预应力混凝土连续梁桥毕业设计

摘要

预应力混凝土连续梁桥是一种桥面体系以梁受压或受弯为主的桥梁。本文根据南京长江二桥北汊大桥的设计资料，使用桥梁博士建立平面杆系有限元分析模型，完成主桥成桥及施工状态下梁的自重、恒载、活载和温度内力分析及强度与应力验算，以及挠度、抗裂验算。并初步了解了预应力混凝土连续梁的总体设计。

关键词预应力混凝土连续梁桥；梁、单元、节点；悬臂浇筑施工；内力分析；结构验算。

Abstract

Prestressed concrete continuous bridges are constructed along a structural systEm which comprises continuous girders which are bent and crashed often .My thesis mainly combines with the building project of the North Part Bridge of the Second Nanjing Yangzi River Bridge, and analyses the whole structure. Firstly based upon acquainting myself with the structure, I established the plane finite element model, using the Dr.Bridge V3.0. Then I use the model to calculate the structure internal forces, which are caused by permanent load, live load and temperature changes. Then, I assembled the structure internal forces, and used the result to check the strength. The result is that they all meet the need of stress and strength. Through this bridge design, I acquaint myself with the load principle, the characteristic of bridge type and main elements of design about prestressed concrete continuous bridges.

Key words Prestressed concrete continuous bridges; internal forces strength stress

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教研室（或答辩小组）及教学系意见

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目录

摘要 (1)

Abstract (2)

第1章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.1.1 斜拉桥的发展 (1)

1.1.2 发展的原因 (1)

1.1.3 发展的现状......................................................... 错误！未定义书签。

1.1.4 技术上存在的问题 (1)

1.2 混凝土斜拉桥的特点 (4)

1.3 本章小结 (7)

第2章桥梁设计总体概况 (8)

2.1 设计基本资料 (8)

2.1.1 概况..................................................................... 错误！未定义书签。

2.1.2 主要技术指标 (8)

2.1.3 主要材料 (11)

2.2 主桥结构设计要点 (13)

2.2.1 主梁 (13)

2.2.2 桥塔..................................................................... 错误！未定义书签。

2.2.3 斜索..................................................................... 错误！未定义书签。

2.2.4 施工..................................................................... 错误！未定义书签。

2.3 本章小结 (18)

第3章主桥内力计算 (19)

3.1 斜拉桥的计算分析方法 (19)

3.1.1 基本理论和假定 (19)

3.1.2 主梁的计算分析 (19)

3.2 恒载内力计算 (20)

3.2.1 结构计算图示 (20)

3.2.2 截面几何特性..................................................... 错误！未定义书签。

3.2.3 恒载内力计算..................................................... 错误！未定义书签。

3.3 活载内力计算 ............................................................ 错误！未定义书签。

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3.4 预应力计算 ................................................................ 错误！未定义书签。

3.5 温度影响力计算 ........................................................ 错误！未定义书签。

3.6 斜索调整影响力计算 ................................................ 错误！未定义书签。

3.7 荷载组合.................................................................... 错误！未定义书签。

3.8 本章小结.................................................................... 错误！未定义书签。第4章正常使用极限状态下截面应力验算 ..................... 错误！未定义书签。

4.1 箱梁截面应力验算 .................................................... 错误！未定义书签。

4.1.1 截面法向应力计算 ............................................. 错误！未定义书签。

4.1.2 使用荷载作用下的主应力计算 ......................... 错误！未定义书签。

4.2 拉索应力验算 ............................................................ 错误！未定义书签。

4.3 本章小结.................................................................... 错误！未定义书签。第5章承载能力极限状态下强度计算 ............................. 错误！未定义书签。

5.1 箱梁正截面强度计算 ................................................ 错误！未定义书签。

5.2 斜截面抗剪计算 (99)

5.3 本章小结.................................................................... 错误！未定义书签。第6章索塔计算 ................................................................. 错误！未定义书签。

6.1 索塔纵向强度与应力验算 ........................................ 错误！未定义书签。

6.2 稳定计算.................................................................... 错误！未定义书签。

6.3 本章小结.................................................................... 错误！未定义书签。第7章斜拉桥的几点讨论 . (117)

结论 (118)

致谢 (120)

参考文献 (121)

附录混凝土斜拉桥施工控制 (122)

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第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1 预应力混凝土连续梁桥的发展

预应力混凝土连续梁桥是预应力桥梁中的一种，它具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点。加上这种桥型的设计施工均较成熟，施工质量和施工工期能得到控制，成桥后养护工作量小。预应力混凝土连续梁的适用范围一般在150m以内，上述种种因素使得这种桥型在公路、城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。

自60年代中期在德国莱茵河上采用悬臂浇筑法建成Bendorf桥以来，悬臂浇筑施工法和悬臂拼装施工法得到不断改进、完善和推广应用，从而使得预应力混凝土连续梁桥成为许多国家广泛采用的桥型之一。

我国自50年代中期开始修建预应力混凝土梁桥，至今已有40多年的历史，比欧洲起步晚，但近对年来发展迅速，在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面日新月异，预应力混凝土梁桥的设计技术与施工技术都已达到相当高的水平。

1.1.2 发展的原因及现状

1、桥梁设计技术方面：

（1）主要设计规范

1978年交通部颁布了我国第一部《公路预应力混凝土桥梁设计规范》，该规范按单一系数极限状态设计理论编制，比以往采用的破坏阶段理论规范前进了一步。

1985年交通部颁布了《公路桥涵设计规范》，其中《公路钢筋混凝土预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ023-85将单一系数改成多系数，以塑性

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理论为基础作强度极限计算，以弹塑性或弹性理论为基础作正常使用极限计算。

PPC构件具有节约钢材、降低造价、能减少由预应力引起的反拱度、改善结构受力性能等优点，已在一般公路桥梁和城市桥梁工程中逐步推广应用。

（2）桥梁结构分析专用软件和CAD技术

自70年代后期以来，我国桥梁结构分析专用软件和CAD技术得到大力开发和应用。其中包括采用有限元法编制的桥梁通用综合程序以及许多桥梁专用程序，实现设计、计算。绘图一体化，大大提高了计算精度和速度，特别是用于大量重复计算、局部应力分析、设计方案优化。大跨径预应力混凝土桥梁的结构分析设计软件开发和推广应用，适应了我国桥梁建设高速发展的需要。

计算机技术已被广泛应用于大跨径预应力混凝土连续梁桥的施工控制。使得成桥后的线型平顺，符合桥梁的纵向设计标高；桥梁结构的受力状态能与设计计算一致。

2、桥梁施工技术

（1）在我国中小跨径的预应力混凝土连续梁桥施工中，除了最古老的支架现浇方法外，还采用了先简支后连续、顶推法、移动模架逐孔浇筑法、移动导梁逐孔拼装法和梁体预制浮吊安装法等施工技术。

（2）平衡悬臂拼装施工法和平衡悬臂浇筑施工法的采用促进了预应力混凝土连续梁桥的发展。

大跨径预应力混凝土连续梁桥大多采用悬臂浇筑法施工。根据连续梁桥的特点，采用逐段平衡悬臂浇筑，先形成T构，再逐跨合龙，逐跨释放临时固定支座，完成体系转换，最终形成多跨预应力混凝土连续梁桥。

大跨径预应力混凝土连续箱梁广泛采用挂篮进行悬臂浇筑施工。常用的挂篮形式有偏架式和斜拉式。随着施工技术的进步，挂篮结构向着轻型化的方向发展，尽可能采用构造合理、受力明确、自重轻、利用系数高、使用安

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全方便，具有良好技术经济指标的挂篮。例如，上海黄浦江奉浦大桥等工程采用的菱型挂篮就是其中之一，该挂篮总重仅50t，利用系数为4.0。

3、材料方面

高强度预应力钢材、高标号混凝土和大吨位预应力锚固体系的研制开发和应用，促进了大跨径预应力混凝土连续梁桥的发展。

在80年代后期，国内开始生产18EdMPa的低松弛预应力钢绞线，加上与其配套的大吨位预应力钱具和张拉设备的研制成功。C50与C60混凝土的应用，使得预应力连续梁桥结构轻型化，跨越能力得到很大提高。在这以前，我国大量采用16000MPaφ5的高强度碳素钢丝和与其配套的钢质锥形锚（即F式锚具）这种锚具的张拉吨位小。使用时的控制张拉力仅565kN，每张拉10kN预应力需要的布柬面积约为0.255cm2／kN；若采用φj15.2～12型锚具。张拉10kN预应力所需的布束面积约为0.096 cm2／kN；采用

φj15.2～22型的锚具时，张拉10kN预应力所需的布柬面积约为0.067cm2／kN。三者的比例为1：0.38：0.26，由此可以看到，采用大吨位预应锚具体系后，使得预应力箱梁布柬范围内的顶板、腹板和底板尺寸，设计时由原来的布柬控制改为受力控制和按构造要求控制，这样，大大减小百箱梁断面的尺寸，减轻了上部结构的自重。

箱梁混凝土及钢绞线的用量能够大大减少，从而使得预应力结构设计更趋合理、经济。若采用以往的钢质锥形锚具，预应力混凝土连续梁的跨越能力大多在100m左右。随着1860MPa钢绞线和大吨位预应力锚固体系的应用，建桥施工技术的发展，目前，我国连续梁桥的最大跨径已达165m。从而使得我国预应力混凝土梁桥的设计、施工技术进入世界先进行列。

1.1.3技术上存在的问题

在预应力混凝土连续梁桥，特别是大跨径连续梁桥的施工或使用过程中，部分桥梁有时会出现这样或那样的问题，其主要问题是箱梁混凝土出现了不同性质的裂缝。

在已建成的连续梁桥中，某些桥梁上部结构曾出现了部分裂缝，主要有箱梁顶板和底板的纵向裂缝；箱梁腹板的斜向裂缝。特别是靠近边路现浇箱梁端部范围的两侧腹板，出现近450的斜向裂缝。

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目前我国大跨径预应力混凝土连续梁桥的设计，大多是按照全预应力结构设计的，即在理论上要求结构不出现拉应力。针对预应力混凝土连续箱梁结构而言，裂缝形成的原因，主要有以下几方面：

a．在主桥总体设计中，跨径比例、箱梁截面尺寸的拟定不合理；

b．结构设计抗弯剪能力不足；

c．对由预应力钢束引起的附加力估计不足；

d. 对温度应力重视不够；

E.施工质量不好，其中包括混凝土浇筑与养生；施工顺序与施工精度；预应力钢来的保护层厚度达不到设计要求；支架与模板变形过大；预应力张拉力不足；灌浆不及时或其他质量问题等；

f材料质量不好，如混凝土的水泥及骨料品种、材料级配及计量误差等问题。

1.2预应力混凝土连续梁桥的特点及发展趋势

预应力混凝土连续梁桥是预应力桥梁中的一种，它具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好，特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝少，行车舒适等优点。加上这种桥型的设计施工均较成熟，施工质量和施工工期能得到控制，成桥后养护工作量小。预应力混凝土连续梁的适用范围一般在150m以内，上述种种因素使得这种桥型在公路、城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。

面对现代预应力连续梁桥存在的问题，现代预应力混凝土连续梁桥的设计和施工在如下几方面加以改进：

1、桥梁跨径布置和箱梁截面尺寸拟定

（1）桥梁跨径布置

预应力混凝土连续梁桥的边跨与主跨比选用是否恰当直接影响到结构受力的合理性。若边跨太大，则边跨支架现浇梁段长度偏长，施工时要防止支架不均匀沉降。边路一长其整体刚度偏小，在恒载与活载作用下，现浇段会出现较大的主拉应力，容易发生混凝土开裂；当在边跨加载时对中跨箱梁的受力不利。若边跨与中跨之比过小，则边跨支点可能会出现负反力，使得边墩与边跨受力不合理。

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在连续梁桥设计中，一般可以通过调整各跨的刚度．即合理取用相邻跨长的不同比值来调整各截面的内力，以满足设计的要求。对中小跨径的连续梁桥而言，边跨与主跨比一般取用0.5～0.8，这样可以使中跨跨中不致产生异号弯矩，边墩支点也不会出现负反力。对采用满堂支架施工的连续梁桥，这跨取中跨长度的70％～80％是经济合理的。但对采用挂篮悬臂浇筑法施工的大跨径预应力混凝土连续桥而言，边跨总有一段需采用支架现浇。为使连续梁结构的内力变化较合理和减少支架长度，设计时边跨长度一般选用中跨长度的65％左右为宜。结合国内外部分大跨径连续梁桥的工程实践，作者建议边跨与中跨的长度比一般控制在0.55～0.65。

（2）箱梁断面尺寸拟定

自大吨位锚具、1860MPa钢绞线和高强度混凝土在大跨径预应力混凝土桥梁中采用以来，箱梁的自重大大减轻，使得上部结构有条件向轻型化方向发展。现行公路桥梁设计规范是采用极限状态设计的，结构均应通过承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算。除此，对构造上及施工工艺方面的要求必须得到满足。从作者了解到的一些出现裂缝的桥梁来看，有一些是与箱梁所选用的断面尺寸安全储备偏小有关。通过主拉应力的敏感性分析得知，若不设置竖向预应力钢束或者竖向预应力失效，则必须加大腹板厚度尺寸，重新设计。若竖向预应力只考虑50％的效果时，计算所得的主拉应力仍会出现大于规范规定值的情况。这说明与腹板厚度尺寸的选定有一定的关系。另外现行设计规范中与此有关部分的公式一般"仅适用于等高度的简支梁"，若用于连续梁时，应考虑一定的安全系数。这样按公式计算得到的斜截面抗剪强度值应适当折减。反过来折减后的值对腹板厚度又有所要求。作者建议选定箱梁断面尺寸时，除了注意梁高（H支和H中）的因素外，还应该重视腹板尺寸的优化。

2、纵向预应力布束方案与预应力储备

（1）纵向预应力布束方案

在纵向预应力钢束布置时往往偏重施工方便的要求，而忽视了对腹板下弯束和边跨现浇箱梁端部一定范围内腹板弯起束的有效利用问题。由于采用了在箱梁顶板和底板布置直线束，仅靠设置竖向预应力钢筋来克服结构剪应力的布束方案，这必须建立在充分保证竖向预应力能够达到设计要求的前提下。实际上箱梁腹板由竖向预应力钢筋长度一般较短，钢筋的张拉伸长量较小，施工时若发生少量的压缩变形，将会产生较大的预应力损失；加上锚固系统和施工操作上的问题，一般很难保证设计所要求的预应力度。从对竖向

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