1、杭州市余杭区崇贤至老余杭连接线（高架）工程主跨180m主桥结构计算书编制：审核：武汉信远通程工程设计有限公司2018年8月 主跨180m主桥结构计算书目 录第一章 概 述11.1 项目概况11.2 计算规范11.3 技术标准11.4 主要材料21.5 计算荷载21.6 计算内容及方法3第二章 结构整体计算42.1 结构分析与计算结果42.1.1 模型概况42.1.2 荷载工况42.2 施工过程验算结果52.3 持久状况正常使用极限状态计算72.3.1 混凝土正截面抗裂验算72.3.2 混凝土斜截面抗裂验算82.3.3 混凝土正截面压应力验算92.3.4 混凝土斜截面主压应力验算102.3.5
2、结构变形验算102.4 持久状况承载能力极限状态计算112.4.1 混凝土正截面抗弯强度验算112.4.2 混凝土斜截面抗剪强度验算112.4.3 混凝土钢箱梁强度验算122.4.4 钢结构疲劳验算122.5 支座反力计算132.6 结论14I主跨180m主桥结构计算书第一章 概 述1.1 项目概况杭州市余杭区崇贤至老余杭连接线（高架）工程起点位于余杭区东南部崇贤街道与杭州主城区衔接部，现状疏港大道（104国道）与秋石北路延伸交叉口，与在建的秋石快速路余杭段疏港互通相接；终点位于余杭区西部余杭街道，现状东西大道（320国道）与规划城南路交叉口，与规划远期的杭州三环相接。沿线主要控制点有下穿宁杭
3、高铁节点、留祥路西延火车西站节点。本项目位于杭州市余杭区，为杭州市余杭区崇贤至老余杭连接线（高架）工程的京杭运河节点部分。由于受到宁杭高铁、京杭运河航道、崇贤港、鸦雀洋码头、500千伏高压铁塔等诸多因素限制，改建难度较大，杭州市余杭区崇贤至老余杭连接线（高架）工程可行性研究报告对该节点平面线位方案进行了详细研究，根据研究结果，采用南侧新辟线位，故本次方案设计不再对平面线位进行比选研究。根据线位走向，本项目主线桥包括两个重要节点工程，即下穿宁杭高铁节点工程和上跨杭宁高速节点工程。本项目桥梁结构采用分幅桥梁形式，其下穿宁杭高铁，上跨京杭运河，主体结构为40m+80m+180m+80m+40m的钢混
4、结合连续梁，全长420m，主跨88m采用钢箱梁，其余梁段均采用预应力混凝土箱梁。1.2 计算规范1 公路工程技术技术标准（JTG B01-2014）2 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）3 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ D62-2004）4 公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）5 公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）6 公路桥梁抗风设计规范（JTG/T D60-1-2004）7 公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）8 公路工程抗震设计规范（JTG B02-2013）9 公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B02-01-2
5、008）1.3 技术标准1）公路等级：双向六车道；2）设计时速：80Km/h；3）设计荷载：公路I级；4）桥梁宽度：213.25m；5）地震设防：本场地区地震加速度峰值0.05g；7）设计年限：100年；8）安全等级：一级；1.4 主要材料（1）混凝土：上部结构整体采用C50混凝土，下部结构采用C40混凝土。（2）钢筋：HPB300钢筋符合钢筋混凝土钢第一部分：热轧光圆钢筋（GB1499.1-2008)的规定； HRB400和HRB500钢筋应符合钢筋混凝土用钢第二部分：热轧带肋钢筋（GB 1499.2-2007）的规定。钢筋连接器釆用直螺纹机械接头等强度连接，接头等级I级，应符合钢筋机械连接
6、通用技术规程（JGJ 107-2010）的有关规定。（3）预应力材料预应力钢束采用S15.2钢绞线，其公称抗拉强度为；弹性模量为，预应力锚下张拉控制应力为0.75。钢绞线必须符合“GB/T 5224-2003”的技术标准。（4）钢材：中跨钢箱梁采用Q345钢材，技术标准应符合桥梁用结构钢（GB/T 714-2015）的相关要求，且耐大气腐蚀指数I6.0，钢材供应技术条件须经设计批准后方可使用。表 1.1 本桥主体结构钢材力学性能力学性能Q345弹性模量E (MPa)206000剪切模量G (MPa)79230泊松比0.3拉压弯容许应力 (MPa)270剪切容许应力 (MPa)155屈服强度s
7、(MPa)345线膨胀系数 (1/)0.0000121.5 计算荷载1）恒载：钢材容重按78.5KN/m3，并额外考虑焊缝附加重量；主桥混凝土容重 27kN/m3；主桥其他混凝土结构容重26kN/m3，沥青混凝土重度：24kN/m3。2）活荷载：公路I级荷载；3）疲劳荷载：疲劳荷载-I模型，具体参考公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）；4）风荷载：与汽车荷载组合风速：25m/s，百年一遇风速：27.4m/s；5）系统温度：整体升温 25，整体降温 25；6）梯度升降温：梯度升温按14及5.5考虑，梯度降温按-7及-2.75考虑；7）支座沉降：按2cm考虑；8）收缩徐变：按公路钢筋
8、混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ D62-2004）要求，具体年平均相对湿度80%考虑；9）地震作用：地震动加速度0.05g，设防烈度6度；10）冲击系数：冲击系数的计算，参考规范（JTG D60-2004）第4.3.2，有： 当Hz时， （2-1） 当1.5Hz14Hz， （2-2） 当Hz时， （2-3） 通过模态分析，得到结构竖向一阶振型如图1.1所示，f=1.17，故冲击系数。图1.1 结构竖向一阶振型示意图1.6 计算内容及方法本项目计算采用大型有限元软件MIDAS进行建模分析，梁体采用后张法预应力构件，结构验算考虑了施工和使用阶段中预应力损失以及预应力、温度、混凝土收缩徐变
9、等引起的次内力对结构的影响，计算得到各阶段的受力情况，求出结构的内力、应力、变形等指标，依据规范规定的方法判定结构可靠与否。 15第二章 结构整体计算2.1 结构分析与计算结果2.1.1 模型概况结构计算模拟整个施工过程，考虑结构自重、二期铺装、移动荷载、支座沉降等作用，以及边界体系转化，最后建立全桥三维模型如图2.1所示，共计181个节点，180个单元。图2.1 全桥三维模型示意图2.1.2 荷载工况根据施工过程及设计标准，定义下列工况，如表2.1所示。表2.1 工况分类表工况编号工况名称类型说明1自重施工阶段荷载-1.042二期铺装施工阶段荷载3护栏荷载施工阶段荷载4整体升降温整体温度5梯
10、度升降温梯度温度6支座沉降支座沉降-2cm7移动荷载移动荷载公路一级2.2 施工过程验算结果考虑施工步骤比较多，选取几个主要关键的施工步骤输出结构具体的应力图。根据施工过程计算结果，各阶段混凝土与钢梁受力均能满足规范要求。阶段12 最大悬臂状态混凝土应力包络图阶段13 满堂支架阶段混凝土应力包络图阶段14 边跨合龙段混凝土应力包络图阶段15钢箱梁施工阶段结构应力包络图阶段17考虑十年收缩徐变后结构应力包络图图2.1 各主要阶段应力包络图2.3 持久状况正常使用极限状态计算2.3.1 混凝土正截面抗裂验算根据规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004），第6.3.1-
11、1和6.3.2的规定，需进行使用阶段正截面抗裂验算。规范规定：全预应力混凝土构件，在作用（或荷载）的短期效应的组合下，浇筑构件需满足；考虑结构对称，故只输出左边混凝土结构频遇组合下应力包络图如图2.2所示。根据结果可知，在频遇组合下，全桥最小压应力-0.2MPa，全截面受压状态，满足规范要求。频遇组合下上缘应力包络图频遇组合下下缘应力包络图图2.2 频遇组合下截面法向应力包络图2.3.2 混凝土斜截面抗裂验算根据规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004），第6.3.1-2和6.3.3的规定，需进行使用阶段斜截面抗裂验算。规范规定，全预应力混凝土构件，在频遇组合下，
12、浇筑构件需要满足。根据主拉应力的包络图（如图2.3所示）可知，最大主拉应力为0.6MPa=1.06MPa，满足规范要求。图2.3 结构主拉应力包络图2.3.3 混凝土正截面压应力验算根据规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004），第7.1.3、7.1.4和7.1.5的规定，需进行使用阶段正截面压应力验算。规范规定，对于未开裂构件，使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土压应力需要满足：。标准组合下上缘压应力包络图标准组合下下缘压应力包络图图2.4 结构正截面压应力包络图根据主体结构正截面压应力包络图（如图2.4所示）可知，混凝土结构最大正截面压应力为16MPa=1
13、6.2MPa，满足规范要求2.3.4 混凝土斜截面主压应力验算根据规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004），第7.1.6的规定，需进行使用阶段斜截面主压应力验算。对于使用阶段预应力混凝土受弯构件，其斜截面混凝土主压应力需要满足：。根据图2.5可知，最大斜截面主压应力为16MPa=19.44MPa，满足规范要求。图2.5 结构斜截面主压应力包络图2.3.5 结构变形验算在移动荷载作用下，跨中最大挠度为 15.84cm，具体如图2.6所示，考虑1.4挠度增长系数为22.2cm，满足规范 l/600=30cm 的要求。图2.6 移动荷载作用下结构变形包络图2.4 持久
14、状况承载能力极限状态计算2.4.1 混凝土正截面抗弯强度验算根据规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004），第5.2.2-5.2.5的规定，需进行使用阶段正截面抗弯强度验算。图2.7 正截面抗弯验算包络图 根据弯矩包络图（如图2.7所示）可知，所有截面的内力均小于截面的抗力，满足规范要求。2.4.2 混凝土斜截面抗剪强度验算根据规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004），第5.2.6-5.2.11的规定，需进行使用阶段斜截面抗剪验算。根据剪力包络图（如图2.8所示）可知，所有截面的内力均小于截面的抗力，满足规范要求。图2.8 斜截面抗
15、剪验算包络图2.4.3 混凝土钢箱梁强度验算根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）要求，在基本组合下，考虑1.1的重要性系数，主体结构的应力要满足相应规范要求。在1.1倍基本组合下，结构的正应力情况如图2.9所示，最大应力204MPa，小于270MPa，满足规范要求。图2.9 1.1倍基本组合下钢结构应力包络图2.4.4 钢结构疲劳验算根据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D642015）第5.5节抗疲劳设计，本次选用疲劳荷载计算模型（对应于无限寿命设计方法），对结构进行疲劳验算，在疲劳荷载-I作用下，结构的正应力幅具体如图2.10所示。图2.10 疲劳I作用下钢结构应力包络图根
16、据公路钢结构桥梁设计规范（JTG D642015）附录C疲劳细节，本桥的疲劳细节类别考虑为100，那么根据该规范5.5.3条与5.5.4条，疲劳应力幅限值为：从以上计算结果可以看到，结构在疲劳-I活载应力幅最大24.7MPa，小于54.6MPa，满足规范疲劳应力幅限值要求。2.5 支座反力计算考虑结构在标准组合下，分别计算最大与最小支座反力，如图2.11与图2.12所示。全桥没有出现负反力，满足规范要求。图2.11 标准组合下支座最大反力包络图图2.12 标准组合下支座最小反力包络图2.6 结论根据以上具体分析结果，可以得出：1） 施工过程中，结构的正应力满足规范要求；2） 正常使用极限状态下，混凝土的正截面抗裂满足规范要求；3） 正常使用极限状态下，混凝土的斜截面抗裂满足规范要求；4） 正常使用极限状态下，混凝土的正截面抗压满足规范要求；5） 正常使用极限状态下，混凝土的斜截面抗压满足规范要求；6） 正常使用极限状态下，结构的变形满足规范要求；7） 承载能力极限状态下，混凝土抗弯及抗剪承载能力均满足规范要求；8） 承载能力极限状态下，钢梁的应力满足规范要求；9） 钢结构的疲劳验算，疲劳应力幅满足规范要求；10） 结构支座反力计算，全桥没有出现负反力，满足规范要求；
