摘 要

万佛湖大桥为72 120 72m的公路预应力混凝土连续刚构桥。本文主要介绍桥梁上部结构的设计。拟定主梁截面尺寸并划分施工节段。在拟定的荷载等级下，通过内力计算进行预应力钢束布置、预应力损失和有效预应力计算。按照构造进行纵向普通钢筋和箍筋布置，并进行各项验算。计算桥梁在温度变化、收缩徐变、支座沉降、预应力等荷载作用下的次内力。使用Midas/civil有限元软件对设计的桥梁模型进行分析和计算；采用悬臂浇筑的方法进行施工并模拟施工阶段；对桥梁承载能力和正常使用极限状态进行验算。

关键词：连续刚构桥；有限元分析；桥梁设计

Abstract

The Wanfo Lake bridge is a highway prestressed concrete continuous rigid frame bridge designed as 72 120 72m. This paper mainly introduces the design of the bridge superstructure. Determine the dimension of grider section and divide the construction segment. In the proposed load level, space the prestressed wires, calculate prestressing loss and effective prestress through the internal force calculation. Space and check the longitudinal reinforcement and stirrup according to common structure. Secondary internal forces of the bridge are required to be calculated under the load of temperature change, shrinkage and creep, bearing settlement, prestressing and so on. The Midas/civil finite element software is used to analyze and calculate the designed model of the bridge; the method of cantilever construction is used to carry out the construction and simulation of the construction stage; the bearing capacity of the bridge and the serviceability limit state are required to be checked.

Key Words：continuous rigid frame bridge；finite element analysis；bridge design

目 录

第1章 绪论 1

1.1连续刚构桥的发展 1

1.1.1国外发展 1

1.1.2国内发展 1

1.1.3发展趋势和问题 2

1.2连续刚构桥的特点 2

1.2.1受力特点 2

1.2.2构造特点 3

第2章 桥跨总体布置及结构尺寸拟定 4

2.1主要技术指标 4

2.1.1荷载等级 4

2.1.2公路等级 4

2.1.3桥面净空 4

2.2桥跨总体布置 4

2.2.1桥跨布置 4

2.2.2施工方法 5

2.3结构尺寸拟定 5

2.3.1梁高 5

2.3.2其他尺寸 5

2.4梁段和施工阶段划分 6

2.4.1主桥梁段划分 6

2.4.2施工阶段划分 7

第3章 恒载内力计算 9

3.1截面特性计算 9

3.2主要材料和特性 10

3.2.1钢材 10

3.2.2混凝土 10

3.3一期恒载内力计算 10

3.4二期恒载内力计算 12

第4章 活载内力计算及荷载组合 14

4.1汽车荷载 14

4.1.1汽车荷载布置 14

4.1.2汽车荷载内力计算 14

4.2温度变化 17

4.3支座沉降 20

4.4荷载内力组合 23

4.4.1作用及作用效应组合方法 23

4.4.2内力组合结果 24

第5章 预应力钢束估算和布置 27

5.1预应力钢束估算 27

5.1.1预应力混凝土结构基本原理 27

5.1.2钢束估算方法 27

5.1.3预应力钢束数目估算 29

5.2预应力钢束布置 32

5.2.1纵向预应力钢束布置 32

5.2.3横向预应力钢筋布置 33

5.2.4竖向预应力钢筋 33

5.3预应力计算 33

5.3.1预应力损失 33

5.3.2有效预应力计算 36

第6章 次内力计算 39

6.1次内力及其产生原因 39

6.2温度次内力计算 39

6.2.1温度次应力产生原因 39

6.2.2温度自应力计算方法 39

6.2.3温度次内力计算方法 40

6.3混凝土收缩徐变次内力计算 41

6.3.1收缩徐变次内力产生原因 41

6.3.2收缩徐变次内力计算方法 42

6.4支座沉降次内力 42

6.5预应力次内力 42

第7章 截面内力验算 43

7.1受拉区钢筋拉应力验算 43

7.2抗裂验算 45

7.2.1正截面抗裂验算 45

7.2.2斜截面抗裂验算 47

7.3正截面压应力验算 48

7.3.1使用阶段正截面压应力验算 48

7.3.2施工阶段正截面压应力验算 49

7.4使用阶段正截面抗弯验算 51

7.5挠度验算 53

参考文献 55

致谢 56

第1章 绪论

1.1连续刚构桥的发展

1.1.1国外发展

预应力混凝土连续刚构桥在体系上属于连续梁桥。连续梁桥具有悠久的历史，它具有很多优点，例如结构刚度好，变形小，伸缩缝少行车平稳舒适，养护维修简单，抗震性能良好。但由于施工方法的缺陷以及材料的限制，连续梁桥的跨径在几十年前的均不超过100m。随着悬臂浇筑和悬臂拼装等施工方法的出现，T型刚构也应运而生，成为许多国家的采用最多的桥型之一。

在上个世纪的60年代，国外修建了许多大跨径预应力混凝土梁桥。在早期有标志性的桥梁就是联邦德国霍尔姆斯桥和科布伦茨桥，它们分别在1953和1954年建造。此后的十几年T形刚构一直是预应力混凝土桥的主要桥型。但是这种桥梁由于有剪力铰，并对混凝土收缩徐变导致的变形所造成的影响未充分考虑，使得桥梁的变形较大，行车不舒适。通过不断改进桥梁设计方案吸收其他桥型的优点，最终出现了连续式刚构桥，这种桥型对行车有利。上世纪60年代联邦德国修建的本道夫桥就是首次结合了T型刚构与连续梁体系的特点。此外薄型柔性墩由于更加符合刚构桥中的力学性能，逐渐取代了大桥墩，这样形成了采用柔性桥墩的墩梁固结体系的连续刚构桥。之后，由于施工工艺、预应力材料，结构分析发展迅速，连续刚构桥的跨径也越来越大。挪威修建多座预应力混凝土连续刚构桥，其中1998年修建的Stolma桥，主跨301m，是世界跨径最大的预应力混凝土连续刚构桥。同年建成的另一座Raftsundet桥，主跨298m。这两座连续刚构桥均采用了轻质混凝土，有效地减轻了结构自重，从而增大主桥跨径。

1.1.2国内发展

我国的预应力混凝土桥梁修建较晚，但是发展十分迅猛。1988年中国修建了第一座预应力混凝土连续刚构桥，广东洛溪大桥，主跨180米。在此之前，我国预应力梁桥桥型均为连续梁桥或者T形刚构桥，因为这种桥型结构简单，计算方便。1980年修建的重庆长江大桥主跨174m，是我国当时跨径最大的T形刚构桥。但是T形刚构存在许多无法解决的缺陷，渐渐被连续刚构桥取代。广东洛溪大桥成为我国预应力混凝土连续刚构桥第一个成功的案例，极大地将连续刚构桥型向全国各地推广。1997年建成的虎门大桥辅航道桥，主跨270m是当时世界跨径最大的预应力混凝土连续刚构桥。之后又建成了许多跨径

超过200m的跨越长江的预应力混凝土连续刚构桥，例如1998年建成的重庆高家花园大桥，其主跨为240m；1999年建成的重庆黄花园大桥，其主跨250m等。在大跨径连续刚构桥中，中国的修建技术达到世界一流水准。

1.1.3发展趋势和问题

在连续刚构桥出现之前，跨径超过200m的桥梁大部分采用斜拉桥。连续刚构桥自从诞生之后，成为中小跨径桥型的首选，不仅受力合理而且经济实用。目前的连续刚构桥不断改进，向着自重更轻，跨径更长的方向发展。其发展趋势总结为以下几点：

1. 施工工艺方便化。由于受力分析越来越精确，连续刚构桥的边跨比越来越合理。采用悬臂施工时，边跨合拢处取消了落地式支架，节省了施工时间和资源。桥梁中的钢筋也取消了弯起束，仅采用纵向预应力和竖向预应力钢筋承担拉应力，对张拉钢束十分方便。
2. 上部结构轻质化。目前发展出了轻质高强的混凝土，有着更高的承载能力，减小了桥梁截面尺寸从而降低结构自重，而且有着良好的抗震性，提高了经济效益。
3. 行车舒适化。目前连续刚构桥的跨径越来也长，桥面伸缩缝也越来越少甚至不用伸缩缝，这使得行车越来越平稳，越来越舒适。

虽然连续刚构桥的发展很好，但是在使用过程中也存在许多问题，其中最大的问题就是裂缝的发展。虽然在竖向预应力钢筋和纵向预应力钢筋可以极大地减小梁体截面的主拉应力，提高斜截面的抗裂性能。然而一旦由于温度变化、支座沉降等使得结构出现斜裂缝，如果不加以控制，裂缝会不断发展从而降低桥梁的承载能力。

1.2连续刚构桥的特点

1.2.1受力特点

连续刚构桥在竖向荷载作用下，主梁支点处产生较大的负弯矩，跨中产生较小的正弯矩。随着墩高的增大，桥墩根部所承受的弯矩和梁体内的轴力减小。连续刚构桥梁体与主墩是刚性连接的，两者的变形一致。因此由预应力、温度变化，混凝土收缩徐变等引起的次内力将在墩顶产生较大的水平位移。连续刚构桥与连续梁桥主要区别有：