2010届土木工程专业桥梁方向预应力混凝土T型刚构桥（悬浇）及挂篮设计毕业设计指导书华东交通大学土木建筑学院桥梁教研室指导教师：桂水荣2010年2月20日2009届土木工程专业桥梁方向预应力混凝土T型刚构桥（悬浇）及挂篮设计毕业设计指导书一、设计论文（计算书）各章节要求：计算书中，在写出计算过程的同时，注意以下内容要求：1．桥式方案比选绘出参与比选的各类桥型简单示意图。

2．拟定主梁和桥墩基本尺寸；建立计算模型；进行单元和节点的划分。

梁体和桥墩构造立面尺寸示意；梁体和桥墩主要截面尺寸示意；结构计算模型示意图；结构离散示意图(即单元、节点划分示意)。

3．估算主梁纵向预应力钢束的数量：配筋面积需满足持久状况下正常使用极限状态的应力要求和承载能力极限状态的强度要求。

考虑荷载（或作用）：恒载（结构自重、基础变位）、汽车荷载、温度影响。

以上作用组合按桥规要求进行。

输出主梁重要断面（墩顶处、跨中处、梁端、L/4断面）汽车荷载效应、温度次力矩、基础沉降次力矩。

输出估束时粗分的各施工阶段结构自重弯矩曲线（标出峰值点数值）；输出以上各阶段累计弯矩曲线。

输出正常使用极限状态下弯矩和剪力包络图；承载能力极限状态下弯矩和剪力包络图；正常使用极限状态下结构配筋面积表；承载能力极限状态下结构配筋面积表；主梁各截面通过束数量表；各梁段锚固束数量表。

4．主梁纵向预应力钢束的线形布臵和坐标计算作出顶板束、腹板束、底板束的立面线形一般示意；梁体主要横断面预应力钢束布臵示意、竖弯曲线要素表（包括钢束弯起角度、曲线半径、切线长度、导线点坐标等）5．利用软件模拟桥梁悬臂施工过程直至全桥合拢、桥面系铺装完成。

计算一期恒载内力和二期恒载内力。

施工信息中需考虑：阶段安装单元、张拉锚固相应的纵向和竖向预应力钢束、该阶段施工时的边界条件、主从约束和挂蓝移动操作等。

施加荷载统计：梁段自重、桥面系自重、预加力、混凝土收缩与徐变、基础沉降；温度影响；施工所用挂蓝、机具等荷载。

输出主梁重要施工阶段（最大悬臂阶段、边跨合拢阶段、中跨合拢阶段、桥面铺装阶段）内力图；输出最大悬臂阶段应力验算结果；输出最终恒载内力（各施工阶段的累计内力）图形。

打印：某施工信息输入界面的当时屏幕显示（可用屏幕硬拷贝）。

6、预应力损失及有效预应力的计算给出某号钢束预应力损失和有效预应力数据表。

7、预加力、混凝土徐变等次内力计算给出使用阶段的预应力总效应（包括初内力和次内力）；使用阶段混凝土徐变效应。

（可挑选主要单元的结果）8．主梁加载计算与使用阶段作用效应组合：进行持久状况下正常使用极限状态组合（短期效应）和承载能力极限状态组合（基本组合），其中荷载分项系数和组合系数按桥规有关规定。

给出以上作用组合弯矩包络图。

9．主梁各项验算：主要断面持久状况承载能力极限状态强度验算表；持久状况主梁砼最大压应力验算表、预应力束最大拉应力验算表；持久状况主梁砼主压应力验算表。

主要断面持久状况正常使用极限状态：正截面抗裂验算表、斜截面抗裂验算表、挠度验算（手工验算）。

以上结果仅输出主要截面（桥墩处、中跨跨中或梁端）验算数据表格。

10.挂篮设计按给定的挂篮形式及构件的材料类型，设计挂篮，并做以下验算：主梁、前上横梁、前下横梁的内力、挠度计算并绘出相关简化计算模型及内力图，最不利截面位臵处构件材料强度及焊缝验算。

后锚固系统：锚杆、扁担梁、钢销及开孔处钢板强度验算。

吊挂系统：吊杆、扁担梁、销钉及销钉开孔处钢板强度验算。

挂篮行走稳定验算。

绘图：绘制挂篮施工总图、箱梁预留孔（筋）位臵图、底模平台图；补充绘制部分主梁结构图、前上横梁结构图、中横梁结构图、吊挂系统结构图、后锚固系统图。

以下对局部内容给出一些参考性意见：二．桥型方案比选方案比选应包括不同桥型方案的经济分析比较、技术难度、可行性比较、结构受力特性，下表是T形刚构、连续梁与连续刚构桥三种桥型结构体系受力特性的比较情况。

三．梁部结构尺寸拟定；单元与节点的划分；建立计算模型（一）梁墩固接处的设计刚构桥的梁墩固接处构造与受力十分复杂，是结构设计的关键部位。

固接处的联结形式，首先取决于墩柱的形式，同时应考虑使传力路径明确简洁、力线流畅、避免应力集中和施工方便。

以下为几座大桥墩梁联结构造，具体介绍见参考文献[2]。

（二）结构离散在使用杆系程序分析结构前，必须对桥梁结构进行离散化，建立结构的计算图式。

可遵循以下原则：（1）保证体系的几何不变性。

在较复杂的施工体系转换中尤其应注意。

同时也应避免与结构受力不符的多余约束。

（2）计算模型应尽量符合结构的构造特点和受力特点。

如对于零号块的处理、支座的处理等。

（3）在合理模拟结构、保证计算精度的前提下，尽量减少节点数目，以缩小计算规模。

一般在以下位臵应划分节点：（1）构件的转折点和截面变化点；（2）施工分界点、边界处及支座处；（3）需验算或求位移的截面；（4）初位移不连续处。

单元、节点编号时，应尽量使单元两侧节点号之差最小，这样可使形成的总刚度矩阵带宽最小，从而节省存储量和减少运算量。

（三）建立计算模型1．建立桥墩和主梁固结的整体模型，固接处可采用给定同一节点号（或采用不同节点并且用主从约束定义主从节点）。

2．主梁为桥面单元、全预应力混凝土结构；定义桥墩时为非桥面单元、钢筋混凝土构件。

输入单元信息时应选择是否为现浇构件，因为在04规范中，对预制拼装构件和现场浇筑构件的验算标准是不同的。

3．冲击系数的计算按桥规4.3.2及条文说明进行，计算后自行输入。

4．桥面横坡可通过调整两侧腹板不等高度来达到，计算模型模型建立时可简化为平坡。

5.悬臂施工时，对现浇梁段加载龄期可取28天，预制拼装梁段龄期取7～10天。

L（L为计算跨径），可满足工程精度要求，并防止双薄臂墩之间距6.动态加载步长取50离过小造成程序运行时间过长。

四．估算主梁纵向预应力钢束数量：（一）估束时定义的荷载信息：1．永久作用：包括自重、基础变位可粗略划分主要几个施工阶段来计算由结构自重引起的内力（包括梁体自重和桥面系自重）。

施工阶段可粗略划分为悬臂浇筑至最大长度、边跨支架现浇、边跨合拢、中跨合拢、桥面铺装、（混凝土收缩徐变1000天）这五（六）个施工阶段。

墩台基础沉降与地基土壤的物理力学特性有关，一般也是随时间而递增的，经过相当长的时间，接近沉降终极值。

为简化分析，假定沉降变化规律相似于徐变变化规律，由力法方程求解，具体计算原理见参考文献。

2．可变作用：汽车荷载、汽车冲击力、人群荷载、梯度温度活载内力增大系数ζ经验值为1.15（由于偏载引起的约束扭转正应力大约为活载引起正应力的15%）。

桥博活载信息中荷载的横向分布调整系数为：ζξ⋅⋅K 横横ξ为横向折减系数1.0（两车道）、0.67（四车道），K 为横向布臵的车列数。

3）温度作用：均匀温度作用和梯度温度作用。

均匀温度作用只有在结构的位移受到限制才会引起温度次内力。

太阳辐射形成沿梁高度方向的非线性的温度梯度，导致结构产生次内力。

本设计采用的竖向梯度温度按桥规（JTG D60-2004）P35页内容取值。

3．作用组合：按桥规第4.1.6和第4.1.7条进行承载能力极限状态（基本组合）和正常使用极限状态下（短期效应组合，长期效应组合）。

各种组合下最大和最小弯矩值m ax M 、min M 为后面估算钢束数量服务。

（二）估束原理：根据桥规要求，预应力砼桥应满足正常使用极限状态下的应力要求和承载能力极限状态下的正截面承载力要求。

预应力筋的数量可以从这两方面综合确定。

1.持久状况下按正常使用极限状态的应力要求配束：截面上、下缘钢束数量估算公式推导具体过程详见参考文献…3‟P37-39。

悬臂浇筑施工梁桥的结构次内力值较大，为了酌情考虑次内力影响，可将桥博输出的正常使用极限状态，截面下缘力筋数量适当加大20%～30%（工程上次内力值取用结构最大控制设计弯矩值的20-30%。

应指出，次内力的计算也与结构施工方法转换体系的顺序有关系。

此项估算是非常粗略的。

由于次内力影响，梁桥体系支点负弯矩值是减小的，可不必调整数量，而跨中正弯矩值则要加大，因此在预估承受正弯矩的力筋数量时可适当加大20%～30%）2.持久状况下按承载能力极限状态的正截面抗压承载力（强度要求）配束：预应力梁到达受弯极限状态时，受压区混凝土应力达到混凝土轴心抗压强度设计值，同时受拉区钢筋达到抗拉设计强度。

若截面承受双向弯矩作用时，可各自视为单筋截面，分别计算上、下缘所需的力筋数量。

当忽略实际存在的双筋影响时（受拉区、受压区都有预应力筋），计算结果偏大，作为力筋数量的估算是允许的。

计算图示见参考文献…3‟P39-40和文献…1‟。

根据桥规5.3.5条计算： 按破坏阶段静力平衡列出方程：⎪⎩⎪⎨⎧-⋅⋅=⋅⋅=)2(000x h x b f M x b f N cd p cd p γγ 式中pd p p p f a n N ⋅⋅= 联立二式求解受压区高度x 和p N 。

cd f 为砼抗压强度设计值；pd f 为预应力筋抗拉强度设计值；0γ为结构重要性系数；p M 为弯矩组合设计值。

3.持久状况下截面上、下缘所需最小钢束数量应同时满足：正常使用极限状态下的应力要求和承载能力极限状态下的正截面承载力要求。

注：总体信息中选择”估算钢束面积”、”预应力损失估算量”取25%、桥梁相对湿度0.8。

4.数量调整：考虑到采用大吨位预应力群锚体系当同一截面的锚固数过多时，会引起较大的应力集中（砼产生裂缝或压碎），同时考虑结构受力对称的需要，一般在同一断面的锚固束束数为2束、4束或6束。

故可能需要对钢束作较大的调整。

如果截面上缘调整后的钢束数比计算钢束数增加，增加的钢束对下缘混凝土将产生拉应力，因此下缘也需要增加钢束平衡。

一般，若上缘多配n束，则下缘相应增配n束；若下缘多配n束，则上缘相应增配n束。

5.（短暂状况）悬臂最大施工阶段的配束计算：按承载能力极限状态下的强度要求进行。

按破坏阶段的静力平衡原理列出方程。

此部分内容要求手算、自编程序或采用excel完成。

五．主梁纵向预应力钢束的线形设计与坐标计算（一）钢束布臵具体要求：1．预应力的布臵应对称于构件截面的几何竖轴线，否则在确定构件的内力时尚须考虑预加力对截面竖轴线的偏心影响。

力筋数量较多时可分层布筋。

从充分发挥材料的性能看，使预应力束具有最大力臂，可较大程度地发挥其力学效应，故预应力筋应尽量沿横截面的上、下缘布臵。

顶板的长束应尽量布臵在上层，短束在下层，底板的长束应尽量布臵在下层，短束在上层。

分层布束时，应使管道上下对齐，有利于混凝土浇筑与振捣，避免采用梅花形布臵。

应充分利用梗腋布束，有利于结构轻型化。

2．一般来说，悬臂施工时先锚固下层短束，后锚固上层长束；横断面上靠近锚具的钢束先张拉锚固，远离锚具的钢束后锚固。