摘 要

本文借助有限元软件Midas对所给的地段进行桥梁建模、结构设计和验算。

首先我们根据我们的任务要求来构思桥梁的总体设计，然后将前面拟定的方案作出桥型并且挑选出最合适的桥梁构造。这样在确定了桥梁的总体布置之后，我们将桥梁主要的尺寸定下来。

接下来就可以用Midas对桥梁进行建模操作，将我们所算的荷载施加之后计算出主梁的内力图。之后根据桥梁的内力图布置预应力钢筋。布置完后我们就可以验算桥梁的各个截面是否稳定从而修改我们的布筋方案。验算之后接下来要做的是确定下部结构的基本尺寸。

做完这些，最后我们把施工方案选好和施工方面的一些要点提出来。

本文的特色：通过对设计每一步阶段的介绍和记录，还原设计者的思路与设计每一个阶段的真实情况。

关键词：桥梁设计；有限元；结构设计；受力检验

Abstract

In this paper, the finite element software Midas is used to model, design and check the bridge in the given area.

First, we conceive the overall design of the bridge according to our task requirements, then make the bridge type and select the most suitable bridge structure. In this way, after determining the overall layout of the bridge, we will determine the main dimensions of the bridge.

Next, we can use Midas to model the bridge and calculate the internal force diagram of the main girder after applying the calculated load. Then, according to the internal force of the bridge, the prestressing steel bars are arranged. After layout, we can check the stability of each section of the bridge and modify our reinforcement scheme. After checking, the next thing to do is to determine the basic size of the underlying structure.

Finally, we put forward some key points in the selection of construction plan and construction.

Key Words：Bridge Design; Finite Element; Structural Design; Force Testing

目 录

第1章 工程概况 1

1.1 目的及意义 1

1.2 设计资料 1

1.2.1 技术标准 1

1.2.2 设计规范 1

1.2.3 注意事项 1

第2章 方案比选 2

2.1 桥梁设计原则 2

2.2 结构形式 2

2.3 拟定方案 4

2.4 桥跨结构图示及主要尺寸拟定 5

第3章 荷载内力计算 7

3.1 恒载内力计算 7

3.1.1 计算方法 7

3.1.2 计算结果 7

3.2 活载内力计算 8

3.3 内力组合 9

第4章 预应力钢束设计 12

4.1 计算原理 12

4.2 预应力钢束的布置 13

4.2.1 预应力钢束布置原则 13

4.2.2 预应力钢束的布置 13

第5章 PSC验算结果 17

5.1 施工阶段正截面法向压力验算 17

5.2 使用阶段正截面压应力验算 21

5.3 使用阶段正截面抗裂验算 22

5.4 使用阶段斜截面抗裂验算 24

5.5 使用阶段斜截面正压应力验算 26

5.6 使用阶段正截面抗弯验算 27

5.7 施工阶段斜截面抗剪验算 30

第6章 下部结构设计 34

第7章 施工组织设计 36

7.1 悬臂施工的特点 36

7.2 悬臂拼装法步骤 36

7.3 施工控制 36

参考文献 37

总结 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1目的及意义

（1）运用在大学4年所学的专业知识,对所给桥梁进行设计,重点锻炼设计结构、选择材料、运用软件等能力。

（2）提高学生主动性、创造性等独立工作的能力。

（3）锻炼工作时的组织能力、分析工程工作量计算及解决问题的能力。

（4）提高我们进行研究和搞定问题的水平，学习查找问题、软件画图的熟练度。

（5）使学生感受到理论联系实际的思想，体验工程人员在对施工准备的大局观和规划。为步入工作打基础。

（6）加强同学与老师、同学与同学间的交流沟通，这是在进行各行各业上非常重要的能力。

（7）使学生熟悉各种查找文件、翻译的方法和学会将所学的东西系统化整合、独立操作完成任务的能力。

1.2 设计资料

1.2.1技术标准

（1）计算行车速度：100Km/h。

（2）荷载：公路I级。

（3）桥宽：桥梁与分离式路基同宽为13m，左右线分离。（12m（行车道） 2×0.5m（防撞护栏））。

（4）桥面横坡：单向2%。
1.2.2 设计规范

中华人民共和国交通部标准《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)。

1.3注意事项

1. 本次设计时间至5月27日，在开题报告中要规划每个时间段的工作并及时提交检查。
2. 本次设计学生可以使用电脑软件简化运算，避免文章过于繁琐冗长。
3. 有问题应及时询问指导教师，避免对之后产生较大影响和造成更严重错误。
4. 学生若申请实地实习考察应提前打好报告并做好准备以免意外。
5. 论文应坚持学生自己原创，避免抄袭。

第2章 方案比选

桥梁的形式根据跨度初步选择为连续钢构桥、拱桥、斜拉桥。对此三种桥型作比较，根据以下桥梁设计时所坚持的原则，最后确定桥型。

2.1桥梁设计原则：

（1）实用性 桥梁要考虑在承受足够的荷载时长久期限的使用，能保证车俩行驶的安全与舒适；要满足不同时间阶段的需求的同时满足使用需求和不破坏环境，不对农业灌溉影响和桥梁下通航的要求，并且符合规定。同时要能够综合利用，比如在特殊战争时期对国防起作用，地震时保持行人车辆安全。

（2）安全性 桥梁设计的第一要务是安全，要控制桥梁不能发生较大振动，不让车子发生打滑和震荡。构建在制造、运输、安装和桥跨整体使用过程中应保证强度、刚度、稳定性和耐久性。

（3）经济性 考虑好成本，对预算进行控制，尽可能达到物美价廉。

（4）美观性 桥梁是建筑，而建筑是艺术，优秀的桥梁往往是美观甚至被人们当做艺术品来欣赏，桥梁融入环境之中到达一种和谐的美，让人看到桥梁线型时感受它的美与设计者的理念。

2.2结构形式

桥梁全长为500m，单跨最长为200m归类属于特大桥。特大桥中常用的桥梁形式有连续钢构桥、拱桥、斜拉桥等。各类桥型的优缺点如下：

1.连续钢构：它的特点是墩梁固结。主墩具有柔性可以起到支撑作用同时削弱梁纵向的变形，可以配合大跨度高墩梁。高墩具有一定柔度与梁固结之后可以减轻温度影响下混凝土发生的位移。

（1）跨径布置：150m 200m 150m，全长500m。
（2）结构构造：构建三跨连续钢构桥，梁截面采用变截面的单箱单室预应力混凝土箱形截面，支点梁高为13m，跨中梁高4.5m。

（3）桥墩及基础：由于桥面较高采用双薄壁桥墩。

（4）施工方案：平衡悬臂施工法。

图2.1 连续钢构桥（比较方案）

1. 拱桥：优点：跨度足够大；比梁桥更节省钢和水泥等材料；能长久的保持稳定性，且养护、维修费用少；外型美观，构造简单。缺点：结构产生的推力会对脆弱的地基产生破坏，只有强度足够的地基才能使桥保持稳定。

（1）孔径布置：110m 280m 110m。

图2.2 拱桥（比较方案）

（2）结构构造：主桥采用中承式拱桥。梁截面采用单箱四室预应力混凝土箱形梁截面；其截面采用圆端形截面。

优点：竖向荷载加在拱桥上，受压是其主要的承载特点同时会有水平方向的推力加在支撑结构处，这个推力有利之处在于可以抵消一部分拱上的弯矩。修筑时可以利用这一点来减少钢筋混凝土等高强度材料使用。取而代之的是抗压强而抗拉较弱的圬工材料可以减少花费。

当拱桥自重较大的时候会存在一个相应的大的水平推力，从而对墩台和地基产生更高的要求，拱桥施工难度高，造价高，工期长。
3.斜拉桥：优点：梁截面尺寸小使得主梁自重减轻，桥的跨越能力增大；对高差落差的地理条件有优势；不需要集中锚锭构造；便于无支架施工。
缺点：整体刚度小，怕风、费用昂贵、技术要求高。
跨径布置：125m 250m 125m。

图2.3斜拉桥（比较方案）

2.3 拟定方案

（1） 外形比较

斜拉桥：外型美观而时尚；

连续钢构桥：采用墩梁固结，使桥看起来更加轻巧、简洁和美观是城市桥梁中较多采用的方案型式；

拱桥：形式多样，外形美观。

（2）施工比较

斜拉桥：技术较复杂，施工难度高；

连续钢构桥：桥的整体性较好，且施工工期较短；

拱桥：施工稍复杂，且工期也较长。

（3） 经济比较

斜拉桥：设计施工费用高；

连续钢构桥：工艺成熟，造价适中；

拱桥：施工稍复杂，造价比较高。

（4）安全比较

斜拉桥：整体刚度较低，抗风性稳定性不佳；

连续钢构桥：预应力混凝土连续刚构桥不必设伸缩缝、支座，更加方便，顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度足够大，同时造价费用不高。还可以抗震，所有墩同时分担水平振动。墩梁固结便于悬臂施工。

拱桥：比较依赖地基和基础的承载力，多孔对整体结构不利因为相互之间由影响；建筑较高稳定性减少。

综合考虑选择连续钢构桥。

2.4桥跨结构图式及主要尺寸拟定

（1）跨度150m 200m 150m，全长500m。

图2.4 连续刚构桥

该桥为三跨连续钢构桥，连续梁的立面宜采用变截面布置。边中跨比取0.6。

（2）支点截面梁高

箱梁根部梁高：H=（1/20～1/17）L=（1/20～1/17）×250m=（12.5～14.7）m
取H=13m
跨中梁高： H=（1/60～1/50）L=（1/60～1/50）×250m=（4.2～5）m
取H=4.5m
为方便，边跨跨中梁高取4.5m。

因此，该桥采用三跨连续梁桥，梁截面采用变截面的单箱单室预应力混凝土箱形截面，支点梁高为13m，跨中梁高4.5m。（图2.5/2.6）
桥面铺装10cm防水混凝土层和3cm沥青层。
（3）箱梁腹板厚度

本桥跨度较大，因此既要保证桥梁承载力的同时尽量减轻自重，参照国内外桥梁方案。本桥腹板厚度为1m；悬臂根部为1.2m；梁肋厚度为2m。

（4）箱梁底板厚度

箱梁支座处：受力状态复杂且承载力要求高，取1.5m。

箱梁跨中处：取1m。

箱梁顶板处:要符合布置预应力钢筋要求，取1m。

图2.5 跨中梁截面图

图2.6 跨中梁截面图

第3章 荷载内力计算

桥梁从结构和受力来说都是比较复杂的。想要大致分析桥梁的受力，就应该考虑主要的影响忽略不必要的考虑，因此把桥梁的纵剖面作为主要研究的对象来验证它的受力，设计软件Midas刚好符合我们的需求。

3.1恒载内力计算

3.1.1计算方法

Midas提供的有限元方法可以用来算恒载内力，建立桥梁模型之后，对主梁施加恒荷载（包括自重荷载和二期恒载）。

图3.1桥梁模型

3.1.2计算结果

主梁恒载内力，一期恒载为主梁自重荷载，二期恒载为桥面铺装、栏杆等荷载。

表3.1 自重荷载下截面的内力

图3.2 主梁在一期恒载下的弯矩图

图3.3 主梁在一期恒载下的剪力图

表3.2 二期恒载下截面的内力

图3.4主梁在二期恒载下的弯矩图

图3.5 主梁在二期恒载下的剪力图

3.2活荷载内力计算

在Midas中按照要求对左车道和右车道施加普通汽车荷载，输出梁单元在汽车荷载作用下的受力图

表3.3 汽车荷载下的截面内力

图3.6汽车荷载作用下梁单元弯矩图

图3.7汽车荷载作用下梁单元剪力图

3.3内力组合

按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合后取其最不利效应组合进行结构设计。

荷载组合

主梁荷载效应的组合及内力包络图（桥梁的设计安全等级为一级）：

基本组合：1.20×自重 1.20×铺装 1.40×移动荷载

短期作用：1.00×自重 1.00×铺装 0.70×移动荷载

长期作用：1.00×自重 1.00×铺装 0.40×移动荷载

注：

1.根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）（以下简称《通规》）规定特大桥单孔跨径。

2.根据《通规》规定，特大桥、重要大桥的设计安全等级为一级。本设计安全等级取为一级。

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