预应力混凝土双索面独塔斜拉桥设计计算书.doc
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1、装订线毕业设计(论文)报告纸预应力混凝土双索面独塔斜拉桥设计计算书摘要本设计根据设计任务要求,依据现行公路桥梁设计规范,兼顾技术先进,安全可靠,适用耐久,经济合理的原则,提出了预应力混凝土双索面独塔斜拉桥、预应力混凝土连续刚构、中承式拱桥三个比选桥型。综合各个方案的优缺点并考虑与环境协调,把预应力混凝土双索面独塔斜拉桥作为推荐设计方案。进行结构细部尺寸拟定,并利用Midas6.7.1建模,进行静活载内力计算、配筋设计及控制截面应力验算、变形验算等。经验算表明该设计计算方法正确,内力分布合理,符合设计任务的要求。关键词:预应力混凝 独塔斜拉桥 成桥合理状态 结构分析 AbstractAccord
2、ing to the design assignment and the present Highway Bridge Specifications, after preliminary analysis, three types of bridge are presented, they are single-pylon Prestressed concrete cable-stayed bridge, prestressed concrete continuous rigid frame and through type steel tube with concrete arch. Aft
3、er comparing their characters comprehensively, the prestressed Prestressed concrete cable-stayed bridge are selected as the main design scheme for further analysis. Through create model and run structural analysis, get the effect in the action of dead load, live load,and then calculate the effect in
4、 the beam for designing prestressed steel and the checking computation of key section intension, stress, living load distortion, The conclusion can be drawn that the design is up to the assignment.Key word: prestressed concrete; single-pylon cable-stayed bridge; rational dead load state ; structure
5、analysis . 第一部分 方案比选第一章 方案构思与比选第1节 桥位处地形,地质等资料 桥位处的地形,地质条件见图1。图1 地质图第2 节 方案构思与比选方案根据拿到的地形地质图,根据交通量和排洪要求以及通航要求(无),本设计除了考虑到公路桥涵的设计要求技术先进,安全可靠,适用耐久,经济合理外,充分考虑景观要求,桥型比较尽可能多样化。拟定了以下三个比选方案:一, 双索面独塔斜拉桥:a) 120m+120m=240m对称布跨,采用固结体系,塔高60m,塔高H与主跨之比为 0.5,采用H型塔,主梁上斜拉索的标准索距为6m,索塔上斜拉索的索距为2.0+16*1.2+2*1.5m,桥面纵坡 2%
6、。见布置图7。b) 主梁采用实体双主梁截面,如图,梁高是2m,是主跨的1/60,梁总宽23m,桥面净宽8.5m+8.5m,桥面横坡为1.5%。梁肋外的尖角是风嘴,起到导风的作用,提高主梁的抗风能力,双索面斜拉索来抵抗梁的扭转作用。c) 截面见图2 。图2 斜拉桥主梁截面二, 双薄壁连续刚构:图3 连续刚构布置图注 图中尺寸以厘米计。a).主跨径的拟定:主跨径定为100m,边跨采用0.65倍的中跨径,即65m 。桥梁全长为65+100+65=230m ,见图3。b)顺桥向梁的尺寸拟定墩顶处梁高:根据规范,取L/20,即5.0m。跨中梁高:根据规范,梁高为1/301/50L,取L/40,即2.5
7、m。梁底曲线:选用二次抛物线。 c).截面的尺寸如下图4,图4 刚构截面图 注 图中尺寸以厘米计。三, 中承式钢管混凝土拱桥:主跨120m图5中承式钢管混凝土拱桥 a).主拱圈的跨径L=160m,矢高f=40m,矢跨比=1/4, b).两主拱圈向里靠近形成提篮拱桥,可以提高拱桥的整体稳定性, 主拱圈的钢管混凝土的直径为1.5m,在拱顶处设有三道横向联系, 在桥面下的拱圈上设有K型横联,来加强两拱圈的联合作用。 c).吊杆10m间距,主梁采用现浇的方式,如图6,纵向T梁形式,横向通过加强横梁与吊杆相连,把桥面支撑起来。图6 拱桥梁截面图注 图中尺寸以厘米计。第3节 方案比选 方案一 独塔斜拉乔方
8、案斜拉桥方案造型美观,气势宏伟,跨越能力强,60多米的主塔充分显示其高扬特性,拉索的作用相当于在主梁跨内增加了若干弹性支撑,从而减小了梁内弯矩、梁体自重,从而减小梁体尺寸。施工技术较成熟。独塔斜拉桥只有一个大型基础,在施工过程中主梁梁恒载主要有索塔承担,两边墩台荷载较小,对河床两侧地质条件不均匀,一侧较好,一侧较差的桥位较适合。采用塔梁墩固结体系最为合理,固结体系可以大大提高结构的整体刚度。方案二 连续刚构方案:综合了连续梁桥和T型刚构桥的受力特点,上部结构受力性能同连续梁桥一样,而薄壁墩底部所承受的弯矩,梁体内的轴力随着墩高的增大而急剧减小。其弯矩分布合理。采用挂篮悬臂浇注施工;不需大量施工
9、支架和大型临时设备,桥梁施工受力状态与运营受力状态基本相近。施工机械化程度高,技术先进,方法简便工艺要求较严格。两个墩可以同时进行施工,施工进度快,占用施工场地少。无须支座,节省大型支座费用。结构刚度大,变形小,主梁变形挠曲线平缓。方案三 中承式钢管混凝土拱桥方案:采用拱桥,本地形可只需要一跨,减少了修建高大桥墩的工程量,是一种美观经济的常用桥型。但需考虑混凝土收缩,徐变,温度变化,基础不均匀沉降和水平位移引起的影响。采用缆索吊装施工拱圈,桥面现浇施工。施工技术成熟。 推荐方案综合多方面因素 ,根据公路桥涵的设计要求:技术先进,安全可靠,适用耐久,经济合理;考虑到本桥与周围环境的相配合,并考虑
10、到本桥不远处已经有一座同类型的拱桥,选用预应力混凝土独塔斜拉桥方案为推荐方案。下图为双索面独塔斜拉桥布置图,图7 斜拉桥跨径布置图注 图中尺寸以厘米计。第2部分 斜拉桥设计与计算第1章 总体设计第 1节 斜拉桥概述斜拉桥是一种桥面体系受压、支承体系受拉的结构,其桥面体系由加劲梁构成,其支承体系由钢索组成。上世纪70年代后,混凝土斜拉桥的发展可分成三个阶段:第一阶段:稀索,主梁基本上为弹性支承连续梁;第二阶段:中密索,主梁既是弹性支承连续梁,又承受较大的轴向力;第三阶段:密索,主梁主要承受强大的轴向力,又是一个受弯构件。近年来,结构分析的进步、高强材料的施工方法以及防腐技术的发展对大跨斜拉桥的发
11、展起到了关键性的作用。斜拉桥除了跨径不断增加外,主梁梁高不断减小,索距减少到10m以下,截面从梁式桥截面发展到板式梁截面。混凝土斜拉桥已是跨径200m500m范围内最具竞争力的桥梁结构。第节 技术指标及设计资料(一) 技术指标1,路线等级:公路一级,双向四车道:2,设计车速:100km/h;3,桥面宽: 1.5m(拉索区)+0.5m(防撞护栏)+0.5m(过渡带)+7.5m(行车道)+ 0.5m(过渡带)+0.5m(防撞护栏)+1m(隔离带) +0.5m(防撞护栏) +0.5m(过渡带)+7.5m(行车道)+0.5m(过渡带)+0.5m(防撞护栏)+1.5m(拉索区);4,设计作用:汽车作用:
12、公路1级荷载,温度作用:体系温差20度,主梁的温度梯度为5度,梁与拉索的温差10度;5, 地震烈度:地震基本烈度为7度;6, 桥下净空:满足排洪要求。7, 桥面纵坡: 2%.8, 桥面横坡 : i=1.5%(二) 设计采用的规范标准(1)公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)(2)公路斜拉桥设计规范(试行)(JTJ027-96)(3)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)度 (4)公路工程技术标准(JTG B01-2003)第3 节 材料选择1,混凝土预应力混凝土主梁的混凝土强度等级为C50,索塔为C50,主墩墩身为C50,承台、桩基、边墩和辅助墩墩柱均
13、采用钢筋混凝土结构,混凝土强度等级为C40。预应力钢材桥塔锚索区的环向预应力钢筋为的精轧螺纹粗钢筋,强度标准值=930MPa,弹性模量为=2.0MPa;主梁内的预应力筋除了施工阶段顶板有的精轧螺纹粗钢筋外,其他均为04规范中的高强的松弛钢绞线,标准强度1860 MPa,弹性模量为E=1.9MPa,预应力管道均采用预埋金属波纹管成型。采用OVM锚具。2,普通钢筋:HRB335=带肋钢筋,HRB235光圆钢筋;3,斜拉索该桥采用扭绞型平行钢丝斜拉索,由7mm高强平行钢丝组成,抗拉强度标准值=1670MPa,弹性模量为=2.05MPa,斜拉索外面包双层护套,内层为黑色高密度聚乙烯,外层为彩色高密度聚
14、乙烯,锚具为冷铸墩头锚。4,桥面铺装8cm厚防水混凝土,容重23KN/。5,支座GPZ抗震型盆式橡胶支座。6,伸缩缝SSFB240型伸缩装置。第4 节 总体设计根据交通量的要求,以及道路的通行能力,采用双向四车道布置。其设计车速为100km/h,处在高速公路上禁止非机动车辆和行人。由于该桥的跨径不大,采用独塔斜拉桥,其桥塔拟定了门式塔,型塔,和型塔三种方案。门式塔的景观效果不佳,A型塔需要采用空间索面布置,且桥下的墩很高则导致很大的承台基础,通过比较采用H型塔,H型塔构造简单,受力明确。 为方便施工,降低造价,满足斜拉索的锚固要求,主梁采用实体双主梁截面,预应力混凝土结构。为了不削弱主梁的受力
15、截面积,斜拉索锚固在主梁的下面。 桥面铺装采用沥青混凝土,并设1.5%的横坡来满足排水要求。 跨径组成为120m+120m=240m对称布跨,塔高60m,塔高H与主跨之比为 0.5,为了降低主梁的高度,减小主梁的弯矩,斜拉索采用密索体系,扇形布置,主梁上斜拉索的标准索距为6m,索塔上斜拉索的索距为2.0+16*1.2+2*1.5m。 斜拉索采用扇形布置,双索面相互平行。 考虑到桥位处的地形条件,即桥面设计标高很高,最大有40多米深,主梁采用挂篮悬臂浇筑法施工。索塔采用爬模施工。 支撑体系作为结构的边界条件,其选型既布置是非常重要的。本桥采用塔墩梁固结体系,该斜拉桥属于刚构体系。这种体系应用在独
16、塔斜拉桥中有很大的优势,无论是桥梁的建设中便于悬臂施工,还是桥梁的运营状态的性能都很好,由于是独塔,温度荷载对其的影响不像双塔斜拉桥那样巨大。 一、 主梁设计主梁采用实体双主梁截面,截面尺寸如图,梁高是2m,是主跨的1/60,梁总宽23m,桥面净宽8.5m+8.5m,桥面横坡为1.5%。梁肋外的尖角是风嘴,起到导风的作用,提高主梁的抗风能力,双索面斜拉索来抵抗梁的扭转作用。纵向每隔6m设置一道横隔梁(在斜拉索锚固点处),横梁的设置主要考虑活载的横向分布以及桥面板的受力,斜拉索的锚固,以及增强桥梁的横向刚度,横梁的位置和斜拉索的锚固相对应。本桥的横梁的厚度为30cm。图8 1/2斜拉桥主梁截面注
17、 图中尺寸以厘米计。二、斜拉索设计该桥的主塔为空腹结构,上塔柱为斜拉桥锚固区,两索面相互平行,在主梁上的基本索距为6.0m,索塔上的基本索距为1.2m,最为册斜拉索的倾角为26度,为减小斜拉索的风振,雨振,在每根斜拉索上设有减震器。主桥斜拉索独塔共72根,塔端采用张拉端型锚具,梁端采用锚固端锚具。在张拉过程中,斜拉索采用主塔端张拉,主梁端锚固。该桥采用扭绞型平行钢丝斜拉索,由7mm高强平行钢丝组成,抗拉强度标准值=1670MPa,斜拉索外面包双层护套,内层为黑色高密度聚乙烯,外层为彩色高密度聚乙烯,锚具为冷铸墩头锚。斜拉索断面如图9。图9拉索断面图 三、主塔设计索塔采用造型美观的H型塔,钢筋混
18、凝土结构。H型塔造形简单,受力明确,由于塔柱斜度较小,施工比较方便。索塔自承台顶到索塔顶的高是97.5m,桥面以下部分索塔高37.5m ,塔高于跨径的比为0.5,桥面以上30m设一横梁,以增强索塔的稳定性。索塔在梁底的部分称为下塔柱,梁底以上横梁以下部分为中塔柱,横梁以上部分为上塔柱。上塔柱直立,为斜拉索锚固区,高度为28.5m。上,中塔柱截面采用单箱单室,顺桥向5.5m长,横桥向3.0m。上横梁采用箱室截面,下横梁为预应力混凝土结构,主梁嵌在下横梁中。细部尺寸如图10。图10 索塔构造图注 图中尺寸以厘米计。四、下部结构构造根据地质条件,该桥选用桩基础,每塔46根直径1.5m的钻孔灌注桩,为
19、端承桩。采用梅花桩布置,为了减小承台的体积,减少大体积混凝土的数量,承台采用哑铃型结构,承台厚5.0m。在枯水季节采用土石围堰 施工桩基以及承台。 第二章 整 体 分 析第1节 计算原则斜拉桥的结构分析计算,根据跨度的大小采用两种不同的理论。对于特大跨径的斜拉桥,为消除斜拉索及大变位引起的非线性因素的影响,必须采用有限变形理论;对于中小跨径的斜拉桥,采用小变形理论即可获得满意的结果。平面杆系有限元法是计算斜拉桥内力的基础,其基础理论是小变形理论。在计算斜拉桥的内力及变形时,一般把空间结构简化成平面结构,但应计算荷载横向分布对结构的影响,以考虑结构的空间效应。而斜拉桥结构较柔,拉索的布置形式,主
20、梁抗扭刚度都有影响,故在计算荷载横向分布系数时应综合考虑。本设计在计算斜拉索和索塔的内力时,采用杠杆法来考虑荷载的横向分布系数。斜拉桥的内力及变形分析主要是斜拉索和索塔,所承受的荷载包括一期恒载,二期恒载,活载,温度荷载,支座沉降,预应力,斜拉索的初拉力,混凝土的收缩徐变等。本斜拉桥内力计算的基本原则是: (1)采用小变形理论按一般的平面杆系有限元法计算内力,不考虑非线性影响; (2)为方便施工,拉索一次张拉至设计值; (3)索塔在承台处固结,不考虑桩基础的影响; (4)斜拉索的安全系数按不小于2.5考虑。 本设计采用MIDAS Civil Ver6.7.1软件进行结构分析。 第2节 设计资料
21、一、截面特性主梁的截面几何特性是毛截面特性,构件的截面性质应根据不同的计算阶段决定采用换算截面特性还是采用净截面特性;拉索的面积为单根斜拉索的面积。截面特性值表 表1截面位置面积抗弯惯距形心距(至底缘)截面高度 m2m4mm主梁1.3424.8341.42索塔上塔柱2.2174.632.755.5中塔柱1.98768.542.755.5下塔柱上1.98768.542.755.5下塔柱下29120.352.755.5拉索PES7-1630.00627 PES7-1510.00581 PES7-1390.00535 PES7-1270.00489 PES7-1210.00466 PES7-1090
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