摘 要

在预应力混凝土结构中，高强钢筋的抗拉性能能够被充分利用，连续刚构桥墩与梁刚性连接，主梁弯矩可以传递到桥墩，分担了全桥的内力，可跨越较大跨度的范围。两者的结合使得整座桥结构性能更加优越。

以九江市八里湖大桥为背景，本次设计的主要过程有拟定上下部结构尺寸、刚构桥模型的建立、主要截面内力的验算以及下部结构的分析。桥梁跨径布置为40 70 40m，荷载等级为公路-Ⅱ级，主梁截面为单箱双室的变截面，施工方法采用悬臂浇筑和边跨部分的满堂支架浇筑，以保证施工阶段通航需求。经过模型的运算，来分析恒载和活载下的内力，并进行预应力损失和各类次内力的验算,以及主要截面应力和抗裂性验算。另外，下部结构设计验算了桥墩及桩基础的承载能力，确保全桥结构的稳定性。

关键词：预应力混凝土；连续刚构桥；Midas建模；上部结构；下部结构

Abstract

In the prestressed concrete structure, the tensile properties of high-strength steel can be fully utilized. Continuous rigid frame piers are rigidly connected with the beam. The main beam bending moments can be transmitted to the piers, sharing the internal forces of the full bridge, and can span the span of larger spans. . The combination of the two makes the entire bridge structural performance more superior.

Taking the Bali Lake Bridge in Jiujiang City as the background, the main processes of this design include the establishment of the upper and lower structural dimensions, the establishment of a rigid-frame bridge model, the verification of the main section internal forces, and the analysis of the substructure.The span of the bridge is 40 70 40m, the load level is Grade II, and the cross-section of the main girder is a single-chamber double-chamber variable section. The construction method adopts the cantilever cast, and the side span part adopts the construction method of full-house bracket pouring,to ensure the navigation requirements during the construction phase.Through the calculation of the model, the internal forces under dead load and live load are analyzed, and the loss of prestress and the verification of various secondary forces are performed, along with the calculation of the main section stress and crack resistance.In addition, the lower structural design is designed to verify the bearing capacity of the piers and pile foundations to ensure the stability of the full-bridge structure.

Key Words：Prestressed Concrete;Continuous Rigid Frame Bridge; Midas modeling; superstructure; substructure

目 录

第1章 绪论 1

1.1预应力连续刚构桥概述 1

1.2桥型比选原则 2

1.3连续梁桥与刚构桥的比选 2

1.4施工方法的选择 3

第2章 桥梁结构尺寸及设计资料 4

2.1基本资料 4

2.1.1 地形地貌 4

2.1.2 气象 4

2.1.3 水文 4

2.2 工程地质条件 4

2.2.1地层岩性及工程性能 4

2.2.2工程区域岩土体物理力学特性 5

2.2.3 地震 5

2.2.4 工程地质条件评价 5

2.3桥型布置 5

2.4桥梁结构尺寸 7

2.4.1主梁结构 7

2.4.2墩台及基础 8

2.5技术标注及规范 8

2.6技术标准 9

2.7建筑材料 9

2.8施工方案 9

第3章 连续刚构桥模型建立及内力分析 12

3.1模型建立步骤 12

3.1.1基本参数的设定 12

3.1.2截面的导入 12

3.1.3整体单元的建立 15

3.1.4施工阶段的划分 16

3.1.5边界约束条件 17

3.1.6荷载类型输入 18

3.2模型分析 19

3.2.1恒载的计算分析 19

3.2.2活载的分析验算 22

3.2.3内力效应组合 25

第4章 预应力钢束设计 30

4.1预应力钢束面积的估算 30

4.2预应力钢束布置 32

4.2.1 钢束布置构造要求 32

4.2.2 钢束布置原则 32

4.2.2 钢束形状 33

4.3普通钢筋估算与布置 35

4.4预应力损失分析 38

第5章 次内力的分析计算 42

5.1预应力次内力 42

5.2混凝土收缩次内力 43

5.3混凝土徐变次内力 43

5.4温度次内力 44

5.5支座沉降次内力 45

第6章 主梁截面验算 47

6.1使用阶段正截面抗裂验算 47

6.2使用阶段斜截面抗裂验算 48

6.3使用阶段正截面压应力验算 49

6.4使用阶段斜截面压应力验算 50

6.5使用阶段斜截面抗弯验算 51

6.6施工阶段法向压应力验算 52

第7章 下部构造的设计与验算 55

7.1桥墩细部尺寸 55

7.2桥墩的正截面承载力验算 57

7.3桥台的设计 58

7.3.1 桥台的细部构造 58

7.3.2 桥台的配筋及验算 59

7.4桩基础设计 61

7.4.1桩基所受荷载 61

7.4.2桩长及承载力计算 61

7.4.2桩基础截面内力 62

7.4.3桩基础截面配筋及强度验算 63

参考文献 67

致谢 68

第1章 绪论

1.1预应力连续刚构桥概述

普通钢筋混凝土构件在达到裂缝宽度容许值时，其中的钢筋产生的拉应力远远小于其抗拉强度的标准值，因此高强钢筋无法充分发挥其性能，这样的截面必然不能达到合理性和经济性。为了尽可能避免混凝土构件出现裂缝，充分利用材料的性能，人们采用预应力混凝土结构，来解决钢筋混凝土的抗拉性能。

为了避免钢筋混凝土结构中钢筋拉应力未达到标准值，混凝土却较早出现裂缝，在混凝土结构中，采用人工张拉钢筋，并将钢筋锚固在结构的两端，当钢筋回缩时产生的力使受拉区预先受到压应力。受弯荷载的混凝土构件，下部受拉区产生拉应力，最先抵消的是钢筋的预压应力，随着荷载的逐步增大，钢筋和混凝土共同受力，直至裂缝的出现，这就延迟了裂缝产生的时间和充分利用到钢筋的强度。

预应力混凝土连续刚构桥结合了预应力结构和连续梁的优点，其主要特点是墩梁固结，从而省去设置支座的步骤，同时施工过程中无需体系的转换；主梁通常选择具有更大惯性矩的箱型截面，使得主梁纵向的抗弯刚度和横向的抗扭刚度较大，降低了跨中挠度；由于墩梁的固结，桥墩处受力并承担弯矩，降低了跨中的弯矩，保证了桥梁更大的跨越性能；当桥墩采用柔性墩时，能更好适应由温度升降和混凝土的收缩徐变带来的位移，避免次内力的集中；另外，连续刚构桥桥墩较高，满足山区的跨越要求和河流的通航要求。

国外预应力连续刚构体系桥梁早期发展于原联邦德国，典型的代表本道尔夫桥，该桥的主跨跨径达到了208米，采用变截面单箱单室箱梁，T型箱梁为上部结构，与薄壁主墩采用固结连接方式，在主跨的跨中采用剪力铰连接。继本道尔夫桥之后，日本在上世纪七十年代相继修建了浦户桥和滨名桥，均采用连续刚构铰接体系。1985年，澳大利亚建成了具有里程碑意义的门道桥，主跨跨径260米，桥墩高度达到48.28米，充分体现了连续刚构体系具有跨越能力大的优点，并保持了此类型桥梁跨径记录近十年。随后挪威于1998年建成了主跨298米的Raftsundet桥和主跨301米的Stolmasundet桥，这两座桥的跨径几乎达到了悬臂施工梁桥的极限。

我国在上世纪八十年代开始从国外引进连续刚构桥型及技术，1988年自主设计并建造了第一座预应力混凝土连续刚构桥——广东洛溪大桥，主跨达180米，采用双薄壁墩。此后，由于极具竞争力的跨越能力和适应性，连续刚构桥在我国得到广泛的推广和应用。1997年，我国建造了主跨为270米的广东虎门辅航道桥，该桥成为当时跨径最大的预应力混凝土连续刚构桥。近年来，分别于2006年和2008年建成重庆石板坡长江复线桥和苏通大桥辅航道桥，主跨分别达到330米和268米，不断的将连续刚构桥型推向新的高度。随着近四十年来的高速发展，我国在连续刚构桥的理论设计和施工技术上已经达到国际领先水平。

1.2桥型比选原则

在桥型比选过程中，应根据一定的比选原则来进行。首先桥梁的主梁部分需要满足在桥梁设计年限内，汽车和行人的安全通行的要求，若桥梁通过河流，还需要满足桥下部结构通航、泄洪的要求，并且该桥型的跨越能力达到河流的宽度要求。其次，保证桥梁施工和后期养护、维修的经济性，在施工阶段采用不同的施工工艺会影响工期进度和成本，在运营阶段桥梁最初的结构性能会影响维护复杂程度和频率。通常采用更为先进施工方法的桥型不仅便于施工设备、机械的安装，还能降低施工强度，加快工程进度，同时保证构筑物的质量和建设过程的安全。另外随着交通流量和速度的增长，对行车舒适性的要求也越高，避免车辆对桥面造成过大的冲击，限制冲击力和风荷载对桥梁造成的振动幅度，桥梁的整体结构要适应荷载产生的振动频率。最后，桥梁的外形要符合美观的要求，坐落于城市的桥梁更要与周围环境相协调。

在技术安全性方面桥梁均满足结构的强度、刚度、稳定性和耐久性，主桥需存有一定的安全系数。除一般抗震性需要达到要求外，修建在地震多发地区的桥梁更应加强抗震措施，同样对于悬索桥、斜拉桥等柔性拉索桥梁，更需要考虑风荷载导致的风振影响。在上部主梁结构的铺装部分，需要设置具有足够强度的防撞桩和防护栏，桥面设置竖向或横向排水孔道，桥面的两梁端之间设置横向伸缩缝，以适应温差、混凝土收缩徐变等引起的变形，在交通流量较大的桥上和城市桥上，都要设置照明设施，避免夜间行车发生碰撞。在桥梁的下部结构，需要加强桥墩基础的防护，防止被水流冲刷基础，对于有大型船舶通航需求的桥梁，桥墩尺寸需要加宽以构成防撞构筑物。

1.3连续梁桥与刚构桥的比选

连续梁桥在一联的跨径内，主梁部分没有伸缩缝结构连续，在荷载作用下主要承担弯矩并且变形连续，主梁和桥墩之间通过支座传递垂直作用力，在多联桥跨中主梁通过伸缩缝连接成整体。刚构桥主要承重结构即墩梁采用刚性连接，在荷载作用下可分担主梁的弯矩，显著减小主梁跨中部分的正弯矩，与连续梁相比，主梁梁高相同时跨越能力要明显优于连续梁；若保持同样的跨径，刚构桥的主梁截面高度比连续梁要小，即减轻了上部结构的自重，节省了建筑材料。施工时由于需要跨越河流，为了保证通航需求得采用悬臂施工方法，连续梁桥悬浇阶段需要设置临时支座并在施工完成后拆除，完成体系转换，刚构桥就可以省略这一施工步骤，增加了施工的便捷性。在主梁桥面部分，刚构桥可只设置两个伸缩缝，比连续梁桥需要设置的少，行车舒适度更好。另外，在地震作用时，刚构桥所受的水平力可分摊到各个桥墩来承受，不必像连续梁桥专门设置抗震支座，因此抗震性要优于连续梁桥。

1.4施工方法的选择

支架就地浇筑施工方法适用范围很广，但通常用于桥墩不高跨径在六十米内的桥梁，施工步骤是先搭设支架，在支架中安装模版并铺设钢筋骨架和绑扎箍筋，铺设完成预应力孔道后浇注混凝土，再进行预应力筋的张拉，最后拆除支架形成桥梁结构。这个过程中施工比较平稳，浇注成型的整体结构稳定，不需要大型吊装机械，施工工艺简单。但搭设大量支架耗费时间和影响桥梁下部的船舶通行，支架所占用范围大，水面下地质复杂，架设困难费用高，施工过程管理不便。

悬臂施工方法虽然难度较高，需要专门的施工机具和成熟施工队伍，但是可以多个桥墩同时施工，大大缩短工期。其施工步骤是利用挂篮设备从已浇筑完成的桥墩0号块处对称向两侧逐段浇筑混凝土，等完成混凝土的养护使其强度达到标注后，张拉预应力筋将浇筑的梁段与主梁连成整体，再向前移动悬浇设备进行下一节段的施工，直至边跨、中跨的合拢。悬浇施工尤其适用于变截面桥段的施工，施工时不受桥下地形和水文地质的影响，同时不影响桥下的车辆或者船舶的通行。

第2章 桥梁结构尺寸及设计资料

2.1基本资料

2.1.1 地形地貌

本桥呈南北走向，位于八里湖与赛城湖连接通道上，东侧为八里湖，西侧为赛城湖，与西侧既有的南浔铁路桥平行，距南浔铁路桥约30m。桥址处地势较为平坦。

2.1.2 气象

本区地处亚热带湿润季风气候，四季分明，寒暑变化显著，温差变化明显, 年平均气温16--17C，一月平均气温4.4℃,七月平均气温32.3℃ , 年极端最低气温-12.3℃ , 年极端最高气温40.3℃, 年降雨量1300--1600毫米,主要集中在春夏二季 , 年无霜期239--287天。年平均雾日在16天以上，年平均湿度达75--80%。

2.1.3 水文

根据野外调查及钻探情况分析, 场地地下水类型有上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。

上层滞水为八里湖湖水,受季节及气候的影响较大。

基岩裂隙水主要赋存于泥质粉砂岩裂隙中, 其裂隙泥质充填和连续性较差的特点，透水性不强，富水程度也较弱，属弱富水层。

据根水土工质分析报告和《岩程勘察规范》GB50021-2001，2009版第12.2条，环境类别为Ⅱ类。本区地下水和湖水，水质良好，对钢筋、混凝土微腐蚀性。

八里湖设计水位为18.97m，起排水位为16.62m（均为黄海高程）。

2.2 工程地质条件

2.2.1地层岩性及工程性能

根据工程地质调绘及钻探资料可知，桥址区地基土共分为5个工程地质层，详见桥位工程地质柱状面图。结合《公路桥涵地基与基础设计规范》附表1.9及《建筑地基基础设计规范》3.2.6条有关规定，对地基土特性作以下的论述：

第①-1层淤泥：最高层顶高程12.40m,最低层顶高程11.10m,最高层底高程11.70m,最低层底高程10.40m,厚度为0.60-0.80米，平均层厚0.73m。

第②层灰黄色粉质粘土：最高层顶高程13.60m,最低层顶高程13.00m,最高层底高程11.40m,最低层底高程10.90m，揭穿厚度为2.10-2.20米，平均层厚2.15m。

第③层浅灰色粉质粘土：最高层顶高程11.70m,最低层顶高程10.40m,最高层底高程4.60m,最低层底高程2.90m，揭穿厚度为6.70-8.30米，平均厚度7.36m。

第④层强风化泥质粉砂岩：最高层顶高程4.60m,最低层顶高程2.90m,最高层底高程1.50m,最低层底高程-1.40m，全场分布，揭穿厚度为2.70-4.50米，平均层厚3.66m,。

第⑤层中风化泥质粉砂岩：最高层顶高程1.50m,最低层顶高程-1.40m,最高层底高程-20.60m,最低层底高程-23.40m,本次揭穿厚度20.40-24.10m，平均层厚21.86m。

2.2.2工程区域岩土体物理力学特性

根据各土层的物理力学性质指标、野外编录观察并结合《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)及本地区经验，参考详勘报告提供地基土容许承载力［f_ao］和有关桩的设计参数见表2-1：

表2-1地基土容许承载力［f_ao］和有关桩的设计参数表

2.2.3 地震

据本次勘察及周边地质调查分析 , 路线区新构造运动只是在原构造运动基础上的延续与发展 , 具有继承性、间歇性等特点 , 主要表现为大面积的间歇性缓慢上升 ( 或沉降 ) 运动 , 差异性新构造运动不明显。

根据《中国地震烈度区划图》( 江西部分 )(1990 年 5 月 )区内预测未来 50 年内的地震烈度为 VI 度 , 另据福州地震大队的预测,路线区属于九江一一靖安地震烈度VI度危险区,即未来一百年地震基本烈度为VI度,周边邻区发生过若干次地震，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为一组，设计基本地震加速度为0.05g，设计特征周期值为0.35s。

2.2.4 工程地质条件评价

根据工程地质调绘及钻探资料可知，桥址区没有发现影响桥位稳定的不良地质现象。

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