摘 要

本设计题目为30 40 30预应力混凝土连续箱梁桥施工图设计。本桥的工程背景为广州迎宾大道B-2联，而广州迎宾大道立交为广州北站到白云国际机场快速通道线路中的一部分。本桥采用的是满堂支架现浇法施工，桥墩为微弯双柱墩，桩基为钻孔灌注桩。

在本桥的上部设计中，设计的内容包括桥型方案的比选，结构尺寸的拟定，上部结构Midas模型的建立以及上部结构内力的提取，预应力钢束的估算跟上部结构验算。桥型方案比选根据地质水文情况选择几种不同的方案并且进行比对。结构尺寸的拟定对上部结构的跨径、截面形式、截面尺寸以及其余一些部件的尺寸进行确定。上部结构模型的建立在Midas中根据自己确定好的尺寸进行模型的建立。将建立好的模型运行后对上部结构进行验算与预应力筋估算。

在本桥的下部结构设计中，进行了桥墩的截面配筋与复核与桩的计算。进行桥墩的设计时，用到了上部结构的模型运算的内力结果，对其进行截面的配筋并且进行复核。在进行桩的计算时，对桩进行配筋与承载力位移验算，而在进行验算时对桩的面积进行换算。

通过本次对预应力混凝土连续箱梁桥的设计，让我对桥梁的设计有了更为深刻的认识，对箱梁桥的上部结构也更加清楚。这次毕业设计使我对专业知识更加系统，对一些基础的计算更加印象深刻，通过这次设计让我有了很大的收获。

关键词：预应力混凝土连续箱梁桥；满堂支架现浇施工；结构分析；MIDAS/CIVIL

Abstract

This design topic is 30 40 30 prestressed concrete continuous box girder bridge construction drawing design. The construction background of this bridge is the b-2 link of guangzhou yingbin avenue, and the interchange of guangzhou yingbin avenue is part of the fast track from guangzhou north railway station to baiyun international airport. Four lines are set at yingbin avenue overpass. The bridge is constructed by cast-in-place method with full support. The bridge piers are double piers with slight bending, and the pile foundations are bored cast-in-place piles.

In the upper design of this bridge, the design content includes the bridge type scheme comparison, the structure size formulation, the superstructure Midas model establishment as well as the superstructure internal force extraction, the prestressed steel bundle estimate and the upper part structure checking calculation. The bridge type scheme comparison needs to select different schemes in the plan according to the geological and hydrological conditions and carry on the comparison. It is necessary to determine the span, section form, section size and other parts of the superstructure. The superstructure model shall be built in Midas according to the size determined by the superstructure. The superstructure is checked and the prestressed tendon is estimated after the model is run.

In the design of the substructure of the bridge, the section reinforcement and check of the pier and the calculation of the pile are carried out. In the design of the bridge pier, the internal force results of the model calculation of the superstructure should be used. In the calculation of the pile, it is necessary to check the reinforcement and bearing capacity displacement of the pile, and the area of the pile needs to be converted.

Through the design of the prestressed concrete continuous box girder bridge, I have a deeper understanding of the design of the bridge and the upper structure of the box girder bridge. This graduation design has made me more systematic in professional knowledge and more impressive in some basic calculations. Through this design, I have gained a lot.

Keywords: prestressed concrete continuous box girder bridge; cast-in-place method with full support; Structural analysis; MIDAS/CIVIL

目录

摘要 I

第一章 桥型方案的比选 1

1.1 设计原始资料 1

1.1.1 工程地质和水文条件 1

1.1.2 技术标准 2

1.2 桥型比选 3

第二章 尺寸拟定 7

2.1 桥梁跨径分配 7

2.1.1 跨径要求 7

2.1.2 跨径布置 7

2.2 截面尺寸拟定 8

2.2.1 截面形式的拟定 8

2.2.2 梁高的拟定 8

2.2.3 横截面的拟定 8

2.2.4 梁的顶板，腹板，底板尺寸的拟定 9

2.2.5 梁的最终截面形式 9

第三章 建模过程 11

3.1 Midas模型的建立 11

3.1.1 桥梁基本数据 11

3.1.2 设定建模环境 11

3.1.3 设置结构类型 12

3.1.4 定义材料和截面特性值 13

3.1.5 定义截面特性值 15

3.1.6 建立结构有限元模型 18

3.1.7 定义结构组 19

3.1.8 定义边界组 20

3.1.9 定义荷载组 22

3.2.10 定义施工阶段 27

3.3 Midas分析过程 28

3.3.1 生成荷载组合 28

3.3.2 查看运行结果 28

3.4 进行PSC设计 31

3.4.1 设置PSC参数 31

3.4.2 设置PSC设计材料 32

3.4.3 运行PSC设计 32

第四章 主梁内力计算结果 33

4.1 恒载内力计算 33

4.1.1 结构在自重下的内力 33

4.1.2 结构在二期恒载下的内力 34

4.2 移动荷载内力计算 34

4.3 温度内力计算 38

4.4支座不均匀沉降的内力计算 40

4.5 荷载内力组合 43

4.5.1 承载能力极限状态组合 43

4.5.2 正常使用极限状态组合 44

第五章 预应力钢束的估算与布置 47

5.1 预应力钢束的估算 47

5.2 预应力钢束的布置 50

5.2.1 钢束布置的构造要求 50

5.2.2 钢束的布置 50

5.3 预应力损失计算 51

5.3.1 要考虑的预应力损失 51

5.3.2 预应力损失值组合 51

5.3.3 钢束的预应力损失计算 52

第六章 次内力的计算 57

6.1收缩徐变次内力 57

6.2 预应力次内力 59

6.3 温度次内力计算 59

6.4. 支座不均匀沉降的次内力计算 62

第七章 上部结构验算 66

7.1 承载能力极限状态截面验算 66

7.1.1 使用阶段正截面抗弯验算 66

7.1.2 使用阶段斜截面抗剪验算 69

7.2 正常使用极限状态截面验算 73

7.3 持久状况和短暂状况构件的应力验算 75

7.3.1 施工阶段法向压应力验算 75

7.3.2 使用阶段斜截面主压应力验算 78

7.3.3 受拉区钢筋拉应力验算 79

7.3.4 使用阶段正截面压应力验算 80

第八章 下部结构设计 83

8.1 桥墩介绍 83

8.2 荷载计算 83

8.3 截面配筋计算 84

8.3.1 所需纵筋面积 84

8.3.2 截面复核 85

第九章 钻孔灌注桩的计算 88

9.1 桩长计算 88

9.1.1 荷载计算 88

9.1.2 桩长计算 88

9.2 桩的内力及位移计算 89

9.2.1 桩的计算宽度 89

9.2.2 桩的变形系数 89

9.2.3 地面下的深度z处的桩身截面的弯矩M_z与水平压应力σ_zx的计算 90

9.2.4 桩身截面配筋与截面承载力验算 92

9.2.5 桩顶水平位移验算 94

参考文献 95

致谢 97

第一章 桥型方案的比选

1.1 设计原始资料

1.1.1 工程地质和水文条件

（1）地层岩性

据野外钻探资料，场区主要出露第四系人工填土层（Q4ml）、第四系全新统冲积层（Q4al）、第四系上更新统冲积层（Q3al ）及残积层（Qel）。基岩为石炭系（C）沉积岩。各岩土层的性质自上而下分述如下：

第四系人工填土层（Q4ml）：

①杂填土，露出地表，平均层厚2.45m，松散～稍压实；

②素填土，层顶埋深0.00～3.50m，平均层厚2.74m，松散～稍压实。

第四系全新统冲积层（Q4al）：

①淤泥、淤泥质粉质粘土，层顶埋深2.50～7.00m，平均层厚2.33m，松散；

②粉、细砂，层顶埋深2.20～5.00m，平均层厚1.97m，松散；

③粗、砾砂，层顶埋深2.00～9.00m，平均层厚3.60m，稍密，局部松散。

第四系上更新统冲积层（Q3al）：

①粉质粘土，层顶埋深1.70～13.50m，平均层厚4.40m，松散～稍压实；

②粉、细砂，层顶埋深6.50～26.40m，平均层厚1.45m，松散～稍压实；

③粗、砾砂，层顶埋深3.00～35.60m，平均层厚3.59m，松散～稍压实；

④粉质粘土，层顶埋深6.50～37.75m，平均层厚6.34m，松散～稍压实；

⑤粉质粘土，层顶埋深7.80～29.00m，平均层厚3.18m，松散。

残积层（Qel）：

场区揭露石炭系（C）沉积岩风化残积土，呈粉质粘土状，原岩为粉砂岩、炭质页岩等。根据其稠度状态可划分为：

①粉质粘土，层顶埋深3.40～18.90m，平均层厚1.68m，松散～稍压实；

②粉质粘土，仅揭露于钻孔 CZK23。灰黑色，硬塑，为粉砂岩或炭质页岩风化残积土，土质不均匀，遇水易软化。层顶埋深11.00m，层厚 2.10m。

石炭系沉积岩（C）：

（2）本次勘察揭露到的岩性以微风化石灰岩为主，偶见全、强风化粉砂岩、炭质页岩，根据其岩性及风化程度可划分为：

①全风化带揭露于钻孔CZK22、CZK24、CZK34、CZK35、CZK44，岩性组合为粉砂岩、炭质页岩。黑色、灰黑色、红褐色、黄色，岩石风化剧烈，岩芯呈坚硬土柱状，手捏易散，遇水易软化、崩解。层顶埋深 4.00～15.00m，层厚1.50～5.10m，平均2.84m。统计标准贯入试验3次，锤击数N=31.0～45.0击，平均37.0击。

②强风化带：揭露于钻孔CZK24、CZK34、CZK35，岩性组合为粉砂岩、炭质页岩。灰黑色、黑色、红褐色、黄色，岩石风化强烈，岩芯呈半岩半土状或碎块状，手折可断，岩芯遇水易软化、崩解。层顶埋深 12.40～20.60m，层厚4.40～30.4m，平均12.23m。统计标准贯入试验7次，锤击数N=52.0～68.0击，平均57.4击。

③ 中风化带：揭露于钻孔 CZK6、CZK23、CZK34、CZK36，为石灰岩。灰白色、灰黄色、灰黑色、灰色，岩石裂隙发育，岩芯多呈扁柱状、块状，钙质含量较高，岩块较坚硬。层顶埋深13.10～24.20m，层厚0.70～9.50m，平均2.74m。

④微风化带：揭露于场区大部分钻孔，为石灰岩。灰色，灰白色，隐晶质结构，中厚层构造，岩石裂隙稍发育，岩芯较完整，多呈短柱状、扁柱状，岩质新鲜，致密坚硬，锤击声脆。层顶埋深6.70～47.80m，层厚0.20～16.40m，平均4.30m。统计岩石饱和单轴抗压强度63组，f_rb=25.0～103.0MPa，平均饱和单轴抗压强度46.3MPa。

1.1.2 技术标准

（1） 道路等级：城市主干道；

（2） 设计速度：60km/h；

（3） 设计荷载：汽车荷载：公路-Ⅰ级；

（4） 桥面铺装：5mm改性树脂反光阻燃薄层 95mmC40砼调平层；

（5） 桥面横纵坡度：标准横坡：单坡 1.5%。最大纵坡：4.5%；

（6） 抗震设防标准：

抗震设防烈度7度，设计基本地震动加速度为 0.1g（g为重力加速度）；

（7） 结构设计基准期：100年；

（8） 结构安全设计等级：二级；

（9） 环境类别：Ⅱ类；

（10）坐标系统：广州城建坐标系统；

高程系统：广州城建高程系统。

1.2 桥型比选

（1）预应力混凝土连续箱梁桥

图1.1 预应力混凝土连续箱梁桥方案图

预应力混凝土连续箱梁桥是常见的一种桥梁形式，属于超静定体系。其在恒载、活载的作用下，会在支点出产生负弯矩来减少桥梁跨中的正弯矩，有着很好的卸载作用，这样使得桥梁内的内力状态比较均匀合理。而且预应力混凝土连续箱梁桥结构刚度大，变形小，动力性能好，主梁的变形挠曲线平缓，有利于高速行车。除此之外，箱形截面具有良好的抗弯和抗扭的性能，是预应力混凝土连续梁桥中的主要形式。而且箱形截面底部一般较窄，与之相匹配的桥墩工程量可大大减少，所以在高桥墩的梁桥中使用较多，并且都效果显著。常用于跨径30-150m的桥梁，对桥梁基础要求较高，通常宜选择良好的地基条件和沉降较小的基础形式。

本方案桥跨分配为30 40 30的对称结构，桥梁的全长为100m，桥宽为13.5m，采用的施工方法为满堂支架现浇法，截面形式选用单箱双室截面，方案大致图如图1.1所示。

（2）预应力混凝土连续刚构桥

图1.2 预应力混凝土连续刚构桥方案图

预应力混凝土连续刚构将主梁做成连续梁体,并与薄壁桥墩固结。它与连续梁一样，可以做成多跨一联，在特长桥中，还可以在若干中间跨以剪力铰或简支挂梁相连。典型的连续刚构体系，一般采用对称布置，非常适合于平衡悬臂施工。随着墩高的增加,薄壁桥墩对上部结构的嵌固作用愈来愈小，直至退化为柔性墩。连续刚构桥梁体的受力性能与连续梁相仿，而薄壁墩底部所承受的弯矩和梁体内的轴力会随着墩高的增大而急剧减小。在跨径大而墩高小的连续刚构桥中，由于体系温度的变化，混凝土收缩等将在墩顶产生较大的水平位移,为减少水平位移在墩中产生的弯矩，连续刚构桥常采用水平抗推刚度较小的双薄壁墩。目前，连续刚构桥已经成为预应力混凝土大跨径梁式桥的主要桥型,最大跨径已经突破300m。

连续刚构桥常用于大跨、高墩的结构中，桥墩纵向刚度较小，在竖向荷载作用下，基本上属于种无推力的结构，而上部结构具有连续梁施工的一般特点，因此有较好的技术经济性。

但连续刚构桥对地基承载力的要求更高，若地基发生过大的不均匀沉降，连续梁可通过调整墩顶支座的高程，抵消下沉来补救，而连续刚构桥则做不到。对于大跨度连续刚构，当其主墩刚度过大时，中跨梁体因会产生过大的温差拉力而对结构受力不利。此外，梁墩联结处应力复杂也是连续刚构的个缺点。

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