混凝土简支梁桥设计说明书

1 混凝土简支梁桥设计说明书 业设计的背景 现代所修建的桥梁中，无论公路桥或是铁路桥梁，中小跨径桥梁占有主导地位，其中混凝土简支梁桥又占有绝对数量。混凝土简支梁桥由于其结构简单、受力明确、施工方便，是中小跨径桥梁的首选结构。一般认为，混凝土简支梁桥的合理跨径在 50 m 以下，超出这一范围，梁高急剧加大，将失去其经济合理性。但随着新材料、新技术和新工艺的发展，该跨度范围有增大之趋势。目前以国内情况而言由于钢筋混凝土梁桥具有能就地取材，工业化施工，而持久性好，适应性强，整体性好以及美观等各 种优点，它们仍将得到推广和运用。 在我国混凝土简支梁桥的建设取得了很大的成就，其技术进步主要表现在以下几方面：在结构材料方面，高强、早强混凝土，高性能混凝土，高弹模、轻质的特点，研究超高强硅烟和聚合物混泥土、高强双相钢丝刚纤维增强混泥土、纤维塑料等一系列材料取代目前桥梁用的钢和混凝土；以及在特殊使用要求下的特种混凝土正在得到推广应用，商品混凝土和泵送混凝土正在取代传统的施工方法；大吨位的新型支座，大位移量的伸缩缝也在推陈出新，在结构设计方面，计算结构力学的发展和计算的普及应用，使得大型复杂桥梁的计算和绘图工 效率大大提高；同时，一些复杂的力学分析，诸如挠度、徐变收缩、剪滞效应、非线性、抗震等棘手的问，可以通过电算来求出较为符合实际的结果。在施工技术方面，以悬拼、悬灌为代表的各种无架施工方法走向成熟，施工机具的现代化水平正提高，施工管理的水平也上了新台阶。桥梁的安全性：桥梁建成交付使用后，将通过自动检测和管理系统保证桥梁的安全和正常运行，一旦发生故障或损伤，将自动报告损伤部位和养护对策。 业设计的要求 （ 1） 通过毕业设计，使学生能综合运用所学课程，系统地巩固基本理论和专业知识。培养学生独立分析问题和解决问 题的能力。 （ 2） 提高计算、绘图、查阅文献、使用规范手册的基本技能，掌握大、中型桥梁的设计原则、设计方法和步骤。 2 （ 3） 在设计过程中让学生熟练掌握 桥梁大师、桥梁博士、桥梁通等工程软件，并懂得利用我些软件解决工程中遇到的实际问题。 （ 4） 树立正确的设计思想以及严谨负责、实事求是、刻苦钻研、勇于创新的作风 （ 5） 本课题在设计计算中应严格遵循技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的基本原则进行，同时应充分考虑美观、环境保护和可持续发展的要求。 业设计的内容 通过参阅相关资料完成对 1320桥的整体设计，将所学的知识与实际运用相结合，更加深入的了解桥梁设计的各个步骤，对桥梁的每部分构造有更加直观的认识。熟悉掌握 方法，同时力求达到将设计结果与实际施工要求相吻合。 桥跨长自定，桥面尽量连续； 桥面横向坡度的实现 ; 桥面高程的确定 ; 桥墩的样式选择及详细尺寸拟定 ; 基础样式选择详细尺寸拟定。 用极限状态法进行以下内容计算： 梁体检算：梁的内力，横向分配系数的计算，活载布置与计算，荷载组合，梁体配筋计算，最后按规范要求进行各项检算 ； 盖梁配筋及检算：包括盖梁的支撑点，变截面处等截面检算，墩柱反力计算，全部求出后按简支梁进行配筋检算。 桥墩柱和基础检算：包括墩柱的内力检算及配筋，单桩容许承载力检算，单桩配筋及其检算，墩顶稳定性检算。（选做部分） 3. 设计重点和难点 重点：桥式的选择，横坡的实现，上部与下部结构的内力计算。 难点：盖梁配筋及检算，墩柱配筋及检算。 4. 解决方法 桥式的选择布置参照有关参考书； 3 横坡通过支撑垫石桥面铺装来调整和实现。 结构设计与内力计算依照规范进行； 盖梁配筋及检算：检算时先选出盖梁的检算截面（如梁 支撑点处，变截面处等），根据检算截面的受力情况将和人群按对称与非对称两种情况进行横向分布系数的计算，以便于计算每片梁支撑处的反力，而后纵向按影响线布置荷载，使支撑处的反力为最大，求出该处的反力，再求出墩柱对盖梁的支撑反力，盖梁受力全部求出后按简支梁进行配筋计算； 对墩的检算采用极限状态法，对桩采用 M 法。然后采用公预规中圆形截面偏心受压法对桩的承载力进行检算。 参造结构设计原理的配筋原则和规范构造要求，在具体配筋实施中，坚持以下几点原则：各截面配筋必须满足最小配筋所需的根数；盖梁主筋的弯起尽量满足对称原 则；弯矩包络图与全梁承载力图关系尽量满足最优原则；墩柱配筋沿圆圈均匀分布，在变截面处焊接，适当配置螺旋筋和箍筋。 计标准荷载 根据城市桥梁荷载设计规范的规定，城市 B 级的标准车辆为汽车 20 级；挂车 100 级且纵、平面荷载布置如下： 轴重：（ 60 120 120 轮重：（ 30 60 60 钢筋混凝土简支 T 型梁桥 简支梁桥是梁桥中应用最早、使用最广泛的一种 桥型。它的结构简单，最易设计成各种标准跨径胡装配式结构；施工工序少，架设方便；造价比较低，施工周期相对其它桥梁要短；结构美观，安全性好；在多孔简支梁桥中，由于各跨构造和尺寸划一，可简化施工管理工作，降低施工费用；因相邻桥孔各自单独受力，桥墩上需要设置相邻简支梁的两个基本点支座；简支梁桥的构造较易处理而常被选用。 简支梁桥的静定结构，结构内力不受地基变形等的影响，因而能在地基较差的桥位上建桥。 简支梁的设计主要受跨中正弯距的控制。在钢筋混凝土简支梁桥中，经济合理的常用跨径在 20m 以下。我国预应力混凝土简支梁桥 的常用跨径载 40m 以下。 4 图 钢筋 混凝土简支 T 型梁桥 桥 拱桥的跨越能力大，能充分做到就地取材，与钢桥和钢筋混凝土梁式桥相比，可以节省大量的钢材和水泥；能耐久，而且养护费用少，承载能力大；外形美观，构造较简单，尤其是圬工拱桥，技术容易掌握，有利于广泛采用 。 如果要在地质条件不好的地区修建拱桥时，就可从结构体系上、构造形式上采取措施，或利用轻质材料来减轻结构物的自重，或设法提高地基承载能力等。为了节约劳动力、加快施工进度，可采用预 制构件及无支架施工。这些措施更加扩大了拱桥的使用范围，提高了拱桥的跨越能力。总之，今后拱桥仍将是我国公路桥梁的一种主要 形式。 术经济比较和最佳方案的确定 观桥梁的发展，从安全考虑石拱桥用的已经越来越少；空心板桥安全性比石拱桥要高，但比起梁桥又稍差；连续梁桥对桥下净空要求高，造价高；预应力混凝土简支 T 形梁桥在小桥中用途最广，由于 T 梁可以预制，施工速度比同类型桥梁要快等许多优点，经过上述方案的比较，决定采用预应力混凝土简支 T 形梁桥。 部结构尺寸的拟定 设计荷载：城市 B 级 ； 桥梁长度布置： 16 米 +16 米 +16 米，全长 48m； 桥面净宽： 7+2+2m 上部构造：钢筋混凝土 T 梁 . 5 材料 钢筋：盖梁主筋用 筋，其他均为 钢筋； 混凝土：盖梁、墩柱用 梁及钻孔灌注桩用 主梁的计算 计算荷载横向分布系数 a当荷载位于支点处，利用杠杆原理法计算 横断面 对于 1#梁： 1#梁 对于汽车荷载 4 q对于人群荷载 对于 2梁： 6 2梁 对于汽车荷载 6 3 1 对于人群荷载 2 （由于是出现负的， 取零，出于安全考虑） 对于 3梁： 3梁 对于汽车荷载 q对于人群荷载 3 0b当荷载位于跨中时 此桥在跨度内设有横隔板，具有强大的横向联结刚性，且承重结构的长度比为0 5 (B 可按刚性横梁法绘制影响线并计算横向分布系数 本桥各根主梁的横向截面均相等，梁数 n=5, 梁间距为 。 51（ 1）求 1梁横向影响线的竖标值： 7 1梁影响线 5122111 5125115 由 11 、 15 绘制 1梁的横向影响线 ，如上图及最不利荷载位置 对于汽车荷载 对于人群荷载 （ 2）求 2梁横向影响线的竖标值： 2梁影响线 8 由 21 、 25 绘制 2梁的横向影响线，如上图及 最不利荷载位置 对于汽车荷载 对于人群荷载 （ 3）求 3梁横向影响线的竖标值 3梁影响线 31 1 、35 1 对于汽车荷载 3 11 0 . 2 4 0 . 422c q 对于人群荷载 3 0 . 2 0 . 2 0 . 4c r 主梁内力计算 9 a恒载集度 （ 1）主梁： （ 2）横隔梁 对于边主梁： 552 对于中主梁： （ 3）桥面铺装层 ： （ 4） 栏杆和人行道： 、 作用于边主梁的全部恒载强度： i /作用于中主梁的全部恒载强度： i /b恒载内力的计算 10 跨中弯矩影响线支点剪力影响线1 / 4 跨 弯 矩 影响线1 / 4 跨 剪 力 影响线l / 413 L / 40 . 7 50 . 1 5边跨弯矩剪力影响线 1#及 5#梁内力（边跨） 跨中弯矩 跨中剪力 20支点剪力 1/4 跨处弯矩： l /4 5 321163212 1/4 跨处剪力： 2#、 3及 4#梁内力（中间跨） 跨中弯矩 跨中剪力 2 0 支点剪力 1/4 跨处弯矩： 1/4 跨处剪力： c活载内力 (1)汽车荷载冲击系数 11 主梁横截面图 结构跨中处的单位长度量： c /3 主梁截面形心到 T 梁上缘的距离 ： 11181902148215015018 跨中截面惯性矩： mI 查表 E 取210 /100.3 1022 1 4H z f H z f 所以冲击系数： (2)汽车荷载作用 城市 1 0 N m对于集中荷载，当 5l 时， 1 8 0 / N m；当 50l 时， 3 6 0 / N m当 5 50l 时，采用内插法 则 0 . 7 5 1 0 . 5 7 . 8 7 5 / N m 12 当计算剪力时候 0 计算车道荷载的跨中弯矩、剪力的计算对于双车道，折减系数 跨中弯矩影响线如下图 跨中弯矩的设计 321421 由于跨中弯矩横向分布系数 1、 5梁最大，所以只需计算 1、 5梁的弯矩，计算如下： 对于 1#梁 车道均布荷载作用下 ,2 车道集中荷载作用下 k,2则 ,22跨中人群荷载最大弯矩 人群荷载集度 13 对于 2#梁 计算城市 13 221,1 计算人群荷载的跨中弯矩： 人群荷载集度： 3 1 3 N 对于 3#梁 计算城市 321,2 计算人群荷载的跨中弯矩： 人群荷载集度： 13 跨中剪力的计算 跨中剪力影响线如下图： 337 对于 1梁 计算城市 121,1 计算人群荷载的跨中剪力： 对于 2和 4#梁 14 计算城市 20,1 计算人群荷载的跨中剪力： 对于 3#梁 计算城市 30,1 计算人群荷载的跨中剪力： 支点截面剪力的计算 剪力影响线如下图所示： 横向分布系数变化区段的长度 2 对于 1梁 附加三角形重心影响线坐标 ： 31 y y kc q 40 8 0110,1 计算人 15 群荷载的支点剪力： r 10,2 对于 2和 4#梁 计算城市 下图所示）： 80 8 20220,1 计算人群荷载的支点剪力： 220,2 对于 3#梁 计算城市 下图所示）： 16 60 8 30330,1 计算人群荷载的支点剪力： 330,2d 1/4跨弯矩的计算 1/4跨弯矩的影响线如下图 32116321 对于 1#梁 计算城市 ： 17 7 5 141,1 计算人群荷载的跨中弯矩： 人群荷载集度： 3 1 3 N 对于 2#和 4#梁 计算城市 ： 2 1 241,1 计算人群荷载的跨中弯矩： 人群荷载集度： 3 1 3 N 对于 3#梁 计算城市 ： 7 7 341,1 18 计算人群荷载的跨中弯矩： 人群荷载集度： 3 1 3 N 1/4跨剪力的计算 1/4跨剪力影响线如下图： 城 市 B 级Q 1 / 4 影 响 线人群荷载Q 1 / 4 影 响 线1 6 0 . 5 K 8 7 5 K N / N / 4321 对于 1梁 计算城市 ： 10,1 计算人群荷载的跨中剪力： 对于 2和 4#梁 计算城市 ： 20,1 计算人群荷载的跨中剪力： 对于 3#梁 计算城市 30,1 计算人群荷载的跨中剪力： 19 荷载组合 1112()u d o G i G i k Q q k c Q j Q J s r r s r s r s 其中 ，1 ， ， ， 跨中弯矩组合： 梁 恒载（ KN/m） 活载（ KN/m） 组合值（ KN/m） 汽车 人群 1、 5 、 4 中剪力组合： 梁 恒载（ KN/m） 活载（ KN/m） 组合值（ KN/m） 汽车 人群 1、 5 0 、 4 0 0 点剪力组合： 梁 恒载（ KN/m） 活载（ KN/m） 组合值（ KN/m） 汽车 人群 1、 5 、 4 ： 梁 恒载（ KN/m） 活载（ KN/m） 组合值（ KN/m） 汽车 人群 1、 5 、 4 20 1/4跨剪力组合： 梁 恒载（ KN/m） 活载（ KN/m） 组合值（ KN/m） 汽车 人群 1、 5 、 4 载内力的计算 图 13 铰接悬臂行车道板（单位： 1）计算每延米板的恒载 g 沥青混凝土面层： 合计： 31 321/2） 计算每延米板条的恒载内力 弯矩： 20 剪力： 载内力的计算 根据轴距及轴重，应以重轴为主，取后轴 2 140P 计算。轮载分布：车轮着地尺寸22 0 . 2 0 . 6a b m ，经铺装层按 45 角扩散后，在板顶的分布尺寸： 21 经分析，车后轴两轮的有效分布宽度重叠，所以荷载有效分布宽度为： 图 14 计算图示及荷载有效分布宽度（单位： 冲击系数： 作用在每延米板条上的弯矩： 作用在每延米板 条上的剪力： P 力组合 承载能力极限状态内力组合计算： 基本组合（安全等级二级）： 3 故桥面板的设计内力为： 正常使用极限状态内力组合计算： 短期效应组合： 6 2 1 5 4024 3 1 0 22 5. 横隔梁的计算 定作用在中横隔梁的计算荷载 布置车辆荷载时： 人群荷载： 力计算 2与 3主梁间 截面弯矩23M影响线： P=1作用在 1梁时： 1111,32 P 1作用在 4梁时： 5155,32 P 1作用在 3梁时： 2123,32 1主梁处右截面1 P=1作用于 1梁截面的右边时 11 即 110 P=1作用于 1梁截面的左边时 11 1右 即 11 1 0 . 4 Q 右 绘制的23M和1 23 3 4城市 23 (1 ) oq 人群荷载： 剪力的计算： 1 右 人群荷载： 右 力基本组合 鉴于横隔梁的永久荷载作用效应很小，计算中可忽略不计。 1) 承载能力极限状态内力组合 基本组合： 3 5 31 1 a x, a x , 右 2) 正常使用极限状态内力组合（不计汽车冲击影响） 短期效应组合： 5 1 a x, 1 a x , 右 6 持久状况承载能力极限状态下截面设计、配筋与验算 置主梁受力钢筋 由弯矩基本组合计算表 10可以看出， 2号和 4 号梁虑到设计施工方便，并留有一定的安全储备，故按 2号梁计算弯矩进行配筋。 24 设钢筋净保护层为 3筋重心至底边距离为 8 ，则主梁有效 高 度 为 3 2)181 5 0(0 。 已知 1 号 梁 跨 中 弯 矩下面判别主梁为第一类 T 形截面或第二类 T 形 截面；若满足20 ，则受压区全部位于翼缘内，为第一类 则位于腹板内，为第二类 式中，0为 1.0；设 计采用 形截面受压区翼缘有效宽度，取下列三者中的最小值： （ 1） 计算跨径的 1/3:l/5=1350/50 2） 相邻两梁的平均间距： d=190 3） 10)131218218(122 此处， 值为 18cm，值为 86cm，受压区翼缘悬出板的平均厚度，其值为 13设计由于 3/hh 83 ，值为 6 所以取 00 。 判别式左端为 5 5 6 4 8)( 30 因此，受压区位于翼缘内，属于第一类 按宽度为 设混凝土截面受压区高度为 x，则利用下式计算： )2( 00 即 ) 整理得 解得 。 25 根据式 则 22 选用 4根直径为 36 2根直径为 28 则 22 钢筋配置图（单位： 钢筋布置如图 7所示。钢筋重心位置 ) 查表可知， 55.0b，故 4 则截面受压区高度符合规范要求。 配筋率 为 %(0 配筋率 满足规范要求。 久状况截面承载力能力极限状态计算 按截面实际配筋面积计算截面受压区高度 x 为 截面抗弯极限状态承载力为 ( 30 抗弯承载力满足要求。 截面抗剪承载力计算 由表 13可知，支点剪力以 2、 4号梁 为最大考虑安全因数，一律采用 3 号梁剪力值进行抗剪计算。跨中剪力效应以 2、 4号梁为最大，一律以 2号梁剪力值进行计算。 d 定最下排 2根钢筋没有弯起而通过支点，则有： a= 5) 0(0 根据下式： 故端部抗剪截面尺寸满足要求。 根据下式，若满足 0230 105.0 ，可不需要进行斜截面抗剪强度计算，仅按构 26 造要求设置钢筋。而本设计 3 53 3 023 因此0230 105.0 ，应进行持久状况斜截面 抗剪承载力验算。 1、 斜截面配筋的计算图式 1）最大剪力 h/2（梁高一半）处截面的数值，其中混凝土与箍筋共同承担的剪力 0% 起钢筋（按 450 弯起）承担的剪力 0% 2）计算第一排（从支座向跨 中计算）弯起钢筋时，取用距支座中心 h/2 处由弯起钢筋承担的那部分剪力值。 3）计算第一排弯起钢筋以后的每一排弯起钢筋时，取用前一排弯起钢筋下面弯起点处由弯起钢筋承担的那部分剪力值。 弯起钢筋配置及计算图式如图 8所示。 图 8弯起钢筋配置及计算图式（单位尺寸： 由内插可得。距支座中心 h/2处得剪力效应 0 6 83 3 5 则 2 4 02 0 6 8 2 6 02 0 6 相应各排弯起钢筋的位置及承担的剪力值见表 14 表 14 弯起钢筋位置与承担的剪力值计算表 钢筋排次 弯起点距支座中心距离/m 承担的剪力值 钢筋排次 弯起点距支座中心距离 /m 承担的剪力值 1 2 27 3 2、 各排弯起钢筋的计算。与斜截面相交的弯起钢筋的抗剪承载能力按下式计算： s 式中 弯起钢筋的抗拉设计强度（ 在一个弯起钢筋平面内弯起钢筋的总面积（ ； s 弯起钢筋与构件纵向轴线的夹角。 本设计中： 80， 45s，故相应于各排弯起钢筋的面积按下式计算 1 4 8 5 i i 30 计算得每排弯起钢筋的面积见表 15 表 15 每排弯起钢筋面积计算表 弯起排次 每排弯起钢筋计算面积2/弯起钢筋数目 每排弯起钢筋实际面积 2 / 2036 2 1232 3 509 在靠进跨中处，增设 223 509 。 （ 3）主筋弯起后持久状况承载能力极限状态正截面承载力验算：计算每一弯起截面的抵抗弯矩时，由于钢筋根数不同，则钢筋的重心位置也不同，有效高度0不同，为了简化计算，可用同一数值，影响不会很大。 23M 为 (2 430112筋的抵抗弯矩 2M 为 (2 43012跨中截面的钢筋抵抗弯矩 M 为 007)3全梁抗弯承载力校核 28 9 全梁抗弯承载力验算图式（尺寸单位： 第一排钢筋弯起处正截面承载力为 0 7(1 第二排钢筋弯起处正截面承载力为 2 0) 322 0 0 7(2 第三排钢筋弯起处正截面承载力为 0073 筋设计 根据下式，箍筋间距的计算式为 2020,62321)() 式中 1a 异号弯矩影响系数，取 1a = 3a 受压翼缘的影响系数，取3a= P 斜截面内纵向受拉钢筋的配筋百分率， P=100 ，0 ，当 P= 同一截面上箍筋的总截面面积（ ； 箍筋的抗拉强度设计值，选用 95； b 用于抗剪配筋设计的最大剪力截面的梁腹宽度（ 0h 用于抗剪配筋设计的最大剪力截面的有效高度 （ 29 用于抗剪配筋设计的最大剪力设计值分配于混凝土和箍筋共同承担的分配系数，取 = 用于抗剪配筋设计的最大剪力设计值（ . 选用 2面积 257.1 ；距支座中心 2/0 ；有效高度 (231500 ；% s ，则 P ，最大剪力设计值