林家沟大桥上部结构设计开题报告

桥梁是一种功能性的结构物，也是工程技术与人文艺术相结合的产物。对一座先简支后连续的大桥的上部结构设计，需要考虑多方面因素综合作用的结果。施加在桥涵上的各种作用按照随时间的变化情况可以归纳为永久作用、可变作用、偶然作用和地震作用四类，根据不同地区的气候、地质条件等因素的影响下可区分出每一座桥梁主要收到的作用形式，并据此做出相应的受力结构调整。对于较大跨径的简支梁，一般还应计算四分之一跨径截面的弯矩和剪力。如果主梁沿桥轴方向截面又变化，例如梁肋宽或梁高变化，则还应计算变化出截面的内力，有了截面内力，就可按钢筋混凝土和预应力混凝土结构的计算原理进行主梁各截面的配筋设计验算。[1]

钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成的。钢筋是一种抗拉性能很好的材料，混凝土材料具有较高的抗压强度，而抗拉强度很低。根据构件的受力情况，合理配置受力钢筋可形成承载能力较强、刚度较大的结构构件。有时为了解决在使用阶段容易开裂的问题，就衍生出了预应力混凝土结构，采用了高强度的材料和预应力工艺，节省了材料，减小了构件截面尺寸，减轻了构建自重。本次研究的林家沟大桥，无非需要正截面和斜截面承载能力的计算。桥梁上部结构中承重的梁属于受弯构件，在荷载作用下，受弯构件的截面将承受弯矩和剪力的作用，此外，在剪力和弯矩共同作用的区段，有可能发生沿斜截面的破坏，故受弯构件还必须进行斜截面承载力计算。[2]

通常情况下，桥梁设计与施工阶段管理质量直接影响车辆在行驶过程中的舒适度和安全性，而合理选用结构设计参数、预应力混凝土材料配比，成为加强桥梁工程安全性的有效措施。根据我国相关规范对不同等级环境的混凝土最低强度等级要求可以得知，满足耐久性要求的混凝土最低等级要选择 C30 混凝土，全线桥涵所采用的混凝土标号也不能低于 C30，针对这些问题，必须在前期设计过程中重视结构耐久性设计，施工过程中加强施工质量及精度要求，从根本上保证实体工程质量，提高桥梁结构安全性和耐久性。[3] 桥梁在实际应用期间所受到的荷载主要来自于车辆荷载动态荷载，设计一座桥梁时需要充分认知到这一点。动态荷载能够直接对桥梁结构产生作用，为桥梁结构带来循环变换的作用力。[4]我们知道，汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，其中车道荷载是由均布荷载和集中荷载组成，可以通过不同的汽车荷载等级进行计算，而车辆荷载是一辆总重为550kN的标准车，具体参数很容易查得。

多跨连续梁桥结构通常采用预应力混凝土箱型截面形式，其闭合的薄壁箱型截面抗扭刚度很大，顶底板都具有大的面积，既能够抵抗巨大的翼缘压力，又能满足预应力钢筋布置需要，可以有效地抵抗正负弯矩作用。[5]陈王大桥横跨林家沟，属于高速公路桥，跨越河流村庄和道路，作为连续箱梁桥，由于该地区的交通量较大，公路桥梁遇到的各种问题日益增加，联系前一段时间无锡高架桥的倒塌事件，更加需要加强对桥梁结构的承载能力评估，在实验研究中有所体现[6]，通过对箱梁进行静、动荷载实验，测出相应的最不利面的应力和挠度，用数据证明出桥梁的安全性。

在Parsons关于模块化纤维增强塑料桥的设计与性能一文中[7]，通过用有限元分析研究一种使用二新型材料的桥梁，不同于传统的钢筋混凝土桥梁，由于其优越的刚度、强度和抗腐蚀性而受到设计者的青睐，考虑到现在工厂肆意排放污水废气，自然环境日益恶化，酸雨冰雹等自然灾害也逐渐频发，为此包括道路桥梁的土木工程行业中，选择具有优越性能的建筑材料愈发关键，这种纤维材料或许可以在这种特殊地区进行工程活动时考虑一下，当然大体本质上肯定还是以钢筋混凝土为首，可以在材料中掺加一下这些新型材料，或者部分路段选用均可。在该项研究分析中很重要的一点就是降低实验标准值以减少不确定因素的影响，各个路段、环境等多方面因素各不相同，加之使用有限元分析，可使实验有效性更强。说到新材料，还可以参考一下N. Attari等人对混凝土梁进行弯曲加固的研究,[8]通过使用玻璃钢，检验出玻璃-碳的钢筋混凝土梁的外部加固系统的效率，讨论了所考虑的各种强化解决方案的强度、刚度、延性和破坏模式的结果。还建立了预测加固混凝土构件弯曲破坏的解析模型。结果表明，该模型能够准确预测混凝土梁在荷载作用下的强化行为。

综上所述，对林家沟大桥的设计，需要从其各指标参数、受力、配筋等多方面进行研究考虑，最终借助桥梁博士这一软件建模设计，从而模拟出对应的实际受力情况，如果有不满足规范的地方应及时修订，使桥梁满足安全性和稳定性。

[1] 邵旭东主编.桥梁工程（第五版）[M]. 北京：人民交通出版社，2019

[2] 叶见曙主编. 结构设计原理（第四版）[M]. 北京：人民交通出版社，2020

[3] 何志伟.桥梁结构设计中的安全性和耐久性[J].中国高新科技,2021(24)

[4] 陈小刚.常规桥梁结构设计问题研究[J].建设科技,2017(06)

[5] 和垒,邱文浩,韦勇浩. 预应力超高性能混凝土连续箱梁桥[P]. CN214783190U,2021-11-19.

[6] 余隆,许蔚,位东升,邹大晴,吴永红.预应力混凝土连续小箱梁桥荷载试验研究[J].工业安全与环保,2022,48(05):69-73.

[7]A.J Aref,I.D Parsons. Design andperformance of a modular fiber reinforced plastic bridge[J]. Composites PartB,2000,31(6).

[8] N. Attari a,S. Amziane b,#8657;, M. Chemrouk.Flexural strengthening of concrete beams using CFRP, GFRP and hybrid FRPsheets[J]. Construction and Building Materials ,2012,37:746-757

桥梁总体布置：

首先确定桥位，桥面部分包括桥面铺装、防水和排水设施，按照《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）的规定，项目所在区域位于江苏中部长江北岸，地貌属里下河洼地,地势低洼、地形起伏小，区域内湖荡星罗棋布、圩田众多、河道交错纵横，具有河网平原和河网圩田平原的特点，地面高程在1.4~3.0m。林家沟大桥设计在河道通顺、水流稳定、地质良好的河段上。

桥梁几何尺寸拟定：

K27 619.936陈王大桥跨越林家沟，因此林家沟大桥也叫陈王大桥，桥跨布置为4（530）m，全长607.2m，采用先简支后连续的预应力混凝土连续箱梁桥，桥梁分两幅布置，单幅桥面宽度13m，分两幅设计的目的是可以降低施工难度，使得原来较宽的桥面简便化，受力也会随之简单，降低造价，两边桥梁状况互不影响。两侧桥台处设D80伸缩缝，桥墩处设D160伸缩缝。桥面采用8cm厚C50现浇防水混凝土 柔性防水层 10cm厚沥青混合料铺装。桥梁横断面的设计，主要取决于桥面的宽度和不同桥跨结构横截面的形式，桥面宽度的确定取决于行车和行人的交通需要，1/4和1/2跨处的横断面略有不同，1/2跨中处横梁顶部做成倾斜的，其余部分的横断面为矩形，可减轻恒载，在满足受力条件的基础上节约成本。每一幅的长度是13m（可近似理解为是计算跨径）。人行道宽度设计为52.5cm2（两端），湿接缝宽度为79.17cm，滴水檐7.5cm，到第一个箱梁中心的距离为165cm，箱梁与箱梁中心线之间的距离各为319.17cm，共分为三段。

桥梁上部结构计算（主要利用桥梁博士进行计算，但首先要弄懂它的原理）

1）内力计算：由于汽车荷载为公路—I级，车道荷载的均布荷载标准值q_k=10.5kN/m，计算跨径为13m，位于5-50m之间，根据桥梁工程所学知识可用线性内插得出相应的集中荷载标准值P_k。当计算剪力效应时，集中荷载标准值P_k应乘以1.2的系数，主要用于验算上部结构的腹板。然后可以根据结构设计原理和桥梁工程课程设计时所学到的知识计算内力组合，并确定其横向分布系数，为车轴分布至某片梁的荷载与车轴重量的比值，方法为杠杆原理法，忽略主梁之间横向结构的连接作用，即假设桥面板在主梁梁肋处断开，而当作沿横向支撑在主梁上的简支梁或悬臂梁来考虑，再利用结构力学中机动法画影响线的知识绘制出梁的影响线，按照结构力学所学布置最不利荷载，可采用枚举法依次代入计算并比较，中间充分利用好几何关系进行长度上的比值计算，从而得出最终结果。

2）配筋计算：主要是正截面抗弯和斜截面抗剪承载能力计算

①正截面承载力计算：利用结构设计原理和结构力学的知识，求受压区高度以及预应力钢筋与非预应力钢筋的合力作用点到截面底边的距离a，将求出的数值a代入求出弯矩大小，并与前面的内力组合作用相比较

②利用公式计算其上下限值，计算相应的剪力大小

设计图纸绘制：利用桥梁博士软件结合相关参数建模，拟定各处尺寸，也可以先用CAD画出不同梁的情况，然后利用桥梁博士导入（个人倾向于用后者的方法）。注意跨中和1/4处以及边梁和中梁的不同，再进行钢束设计和钢筋设计，在横向分布模型中选择杠杆法，规范和尺寸参数设置好，各种桥面铺装材料和混凝土强度等级等信息一一对照导入。