预应力混凝土连续梁桥的发展

第一章 绪论
1.1 概述
1.1.1 预应力混凝土连续梁桥的发展
在过去的桥梁很多都是使用普通的钢筋混凝土材料，但是普通钢筋混凝土结构存在着很多的缺点，比如它很容易出现裂缝，所以并不能够承受高强度的负荷。如果想要解决掉裂缝的影响则需要高强度材料，但这样会使得桥梁的自重变得过大，从而影响桥梁的跨越能力，而且还造成了材料的浪费。在这些问题的影响下预应力混凝土结构便发展了起来，它是在桥梁结构承受荷载之前就预先对混凝土结构施加了压力来抵消外荷载作用下产生的拉应力。
预应力混凝土桥梁最早出现在二战前后西欧的一些国家,当时这些国家在二战后急缺钢材。预应力结构就是用来代替部分钢结构,缓解钢的紧缺,尽快修复战争所带来的创伤。那时预应力混凝土桥梁跨径还是几十米。50年代,跨径开始突破100米。到了80年代,跨径达到了440米。经过实践,并不是所有的跨径预应力混凝土桥梁都是首选。跨径小于400米时,预应力混凝土结构常常是优选方案。
我们国家的预应力混凝土结构起步相对较晚。但是改革开放以来得到了飞速发展。现在,我们国家已经拥有了简支梁、带铰或带挂梁的T构、连续梁、桁架拱、桁架梁和斜拉桥等预应力混凝土结构体系。虽然预应力混凝土结构在我们国家只有80多年的发展。但在桥梁结构中,随着预应力理论的不断成熟和不断发展,随着我们国家的人才不断的努力，预应力混凝土桥梁结构的运用必将越来越广泛。
1.1.2 预应力混凝土连续梁桥的特点
充分利用了高强度材料，减轻了桥梁的自身重量，增大了其跨越能力，大大扩展了使用范围；与钢筋混凝土梁桥比，使用的钢材要减少30%-40%；不容易发生开裂，刚度大，截面高度可以取小些；为装配式桥梁提供了很好的一种手段；但是需要张拉设备而且施工工艺比较繁琐。
1.2 设计基本资料
1.2.1 主要技术标准
1)列车标准：标准B2列车，编组为6组；2）设计行车速度；80km/h；3）正线数目：双线。
1.2.2 设计依据
《地铁设计规范》（GB50157-2013）
《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）
《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092-2017）
《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）
第二章 结构内力计算
2.1 截面形式的选择
对于大跨度的悬臂和连续梁体系，我们一般的选取都是箱型梁截面，因为箱型梁的顶板和底板都比较的厚，可以有效的去抵抗正负弯矩，从而去满足配筋的要求。而且内力的分布也较为均匀，整体性比较好。箱型梁截面分为单箱单室、单箱多室、多箱单室、多箱多室等，其中单箱单室用于桥面宽度较小的情况下，并且节省材

料，所以我们本次设计选用单箱单室箱梁截面。
2.2 尺寸拟定
本桥主梁为47+80+47m预应力混凝土连续梁结构，根据经验拟定桥顶面宽为9.6m，地面宽为5.2m，中支点梁高为4.8m，边支点以及跨中的梁高取2.5m，梁底曲线取二次抛物线，顶板厚度为 cm，中支点处突变至 cm，边支点处突变至 cm，底板厚度由边支点 cm至中支点 cm呈二次抛物线变化，中支点突变至 cm，边支点处突变至 cm。腹板厚度由 cm变化为 cm
。在中支点和梁端部都设置梁横隔板。为了加强顶底板和梁肋的联系，提高截面的整体刚度，常在水平板和竖肋连接处设置梗腋。顶板处梗腋取120*40cm的尺寸，底板处取30*30cm的尺寸。
2.3 施工方法
2.3.1 施工方法的确定
大跨径连续梁桥常用的施工方法有悬臂浇筑法和悬臂拼装法，本次设计我选用的是悬臂浇筑法，悬臂浇筑法是以桥墩为中心，采用移动式挂篮对称的向两边浇筑每一节段的混凝土，等混凝土强度达到标准后，再张拉预应力钢筋，移动挂篮，然后重复进行施工，一直进行到合龙段，边跨现浇段使用满堂现浇支架施工，合龙段使用吊篮进行施工，先边合龙再中合龙。
2.3.2 节段划分
节段长度的划分一般取3-5m，在靠近支点处取小数值，靠近跨中处取大数值，使得每块混凝土重量差距不是很大，方便施工的控制和挂篮的承载力要求。合龙段长度不宜过大，一般取2m，0号块的等高段取3m，则分块为0号块为10m，1到4号块每块都是3.5m，5到9号块每一块都为4m，合龙段取2m，边跨现浇段取6m。
第三章结构内力计算
3.1 主要设计参数
3.1.1 设计荷载
1）结构自重：混凝土容重取26.5kN/m3；
2）二期恒载：包括轨道、供电、新号、挡板、桥面铺装等一共取110kN/m
3）挂篮：不超过最重节段重量的50%，本次取400kN，合龙段吊篮取150kN
4）列车荷载：车型采用国家标准B2型列车，设计行车速度80km/h，列车编组为6辆，定距12.6m，固定轴距2.2m，车辆最大轴重取140kN，最小轴重65kN，影响线异符号区域轴重按80kN计算。竖向动力系数按《铁路桥涵设计规范》4.3.6中的第三个计算：1+u=1+a（6/30+L）。
5）温度荷载：升温梯度温差：T0=10°C，a=5
降温梯度温差：T0=-5°C，a=14
上部结构整体均匀升温25°C，均匀降温25°C。
6）支座不均匀沉降按15mm考虑。
3.1.2主要材料
根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》3.1.2规定预应力混凝土结构的混凝土强度不宜低于C40，本次设计选用C55的混凝土。钢筋根据3.3.1的规定来选取，材料选取1×7型直径为15.2mm的Strand1860型号的钢绞线。
3.2 建立结构模型计算内力
3.2.1模型建立概况
建立模型前先确定主梁的施工流程如下：墩梁的临时固结形成T构，在0

号块对称安装挂篮悬臂浇筑施工，两边跨满堂支架现浇，两边边合龙，中合龙，形成连续梁的结构。
1）在midas中定义材料的特性值，选用TB05的规范，混凝土选用C55，预应力钢绞线采用1860级，选用后如下：
2）截面的输入：除了定义的基本截面外，根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》7.5.16规定，连续梁除了设置端隔板之外，各中间支承处必须设置横隔板。故而还需要输入横隔板尺寸。输入样图和输完后截面图如下：
然后我们根据桥型的变化去设置变截面。
3）节点单元的建立和变截面组的添加：根据我们的施工方法和我们定好的阶段划分可以确定出我们的单元和节点数量，在excel中将各个节点的坐标做好后，我们通过建立一个节点来扩展单元从而做出一个等截面的桥型，再将我们输入好的截面给各个单元正确赋予后得到一个梁底为锯齿状的桥梁大样，而我们的梁底应该是一条圆滑的曲线，则我们通过将变截面设置为变截面组来完成一个基本模型的建立，完成后如图下：
4）时间依存材料特性和单元依存材料特性修改：徐变收缩我采用《公路桥梁规范》的参数设置，随便收缩中构件理论厚度我们暂时输入一个正数值，在利用软件的自动计算功能进行自改。中国规范并没有对强度随时间变化进行规定，所以我们选择国外规范，这里我选用的是欧洲规范【CEB-FIP】，然后将时间依存材料连接，修改如下图所示：

5）结构组、边界组、荷载组的定义和输入：为了在各个施工阶段过程中分别去激活和钝化单元、边界条件和荷载，故而将这些去分组，并通过组来定义施工阶段，方便来模拟施工的过程，在施工阶段的过程中所添加的单元、荷载、边界条件都一定需要分组，在成桥阶段所施加的荷载则不需要去定义组。
1、结构组：将各个施工阶段需要激活的单元去分组，如两个0号块的节点和单元，两个T构的1号块的四个单元和其的节点，将所有的单元和节点进行分组，完成后如下图：
2、边界组：三跨连续梁桥的边界组有主墩的永久固定支座和永久铰支座，一个是连续梁的固定支座，另一个是另一主墩的活动支座，边墩是两个永久铰支座，这只是成桥阶段的支座，而在施工的过程中，我们还需要有主墩的临时固结，在主墩永久铰支座出还要有纵向的临时锁定，边跨有满堂支架，这些我们都需要去分组。在施工的过程中一般有临时支座支撑的时候永久支座是由一个设施来让它不受力，在软件施工阶段的模拟过程中我们可以在钝化临时支座的具体分组如下图所示：
主墩的永久固定支座在软件中是将Dx,Dy,Dz,Rx,Rz全部都约束，主墩和边墩永久

铰支座的约束模拟是将Dy,Dz,Rx,Rz约束，临时固结为了不影响预应力的张拉我们选用一边固定一边铰支的约束来进行模拟，满堂支架在本次设计中我选用的是将边跨现浇段都加只受压的刚性连接，并取边跨现浇上的一个点来约束其他方向的位移和转角，主墩纵向临时锁定是为了在中合龙前让主墩铰支座的一边保持约束正常而加的一个只有Dx方向的约束。所有约束和约束的点见下表格。
6）荷载组：本次设计中涉及的荷载有桥梁的自重，成桥后加的二期恒载，悬臂浇筑施工使用的挂篮，施工过程中每一节段的湿混凝土重量，预应力钢束荷载，系统的整体升降温，温度梯度升降温。
1.自重：在Midas软件中，软件默认取得混凝土容重为25kN/m3，而我们本次设计的混凝土容重为26.5kN/m3，所以在自重系数处应该取-1.06。
2.二期恒载：二期恒载根据我们前面的取值取110kN/m，我们用梁单元荷载进行模拟。给整个桥梁加-110kN/m的均布荷载。
3.挂篮：挂篮取小于最重节段重量的50%，本次挂篮取400kN,合龙段吊篮取150kN，挂篮在施工边上节段块的0.5m处，我选用的菱形挂篮，模拟节点荷载加在距离施工节段块边0.5m处，如下图所示0号的挂篮模拟图：按此方法依次给每个施工阶段加上挂篮。
4.湿重：湿重我们按照对应的挂篮来求挂篮支座的反力来模拟，模拟图如下：求得R1、R2，使用梁单元荷载的集中力来进行模拟，计算的每一节段的湿重力如下：
在软件中的模拟0号块施工中的一号块湿重如图所示：
5.温度梯度升降温：根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》附录B混凝土箱梁温差应力计算可得公式可进行计算，梁截面升温取=10°C，e=5，梁截面降温取=-5°C，e=14。系统整体升降温取。
6.移动荷载：根据《地铁设计规范》规定，本次设计的移动荷载在软件中没有，需要我们自己进行输入，取用用户定义车辆，如下：
根据《铁路桥涵设计基本规范》去调整冲击系数u。
7）施工阶段的定义和建立：根据施工的过程来具体加入施工步骤，去激活钝化各个阶段需要的单元，边界条件和荷载，来模拟施工过程。添加后如下图所示：
3.2.2荷载组合与内力
1）铁路桥梁荷载组合：
1.主力组合（自重+二期恒载+预应力+收缩徐变+活载+沉降）
2.主力+附加力组合（自重+二期恒载+预应力+收缩徐变+活载+沉降+温度作用）
2）内力：
1.恒载内力：恒载包括结构构件和附属设备的自重、混凝土收缩和徐变的影响、预应力钢筋的重、基础变为的影响。在下一章的预应力钢束的估算中，先看在主力组合下的内力图来配置分析。
恒载作用下的内力图如下：
恒载内力图 单位（）
支座沉降内力图 单位（）
2.

活载内力：活载在本次设计中考虑的是列车的竖向静活载和列车竖向动力作用。列车荷载的内力图如下图：
列车荷载内力图 单位（）
徐变内力图 单位（）
收缩内力图 单位（）
第四章 预应力筋的设计
4.1桥梁结构配筋
4.1.1预应力筋的配束原则
在布置预应力钢束的时候，应该去取用主力加附加力的组合进行计算分析，估算重要的单元截面需要的配筋量。预应力束的配置原则还需要去满足《铁路桥涵混凝土结构设计规范》的构造要求，钢束的布置原则是对称与截面的几何中心线，从而消除不对称而引起的截面偏心弯矩。否则在确定构件的内力时尚需考虑预应力对截面竖轴线的偏心影响。
4.1.2预应力筋的估算
在预应力筋的估算过程过，我们并不需要考虑受压区和受拉区钢筋的双筋影响，可以直接用正负弯矩来判断是上缘配筋还是下缘配筋，我们按照正常使用极限状态的应力要求去配筋，在全预应力条件下，我们的估算依据是上下翼缘都不产生拉应力，同时截面上面的最大压应力应该要小于最大允许拉应力。计算依据如下：
可以推导出

式中：、为预应力在截面的上、下缘产生的应力
、为截面上、下缘的抗弯模量
、为最不利荷载组合下的截面内力。
钢束的估算配置可分为三类：1）在上下缘都布置、2）只在下缘布置、3）只在上缘布置。具体计算如下：
1）在上下缘都布置：在估算时此截面同时又正负双向弯矩时需要在上下缘都配筋，配筋量的估算如下：
、的计算公式如下：
=++-
=-++ 联立解方程组可得：

由： 可推得需要的钢束量
其中，
式中 ，——钢筋重心到截面重心的距离；
A——混凝土截面的面积；
，——预应力钢筋的截面面积；
，——截面上、下核心距；
——单束预应力钢筋截面面积；
——预应力钢筋的永存应力。
2)只在下缘配筋：为了抵抗正弯矩时只在下缘配筋，下缘不能产生拉应力，同时不能配筋过多导致上缘产生拉应力，计算原理如下：
则可推得：

3）只在上缘配筋：为了抵抗负弯矩时只在上缘配筋，上缘不产生拉应力，同时不能配筋过多导致下缘产生拉应力，计算原理如下：
则可推得：

在进行预应力钢束估算的时候，预应力筋的应力值应该取有效应力，意思就是我们计算的时候是要在张拉控制力的基础上再扣除各种的预应力损失后才取用的值。根据规范的规定：钢绞线和钢丝的张拉控制力，本次设计我取的是0.7倍的，所以张拉控制力=1302MPa，考虑预应力损失约为张拉控制力的0.2倍，则用于我