桥梁工程的毕业设计.docx
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桥梁工程的毕业设计.docx
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桥梁工程的毕业设计
黄梅沙河桥设计
摘要
本设计是根据设计任务书的要求和《公路桥规》的规定,对黄梅县大桥进行方案比选和设计的。
本着“安全、经济、美观、实用”的原则,本论文提出三种不同的桥型方案进行比较和选择:
方案一为预应力混凝土等截面简支T梁桥,方案二为预应力混凝土变截面连续箱梁桥,方案三为钢筋混凝土下承式钢管拱桥。
根据以上的原则以及设计施工等多方面考虑,比较确定预应力混凝土等截面简支T梁桥为推荐方案,绘制三种方案的桥址平面图、立面图、横断面图。
在设计中,桥梁上部结构运用Madis/Civil软件建模分析,进行主梁的截面几何特性计算、荷载横向分布计算,以及恒载及活载布载的内力计算。
运用铰接梁法求出活载横向分布系数,并运用最大荷载法进行活载的加载。
进行了梁的配筋计算,估算了钢绞线的各种预应力损失,绘制预应力筋布置图。
对结构强度、刚度、应力、裂缝宽度、挠度等进行验算。
由于时间关系,本设计没有进行下部结构的设计。
关键词:
方案;简支T梁桥;比选;MADIS;验算
TheDesignofthehuangmeishaheBridge
Abstract
ThedesignwastocomparetheschemesandtodesignfortheHuangmeicountybridgebasedontherequirementsofthedesigntaskand"HighwayBridgeRegulation”.Thedesignofthebridgepresentsthreedifferentkindsofbridgemodelplanstocompareandchooseinlinewiththeprincipleof“safety,economically,aestheticandpractically”:
ThefirstprogramwasthedesignofthesectionsimplesupportedT-beamofprestressedconcrete,thesecondonewasprestressedconcretevariablecross-sectioncontinousgriderbridge,thethirdonewasreinforcedconcretesteel-tabulararchbridge.Accordingtotheprincipleaswellasdesignandconstructionaspects,theprestressedconcretesimplysupportedT-beambridgeofthesectionwasregardedasrecommendedscheme.Drawingthepreliminaryplan,elevationcrosssectiondrawingofthethreeschemes.
Inthedesign,theupperstructureofbridgeusedMadis/Civilsoftwaretomodelandanalyze,andtomakethegeometryspecialtyofthemaingridercross-sectioncalculation,theloadtransversedistributioncoefficientcalculation,anddeadload&liveloadinternalforcecalculation.Thehingedbeammethodforcalculatingcoefficientsoftransversedistribution,andapplyingthemaximumloadmethodtohavelive-loadloading.Makingthebeamreinforcementcalculation,calculatingthevariouslossofprestressofsteelstrand,drawingprestressedtendonlayout.checkingthestructuralstrength,stiffness,stress,crackwidthanddeflection.Intheinterestoftime,thebottomstructuredesignwasnotinvolvedinthisdesign.
Keywords:
Scheme;SimpleSupportedT-beam;Comparison;MADIS;Checking
1绪论
预应力混凝土简支T梁桥早在20世纪50年代在我国建成之后,这种桥梁便得到了广泛推广并提出了系列标准设计。
我国交通行业预应力混凝土简支T梁标准化设计经历了一个从无到有的发展过程。
1.1预应力混凝土简支T梁桥概述
1.1.1预应力混凝土特点
预应力混凝土可看作是一种预先储备了足够压力的新型混凝土材料。
对混凝土施加预压力的高强度钢筋,既是加力工具,又是抵抗荷载所引起构件内力的受力钢筋。
1.能有效地利用现代高强度材料(高强混凝土,高强钢材),减少构件截面,显著降低自重所占全部设计荷载的比重,增大跨越能力,并扩大混凝土结构的适用范围。
2.与钢筋混凝土梁桥相比,一般节省钢材30%~40%,跨径愈大,节省愈多。
3.全预应力混凝土梁在适用荷载下不出现裂缝,即使是部分预应力混凝土梁在常遇荷载下也无裂缝,鉴于能全面参与工作,梁的刚度就能比通常开裂的钢筋混凝土梁要大。
因此,预应力混凝土梁可显著减少建筑高度,使大跨径梁桥做的轻柔美观。
由于能消除裂缝,这就扩大了对多种桥型的适应性,并更加的提高了结构的耐久性。
4.预应力技术的采用,为现代装配式结构提供了最有效的接头和拼装手段。
根据需要,可在纵横向与竖向施加预应力,使装配式结构集整成理想的整体,这就扩大了装配式桥梁的适用范围,提高了运营质量。
1.1.2简支梁桥特点
以孔为单元,相邻桥孔各自单独受力,属静定结构,适用于中小跨度。
它的优点是结构简单,架设方便,可减低造价,缩短工期,同时最易设计成各种标准跨径的装配式构件。
但相邻两跨之间存在异向转角,路面有折角,影响行车平顺。
国内被人熟知的简支梁桥很多,其中两个如下:
[浙江瑞安飞云江桥]:
国内最大跨度的预应力混凝土简支梁桥(62m),37跨。
[河南开封黄河公路桥]:
最长的简支T梁桥,全长4475.09m。
共108孔。
其中77孔50m跨径的预应力砼简支T梁,31孔20m跨径的钢筋砼简支T梁
图1-1浙江瑞安飞云江桥图1-2河南开封黄河公路桥
1.1.3T梁桥特点
肋板式梁桥(T梁桥)承重结构为T梁——梁肋(腹板)与顶板(顶部钢筋混凝土桥面板)相结合。
由于受拉区混凝土得到很大程度的挖空,减轻自重,所以跨越能力增大。
目前,中等跨径(13~15m以上)的梁桥,通常多采用肋板式梁桥。
1.2国内发展研究状况
T形梁采用钢筋混凝土结构的已经很少了,从16m到50m跨径,都是采用预制拼装后张法预应力混凝土T形梁。
预应力体系采用钢绞线群锚,在工地预制,吊装架设。
其发展趋势为:
采用高强、低松弛钢绞线群锚,混凝土标号40~60号;T形梁的翼缘板加宽,25m是合适的;吊装重量增加;为了减少接缝,改善行车,采用工型梁,现浇梁端横梁湿接头和桥面,在桥面现浇混凝土中布置负弯矩钢束,形成比桥面连续更进一步的“准连续”结构。
预应力混凝土T形梁有结构简单,受力明确、节省材料、架设安装方便,跨越能力较大等优点。
其最大跨径以不超过50m为宜,再加大跨径不论从受力、构造、经济上都不合理了。
大于50m跨径以选择箱形截面为宜。
目前的预应力混凝土简支“准连续”。
进人20世纪90年代,交通部先后出版了预应力空心板、预应力混凝土I型组合梁标准图。
但预应力混凝土简支T梁标准化工作相对滞后,这期间的预应力混凝土简支梁在桥梁建设中仍占有相当的比例,北京市每年有近80%为这种结构形式,而一些新技术、新工艺、新材料的迅速发展和应用,原有的标准图已不适用。
为此,北京市公路局于1998年向北京市公路设计研究院下达了预应力混凝土简T梁桥通用图课题,历时2年,于1999年完成了这一课题并通过了北京市组织的专家鉴定。
认为该通用图结构设计合理,完善和提高了国内预应力混凝土简支T梁桥标准化设计水平,有推广应用价值,为国内先进水平。
预应力混凝土梁桥在我国的发展基本趋于成熟,不仅在设计理论方面,而且再施工技术上都处于世界的前列。
随着我国经济发展,材料、机械、设备工业相应发展,这为我国修建高质量桥梁提供了有力保障。
再加上广大桥梁建设者的精心设计和施工,使我国建桥水平已跃身于世界先进行列。
我国幅员辽阔,经济发展水平参差不齐,经济上总体水平不高,公路桥梁发展还是要着眼于量大、面广的一般大、中桥,这类桥梁仍以预应力混凝土结构为主。
1.3研究方法和内容
本文以地质水文资料和桥梁工程确定黄梅县大桥桥型,借助大型有限元软件MIDAS/Civil平台,对大桥整体模型进行计算分析和验算。
主要工作如下:
1.通过结合地形及水文地质资料,综合考虑技术,经济,美观等因素,拟定三个方案,参考国内同类桥梁,确定桥型桥跨布置及截面细部尺寸进行比选,确定最优方案。
2.确定最优方案,对最优方案建立计算模型,考虑施工和成桥阶段的荷载组合以及预应力钢束布置,对桥梁整体结构进行计算分析。
3.根据全桥计算分析结果及施工阶段数据,分析恒、活载作用下全桥受力状态并验算应力,抗裂性,挠度。
2方案比选
2.1工程概况
2.1.1主要技术指标
(1).设计荷载:
汽车荷载公路-I级,人群荷载3.0kN/m2;
(2).桥面宽度:
净-1.5m+4×3.75m+1.5m;
(3).桥面纵横坡:
纵坡:
3%;横坡:
2%;
(4).通航要求:
无通航要求;
(5).设计基准期:
100年。
2.1.2附现场工程地质条件
(1).水文地质
黄梅县待建桥梁所要经过的地形相关已知资料如下表:
表2.1.2-1地形资料
桩号
标高m
桩号
标高m
K6+400
22.0
71
16.7
8
16.8
86
13.1
16
16.6
97
15.9
24
18.0
98
17.4
32
17.2
103
17.1
46
13.7
115
13.9
58
11.9
120
9.3
66
16.0
130
22.1
设计洪水位为19.6m.下图2.1.2-1所示为地形线图。
图2.1.2-1地形线图
2.2桥梁设计原则
1适用性
桥上应保证车辆和人群的安全畅通,并应满足将来交通量增长的需要。
桥下应满足泄洪、安全通航或通车等要求。
建成的桥梁应保证使用年限,并便于检查和维修。
2舒适与安全性
现代桥梁设计越来越强调舒适度,要控制桥梁的竖向与横向振幅,避免车辆在桥上振动与冲击。
整个桥跨结构及各部分构件,在制造、运输、安装和使用过程中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。
3经济性
设计的经济性一般应占首位。
经济性应综合发展远景及将来的养护和维修等费用。
4先进性
桥梁设计应体现现代桥梁建设的新技术。
应便于制造和架设,应尽量采用先进工艺技术和施工机械、设备,以利于减少劳动强度,加快施工进度,保证工程质量和施工安全。
5美观
一座桥梁,应与周围的景致相协调。
合理的结构布局和轮廓是美观的主要因素,决不应把美观片面的理解为豪华的装饰。
应根据上述原则,对桥梁作出综合评估。
2.3方案编制
根据桥所在的地理位置,桥梁水文,地质情况等,决定选择以下三个方案:
第一方案:
预应力混凝土等截面简支T梁桥30+35+35+30m。
立面图示如下2.3-1。
图2.3-1预应力混凝土简支T梁桥立面图(mm)
第二方案:
预应力混凝土变截面连续箱梁桥35+60+35m。
立面图示如下2.3-2。
图2.3-2预应力混凝土变截面连续箱梁桥立面图(mm)
第三方案:
钢筋混凝土下承式连续钢管拱桥35+60+35m。
立面图示如下2.3-3。
图2.3-3钢筋混凝土下承式连续钢管拱桥立面图(mm)
当新建桥涵的跨径在50m及以下时,宜采用标准化跨径。
我国后张法装配式预应力混凝土简支梁桥的标准设计有25m,30m,35m,40m四种。
跨径大于50m一般采用箱型截面,箱梁边跨一般选为中跨的0.5~0.8倍即30~48m。
因此,各方案的跨径取值是合理的。
方案一预应力混凝土简支T梁桥。
采用9片T形截面梁组成,对于等截面的不等跨的横截面尺寸的选取,如下图2.3-4所示。
图2.3-4预应力混凝土简支T梁桥横截面图(mm)
截面各尺寸的选取:
预应力混凝土简支梁桥的标准设计有25m,30m,35m,40m四种。
梁高对应分别为1.25~1.45m,1.65~1.75m,2.00m,2.30m,标准设计中高跨比约为1/20~1/17,取30m跨径梁高1.7m,高跨比为1/17.65,取跨径35m,梁高为2.0m,高跨比为1/17.5,所以梁高取值合理。
主梁间距一般为1.6~2.2m,主梁宽度取2.0m。
翼板端部一般取不小于10cm,这里取10cm。
翼板根部厚度不小于主梁高度1/12,即14.17cm,取15cm。
当设承托时,承托与腹板相连处翼板的厚度不小于主梁高的1/10,即17cm,取20cm。
T形截面梁腹板宽度不应小于14cm,取20cm。
上下承托之间腹板高不大于15倍腹板宽为3m。
腹板高取1.1m。
马蹄宽为腹板厚的2~4倍即40~80cm,取60cm。
下翼缘高加1/2斜坡区,为梁高的0.15~0.20,即30~40cm,下翼缘高和斜坡区高分别取20cm。
横隔板取主梁高度的3/4,当设有马蹄时,延伸至马蹄加宽处。
预应力混凝土简支T梁有其优缺点。
优缺点如下:
优点:
1)能最有效的利用现代的高强度材料,减少构件截面,显著降低自重所占全部设计荷载比重,跨越能力大。
2)与钢筋混凝土梁桥相比,节省材料。
3)预应力混凝土在使用荷载下不出现裂缝,故梁的刚度比较大。
4)有利于生产和施工的机械化。
缺点:
1)工程数量大,造价高。
2)其截面形式不便于运输,安装。
3)建筑高度较高,土方量大,引道长度较长,增加了公路造价。
4)需要有一套专门的预应力张拉设备和材质好的、制作精度高的锚具,施工工艺复杂。
方案二预应力混凝土变截面连续箱梁桥。
采用1片单箱双室截面,有代表性截面尺寸如下图2.3-5所示。
图2.3-5预应力混凝土变截面连续箱梁横截面图(mm)
各尺寸的选取:
变高度(折线形)连续梁跨中高度为跨径的1/22~1/28即2.1~2.7m,取2.5m.支点处高度为跨径的1/16~1/20即3~3.75m,取3.5m。
底板厚为梁高的1/12~1/10,跨中处即为20.8~25cm吗,取25cm。
支点处即为29.2~35cm,取30cm。
悬臂长度一般采用2~5m,取3m。
翼缘板根部一般为0.2~0.6m,取0.4m。
腹板内有预应力钢束筋锚固时为380mm。
取380mm,支点处相应加厚。
承托取形式为1:
1,1:
3。
跨中截面梁肋总厚度不宜下雨桥宽的1/12~1/20,即1.5~0.9,这里0.38×3=1.14是合理的。
支点截面梁肋总厚度不宜小于1/12~1/18即1.5~1m。
取0.5×3=1.5是合理的。
箱梁顶底板中部厚度不应小于板净跨径的1/30即0.6m,跨中取值为1.05m比支点1/4跨处小,合理。
顶板厚一般在0.2~0.6m,跨中支点1/4跨处分别取0.25,0.3,0.25m。
预应力混凝土连续箱梁桥优缺点分析如下:
优点:
1)可以降低梁高,节省工程数量,有利于争取桥下净空,并改善景观。
2)其结构刚度大,具有良好的动力特性以及减震降噪作用,使行车平稳舒适,后期的维修养护工作也较少。
3)从城市美学效果来看,连续梁造型轻巧、平整、线路流畅,将给城市争
色不少。
缺点:
对基础沉降要求严格,特别是由于联长较大,梁体与墩台之间的受力
十分复杂,加大了设计难度。
方案三:
钢筋混凝土下承式钢管拱桥。
采用2片单箱单室相同截面组成。
一片截面形式及尺寸如下图2.3-6。
图2.3-6钢筋混凝土下承式钢管拱桥横断面图(mm)
截面各尺寸的选取:
组合式拱桥矢跨比一般为1/5~1/10即12~6m不小于1/12即5m,取8m。
横向钢管拱肋间距70cm。
上下两钢管拱圈之前距离90cm.钢管拱肋直径30cm。
系杆10cm,横系梁高度取60cm。
箱梁截面尺寸见方案二中尺寸范围。
优点是:
①桥下净空大,视野开阔,为将来改建留有较大余地;②建筑高度小,填土高度低,总造价低;③桥型美观,与周围环境相协调,建成后将成为一个亮点。
缺点是:
施工工艺较复杂,对施工技术要求较高。
2.4方案比选
表2.4-1方案比选
比较项目
第一方案
第二方案
第三方案
主跨桥型
预应力混凝土等截面等截面简支T梁桥
预应力混凝土变截面连续箱梁桥
钢筋混凝土下承式钢管拱桥
主桥跨结构特点
在垂直荷载的作用下,其支座仅产生垂直反力,而无水平推力。
结构造型灵活,整体性好,刚度较大,非常适合于中小跨径桥梁,预制安装施工便捷,对材料要求低。
受力明确,整体性较好,抗扭刚度很大,主梁现浇施工,作业量大。
整体自重较轻,主要是系杆受力,主梁受弯矩很小,跨径可以达到很大。
吊杆索力控制要求技术高。
养护维修量
小
大
大
设计技术水平
标准化设计成熟,国内先进水平
运用较多,国内先进水平
设计难度大,国内尚无这类桥型设计及相关规范
施工技术
顶推法
挂篮施工法
就地浇筑法
工期
较短
较长
较短
由上表可知,根据地质水文情况,结合桥梁设计原则,选择第一方案经济上另外两个方案好;跨径上满足要求,无通航要求下,美观性比第二方案好;工期上较短,对整个工程进度来说不会受其影响;施工难度较小。
所以选择第一方案预应力混凝土等截面简支T梁桥作为首选方案。
3建模分析
3.1计算横向分布系数
预应力混凝土简支T梁桥主梁设计运用MADIS软件对跨径为35m的中跨主梁的第5片进行建模分析。
首先计算第五片梁的横向分布系数。
由于宽跨比B/L=18/35>0.5,因此,此桥为宽桥,采用铰接梁法进行计算。
可以从MADIS软件中定义的截面的特性值可以得到
,
。
运用横向分布-计算软件进行计算
输入/主控信息:
横向连接为铰接;
计算数据/行车道宽度:
15;一侧人行道宽度:
1.5;
主梁计算跨径:
35;主梁片数:
9;单根梁上翼缘宽度:
1.98;
翼缘悬臂长度:
D1=0.75;翼缘板厚度:
0.125;
单根主梁的纵向抗弯惯矩:
0.01447
单根主梁的横向抗扭惯矩:
0.4089
得出计算结果第5片梁Mcq=0.2995Mcr=0.2190。
3.2建立模型
定义材料
材料:
1.C50混凝土;2.Strand1860钢绞线;
规范:
JTG04。
定义截面
截面类型>PSC-工字形截面
变截面拐点:
JI2;对称:
(开);剪切验算:
(开);
Z1自动:
(开);Z3自动:
(开);抗剪用最小腹板厚度:
(开);
t1自动:
(开);t2自动:
(开);t3自动:
(开);抗扭用:
(开)。
外部轮廓尺寸如下图3.2.1-1
图3.2.1-1:
T梁剖面尺寸图
考虑剪切变形(开);偏心>中-上部图
建立结构模型
建立节点:
坐标(0,0,0)
扩展单元:
扩展类型>节点→线单元
单元类型>梁单元;材料>1:
C50;截面>1:
PSC工形;生成形式>复制和移动;复制和移动>等间距>dx,dy,dz>(1,0,0);复制次数>(35)
定义结构组、边界条件组、钢束组和荷载组
(1)新建结构组
新建结构组1单元:
(1to35)
(2)新建边界组
新建边界组1,边界组2
(3)新建荷载组
新建荷载组:
自重,预应力1,预应力2,人群荷载,二期
(4)输入边界条件
模型/边界条件/一般支承
单选(节点:
1);边界组名称>边界1;选择>添加
支承条件类型>Dx,Dy,Dz,Rx,Rz(开)
单选(节点:
35);边界组名称>边界2;选择>添加
支承条件类型>Dy,Dz,Rx,Rz(开)
PSC截面钢筋布置
模型>材料和截面特性>PSC截面钢筋;截面列表>None
纵向普通钢筋进行布置,X轴方向为沿桥梁纵向,Y轴方向为沿桥梁横向。
表3.6-1纵向普通钢筋布置表
直径
数量
Ref.Y
Y(m)
Ref.Z
Z(m)
间距(m)
d25
24
中央
0
上部
0.06
0.08
d25
5
中央
0
上部
0.06
0.1
(i,j)两端钢筋信息相同(开);抗剪钢筋
(i,j)两端钢筋信息相同(开);I端
弯起钢筋(开);间距(1.5);角度(45);Aw(0.000982m^2)
抗扭钢筋(开);间距(0.2);Awt(0.0002262m^2);Alt(0.0002262m^2)
箍筋(开);间距(0.2);Awt(0.0002262m^2)
输入荷载
(1)荷载/静力荷载工况
名称(自重);类型(施工阶段荷载)
名称(预应力1);类型施工阶段荷载)
名称(预应力2);类型(施工阶段荷载)
名称(桥面铺装);类型(施工阶段荷载)
(2)输入恒荷载
荷载/自重;荷载工况名称>自重
荷载组名称>自重;自重系数>Z(-1)
荷载/梁单元荷载(单元);荷载工况名称>二期
荷载组名称>二期;荷载类型>均布荷载;数值>w=-1.2
。
(3)输入钢束特性值
荷载/预应力荷载/预应力钢束的特性值
预应力钢束的名称(Tendon1);预应力钢束的类型>内部(后张)
材料>2:
Strand1860;钢束总面积(0.0028);或者
钢铰线公称直径>15.2mm(1x7);钢铰线股数(20)
导管直径(0.13);钢束松弛系数(开):
JTG04、
预应力钢筋抗拉强度标准值(fpk):
1860N/mm^2
预应力钢筋与管道壁的摩擦系数:
0.3
管道每米局部偏差对摩擦的影响系数:
0.0066(1/mm)
锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值:
开始点:
0.006m;结束点:
0.006m;粘结类型>粘结
同理定义右边跨和左边跨钢束特性值。
(4)输入钢束形状
荷载/预应力荷载/预应力钢束形状
钢束名称(Tendon1);钢束特性值>Tendon1;选择(单元:
1to35)
输入类型>3-D曲线类型>圆
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