从莞高速公路东莞段四号桥上部结构设计
摘 要
连续梁桥属于超静定体系，预应力混凝土连续梁在恒活载作用下，产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用，使内力分布比较均匀合理。因而梁高可以减小，由此可以增大桥下净空，节省材料，连续梁刚度大，整体性好，超载能力大，桥面伸缩缝少，并且因为跨中截面的弯矩减小，使得桥跨可以增大，连续箱梁桥是我国被广泛采用的一种桥型。
本桥进行了3×30m三跨连续箱形梁桥上部结构设计，桥面净宽15.5+2×0.5m，截面形式为箱型截面，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级采用悬臂浇筑方法。本设计依据所给的设计资料及相应的规程、规范采用手算与电算相结合的方式进行了桥梁结构的设计与验算，首先在桥型方案比选的基础上，拟定了主梁形式及尺寸，通过计算主梁控制截面几何特性参数、主梁内力计算，进行了预应力钢束估算、预应力损失计算、承载能力极限状态验算、正常使用极限验算，其次采用有限元转Midas/Civil进行了配筋及验算，最后编制了施工图。经检算，设计的桥梁结构安全、合理，满足现行规范的要求。
【关键词】连续梁桥 箱形截面 预应力混凝土 悬臂浇筑
Superstructure design for No.4 bridge in Dongguan
reach of Conghua-Dongguan highway
Abstract
Continuous girder bridge is statically indeterminate prestressed concrete and continuous beam system, the constant under the live load, the negative bending moment generated by unloading effect on positive moment cross, the stressed distribution is uniform and reasonable. The beam height can be reduced, which can increase the clearance under the bridge, material saving, continuous beam rigidity, good integrity, overload capacity, bridge expansion joints less, and because of reducing the moment at the mid span section, the bridge can be increased, the continuous box girder bridge is a bridge in our country are widely used.
This bridge is 3×30m three span continuous box girder bridge design, bridge deck width 15.5+2×0.5m, section form of box section, vehicle load rating for the cantilevered construction method of highway-grade and the design specification according to the design data and the corresponding procedures, for the design and checking the bridge structure by hand calculation and computer calculation are combined, the first bridge scheme selection based on the proposed beam form and size, by calculating the main calculating geometric characteristic parameters, control the internal force of girder, prestressed steel beam, prestress loss calculation, estimation of ultimate bearing capacity and serviceability limit state checking secondly, using the finite element calculation, Midas of reinforcement and checking, finally according to the design structure of the construction plan. After checking, the designed bridge structure is safe and reasonable and meets the requirements of the current codes.
【Key words】continuous beam bridge box Section prestressed Concrete
cantilever construction
绪论
连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等特点而成为最富有竞争力的主要桥梁之一。随着预应力技术的发展和不断完善，尤其是悬臂、顶推等施工方法的出现，预应力混凝土连续梁桥如虎添翼，无论是城市桥梁、高架道路、山区高架栈桥，还是跨越江河湖海的大桥，预应力混凝土连续梁桥以独特的魅力而取代其他桥梁，成为优选方案。另外，从国内已建成的钢桥、钢筋混凝土及预应力连续梁桥的数量来看，预应力混凝土连续梁桥已远远超过半数，充分表现出预应力混凝土连续梁桥的强大生命力。
连续梁桥在恒载作用下支点处的负弯矩对跨中正弯矩有卸载作用，它的突出优点是结构刚度大，变形小，动力性能好，主梁变形挠曲线平缓，因此同样跨径下的连续梁桥跨中正弯矩较简支梁小，于是连续梁比简支梁有更大的跨越能力。由于连续梁结构受力性能好、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。连续梁桥是超静定结构，基础不均匀沉降将在结构中产生附加内力，因此，对桥梁基础要求较高，通常宜用于地基较好的场合。此外，箱梁截面局部温差，梁体收缩、徐变等均会在结构中产生附加内力，从而增加了设计计算的复杂性。自六十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。
我国自五十年代中期开始修建预应力混凝土梁桥，至今已有四十多年的历史，比欧洲起步晚，但近二十年来发展迅速，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。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，桥面伸缩缝一般仅设二道，行车舒适等优点。加上这种桥型的设计施工较成熟，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我国公路、城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。
然而，当跨度很大时，连续梁所需的巨型支座无论是在设计制造方面，还是在养护方面都成为一个难题；而T型刚构在这方面具有无支座的优点。因此有人将两种结构结合起来，形成一种连续—刚构体系。这种综合了上述两种体系各自优点的体系是连续梁体系的一个重要发展，也是未来连续梁发展的主要方向。
另外，由于连续梁体系的发展，预应力混凝土连续梁在中等跨径范围内形成了很多不同类型，无论在桥跨布置、梁、墩截面形式，或是在体系上都不断改进。在城市预应力混凝土连续梁中，为充分利用空间，改善交通的分道行驶，甚至已建成不少双层桥面形式。
在我国，预应力混凝土连续梁虽然也在不断地发展，然而，想要在本世纪末赶超国际先进水平，就必须解决好下面几个课题：
（1）发展大吨位的锚固张拉体系，避免配束过多而增大箱梁构造尺寸，否则混凝土保护层难以保证，密集的预应力管道与普通钢筋层层迭置又使混凝土质量难以提高。
（2）在一切适宜的桥址，设计与修建墩梁固结的连续—刚构体系，尽可能不采用养护调换不易的大吨位支座。
（3）充分发挥三向预应力的优点，采用长悬臂顶板的单箱截面，既可节约材料减轻结构自重，又可充分利用悬臂施工方法的特点加快施工进度。
另外，在设计预应力连续梁桥时，技术经济指针也是一个很关键的因素，它是设计方案合理性与经济性的标志。目前，各国都以每平方米桥面的三材（混凝土、预应力钢筋、普通钢筋）用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁的技术经济指针。但是，桥梁的技术经济指针的研究与分析是一项非常复杂的工作，三材指标和造价指标与很多因素有关，例如：桥址、水文地质、能源供给、材料供应、运输、通航、规划、建筑等地点条件；施工现代化、制品工业化、劳动力和材料价格、机械工业基础等全国基建条件。同时，一座桥的设计方案完成后，造价指针不能仅仅反应了投资额的大小，而是还应该包括整个使用期限内的养护、维修等运营费用在内。通过连续梁、T型刚构、连续—刚构等箱形截面上部结构的比较可见：连续—刚构体系的技术经济指针较高。因此，从这个角度来看，连续—刚构也是未来连续体系的发展方向。
总而言之，一座桥的设计包含许多考虑因素，在具体设计中，要求设计人员综合各种因素，作分析、判断，得出可行的最佳方案。
本次设计为3×30m预应力混凝土连续梁，桥宽为33.5m，分为两幅，设计时只考虑单幅的设计。梁体采用单箱单室箱型截面，全梁共分32个单元。由于多跨连续梁桥的受力特点，支点附近承受较大的负弯矩，而跨中则承受正弯矩，则梁高采用变高度梁，按二次抛物线变化。这样不仅使梁体自重得以减轻，还增加了桥梁的美观效果。
由于预应力混凝土连续梁桥为超静定结构，手算工作量比较大，且准确性难以保证，所以采用Midas设计软件进行，这样不仅提高了效率，而且准确度也得以提高。
目 录
绪论 1
1 方案比选 3
1.1 设计原则 3
1.2 方案设计 3
1.3方案比选 4
2 总体布置与结构尺寸 5
2.1 纵断面设计 5
2.2 横断面设计 5
2.3 主梁截面尺寸拟定 6
2.3.1 箱梁梁高 6
2.3.2 腹板斜率 6
2.3.3 顶板厚度 6
2.3.4 腹板厚度 7
2.3.5 底板厚度 7
3.3.6 梗腋 7
2.3.7 截面变化长度 7
2.4 桥面设计 8
2.4.1 桥面铺装 8
2.4.2 防护栏 9
2.4.3 桥面排水与防水 9
2.4.4 伸缩缝 9
2.5 主梁截面特性计算 12
2.5.1 支点截面 12
2.5.2 跨中截面 13
3 主梁内力计算 14
3.1 恒载内力计算 14
3.1.1 恒载集度 14
3.1.2 悬臂施工阶段恒载内力计算 14
3.1.3 边跨合龙阶段恒载内力计算 14
3.1.4 中跨合龙阶段恒载内力计算 15
3.1.5 成桥阶段恒载内力计算 15
3.2 车道荷载计算 16
3.2.1 冲击系数计算 16
3.2.2 车道折减系数 17
3.2.3 车道荷载取值 17
3.3 次内力计算 18
3.3.1 预应力引起的次内力计算 18
3.3.2 收缩与徐变引起的次内力计算 20
3.3.3 温度引起的次内力计算 21
3.4 荷载内力组合 24
3.4.1 承载能力极限状态作用的效应组合 24
3.4.2 正常使用极限状态作用的效应组合 25
3.5 行车道板计算 26
3.5.1 单向板内力计算 26
3.5.2 单向板配筋设计 29
3.5.3 悬臂板内力计算 30
3.5.4 悬臂板配筋设计 31
4 预应力钢束的估算与布置 32
4.1 跨中截面预应力钢束估算 32
4.1.1 按施工阶段应力、使用阶段要求估算钢束数量 32
4.1.2 按承载能力极限状态估算钢束数量 33
4.2 预应力布置 35
4.2.1 预应力钢束布置原则 35
4.2.2 预应力钢束布置 36
5 预应力损失及有效应力计算 38
5.1 预应力损失的计算 38
5.1.1 钢筋与孔道壁之间摩擦引起的损失 38
5.1.2 锚具变形及钢筋回缩引起的损失 39
5.1.3 混凝土的弹性压缩引起的损失 40
5.1.4 钢筋的应力松弛引起的损失 41
5.1.5 混凝土收缩徐变引起的损失 41
5.2 预应力损失及有效预应力汇总 41
6 主梁验算 43
6.1 荷载组合说明 43
6.2 承载能力极限状态验算 43
6.2.1 正截面抗弯承载力验算 43
6.2.2 斜截面抗剪承载力验算 45
6.3 正常使用极限状态抗裂验算 47
6.3.1 正截面抗裂验算 47
6.3.2 斜截面抗裂验算 50
6.4 正常使用极限状态应力验算 51
6.4.1 持久状况构件的应力验算 51
7 施工要点 55
7.1 箱梁现浇 55
7.1.1 钢筋加工及安装 55
7.1.2 波纹管及锚具安装 56
7.1.3 梁上预埋件设置 56
7.2 箱梁模板施工 56
7.3 箱梁混凝土浇筑 57
7.4 箱梁预应力施工 59
7.5 其他事项 61
7.6 施工流程 62
结论 64
参考文献 65
附录： 66
致 谢 72
参考文献
[1] 《梁桥》（公路设计手册），2005，人民交通出版社.
[2] 陈忠延主编.土木工程专业毕业设计指南－桥梁工程分册[M].北京：中国水利水电出版社，2001.
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