高速铁路连续梁桥设计.docx
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高速铁路连续梁桥设计.docx
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高速铁路连续梁桥设计
本科毕业设计
高速铁路(72+133+72)m连续梁桥设计
年级:
学号:
姓名:
专业:
指导老师:
年月
院系土木工程学院专业土木工程
年级2010姓名
题目高速铁路(72+133+72)m连续梁桥设计
指导教师
评语
指导教师(签章)
评阅人
评语
评阅人(签章)
成绩
答辩委员会主任(签章)
年月
毕业设计任务书
班级学生姓名学号
发题日期:
2013年11月22日完成日期:
月日
题目高速铁路(72+133+72)m连续梁桥设计
1、本论文的目的、意义
毕业设计基本目的是培养学生综合运用所学理论知识的技能以及分析与解决桥梁工程实际问题的能力。
通过本题目,让学生将前3年多中理论学习的知识综合应用起来,一方面复习所学习的理论知识,并将其应用到工程实践中,锻炼其工程应用能力,初步形成桥梁工程的设计工作能力,并培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。
使学生通过毕业设计在具备工程师素质方面更快地得到提高。
2、学生应完成的任务
(1)桥梁结构方案拟定
根据给定的桥梁跨径结合桥梁结构受力的合理性和经济性等,初步拟定桥梁结构的主要尺寸,如预应力混凝土连续梁主梁截面高度、顶底板与腹板厚度及其变化规律、梁体截面尺寸等确定。
(2)结构内力分析
理解结构内力分析基本原理,并逐步掌握桥梁专业计算软件的使用;针对拟定的桥梁结构,应用有限元结构分析软件进行建模计算,包括结构计算图式的确定、单元划分、施工阶段的划分及其对应的内力计算、运营阶段内力计算等。
(3)预应力钢筋的设计
根据桥梁结构的初步设计及恒载、活载计算结果,依据结构设计原理进行各截面的预应力钢束配筋计算,并列出相应计算表格,完成预应力钢束的设计。
在设计说明需要进行相关基本设计计算原理需要简要描述,相关设计规范应用的具体公式、参数表征方式的使用;构造要求;具体的计算分析过程描述和表格化数据罗列。
(4)主要截面检算
在设计预应力钢束后,对桥梁结构进行主要截面的承载能力和使用性能进行验算。
在设计说明文档中需要表达出基本设计计算原理的描述,相关设计规范应用的具体公式、参数表征方式的使用以及具体的计算分析过程描述和表格化数据罗列。
(5)编制设计计算说明书
设计计算说明书的内容包括:
桥式方案拟定和比较的基本原则、设计以及主要结构尺寸拟定原理的综合叙述和阐述;结构主要施工方法选定的叙述;主要设计计算原理和方法的叙述;结构在主要荷载效应(内力弯矩、剪力、轴力、变形位移等)下的计算分析过程及具体计算结果和分析。
文整格式一般以设计题目为首,按照设计题目、设计任务书、中文和外文摘要、目录、正文、外文资料翻译(包括外文原文及中文翻译)、毕业设计小结,以及毕业实习报告等顺序组织。
设计说明书总字数不少于15000字。
(6)绘制结构主要施工图
绘制桥梁结构主要构造图:
预应力混凝土连续梁和连续刚够桥主梁、中间墩等立面、平面和横断面图,横隔板构造图,主梁分段预应力钢筋布置图(包括纵向立面、平面和各个横断面布置,以及预应力钢筋要素等图标),施工程序图,结构工程数量等,要求达到A3幅面图纸不少于16张或A2幅面图纸不少于8张(相当于0#图2张)。
最好用用A3幅面图纸绘制。
(7)外文资料翻译
要求选择一篇外文专业科技文献翻译成中文,外文字符数不少于10000字符。
(8)摘要
即对整个毕业设计工作内容的摘要。
中文摘要均不少于500字,同时将中文摘要翻译成外文。
(9)毕业实习报告
根据毕业设计期间的野外实习资料,分析整理出对实习过程的认识汇报,要求字数不少于1500字。
3、论文各部分内容及时间分配:
(共16周)
第一部分布置任务,拟定尺寸,准备计算数据;(1周)
第二部分桥梁结构建模,结构内力计算;(3周)
第三部分估束、布束、调束,计算各项预应力损失;(3周)
第四部分计算弹性次内力以及徐变次内力;(2周)
第五部分进行荷载组合、截面验算以;(1周)
第六部分编制设计说明书,绘制设计图及资料翻译;(3周)
第七部分教师审核毕业设计说明书;(1周)
第八部分修改完善毕业设计说明书等并装订成册;(1周)
评阅及答辩(1周)
备注
指导教师:
年月日
审批人:
年月日
摘要
连续梁桥是一种古老的桥梁结构,它变形小,刚度大,抗震能力强,行车条件好,养护简单。
连续梁桥在生活中是一种比较常见的结构形式,本次设计我们主要针对的是连续梁中的典型代表:
预应力混凝土连续梁桥。
本次设计题目是高速铁路(72+133+72)m连续梁桥设计。
根据要求,本次设计主要是针对桥梁的上部结构,即桥梁的主梁设计。
本次设计采用桥梁博士软件进行建模计算,此外在处理数据的过程中,也用到了AutoCAD和Excel这两个软件。
本次设计的我们确定中支点处梁高为9.5m,跨中梁高取4m,梁高曲线取1.6次抛物线形式。
主梁截面顶板厚度均取0.4m,中支点处腹板厚度取0.9m,底板厚度取0.5m。
跨中腹板厚度取0.5m,底板厚度取0.5m。
本次建模将桥梁分为87个单元,共有53个施工阶段。
本次设计采用悬臂施工,从中跨两支座处开始对称悬臂浇筑,最后合拢边跨再合拢中跨。
在本次设计中,建模是至关重要的一步,我们利用桥梁博士软件进行建模,这其中包括单元划分、施加支座约束、以及施工阶段的输入和施加荷载等。
通过建好的模型,我们利用Excel表格对数据进行处理,得到我们需要的内力组合,然后进行预应力钢束的估算。
本次设计中预应力估算也是至关重要的一步,本次设计钢束总共有238根,钢束布置的好坏,很大程度上影响到后期的验算。
本设计主要验算有抗裂验算、正截面强度验算、使用阶段压应力验算等等。
验算结束台通过,利用桥梁博士软件计算本次设计所需的工程量。
计算结束后,利用AutoCAD绘制桥梁平面图、立面图、截面图、施工顺序图以及钢筋布置图等等。
最后进行外文翻译,编写设计计算书。
关键词:
预应力混凝土连续梁桥;高速铁路;悬臂施工;预应力钢束
Abstract
Continousbeambridgeisanoldbridgestructure,whichhassmalldeformation,largestiffness,anti-seismiccapability,agoodtrafficconditionandsimplemaintenance.Asweknow,continousbeamisacommonstructureinourlife.Ourdesignisfocusedonthetypicalrepresentativeofacontinuousbeam:
presterssedconcretecontinuousbeambridge.
Ourdesignisthecalculationofaspanof72+133+72metershighspeedrailwayprestressedconcretecontinuousgirderbridge.Accordingtotherequirements,thisdesignismainfortheupperstructureofthebridge,whichisthemainbridgedesign.Thedesignusesmodelingsoftware,Dr.Bridges,tocalculatethemodel.AndbothAutoCADandExcelareusedintheprocessingofdata.Thedesignofthe pivotpointwedeterminedis9.5metershigh,and4mhighinmiddlepoint.Thehightofthebeamcurveisaparabolaform1.6.Thegirderroofis0.4m.Thewebthicknessofthefulcrumis0.9m.Andthewebthicknessandbottomthicknessis0.5minthemidspan.Themodelingofthebridgeisdividedinto87unitsand53constructionphase.Thedesignusesacantileverconstruction,whichstartsacrosstwoseatssymmetricalcantilevercasting,andfinallyfoldsthesidespanbeforethemidspan.
Inthisdesign,modelingisanimportantstep.WeuseDr.bridgetobuildamodel,whichincludescelldivision,bearingimposedconstraints,inputingtheconstructionandapplyingloadandsoon.Throughthemodel,weuseExceltoprocessdata.Andthen,wecangettheinternalforcecombinationtoestimatetheprestressedsteelbeam.Thenumberofrootwhatweneedis238.Estimatingtheprestressedsteelbeamhaslargeinfluenceonthelatechecking.
Thisdesignhasacrackcheckingandthestrengthofnormalsectionchecking.Theusingphasestresscheckingisalsoincluded.Afterchecking,weuseDr.bridgetocalculateengineeringquantities.Afterthecalculation,weuseAutoCADtodrawbridgeplans,elevations,sections,reinforcedconstructionsequencediagramandsoon.Finally,wetranslateforeignlanguageandwritethepaper.
KeyWords:
presterssedconcretecontinuousbeambridge;highspeedrailway;
cantileverconstruction;prestressedsteelbeam
第1章绪论
1.1预应力混凝土连续梁桥简述
连续梁桥,即两跨或两跨以上连续的梁桥,属于超静定结构。
连续梁是一种古老的结构体系,它的优点是:
变形小、刚度大、伸缩缝少、抗震能力强以及养护简易等优点。
连续梁桥在生活中是一种比较常见的结构形式,预应力混凝土连续梁桥就是其中一种典型的代表。
连续梁桥支点受负弯矩作用,跨中受正弯矩作用,同等跨度下,跨中正弯矩比简支梁小。
与简支梁相比,更能充分发挥材料强度,跨越能力增加。
由于连续梁桥是超静定结构,因此对基础变形及温差荷载较敏感。
预应力混凝土梁桥,由于预应力结构可以很好的避免结构开裂,使得高强度材料的特性得到充分发挥,减轻了截面自重,从而增加了跨越能力。
预应力钢筋的合理使用,有利于悬臂浇筑、纵向顶推等施工方法的实现。
随着技术的发展,该种桥梁已经得到广泛的应用在跨径为30m到200多m的中大跨径桥梁。
1.1.1连续梁桥孔跨布置
连续梁桥的孔跨布置多样,我们一般见到的是三跨或者四跨,但是通常不超过六跨,若每联跨数太多,联长就要加大,则受到温度变化和混凝土收缩徐变等影响就越大,导致其产生的纵向变形也大,这进一步导致伸缩缝和活动支座的构造复杂,也会对桥梁的墩台产生不利的影响;若每联长度太短,过多的伸缩缝不利于高速行车。
因此,连续梁桥的孔跨布置应根据地形、地质、水文条件和通航要求来进行孔跨的布置,以下是连续梁桥孔跨布置的一些要求:
1)对于三跨以上连续梁,由于等跨时边跨跨中弯矩大于中间跨跨中弯矩,故跨与中跨的比值为0.7至0.5之间;
2)对于三跨连续梁,边跨与跨中的比值多取用0.6至0.7之间;
3)对于多跨连续梁,若采用悬臂施工时,宜取0.5至0.6之间。
1.1.2连续梁桥截面形式
预应力混凝土连续梁桥的横截面形式主要有T型截面、矩形截面和箱型截面等;其纵向截面形式有等截面形式和变截面形式,但是变截面形式的连续梁桥跨越能力大。
对于等截面的连续梁,其构造、制造和施工都比较简便。
对于本次毕业设计,本人采用的是变高度连续箱型截面梁桥。
以下主要介绍箱型截面:
箱型截面,即横截面为箱型的截面,具有良好的抗扭和抗弯特性,是预应力混凝土连续梁桥的主要截面形式。
箱型截面的顶、底板主要提供结构的抗弯能力,箱型截面的腹板主要承受结构的剪应力。
箱型截面的顶底板都具有较大的面积,合理的布置预应力钢筋可以更好的抵抗弯矩。
箱型截面一般都设梗腋,可以有效的提高截面抗扭刚度,减小扭转应力和畸变应力,并且梗腋还能减小应力集中,并为预应力钢筋布置提供构造空间。
因此,对于跨度较大的桥梁,箱型截面梁是一个很好的选择。
箱型截面有单箱单室、单箱双室、双箱单室、双箱双室以及多箱多室等多种形式。
对于铁路预应力混凝土连续梁桥来说,单箱单室箱梁截面常见于单线铁路,至于双线铁路,也可用单箱单室或者单箱多室。
本次毕业设计为高速铁路(72+133+72)m连续梁桥设计,为双线铁路,故采用单室单箱梁。
1.2预应力混凝土连续梁桥悬臂施工
本次设计施工方法主要有满堂支架施工和悬臂施工法。
1.2.1满堂支架施工
该桥梁现浇段采用满堂支架施工。
满堂支架施工是桥梁的一种常用的施工方法,适用于小跨径桥梁的施工,对场地有一定的要求。
满堂支架施工的步骤一般是:
支架搭设、支架预压、调整模板、浇筑混凝土等。
该施工方法的最大优点在于施工方便,桥梁浇筑整体性好且不需要大型的吊装设备,但是施工过程中支架消耗量大,对地形要求比较高,工期比较长。
但是,随着技术的发展,该施工方法仍能得到很好的使用。
1.2.2悬臂施工
本次设计主要采用的方法是悬臂施工。
悬臂施工最早主要用于修建预应力T型刚构桥,由于该方法的优越性,后来被广泛推广使用。
悬臂施工的主要特点有:
1.施工时,墩梁需要临时固结;
2.桥跨间不需要搭设支架,施工过程不影响桥下通车通航等;
3.可以多跨同时进行施工,减少工期;
4.施工中所使用的挂篮等设备可重复使用,降低工程成本。
悬臂施工中主要的设备是挂篮,挂篮是一个能沿梁顶滑动的承重支架,其锚固在已施工好的梁段上,用挂篮悬臂施工的主要工作内容包括:
在墩顶浇筑0号块,然后墩梁临时固结,在起步段安装挂篮并依次分段悬浇梁段,最后先合拢边跨再合拢中跨。
1.3预应力混凝土连续梁桥的发展
50年代前,预应力混凝土连续梁桥虽然被广泛采用,但是由于当时施工方法的限制,导致所修建的连续梁桥跨径都在百米之下,施工方法的落后,导致桥梁的修建费时费力,因此也限制了连续梁桥的发展。
50年代后,随着悬臂施工方法的出现,预应力混凝土连续梁桥在中大跨径桥梁里占据了相当大的优势,同时连续梁桥对行车有利这一优点也促使其迅速的发展。
目前,无论是城市桥梁,还是高架道路,又或者是跨越宽阔河流的大桥,预应力混凝土连续梁桥都能发挥其显著的优势。
在我国铁路桥的建设中,我们也能看到预应力混凝土连续梁桥的身影。
早在1975年,我国就建成了通惠河桥,这座位于北京枢纽东北环线的桥梁是我国第一座铁路预应力混凝土连续梁桥,该桥梁采用支架施工,跨度为26.7m+40.7m+26.7m。
随后建成的茅岭江和白面石武水大桥为预应力混凝土连续梁桥在我国的发展奠定了基础。
90年代后,我国的铁路预应力混凝土连续梁桥如雨后春笋般得到迅速地发展,并且取得了傲人的成绩。
1991年,我国建成了跨度为45m+65m+14×80m+45m+65m的钱塘江二桥主桥,其主梁联长目前居世界第一。
1993年建成的石龙大桥,是国内第一大跨度部分预应力混凝土铁路连续梁桥,还有1996年建成了我国第一座V形支撑连续梁桥——南昆线八渡南盘江大桥。
我相信随着技术的创新与进步,预应力混凝土连续梁桥将会继续发挥着重要的作用。
第2章桥跨总体布置及结构主要尺寸
2.1桥梁设计资料
2.1.1孔跨划分
桥型为三跨预应力混凝土连续梁桥,孔跨大小为(72+133+72)m,见图2-1。
图2-1桥型及孔径布置图(单位:
cm)
2.1.2设计规范
(1)《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-2005);
(2)《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005);
(3)《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621-2009);
(4)《铁路桥涵施工规范》(TB10213-2002)。
2.1.3主要技术指标
(1)设计时速:
250km/h
(2)荷载标准:
中-活载、ZK荷载;列车活载为双线
(3)桥梁纵坡:
0%
(4)桥梁横坡:
双向1.5%
(5)桥面宽度:
桥面总宽12.2m
(6)施工方法:
悬臂施工
2.1.4主要材料规格
(1)混凝土:
预应力混凝土连续梁和连续钢构桥主梁混凝土:
跨度大于200m用C60混凝土,其余用C50混凝土,本次设计,梁体采用C50等级的混凝土,其主要材料特性见表2-1:
表2-1C50混凝土主要特征值
材料
容重γ(kN/m2)
弹性模量Ec(N/mm2)
线膨胀系数α
极限抗压强度fc(N/mm2)
极限抗拉强度fct(N/mm2)
C50
25
3.55×104
1.0×10-5
33.5
3.1
(2)预应力钢筋与锚具:
桥梁用钢绞线一般为七股钢绞线,即由七股直径为,5的钢丝绕制而成的钢绞线,为高强度低松弛钢绞线,用符号表示,S15.2,单根钢绞线公称直径15.2mm,公称断面面积为140.00mm2。
在公路规范(JTGD62-2004)中,其抗拉强度标准值和抗拉、抗压强度设计值分别为fpk=1860MPa、fpd=1260MPa和f’pd=390MPa。
群锚锚具常用规格有YM15-4、YM15-5、YM15-6~7、YM15-8~9、YM15-12、YM15-14、YM15-16、YM15-19、YM15-22、YM15-24、YM15-27、YM15-31及YM15-37等多种形式。
对应波纹管直径分别为(直径),56、,56、,67、,77、,87、,92、,97、,102、,107、,117、,117、
117、,132和,142mm。
2.2截面形式及尺寸拟定
2.2.1主梁高度拟定
根据铁路连续梁桥中支点梁高与中跨跨度比值在
至
之间,中跨跨中梁高与中跨跨度比值在
至
,故根据以上比值,确定跨中梁高为4m,中支点处梁高为9m.从中支点处梁高沿跨度方向按1.6次抛物线变化,该抛物线公式为:
y=-0.0129x1.6+0.242x(2.2.1)
2.2.2箱梁截面尺寸拟定
箱梁顶板厚度设置要满足横向抗弯及纵向抗压要求,一般采用等厚度设置,并且还应该满足预应力管道布置的构造要求,本次设计顶板尺寸采用等厚度,均为40cm。
箱梁底板的主要功能是满足纵向抗压要求。
本次设计中支点处底板厚度为90cm,中跨跨中为40cm,由中支点至跨中,底板厚度按梁高曲线变化。
跨中至支点处底板厚度变化见下表2-2所示。
箱梁腹板主要承担剪应力和主拉应力,一般采用变厚度腹板:
靠近跨中处受构造要求控制,靠近支点处受主拉应力控制,需加厚,腹板厚度一般呈折线式变化。
中支点处腹板厚度取90cm,跨中处取50cm。
跨中至支点处腹板厚度变化见下表2-2所示。
表2-2截面主要数据
截面号
1
2
3
4
5
6
顶板厚度(cm)
40
40
40
40
40
40
底板厚度(cm)
90
88
84
80
76
72
腹板厚度(cm)
90
89
87
85
83
80
梁高(cm)
9.5
9.27
8.65
8.1
7.51
6.99
截面号
7
8
9
10
11
12
顶板厚度(cm)
40
40
40
40
40
40
底板厚度(cm)
69
65
62
59
57
55
腹板厚度(cm)
78
75
72
69
66
63
梁高(cm)
6.52
5.99
5.53
5.14
4.81
4.51
截面号
13
14
15
16
-
-
顶板厚度(cm)
40
40
40
40
-
-
底板厚度(cm)
53
52
51
40
-
-
腹板厚度(cm)
59
56
53
50
-
-
梁高(cm)
4.29
4.13
4.04
4
-
-
2.2.3箱梁截面形式
箱梁具有良好的抗弯抗扭特性,本次铁路桥设计采用单室单箱梁,其中支点处和跨中截面尺寸见图2-2所示:
图2-2主梁横截面图(单位:
cm)
上图中左边为0号块横截面图,右边为跨中横截面图。
2.3主梁节段划分
由于本次设计选用悬臂施工方式,因此,根据施工器械挂篮的承重、固定点位置等进行主梁节段划分,划分的原则是尽量保证每个节段重量相近,长度变化规格不宜过多,以便于施工。
2.3.1施工节段划分信息
我们以左边跨为例:
0号块在墩顶浇筑,内部设人洞,长2m,0号块内部结构参见下图2-3。
1号块至14号块为挂篮施工节段,15号块为合拢段,16号块为现浇段。
图2-30号块纵向剖面图(单位:
cm)
2.3.2施工步骤
本次设计为三跨连续梁桥,采用悬臂施工,故先完成两个0号块的浇筑,然后两个0号块两边同时进行悬臂施工,以下是主要的施工步骤:
本阶段浇筑0号块,0号块浇筑工期为30天,浇筑完后需施加临时约束,墩梁固结。
然后等混凝土强度达到85%时,张拉预应力索,然后在0号块两边对称安装挂篮,本次悬臂施工采用菱形挂篮。
挂篮安装完成后开始浇筑1号块,等混凝土强度达到85%后张拉预应力索,然后在1号块上安装挂篮,直到14号块施工完成。
详见图2-4。
第二阶段主要步骤是现浇段施工,采用满堂支架施工,因此现浇段施工时需要添加支架进行约束,现浇段施工工期一般
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