摘 要

本次毕业设计的题目是72 124 72m公路预应力混凝土连续刚构桥，桥墩采用矩形截面双肢薄壁墩，墩高为30m。

首先，进行桥型的选择，确定桥跨的布置和主断面的截面形式。本桥是高速公路桥，上下行车道采用分离式布置，即桥梁分为左右两幅，单幅单向行车，单幅桥宽为12.25m，横断面采用单箱单室，主梁采用变梁高，梁高采用二次抛物线变化、腹板采用线性变化。根据经验公式，本桥墩顶截面梁高采用7.5m，跨中及边支点截面梁高采用2.8m。施工方法采用连续刚构桥最常用的分节段无支架悬臂施工，节段长度为2~4m，边跨设有10m的现浇段，边合拢段的长度为1m，跨中合拢段的长度为2m，施工时先合拢边跨再合拢中跨。

在确定桥型和截面形式之后，使用Midas/civil 2015有限元分析软件对本桥进行建模，设置边界条件、施加恒载和活载之后运行分析，提出此桥在1.2D 1.4MV作用下各截面的最大、最小弯矩表格，根据抗裂估算每个截面上下缘所需的预应力钢束面积，并选择合适的钢束数量和钢束几何形状，在Midas/civil 2015中导输入钢束形状并施加预应力荷载，增加施工阶段后，进行PSC设计运行分析，验算桥梁在自重、移动荷载、预应力荷载、温度荷载、支座沉降等作用下的强度、抗裂等指标是否符合设计要求。

最后，结合PSC设计的结果，通过调束、调整截面等使设计的桥梁能够满足现行规范的要求。

关键词：连续刚构桥；预应力混凝土；有限元分析；双肢薄壁墩

Abstract

The subject of this graduation project is the 72 124 72m highway prestressed concrete continuous rigid frame bridge. The bridge pier uses double-limbed thin-wall piers with a rectangular section and the pier height is 30m.

First, the choice of bridge type is made to determine the layout of the bridge span and the main section of the bridge. The bridge is an expressway bridge. The up and down lanes are separated layouts, that is, the bridge is divided into two left and right, single-way one-way traffic. As the width of a single bridge is 12.25m, the cross section adopts a one-box single room. Main beam adopts variable beam height which changes according to the second parabola, and web adopts linear change. According to the empirical formula, the height of the cross section of the top of the bridge pier is 7.5m, and the height of the cross-middle and side fulcrum is 2.8m. The construction method adopts the most commonly used segmented section of the continuous rigid frame bridge without scaffolding cantilever construction, and the length of the segment is 2~4m. There is a cast-in section of 10m on the side span, the length of the side closure section is 1m, the length of the spanning section is 2m, and the construction is to first close the side span and then close the middle span.

After confirming the bridge and the sections, the bridge was modeled by Midas/civil 2015, a finite element analysis software. And the analysis was performed after setting the boundary conditions and the application of dead load and live load. We can draw out the maximum and minimum bending moments of each section under the action of 1.2D 1.4MV. Then calculate the area of the prestressed strand required for the upper and lower edges of each section based on crack resistance and select the appropriate number of strand and the strand geometry. Input the strand geometry and apply the prestressed loads to the bridge in Midas civil, perform the PSC design analysis after adding the construction phases and check whether the strength, crack resistance, and other indicators of the bridge under the action of its own weight, moving load, prestressed load, temperature load, and bearing settlement meet the design requirements.

Finally, combined with the results of the PSC design, the bridge designed to meet the requirements of the current specification through strand and section adjustment, etc.

Key Words；continuous rigid frame bridge; prestressed concrete; finite element analysis; double-limbed thin-wall piers

目录

第1章 绪论 1

1.1 连续刚构桥的特点 1

1.2 连续刚构桥的施工方法 1

1.3 预应力混凝土连续刚构桥的发展趋势 2

第2章 桥梁总体布置及结构主要尺寸 4

2.1 桥型方案比选 4

2.2 设计依据及基本资料 5

2.2.1 主要技术指标 5

2.2.2 主要材料 5

2.2.3 设计依据 5

2.3 桥跨布置 6

2.3.1 桥跨分孔 6

2.3.2 总体布置 6

2.4 上部结构尺寸拟定 6

2.4.1 截面形式选定 6

2.4.2 截面梁高确定 7

2.4.3 腹板厚度 7

2.4.4 箱室间距及顶底板厚度 8

2.5 主梁节段划分 8

第3章 桥梁结构内力计算 10

3.1 概述 10

3.2 Midas模型建立 11

3.2.1 节点和单元的建立 11

3.2.2 材料定义 11

3.2.3 截面的定义及边界条件设置 12

3.2.4 静力荷载的添加 12

3.2.5 施工阶段定义 15

3.2.6 完成模型 16

3.3 桥梁恒载内力计算 16

3.3.1 计算节段划分 16

3.3.2 结构混凝土毛截面特性计算 16

3.3.3 施工阶段内力计算 17

3.4 桥梁活载内力计算 23

3.4.1 活载内力计算 23

第4章 预应力钢筋设计 28

4.1 预应力钢筋布置 28

4.1.1 纵向预应力钢束布置 28

4.1.2 横向和竖向预应力钢筋布置 28

4.2 纵向预应力筋估算 28

4.2.1 纵向预应力束的受力特点 28

4.2.2 纵向预应力钢束估算方法 29

4.2.3 荷载组合下截面弯矩 30

4.2.4 估算预应力钢束数量 33

4.3 预应力损失及有效预应力计算 35

4.3.1 预应力筋与管道之间的摩擦引起的预应力损失 35

4.3.2 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失 36

4.3.3 弹性压缩损失 36

4.3.4 钢筋松弛引起的应力损失 37

4.3.5 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失 37

4.3.6 预应力损失电算结果 38

第5章 次内力计算及内力组合 41

5.1 概述 41

5.2 预应力次内力 41

5.2.1 预应力次内力计算方法 41

5.2.2 预应力次内力计算结果 42

5.3 收缩次内力 43

5.3.1 收缩次内力的计算方法 43

5.3.2 收缩次内力计算结果 44

5.4 徐变次内力 45

5.4.1 混凝土徐变对结构的影响 45

5.4.2 徐变次内力计算方法 46

5.4.3 徐变次内力计算结果 47

5.5 温度次内力 49

5.5.1 温度变化对结构的影响 49

5.5.2 温度次内力计算方法 49

5.5.3 温度次内力计算结果 49

5.6 基础不均匀沉降次内力 55

5.6.1. 沉降次内力计算方法 55

5.6.2. 沉降次内力计算结果 55

5.7 荷载组合 58

5.7.1 按承载能力极限状态组合 58

5.7.2 按正常使用极限状态组合 60

5.7.3 正常使用极限状态应力包络图 62

第6章 主要截面验算 64

6.1 概述 64

6.2 持久状况承载能力极限状态验算 64

6.2.1 正截面抗弯承载力验算 64

6.2.2 斜截面抗剪承载能力验算 66

6.3 持久状况正常使用极限状态验算 66

6.3.1 正截面抗裂验算 66

6.3.2 斜截面抗裂验算 67

6.3.3 挠度验算 68

6.4 持久状况构件应力验算 69

6.4.1 正截面混凝土法向压应力验算 69

6.4.2 预应力钢束最大拉应力验算 70

6.4.3 混凝土主压应力验算 72

6.5 短暂状况构件应力验算 73

第7章 主要工程数量 75

参考文献 76

致 谢 77

绪论

连续刚构桥的特点

预应力连续梁桥是20世纪三四十年代发展起来的一种桥梁结构形式，其优点是墩梁固结，主墩参与受力，结构受力性能较好，桥面连续，行车平稳舒适，并且后期的养护工作量少，在30~120m跨度内的桥式方案比选中具有很强的竞争力。

20世纪50年代，悬臂施工法的出现，对大跨径连续体系梁桥的发展有极大的促进作用，但是连续梁桥需要在墩和主梁之间设置支座，施工时，需要对墩和主梁进行固结，存在体系转换。悬臂施工法的众多优点促使预应力混凝土梁式桥中的悬臂体系迅猛发展，1953年，前德国建成了沃尔姆斯大桥（Worms），这是世界上第一座预应力混凝土T型刚构桥，首次实现了墩梁固结T型刚构体系，但是T型刚构桥因为挂梁的存在，桥面不连续，行车的舒适度较差，目前使用的越来越少。

预应力混凝土连续刚构桥将连续梁桥与T型刚构桥相结合，将T型刚构桥的粗大桥墩换成薄型柔性桥墩，虽然是超静定结构，但是其柔性墩能够很好适应主梁的变形，不致产生过大的次内力。具有连续梁桥的优点，桥面连续，伸缩缝较少，行车舒适度高，保留了T型刚构的墩梁固结、不设支座的形式，能够很好地适应悬臂施工法。同时，连续刚构桥桥墩与主梁固结，在荷载作用下，桥墩能够分担一部分弯矩，从而导致跨中弯矩有一定降低，受力更为合理，因此连续刚构桥的截面高度可以适当降低，自重产生的恒载弯矩变小，桥梁的跨径相比于连续梁桥可以进一步提高。

连续刚构桥的主要特点如下：

1. 在构造上，桥墩和主梁存在结构性连接共同受力，跨中弯矩较小，为适应主梁在各种荷载作用下的变形，桥墩需要具有一定的柔性，在悬臂施工时不需要进行桥墩和主梁的临时固结；
2. 主墩参与受弯，对桥梁跨中正弯矩有一定的卸载作用，主梁截面高度较连续梁桥小，自重轻，具有更大的跨越能力；
3. 连续刚构桥因墩梁固结，多余约束会限制主梁的变形，产生一定的次内力，因此连续刚构桥采用柔性墩，减少桥墩分配的弯矩，能够更好地适应桥梁的变形，防止混凝土结构因次内力过大产生裂缝、结构使用功能降低；
4. 抗震性能好，桥墩能够分担一部分水平地震力，不需设置特定的抗震支座；
5. 伸缩缝较少，一般设置在桥梁两端，对桥上行车影响较小，行车舒适度高。

连续刚构桥的施工方法

连续刚构桥能在短时间内得到大范围的发展和应用，与其施工技术的不断成熟是分不开的。目前，连续刚构桥最常用的施工方法是悬臂施工，即在已建墩台两旁架设托架浇筑0号块，张拉钢束后，在已浇筑梁段上安装挂篮，向两端对称悬臂施工。悬臂施工由于不需要支架等设施，不影响施工期间桥下的通航或行车，能够很好地适应复杂的施工环境。