成贵铁路初步设计落脚河大桥(68 128 68)m连续刚构计算分析初步设

成贵铁路初步设计 落脚河大桥(68+128+68)m

连续刚构计算分析

初步设计计算报告

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目 录

目 录 .............................................................................................................................................. I 1.概况 .............................................................................................................................................. 2

1.1 计算依据、标准和规范 ................................................................................................... 2 1.2 计算理论和方法的选择及说明 ....................................................................................... 3 1.3 计算软件名称及版本 ....................................................................................................... 3 1.4 计算参数和计算荷载工况 ............................................................................................... 3 2.施工阶段结构内力和强度分析 ................................................................................................... 5

2.1 结构内力 ........................................................................................................................... 5 2.2 混凝土应力 ....................................................................................................................... 6 2,3 钢束应力 ........................................................................................................................... 6 2.4 强度安全系数 ................................................................................................................... 6 2.5 抗裂安全系数 ................................................................................................................... 7 2.6 小结 ................................................................................................................................... 7 3 运营阶段结构内力和强度分析 ................................................................................................... 9

3.1 主梁内力 ........................................................................................................................... 9 3.2 混凝土应力 ..................................................................................................................... 13 3.3 钢束应力 ......................................................................................................................... 15 3.4 强度安全系数 ................................................................................................................. 15 3.5 抗裂安全系数 ................................................................................................................. 17 3.6 小结 ................................................................................................................................. 17 4 结构变形分析 ............................................................................................................................. 18

4.1 竖向挠度 ......................................................................................................................... 18 4.2 横向挠度 ......................................................................................................................... 18 4.3 梁端转角 ......................................................................................................................... 18 4.4 墩顶位移 ......................................................................................................................... 19 4.5 预拱度 ............................................................................................................................. 20 4.6 小结 ................................................................................................................................. 20 5 下部结构检算 ............................................................................................................................. 21

5.1 桥墩检算 ......................................................................................................................... 21 5.2 承台检算 ......................................................................................................................... 21 5.3 桩基础检算 ..................................................................................................................... 21 6 结构动力特性分析 ..................................................................................................................... 28

I

1.概况

1.1 计算依据、标准和规范

依据中铁二院集团提供的地质资料确定主桥的平立面布置、桩基及承台尺寸。计算中参考的岩土层的物理力学特性值见表1-1

表1-1 建议岩土物理力学指标 压缩 基本 稠 度 模量内摩 承 载天然 粘聚力c Es1-2 或 擦角密度ρ 力 (MPa) 3风化 （(kPa) φ g/cm） 程 度 (°) σ(kPa) 基 底 摩 擦 系 数 / 0.3 60 1:1 1:1.25 桩周极限 天然饱和极限临时 永久 边坡率 岩土 代号 岩 土 名 称 摩阻力 抗压强(kPa) 度（MPa (1) (2) (3) 粉质黏土 （Q4dl+el） 硬塑 1.9 18 18 180 碎石土 （Q4dl+el） 稍密 松散~中密 W3 W2 W3 W2 W3 2.2 / 45 250 / 0.4 120 1:1 1:1.25 卵石土 （Q4al+pl） 2.2 2.2 2.4 2.2 2.4 2.2 2.6 / / / / / / / 50 35 45 40 50 50 60 300 300 450 300 500 400 700 / / / / / / / 0.4 0.35 0.45 0.4 0.5 0.5 0.6 140 90 / 100 / 160 5 5 12.0 1:1 1:0.75 1:0.5 1:0.75 1:0.5 1:0.5 1:0.3 1:1.25 1:1 1:0.75 1:1 1:0.75 1:0.75 1:0.5 (4) 砂岩泥岩、泥质砂岩（T1f2） 砂岩泥岩、泥质砂岩夹灰岩（T1f1） (5) (6) 灰岩（P2c） W2 工程技术标准：

（1）铁路等级：Ⅰ级

（2）桥上线路：双线，线间距5m，直线、坡度20‰

(3) 旅客列车速度目标值：350km/h，线路平面和重点桥隧工程等预留160km/h

净空限界

（4）牵引种类：电力 （5）闭塞类型：自动闭塞

（6）建筑限界：满足开行双层集装箱运输建筑限界要求 （7）设计荷载：ZK荷载（客车）； (8) 桥梁守护类型：IV类 设计采用的规范标准：

(1)铁路桥涵设计基本规范（TB 10002.1-2005）

(2)铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范 (TB 10002.3-2005) (3)铁路桥涵地基和基础设计规范 (TB 10002.5-2005)

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(4)铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范 (TB 10002.4-2005) (5)《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》（2003年10月，北京）（铁建设函[2003]439号）；

(6)《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》（2003年6月，北京）（铁建设函[2003]205号)；

(7)铁建鉴(1992)93号文《关于南昆线四座大桥横向刚度的补充技术要求》；

1.2 计算理论和方法的选择及说明

初步设计阶段对主桥68+128+68m预应力混凝土连续刚构桥进行了施工过程和成桥运营两个阶段的结构分析。对部分施工阶段和成桥运营阶段结构的强度、刚度、稳定性进行了验算。施工阶段考虑的荷载主要有结构恒载（包括自重，二期恒载、挂篮重及施工临时荷载）、预应力和混凝土的收缩徐变；运营阶段考虑的荷载有ZK活载、体系温差正负20度，制动力、风荷载及10年的收缩徐变。收缩徐变的计算参考公路桥涵规范进行。计算模型中未考虑桥面纵坡。

1.3 计算软件名称及版本

采用Midas/Civil 7.4.1对结构进行计算分析。计算模型如下图：

1.4 计算参数和计算荷载工况

结构材料部分：

(1)连续刚构梁体采用C55混凝土，弹性模量Ec?3.6?104MPa，泊松比?c?0.2，

fc?37.0MPa，fct?3.30MPa；

（2）主桥桥墩采用C40混凝土，弹性模量Ec?3.4?104MPa，泊松比?c?0.2，

fc?27.0MPa，fct?2.27MPa，墩顶5m范围内采用C55混凝土。

(3)梁体纵向预应力及顶板横向预应力采用Ф15.2mm钢绞线，抗拉强度标准值

3

fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，其各项技术指标应符合“ASTMA416-94”标准的要求；

（4）管道压浆用水泥浆强度等级 M40 (5)封锚用微膨胀混凝土强度等级 C50

设计计算参数：

（1） 梁部顶板宽12m，不需人行道板和托梁，梁体圬工容重按26.5kN/m3 ，线路设备及道碴自重等(二期恒载)按140kN/m考虑。

（2） 纵向钢束钢绞线锚下控制应力бcon＝0.7fpk=1302MPa(不包括锚圈口摩擦损失)。

（3） 塑料波纹管孔道摩阻系数μ＝0.15，孔道偏差系数K＝0.001；

金属波纹管孔道摩阻系数μ＝0.35，孔道偏差系数K＝0.003； 锚具变形与钢束回缩值（一端）ΔL＝6mm。

（4）施工荷载：挂篮、机具、人群等施工荷载重按1250kN计。 （5）温差：升降温 20℃。

（6）竖向荷载动力系数为：1+（1.44/（L?0.5-0.2）-0.18）<1,取1。

（7）制动力或牵引力:按一线满载时竖向静活载的10%计算。与列车的竖向动力作用同时计算时按列车竖向静活载的7％计算。双线采用一线的制动力。 （8）列车横向摇摆力:一个横向100kN的集中力 作用在钢轨顶面 (9) 风荷载强度：按《桥规》规定计算，风压按500Pa。 荷载组合：

主力：

（1）恒载(结构重+二恒)

（2）恒载+ 双线ZK活载动力作用+横向摇摆力+长钢轨纵向力 主力+附加力：

（3）恒载+ 双线ZK活载动力作用+横向摇摆力+长钢轨纵向力+制动力或牵引力+升、降30度

（4）恒载+ 双线ZK活载动力作用+横向摇摆力+长钢轨纵向力+风力+升、降30度

4

2.施工阶段结构内力和强度分析

2.1 结构内力

图2-1 最大双悬臂阶段梁体恒载弯矩图（单位：kN.m）

图2-2 边跨合拢后梁体恒载弯矩图（单位：kN.m）

图2-3 全桥合拢施加二期恒载后梁体恒载弯矩图（单位：kN.m）

5

2.2 混凝土应力

在各施工阶段，梁部截面最大压应力12.43MPa，最大拉应力0.489MPa，满足规范的要求。梁部最大压应力发生在全桥合拢后张拉中跨底板束的施工阶段。

2,3 钢束应力

预加应力的过程中，预应力钢筋在锚下的控制应力应符合下式条件：

σcon =σp1 +σL ≤ 0.75fpk

σcon —— 预应力钢筋在锚下的控制应力(Mpa)； σp1 —— 预应力钢筋中的有效预应力(Mpa)；

σL —— 预应力钢筋中的全部预应力损失(Mpa)。 验算：

钢束的最大张拉控制应力：

?con =0.66fpk=0.7?1860 = 1302Mpa<0.75fpk?1395Mpa

锚下控制应力符合规范要求。

2.4 强度安全系数

分别以全桥合拢作用二期恒载的施工阶段根部截面与跨中截面验算为例： 根部截面：

根据公式 fPAP＋fSAS－σpa'AP'－fS'AS'＝fcbx计算中性轴位置，此处忽略非预应力钢筋的影响且 AP' = 0 得简化公式：fPAP = fcbx

x?fpApfcb?0.9?1860?144?16?140?1824.2mm

37.0?8000计算中忽略承托梗腋部分参与受力，近似取x＝1800mm（底板厚度）

h0?h?as?12000?300?11700mm

M = fcb'fx(h0?x/2)= 37.0?8000?1800?(11700-1800/2)?10-6= 5754240.0(kNm)

6

K?5754240.0?2.53

2272770.0跨中截面：

根据公式 fPAP＋fSAS－σpa'AP'－fS'AS'

x??fpAp???paApfcb?0.9?1860?22?19?140?219.5?28?16?140?284.4mm

37.0?8000h0?h?as?6000?300?5700mm

?A??M = fcb'fx(h0?x/2)+?pap(h0?ap)= 780106(kNm)

780106?2

68935因数据较多，其他截面的验算过程此处未给出，施工阶段截面强度安全系数满足规范要求。

K?2.5 抗裂安全系数

对于不允许出现拉应力的构件，其抗裂性按下列公式计算： 正截面

对于轴心受拉，小偏心受拉或小偏心受压构件：

Kfσ≤σc＋fct

对于受弯，大偏心受拉或大偏心受压构件：

Kfσ≤σc＋γfct

2S0

γ＝

W0

σ――计算荷载在截面受拉边缘混凝土中产生的正应力(Mpa)； Kf ――抗裂安全系数；

σc――扣除相应阶段预应力损失后混凝土中的预压应力(Mpa)； fct――混凝土极限抗拉强度(Mpa)； γ――考虑混凝土塑性的修正系数；

W0――对所检算的拉应力边缘的换算截面抵抗矩(m3)； S0――换算截面重心轴以下的面积对重心轴的面积矩(m3) 仍以中跨合拢施加二期恒载后根部截面的验算为例：

查该阶段恒载在根部截面上缘产生的拉应力为17.4MPa，扣除相应预应力损失后混凝土中的预压应力为24.99MPa，截面塑性发展系数γ＝1.165，

???fct24.99?1.165?3.30K?c??1.657?Kf?1.10

?17.4因数据较多，其他截面的验算过程此处未给出，施工阶段截面强度安全系数满足规范要求。

2.6 小结

本章给出了典型施工阶段结构的内力图及强度和抗裂安全系数的计算，因施工阶段和截面数据较多，计算中仅示出了一个截面的计算过程，计算结果表明，

7

梁体施工阶段的强度和抗裂安全系数满足规范的要求。

8

3 运营阶段结构内力和强度分析 3.1 主梁内力

悬浇施工完成，全桥合拢后主梁中由恒载产生的内力图见图3-1，数值见表3-1。活载产生的内力包络图见图3-2，数值见表3-2。

图3-1 成桥状态主梁内力图 表3-1 恒载内力数值（为I端）

单元 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

轴向 (kN) -1.23 -141.4 -3373.7 -356.37 -86.15 -54.14 -19.16 22.18 46.95 42.26 13 -45.79 -132.82 -261.48 -399.31 -580.91 -1187.51 -1250.13 -1326.71 -1373.05 -2430.54 -2601.71 剪力-z (kN) 0.02 -7481.2 -4606.29 -5368.6 -4455.54 -2707.04 -958.6 1372.7 4033.5 6727.88 9452.07 12222.2 15048.15 17940.02 20908.81 23964.94 27103.1 30043.89 33247.53 36282.37 39494.78 42515.77 弯矩-y (kN*m) -0.26 -139.19 7112.19 9293.91 16619.15 27362.21 32863.62 32037.61 21231.09 -284.77 -32639.37 -75985.88 -130532.03 -196525.86 -274259.08 -364065.3 -466299.57 -580755.03 -707504.78 -829348.04 -962189.92 -1106160.4 9

23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 -2749.8 -2892.2 -3021.58 -3178.89 -3344.52 -4292.81 -42.68 -76.11 17.51 42.68 -8248.91 -7198.17 -6904.4 -6625.14 -6378.71 -6123.64 -5867.68 -5576.2 -4336.75 -4149.2 -3948.6 -3772.94 -3043.84 -2735.91 -2470.19 -2231.36 -2023.53 -1846.92 -1697.65 -1579.22 -1488.37 -1430.65 -1418.99 -1418.99 -1407.32 -1371.87 -1356.45 -1367.55 -1424.5 -1495.27 45231.25 48067.19 51027.38 54112.78 57327.98 59490.84 -2134.04 -2302.32 -2303.47 -2134.04 60660.14 58557.01 55350.46 52273.04 49318.98 46490.14 43782.18 40770.01 37641.21 34611.48 31410.99 28472.55 25385.31 22346.42 19392.29 16514.82 13702.16 10944.57 8230.73 5545.97 2893.63 567.66 -15.16 15.16 597.97 2924.39 5578.24 8265.6 10986.65 13745.71 -1238202.82 -1378595.49 -1527705.07 -1685902.35 -1853575.12 -1970810.19 -533.62 -1439.83 -1440.55 -533.62 -2040813.67 -1921088.77 -1749687.85 -1587737.57 -1434858.54 -1290665.15 -1154796.4 -1006337.41 -868621.32 -741995 -609777.61 -489847.77 -381787.79 -286228.44 -202680.83 -130814.49 -70341.96 -21005.28 17368.17 44938.71 61836.98 68646.72 68935.86 68935.86 68625.95 61682.06 44660.61 16960.75 -21553.41 -71049.34 10

63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 -1592.92 -1710.23 -1869.24 -2047.31 -2630.75 -2688.82 -2761.37 -2827.55 -3940.31 -4111.06 -4258.65 -4400.23 -4568.71 -4701.53 -4851 -5818.84 -42.68 -76.11 17.51 42.68 -6664.67 -5631.2 -5353.51 -5095.9 -4808.34 -4552.46 -4296 -4004.1 -2803.83 -2620.7 -2420.25 -2240.11 -1524.92 -1222.41 -967.16 -732.55 -532.78 -363.45 -225.44 -113.45 16564.28 19448.9 22411 25459.74 28574.02 31517.13 34723.07 37757.9 40933.76 43955.2 46671.21 49508 52467.15 55554.65 58771.32 60914.59 -2134.04 -2302.32 -2303.47 -2134.04 59238.95 57115.68 53908.05 50829.09 47880.44 45052.49 42345.09 39333.36 36167.64 33139.09 29940.64 27004.82 23890.33 20843.76 17882.72 14997.78 12177.56 9411.99 6691.14 3999.09 -131701.84 -203773.69 -287555.41 -383385.46 -491696.94 -612052.79 -744704.4 -871723.47 -1009801.86 -1158838.39 -1295225.73 -1439963.45 -1593416.3 -1755963.95 -1927987.32 -2048129.68 -533.62 -1439.83 -1440.55 -533.62 -1964166.3 -1847344.87 -1680288.34 -1522682.03 -1374139.61 -1234284.77 -1102754.44 -959353.78 -826877.2 -705430.06 -579117.74 -465080.55 -363094.48 -273557.22 -196059.79 -130271.25 -75906.47 -32721.82 -515.73 20862.41 11

103 104 105 106 107 108 109 110 -31.97 19.83 54.8 93.2 -141.92 -3211.66 158.15 -19.78 1339.43 -991.65 -2740.1 -4488.47 -5411.61 -4760.58 -7513.96 -0.45

31535.41 32222.7 26625.72 15777.85 8387.09 6128.65 -1167.66 -0.12

图3-2 ZK活载弯矩包络图

图3-3升温引起的梁体弯矩（kN.m）

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图3-4 预应力次内力——弯矩（kN.m）

3.2 混凝土应力

运营荷载作用下正截面混凝土压应力(扣除全部应力损失后)应符合下列规定： 主力组合作用时

σc≤0.5fc

主力加附加力组合作用时

σc≤0.55fc

式中

σc――运营荷载及预应力钢筋有效预应力产生的正截面混凝土最大压应力。 fc―― 混凝土抗压极限强度。

图3-5 主力组合下梁体上缘混凝土正应力包络图

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图3-6主力组合下梁体下缘混凝土正应力包络图

图3-7 主加附（主力+整体升温）时梁体上缘正应力包络图

图3-8 主加附（主力+整体升温）时梁体下缘正应力包络图

由上图可见，在主力组合下，梁体上下缘均处于受压状态，上缘最大压应力13.44MPa，下缘最大压应力14.73MPa；在主+附组合下梁体上缘最大压应力

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7v07.html