内容，定义单元表ETABLE,QJ,SMISC,8 !以单元J点剪力为内容，定义单元表PLLS,MI,MJ !结构剪力分布图
PLLS,QI,QJ !结构弯矩分布图
FINISH
（2）结构在恒载作用下结构内力值详见表3-1和图3.2、图3.3。
表3-1 恒载作用下的内力值
图3.1 恒载弯矩图
图3.2 恒载剪力图3.3 汽车荷载作用效应计算
3.1.3 活载及各系数
（1）人群：q r = 0kN/m2 ；
P k =300kN ；
（3）本设计为两车道，车道折减系数取1； （4）汽车荷载横向分布影响增大系数取1.2； （5）纵向折减系数不需考虑； （6）汽车荷载横向分布系数的计算
箱梁的横向分布系数=车道数×多车道折减系数×纵向折减系数×横向不均匀系数。因此m 3=2×1×1.2=2.4。
（7）汽车冲击系数：按《通规》第4.3.2条的条文说明计算。
汽车的冲击系数是汽车过桥时对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数。冲击作用以车体的振动和桥跨自身的变形和振动。根据新《公路桥规》（JTJ D6-2004），结合公路桥梁可靠度研究的成果，采用结构的基频来计算桥梁结构的冲击系数。连续梁桥的基频的计算公式为：
12f f =
=
（3-1）
式中 l －结构的计算跨径(m)； E －结构材料的弹性模量(N/m 2)；
c I －结构跨中截面的截面惯性距(m 4)；
c m －结构跨中处的单位长度质量(kg/m),g G m c /=；
G －结构跨中处延米结构重力(N/m)；
g －重力加速度，9.81g =(m/s 2)；
起的负弯矩效应时，采用
f。
2
本设计通过手算，计算出：u1=0.307，u2=0.405。
3.1.2 计算步骤
（1）细分节点和单元：为了提高计算精度，必须细分节点和单元，且控制点必须全部要位于细分后的节点上，细分后每米单元个数为8个，每个单元长度为0.125m,节点数共1121个。
（2）利用网上下载的APDL命令流计算各细分节点的影响线数据。
（3）从ANSYS内导出1~17个控制截面的影响线数据至Excel。下面是导出剪力影响线的命令流：
*cfopen,jianli-ying-xinag-xiang,xls
I=1
*VWRITE,N_QY(1,I),N_QY(1,I+35),N_QY(1,I+2*35),N_QY(1,I+3*35),N_QY(1,I +4*35),N_QY(1,I+5*35),N_QY(1,I+6*35),N_QY(1,I+7*35),N_QY(1,I+8*35),N_QY(1 ,I+9*35),N_QY(1,I+10*35),N_QY(1,I+11*35),N_QY(1,I+12*35),N_QY(1,I+13*35), N_QY(1,I+14*35),N_QY(1,I+15*35),N_QY(1,I+16*35)
(17F12.8)
*cfclos,jianli-ying-xinag-xiang,xls
（4）利用Excel内自带的VBA编程，对1121行，17列影响线数据进行处理。编程的目的是找出每列影响线数据中的最大值和最小值，求出每列影响线数据中正的总面积、负的总面积（这里因为单元分得比较细，仅将相邻节点间影响线面积简化成梯形来计算），然后将每列影响线数据中的最大值和最小值和集中力Pk相乘，每列影响线数据中正的总面积、负的总面积和均部荷载qk相乘，最后乘上各系数即为活载内力。
误差约0.02%，剪力误差约0.5%~0.7%），可见计算结果误差很小。
其中活载弯矩计算VBA程序代码如下：
Public Sub Sheet1_chaozuo() '进行影响线竖标和面积计算Dim i, j, k As Integer
Dim Yi_max, Yi_min As Single '定义影响线竖标
Dim W_max, W_min As Single '定义影响线面积
For j = 1 To 17 '求影响线竖标
Yi_max = Cells(1, j)
Yi_min = Cells(1, j)
For i = 1 To 1121
If Cells(i, j) > Yi_max Then
Yi_max = Cells(i, j)
End If
If Cells(i, j) < Yi_min Then
Yi_min = Cells(i, j)
End If
Next i
Cells(1127, j) = Yi_max
Cells(1129, j) = Yi_min
Next j
For j = 1 To 17 '求影响线面积
For i = 1 To 1120
If Cells(i, j) >= 0 Then '求正影响线面积
If Cells(i + 1, j) >= 0 Then
W_max = W_max + (Cells(i, j) + Cells(i + 1, j)) * (Cells(i + 1, 18) - Cells(i, 18)) / 2
End If
End If
If Cells(i, j) <= 0 Then '求负影响线面积
If Cells(i + 1, j) <= 0 Then
W_min = W_min + (Cells(i, j) + Cells(i + 1, j)) * (Cells(i + 1, 18) - Cells(i, 18)) / 2
End If
End If
Next i
Cells(1128, j) = W_max
Cells(1130, j) = W_min
W_max = 0
W_min = 0
Next j
For j = 1 To 17 '求汽车荷载作用下的内力值
Cells(1136, j) = Cells(1132, j) * Cells(1127, j) + Cells(1133, j) * Cells(1128, j)
Cells(1137, j) = Cells(1132, j) * Cells(1129, j) + Cells(1133, j) *
Next j
End Sub
3.1.2 计算结果
（1）部分控制截面ANSYS影响线图
图3.3 4号节点位置_弯矩影响线图
图3.4 9号节点位置_弯矩影响线图
图3.6 3号节点位置_剪力影响线图
图3.8 17号节点位置_剪力影响线图（2）活载内力结果
表3-2 活载作用下的内力值
节点X坐标
（m）
弯矩值M（N*m）剪力值Q（N）
最大值最小值最大值最小值
10001636708-150976 2 4.3755403028.499-640111.85841324289-251529 38.758900830.066-1280223.7171040125-460332 413.12510570944.01-1920336.014785020.2-683940 517.510542602.5-2560447.434561374.8-917677 621.8758996730.634-3200560.609371138.2-1156416 726.256165946.312-3840672.028215806.5-1394578
图3.9 活载弯矩包络图
图3.10 活载剪力包络图
3.4 温度次内力计算
根据《通规》4.3.10的要求计算出T1、T2值：
8cm厚沥青混凝土，平均厚度为20.5cm厚的钢筋混凝土单向横坡桥面板T1=16.4℃T2=5.98℃。
将T1、T2值输入Midas内进行计算，内力见表3-3
表3-3 温度次内力值