连续刚构桥设计方法

1连续刚构桥设计概述一、连续刚构桥的特点作为梁桥的一种，连续梁桥有着结构刚度大、变形小；动力性能好；无伸缩缝、行车平顺的优点。而连续刚构桥是由T型刚构桥演变而来的，其结构特点是梁体连续、梁墩固结。这样既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点，又保持了T型刚构不设支座、不需转换体系的优点。且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度，能满足大跨度桥梁的受力要求。二、连续刚构桥的适用范围连续刚构桥上部主梁的受力与连续梁桥基本相似；下部桥墩由于结构的整体性，温度和收缩徐变造成的内力十分显著。因此其桥墩应该有一定的柔度。使用高强度、轻质混凝土是大跨度梁桥的发展方向之一。目前世界上已建成的连续刚构桥最大单跨为挪威斯托尔马桥(Stolma)，主跨301米，国内最大单跨为虎门大桥辅航道桥，主跨270米。三、设计时需收集的基础资料设计时应围绕桥位选择、桥墩位置、跨径、立面布置、结构体系、施工方法等因素，对桥梁建设的自然条件和功能要求有充分的了解。1、自然条件包括(1)地形地貌、控制物等；(2)工程地质条件；(3)水文条件；(4)气象条件；(5)地震。2、功能要求包括(1)桥梁本身使用功能，如铁路桥梁、公路桥梁、城市桥梁、轨道交通、人行桥等；(2)桥下功能要求，如通车、通航等。四、桥型方案的选择设计时应根据桥梁建设条件，结合技术可行性、施工难度、工程风险与进度、经济合理性、景观协调性等因素，进行桥型比选，确定桥梁的跨径布置。五、上部结构构造尺寸连续刚构桥设计时，可根据工程实践统计，初步拟定构造尺寸，再进行具体计算复核。1、边、中跨跨径比一般在0.52～0.58之间。当边、中跨比较小时，边跨现浇段较短，可减少边跨现浇段支架，对施工有利，但应保证各种工况下边墩处支座不出现负反力。2、梁的截面形式连续刚构桥多采用箱形截面，其具有良好的抗弯和抗扭性能。根据桥梁宽度，可采用单箱单室、单箱多室等截面形式。3、梁高桥梁跨度在60米以内时，可考虑采用等截面高度，构造简单，施工快捷。超过60米时，一般采用变截面梁。梁底曲线以往多采用2次抛物线，为改善L/4~L/8范围的底板混凝土应力，部分桥梁采用1.5~1.8次抛物线，取得了不错的效果。箱梁根部梁高与主跨比可选用1/15~1/20，大部分在1/18。跨中梁高与主跨比可选用1/50~1/60。4、板厚(1)顶板箱形截面顶板厚度一般考虑两个因素：满足桥面横向弯矩的要求；满足布置纵横向预应力钢筋的要求。顶板参考尺寸腹板间距(m)3.55.07.0顶板厚度(mm)180~200200~250280~300(2)底板2箱梁底板厚度随负弯矩的增大而逐渐加厚至根部。根部底板厚度可按根部梁高的1/10~1/12，跨中底板厚度根据底板弯矩及预应力钢筋的配置要求确定，一般为200~280mm。(3)腹板腹板厚度根据预应力钢筋的布置要求和抗剪要求确定。一般在350～800mm之间。按《桥规》JTGD62-2004中对受弯构件的抗剪验算规定，腹板厚度需同时满足以下要求：0,301051.0bhfVkcud(腹板截面尺寸的要求)pbsbcsdVVVV0(腹板抗剪承载力的要求)详见规范P28的5.2.7和5.2.9条之规定。(4)悬臂板采用普通钢筋混凝土结构时，箱梁悬臂长一般在1.5～3.0m之间取值，大于3.0米时，需张拉横向预应力。悬臂板厚度参考尺寸悬臂长(m)悬臂根部(mm)悬臂端部(mm)悬臂处为车行道≤1.53201801.5～2.04001802.5～3.0550200悬臂处为人行道≤1.53001501.5～2.03801502.5～3.05001805、梗腋(承托)尺寸梗腋的形式和尺寸也是箱梁细部构造内容之一，合理设置梗腋，可提高截面的抗扭和抗弯刚度，减少扭转剪应力和畸变应力，使力线过渡比较平缓，减小次应力。从构造上考虑，利用梗腋所提供的空间可方便预应力钢筋的布置，降低箱梁顶、底板的厚度。设计时可参考已建桥梁的相关统计资料，结合预应力钢筋布置的构造要求来确定梗腋形式和尺寸。6、横(隔)梁设置箱形截面梁的抗弯及抗扭刚度都较大，除在支点处设置横梁以满足支座布置及承受支座反力需要外，还可设置中横隔梁。箱梁横隔梁的主要作用是增加截面的横向刚度，限制畸变应力。对于单箱单室截面，一般可不设中横隔梁，对于多箱截面，为加强桥面板和各箱间的联系，可在箱间设置数道横隔梁。横(隔)梁厚度应根据桥梁跨径、宽度，结合支座、桥墩布置具体确定，一般情况横梁在端支点处取1.0m，中支点处取2.0m，横隔梁设在跨中，厚度为300mm。六、附属设计进行总体设计时，应综合考虑附属结构布置的方式、位置、引起的荷载等影响。1、桥面铺装目前混凝土结构的铺装一般采用两层，即在结构顶面铺设钢筋混凝土调平层，然后再铺设沥青混凝土面层，两层间设置防水层。桥面铺装的防水层应严格保证其施工质量，确保防水性能的可靠。铺装厚度参考值沥青混凝土铺装层70～100mm细粒面层+中粒基层防水层1mm不计入高程计算钢筋混凝土铺装层60～100mm多梁预制拼装结构取大值，整梁预制架设或整体现浇结构取小值2、防撞护栏、栏杆结合防撞要求、实际使用需求、景观协调性等选择合适的护栏和栏杆形式。3、伸缩缝桥梁伸缩缝一般通过计算确定合适的伸缩量后选择定型产品。设计时应按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》P87~89的8.6条进行计算。4、桥面排水根据实际条件选择直排或通过管道汇至桥墩处引到地面。5、路灯、隔音屏根据照明、隔音等功能要求，合理选择其布置位置和形式。6、过桥管线等如有电缆、水管等管线过桥的要求，应考虑其布置位置和方式，并在计算时考虑其产生的荷载。3七、主要材料1、混凝土大跨度预应力混凝土连续刚构桥对混凝土的基本要求为：高强度、低收缩徐变、缓凝早强、高弹性模量等。常规作法是选用高品质的硬骨料和高标号水泥，尽量降低水灰比，并通过加入减水剂来满足混凝土的泵送要求，使混凝土缓凝和弹性模量提高。通常采用的混凝土强度等级为：箱梁上部结构采用C50混凝土；桥墩采用C40混凝土；桩基础、桥面铺装采用C30混凝土。标号容重ρ（kN/m3）fcd(MPa)ftd(MPa)Ec(MPa)C5026.022.41.833.45×104C4026.018.41.653.35×104C3026.013.81.393.00×1042、预应力钢束预应力钢束通常采用符合国家标准《GB/T5223》的直径15.2mm的预应力钢绞线，其主要力学性能为：极限抗拉强度：fpk=1860MPa；锚下张拉控制应力不大于：0.75fpk=1395MPa；（实际张拉过程中应注意锚口到锚下应有锚口损失，两端张拉为2.5％，单端张拉为1.25％）弹性模量：Ep=1.95×105MPa；预应力连续箱梁的预应力管道可采用塑料波纹管和金属波纹管。理论计算时k,μ值取值参见规范JTGD62-2004的P54，表6.2.2。或者参照下表：预应力类型kμ钢绞线+预埋金属波纹管0.00150.250钢绞线+塑料波纹管0.00150.150粗钢筋+预埋金属波纹管0.00150.500一端锚具变形及钢束回缩值参见规范JTGD62-2004的P55，表6.2.3。对于一般情况取6mm。大跨预应力连续箱梁一般需要设置备用束孔道。（通常截面上、下缘各设2个孔道）3、普通钢筋桥梁常用钢筋为R235钢筋（公称直径小于12mm）和HRB335钢筋（公称直径大于等于12mm）两种，R235钢筋必须符合国家标准（GB13013—1991）的有关规定；HRB335钢筋必须符合国家标准（GB1499—1998）的有关规定。钢筋种类容重ρ（kN/m3）fsk(MPa)fsd(MPa)Es(MPa)R23578.52351952.1×105HRB33578.53352802.0×105八、结构计算1、荷载(1)恒载一期恒载一期恒载为结构自身重量，钢筋混凝土容重取26kN/m3。在横梁处截面可参照《桥规》P18的4.2.6条之规定，实体部分重量按外荷载考虑。二期恒载二期恒载包括桥面铺装、防撞栏杆或其它附属结构。各部分荷载应该按照有关设计进行取值。在没有准确设计资料的情况下可以参照下表取值：构件(单侧)荷载(kN/m)混凝土护栏底座+护栏10.0＋2.5钢结构护栏3.0隔音屏障5.0(2)混凝土收缩、徐变4收缩、徐变按照成桥后10年考虑。在计算时应考虑成桥初期运营情况和10年后的运营情况，在大跨度连续刚构计算时，往往混凝土的拉应力和压应力都比较接近规范容许值，成桥初期混凝土的压应力和徐变10年后的混凝土拉应力都可能控制设计，需要格外注意。混凝土名义徐变系数及名义收缩系数参见《桥规》的P118，附录F。(3)活载对于公路活载根据结构宽度，按照规范JTGD60-2004车道宽度与车道数对应关系确定加载车道数。同时应注意按照规范进行纵向、横向折减。采用平面程序如桥梁博士计算时，一般考虑偏载系数1.15。冲击系数按照《通规》的P26的4.3.2取值，按Midas建模时可用程序计算结构基频。对于平曲线半径小于250m的弯桥还应考虑汽车离心力荷载效应。当曲线桥梁计算中考虑离心力时，制动力按照70％参与组合。人群荷载按照《通规》的P27的4.3.5取值。(4)温度力合拢温度按多年平均温度(T)±5℃(T-、T+)考虑，用月平均最高温度减去（T-）得到体系升温；用月平均最低温度减去（T+）得到体系降温。例如多年平均气温为15.0℃，月平均最高温为39.0℃，月平均最低温为-6.0℃。根据该条件，合拢温度为15.0±5℃=10.0～20.0℃。体系升温为39-10＝29.0℃；体系降温为-6-20＝-26.0℃；温度梯度效应按照《通规》的P34的4.3.10条取值，注意降温效应为升温效应减半。对于不直接受日光照射的结构，该部分荷载应酌情考虑。(5)不均匀沉降不均匀沉降应根据地质条件的均匀程度，地质条件的好坏、基础结构类型、桥梁跨度的大小以及桥梁跨数的多少决定。对于中小桥采用摩擦桩时，一般考虑各墩间不均匀沉降1cm；若采用嵌岩桩可不考虑基础的不均匀沉降。(6)其它荷载风荷载、支座摩阻力、汽车制动力、地震荷载、船舶撞击荷载以及施工荷载等根据具体情况参照规范确定。2、施工方案及顺序连续刚构桥的内力及应力状态与形成结构的顺序和过程密切相关，设计时应对施工方案、施工顺序、采用的施工机具等综合考虑。连续刚构桥多采用挂篮悬臂现浇的方法施工。(1)挂篮的规模设计时应确定挂篮的规模，包括其自重和承载能力，挂篮的型式、尺寸等也应有所考虑。(2)箱梁施工节段的划分节段划分时主要考虑挂篮的承载能力和抗倾覆能力，目前国内施工水平一般控制在承载力不超过2000kN，节段长度不超过5m。梁段划分的规格尽量减少，以利施工。(3)合龙方式合龙段长度在满足施工要求的条件下，应尽量缩短，一般取2.0～3.0m。合龙一般采用先边跨、后中跨的顺序施工。边跨的合龙一般采用落地支架浇筑，当桥墩较高且位于深水中时，搭设落地支架成本较高，可采用导梁方式，在边墩和边跨悬臂端之间架设导梁后挂模浇筑。3、内力计算设计拟定结构几何尺寸、材料类型后，模拟施工步骤，计算恒载、活载、温度、沉降等荷载产生的内力，并进行正常使用和承载能力的组合，按组合结果估算钢束的计算内力，按照一定要求将钢束布置好，重新计算并考虑预应力的作用，根据计算结果调整钢束布置或结构尺寸，直至满足规范要求。采用悬臂施工的连续刚构桥，在施工过程中为大悬臂受力状态，后龙后成为连续结构。悬臂施工时，梁体自重产生负弯矩，预应力钢束产生正弯矩，综合作用使梁体基本处于偏心受压状态。合龙后根部负弯矩很大，中跨跨中恒载弯矩很小。二期恒载加上后，根部负弯矩进一步增大，中跨跨中一般承受较小的正弯矩。应根据其弯矩分布特点，增大主梁根部附近断面的抗弯刚度，提高截面下缘的承压能力。应注意箱梁有效宽度的影响，受力钢筋和预应力钢束的布置范围应位于有效宽度范围内，计算时采用的截面特性也应考虑有效宽度的影响。该过程一般通过程序进行计算，有条件可参考规模相近的同类桥梁进行结构尺寸和钢束配置的拟定。