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1、 第1章 绪论1.1 连续刚构桥简介为了跨越各种障碍（如河流、沟谷或其他线路等），必须修建各种类型的桥梁与涵洞，因此桥涵是交通线路中的重要组成部分。特别是现代高等级公路以与城市高架道路的修建中，桥梁往往是保证全线早日通车的关键。在经济上，一般说来桥梁和涵洞的造价平均占公路总造价的10%20%，而且随着道路等级的提高，其所占比例还会加大。在国防上，桥梁是交通运输的咽喉，在需要快速机动的现代战争中具有非常重要的地位1。桥梁的建设水平已成为衡量一个国家综合经济实力和科学技术水平的重要标志。由于应用传统的钢桥悬臂施工方法，使预应力混凝土梁式桥的悬臂体系得到了新的发展，形成了T形刚构桥。随后又出现了将T
2、形刚构粗厚桥墩减薄，形成柔性桥墩，使墩梁固结、主梁连续从而形成连续刚构桥2。连续刚构桥跨中不设铰也不带挂梁，桥面连续、行车平顺。更重要的是梁体的力分布更加合理，能充分发挥高强材料的作用，有利于增大跨径。随着桥梁施工技术水平的提高，对混凝土收缩、徐变、温度变化、预应力作用、墩台不均匀沉陷等因素引起的附加力研究的深入和问题的不断解决，大跨度预应力混凝土连续刚构桥已成为目前主要采用的桥梁结构体系。连续刚构的结构特点是主梁连续、墩梁固结，既保持了连续梁无收缩缝、行车平顺的优点，又保持了T形刚构不设支座、无需体系转换的优点，方便施工，而且很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度能很好地满足较大跨径桥梁的受力要
3、求。因此它是一种极有生命力的桥梁结构形式，己成为大跨度预应力混凝土桥梁的首选桥型3。我国的连续刚构桥自八十年代开始从国外引进，1990年建成第一座跨径为180m的大跨度预应力混凝土连续刚构桥洛溪大桥，随着高强预应力钢材、高强混凝土、大吨位拉锚固体系的应用与发展，设计手段的计算机化，施工水平的提高，我国大跨度连续刚构桥取得了迅速发展。1.2 本次设计的主要容本次设计任务是设计一座跨度为12 m +19 m +19 m +12 m的普通钢筋混凝土连续刚构桥，该桥为某运煤铁路专线与下广一级公路的立体交叉构造物，桥轴线与下广公路中线正交，该桥两端分别与车站毗邻，轨底标高与公路中心标高均已确定。建筑高度
4、受限是本桥的设计特点，由于梁高较矮，为满足桥下净空的要求，将该桥桥式定为连续刚构桥。设计工作主要容为：首先，根据所给设计资料确定桥式并拟定全桥各部的详细尺寸。本桥采用截面为4200mm900mm板式梁，1000mm厚的板壁式柔性墩，桥台采用耳墙式，墩下基础为人工挖孔灌注桩。其次，利用迈达斯程序建模并求解力。迈达斯是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。特别是针对桥梁结构，迈达斯结合国的规与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各大公路、铁路部门的所采用。最后，根据所得力对全桥各部分进行设计检算。计
5、算容主要有三部分：主梁的设计与检算、桥墩的设计与检算以与桩基的设计与检算。1.3 设计方法本桥是一座跨越一级公路的铁路桥梁，设计过程中采用容许应力法进行桥梁各部的设计与检算，各检算项目的容许值与有关公式的计算方法均严格参照现行铁路桥涵设计基本规和公路路线设计规与相关参考书。按容许应力法计算钢筋混凝土构件就是将具体结构的材料视为理想的匀质弹性体，以工作应力阶段为根据，采用平截面假定与弹性体假定，从而应用材料力学中弹性理论的计算公式求出构件截面的最大应力，并使其小于某一考虑了安全储备后的容许应力值。虽然该法存在着某些不完善之处，但在计算钢筋混凝土构件的施工、运输和安装等施工阶段与预应力混凝土构件使
6、用阶段时仍有着广泛的实用意义4。第2章 设计的基本资料和桥式的拟定2.1 设计的基本资料该桥为某运煤铁路专用线与下广公路（一级）的立体交叉构造物，桥轴线与下广公路中线正交，该桥两端分别与车站毗邻，轨底标高已经确定。公路中间隔离带宽2.0m，下广公路净宽度远期为9+12+12+9m。该桥的设计特点是净空控制，基本资料如下：(1)线路：单线，直线，平坡：桥中心里程DK1+568.513，桥中心轨底标高为945.121；公路中心标高为938.56，2%人字横坡。(2)桥式：由于桥梁净高受限，推荐桥式为四孔钢筋混凝土连续刚构式无梁板桥；分跨布置如下12+219+12，板式墩，承台桩。挡碴槽外缘间距4.
7、2米；双侧人行道宽均为1.05m，基础采用挖孔灌注桩；(3)活载：铁路中-活载；(4)交通部有关要求： 桥下净空符合线路级别要求； 中间墩可放于中间隔离带，但墩或基础宽度不能超出隔离带； 桥上雨水不能直接滴落于下穿路面上； 桥梁在施工时不能阻断原有公路的交通。2.2 桥式选择与细部尺寸拟定2.2.1 桥式选择本桥为某运煤铁路专线与下广一级公路的立体交叉构造物，桥轴线与下广公路中线正交，本桥两端分别与车站毗邻，轨底标高与公路中心标高均已确定。建筑高度受限是本桥的设计特点，由于梁高较矮，为满足桥下净空的要求，将本桥桥式定为连续刚构桥。2.2.2 桥跨布置本桥上跨下广一级公路，下广一级路面远期规划是
8、9m+12m+12m+9m，考虑到桥墩的位置不应影响行车通视性与安全，本桥跨径中跨宜采用16m19m，边跨宜采用9m12m。本桥为桥跨布置为12 m +19 m +19 m +12 m的连续刚构桥。桥跨布置如图2-1所示。图2-1 桥跨布置图（单位：m）2.2.3 桥下净高该设计中轨底标高与公路中心标高均已确定，因此对桥下净空有一定要求。根据铁路桥涵设计基本规（TB10002.12005）规定：一级路面的净高要求为不小于5.0 m，考虑行车与通视性良好的要求，桥下净高应控制在5.1m5.2m。本设计中选择桥下净高为5.11m。图2-2 主梁截面图（单位：mm）2.2.4 梁高的拟定根据铁路桥涵
9、设计基本规（TB10002.12005）规定：新建级铁路轨下枕低道渣厚度不应小于0.25 m；当主梁或纵梁中心距在2.0m2.2m，木枕标准断面高度为0.26 m。本设计以桥跨中心处梁高为标准，其余截面皆于此截面处梁高一样，梁高h(945.121-938.56)-5.11-0.25-0.26=0.941 m，故梁高取h=0.90 m，结合所给设计资料，拟定板式梁截面尺寸为4200mm900mm，如图2-2所示。图2-3 桥墩截面图（单位：mm）2.2.5 桥墩尺寸拟定本桥桥墩采用板壁式柔性墩，其截面尺寸为3800mm1000mm，为满足净高要求，墩身高为H=5.11-0.5+0.6=5.21m
10、，埋入地下深度为0.6 m。桥墩截面如图2-3所示。2.2.6 桥台尺寸拟定图2-4 桥台构造图（单位：cm）本桥采用耳墙式桥台，耳墙式桥台是用两片钢筋混凝土耳墙代替台尾一部分实体圬工与路堤相连，从而缩短实体台身长度而能较多地节省圬工6。本桥桥台各细部尺寸如图2-4所示。2.2.7 基础与承台尺寸拟定2.2.7.1 墩下桩基础与承台尺寸拟定考虑到该桥施工时车辆通行的需要，本设计中桥梁基础采用人工挖孔灌注桩基础，以减少大开挖。根据铁路桥涵设地基和基础设计规（TB10002.52005）规定，桩的直径应根据受力大小、桩基形式和施工条件确定。挖孔灌注桩的直径或边宽不宜小于1.20 m本设计中采用单排
11、三根摩擦桩，桩径采用1.50 m1.20 m。钻（挖）孔灌注摩擦桩的中心距不应小于2.5倍成孔桩径；各类桩的承台板边缘至最外一排桩的净距，当桩径d1m时，不得小于0.3d， 且不得小于0.50m；承台板的厚度不宜小于1.5 m，混凝土强度等级不得低于C30。本设计中桩的中心距不应小于2.51.5 =3 .75m；桩的承台板边缘至最外一排桩的净距应大于0.31.5=0.45 m7，本设计取为0.5 m。则承台宽B20.5+1.5=2.5m，承台长L23.75+1.5+20.5=10 m，本设计中B取为3.0 m，L取为10.0 m。承台厚取为2.0 m。桩基布置见图2-5所示。2.2.7.2 桥
12、台下桩基础尺寸拟定对于桥台下基础，采用二排4根灌注桩，桩径d采用1.5 m1.2 m。根据铁路桥涵设地基和基础设计规（TB10002.52005）规定，桩的中心距不应小于2.51.5 =3.75 m，承台板边缘至最外一排净距应大于0.31.5=0.45 m。本设计中桥台下承台宽B取为6.5 m， 承台长L取为6.5 m，承台厚取为2.0 m1.5 m，符合规要求。桥墩下桩基长度根据地质情况选为18000mm，持力层在卵石土上，符合受力情况。桩基布置见图2-6所示。2-5 桥墩下桩基布置图2-6 桥台下桩基布置图（单位：mm）（单位：mm)2.2.8 各部结构使用材料根据铁路桥涵设计基本规（TB
13、10002.12005）规定和实际的构造需要，本设计中桥面板采用C45混凝土，墩基础采用C30混凝土，承台和桩基础均采用C30混凝土。第3章 建模与力计算3.1 MIDAS/Civil程序简介MIDAS/Civil是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。特别是针对桥梁结构，MIDAS/Civil结合国的规与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各大公路、铁路部门的所采用。MIDAS/Civil的主要特点如下：(1)提供菜单、表格、文本、导入CAD和部分其他程序文件等灵活多样的建模功能，并尽可能使鼠
14、标在画面上的移动量达到最少，从而使用户的工作效率达到最高。(2)提供刚构桥、板型桥、箱型暗渠、顶推法桥梁、悬臂法桥梁、移动支架/满堂支架法桥梁、悬索桥、斜拉桥的建模助手。 (3)提供中国、美国、英国、德国、欧洲、日本、国等国家的材料和截面数据库，以与混凝土收缩和徐变规和移动何在规。 (4)提供桁架、一般梁/边截面梁、平面应力/平面应变、只受拉/只受压、间隙、钩、索、加劲板轴对称、板（厚板/薄板、面/面外厚度、正交各向异向）、实体单元（六面体、楔形、四面体）等工程实际时所需的各种有限元模型。 (5)提供静力分析（线形静力分析、热应力分析）、动力分析（自由振动分析、反应谱分析、时程分析）、静力弹塑
15、性分析、动力弹塑性分析、动力边界非线形分析、几何非线形分析（P-delta分析、大位移分析）、优化索力、屈曲分析、移动荷载分析（影响线/影响面分析）、支座沉降分析、热传导分析（热传导、热对流、热辐射）、水化热分析（温度应力、管冷）、施工阶段分析、联合截面施工阶段分析等功能。 (6)在后处理中，可以根据设计规自动生成荷载组合，也可以添加和修改荷载组合。 (7)可以输出各种反力、位移、力和应力的图形、表格和文本。提供静力和动力分析的动画文件；提供移动荷载追踪器的功能，可找出指定单元发生最大力（位移等）时，移动荷载作用的位置；提供局部方向力的合力功能，可将板单元或实体单元上任意位置的接点力组合成力。 (8)可在进行结构分析后对多种形式的梁、柱截面进行设计和验算。本设计采用了MIDAS/Civil6.71软件进行力的求解。3.2 力计算3.2.1 建立模型3.2.1.1 划分单元迈达斯程序进行建模时，首先要进行单元的划分，本设计中将桥梁计算结构分为157个单元，共163个节点。划分单元图如图3-1所示图3-1 单元划分图3.2.1.2 边界条件(1)两端支座处：根据连续刚构桥的结构形式和受力特点可知，支座处仅有竖向约束，所以选择一般支撑并按受力情况修改支
