预应力混凝土简支梁桥设计毕业设计.doc

预应力混凝土简支梁桥设计毕业设计目 录前言.11. 桥型方案比选.21.1工程概况.21.2设计依据.21.3技术标准.21.4工程地质条件.21.5采用规范.21.6桥型方案比选及点评.32. 桥梁的设计资料及构造布置.62.1设计资料.62.2桥梁结构构造布置.73. 主梁截面几何特征初步计算.93.1受压翼缘有效宽度bf的计算.93.2主梁截面几何特征的计算.93.3截面效率指标p的计算.114. 主梁的内力计算.124.1恒载内力计算.124.2主梁活载横向分布系数计算.164.3主梁活载内力计算.254.4主梁内力效应组合.315. 预应力钢筋面积的估算及其布置.345.1预应力钢筋截面积估算.345.2预应力钢束布置.345.3非预应力钢筋截面积估算及其布置.386. 主梁截面积和特征计算.387. 持久状况截面承载能力极限状态的计算.437.1正截面承载力计算.437.2斜截面承载力计算.438. 预应力损失估算.458.1预应力钢筋张拉控制应力.458.2预应力钢筋预应力损失.459. 主梁短暂状况的应力验算.5210. 主梁持久状况的应力验算.5210.1跨中截面混凝土法相正应力验算.5310.2持久状况下预应力钢筋的拉应力验算.5310.3持久状况下的混凝土主应力验算.5311. 主梁抗裂性验算.5811.1主梁在短期效应组合作用下的正截面抗裂验算.5811.2主梁在短期效应组合作用下的斜截面抗裂验算.5812. 主梁变形（挠度）计算.6112.1何在短期效应作用下主梁挠度验算.6112.2预加力引起的上拱度计算.6212.3预拱度的设置.6213. 主梁锚固区的局部承压验算.6313.1局部承压区的截面尺寸验算.6313.2局部抗压承载力计算.6414. 桥梁的行车道板内力计算及配筋.6514.1行车道板恒载及其内力计算.6514.2行车道板活载内力计算.6614.3行车道板的作用效应组合.6614.4行车道板的配筋及强度验算.6715. 横隔梁的内力计算及配筋.6915.1横隔梁影响线的绘制.6915.2横隔梁截面内力计算.7215.3横隔梁配筋及强度验算.7216. 支座的设计与计算.7416.1确定支座的平面尺寸.7416.2验算支座的厚度.7516.3验算支座偏转.7616.4验算支座的抗滑性能.77结论.78参考文献.79致谢.80前言 毕业设计是学校专业教学过程的最后的一个环节，它的主要目的是培养我们学生综合运用所学专业知识的技能。通过毕业设计，使我们较系统的掌握所学的理论只是，同时与实际工程相结合，培养我们分析解决实际问题的能力。另外，通过毕业设计这一过程还可以培养我们实事求是，谦虚谨慎的学习态度和刻苦钻研、勇于创新的精神。近现代以来，预应力混凝土桥在我国得到了巨大的发展。特别是预应力混凝土梁式桥的定型设计广泛采用T形梁的形式，不但经济适用而且施工方便，可以明显加快建桥的速度。近几十年以来，由于建桥材料性能的不断改进和完善，设计理论且趋完美，施工工艺的创新，使得此种桥梁的修建获得了巨大的发展空间，在桥梁工程中占有日益重要的地位。目前预应力混凝土简支梁桥的最大跨径已达到76m。本次毕业设计就是对一座中型预应力混凝土简支T形梁桥上部结构的设计及计算。本次设计主要包括以下几个方面的内容：桥梁的结构设计；主梁的内力计算及配筋；桥梁的行车道板内力计算与配筋；横隔梁的内力计算及配筋；支座的设计及相关验算。桥梁的结构设计包括主梁的梁高、肋宽、翼板厚度、以及横隔梁的片数、高度和厚度。主梁的跨中的横向分布系数计算采用比拟正交异型板法即G-m法，支点处的荷载横向分布系数采用杠杆原理法。横隔梁的内力计算采用偏心压力法，在设计设计时，偏于安全地采用横隔梁的设计来代表所有其他横隔梁的设计，只求出了横隔梁的剪力和弯矩进行配筋和强度验算。支座采用的是现代公路桥梁中广泛采用的板式橡胶支座。施工采用预制装配，桥梁构建的形式和尺寸趋于标准化，有利于大规模工业化制造，且不是季节的影响。总之，通过毕业设计，使我们达到基本知识基础理论、基本技能（三基）和运用知识网络获取知识的能力，计算机应用的能力，外语能力以及文化素质，思想品德素质，业务素质（三个素质）的训练，培养我们运用所学专业知识和技术，研究，解决本专业实际问题的初步能力。1. 桥型方案比选1.1工程概述该桥建造于低山丘陵地区，桥位位于轴线近南北向的太阳村背斜东翼，桥梁净宽20m，两侧人行道各1.5m，中间分隔带1m。1.2设计依据（1）沿线自然地理状况；（2）物探报告和钻孔报告（3）桥梁跨越障碍的形式为：道路。1.3技术标准 （1）路线道路等级：二级公路；（2）设计车速：80km/h;（3）桥面净宽20m，双向四车道，人行道2x1.5m,中间分隔带1m。（4）车辆荷载标准：公路工级；（5）桥上纵坡；1.5%（6）设计抗震裂度：六级；（7）设计洪水频率：百年一遇。1.4工程地质条件 桥位区位于轴线近南北向的太阳村背斜东翼，下卧基岩为中石碳流黄龙组灰岩石，呈单斜构造，近南北走向，倾向东，倾角12到15度。其构造运动发生于中生代白垩系之前，第四纪以来未发现有明显的新构造运动迹象据野外40个钻探孔揭露及土工试验成果，场区岩土层主要为河流冲积作用形成的粘土，亚粘土，卵石等；表部不均匀地分布有填土，新近沉积亚粘土，地基稳定性条件良好。1.5采用规范公路路线设计规范（JRJ011_94）公路桥梁设计通用规范（JTGD60-2004）公路桥梁钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范（JTGD62-2004）1.6桥梁方案比选及点评1.6.1桥梁设计的原则适用性桥上应保证车辆嗯好人群的安全顺畅，并在满足交通量增长的需要。桥应该满足泄洪，安全通航或通车要求。建成的桥梁应保证使用年限并便于检查和维修。舒适与安全性 现代桥梁设计越来越强调舒适度，要控制桥梁的竖向与横向中面，避免车辆在桥上振动与冲击。整个桥跨结构及各部分构件，再制造，运输，安装和使用过程中应该具有足够的强度，刚度，稳定性和耐久性。 经济性设计的经济性一般应占首位。经济性应综合考虑到发展远景及将来的养护和维修费用。先进性桥梁的设计应体现现代桥梁建设的新技术。应便于制造和假设，应尽量采用先进工艺和施工机械，以利于减少劳动强度，加快施工进度，保证工程质量和施工安全。美观一座桥梁，应与周围的景致相协调。合理的结构布局和轮廓是美观的主要因素，决不应把美观片理的理解为豪华的装饰。 另外，在国家经济实力不断增长的时期，公路工程设计应符合环保要求，保持公路的可持续发展。对桥梁，从设计到施工都应考虑到环保要求，有利于环保。桥梁的设计方案应力求结构新颖，尽量采用有特殊的新结构，又要保证结构受力合理，技术可靠，施工方便。1.6.2桥型方案比选 根据上述原则，对本次设计的桥梁进行方案比选。 表1-1方案比选表比较项目第一方案第二方案桥型预应力混凝土简支T型梁桥梁拱组合桥方案简介此方案采用了跨简支结构，标准跨径为30米，计算跨径为28.66米，桥梁全长90米，其具体尺寸见设计图纸，将整个桥面用防撞护栏分为两幅，桥墩采用双柱式钻孔灌注桩此方案主跨为65m预应力空心板拱，引桥为30m的钢筋混凝土箱型梁桥，全桥总长为95m。设计技术水平国内设计经验丰富水平先选国内设计经验一般，水平一般施工技术预制T型构件，运至施工地点采用混凝土现浇，将T型梁连接，其特点是外型简单，制造方便，整体性好，便于施工及构件的安装。转体施工法，对周围的影响较小，将结构分开建造，最后在合拢，最近十年来新兴的施工方法，施工难度较大，需要的施工设备配置较高。维修量小较小工期较短，预计16周较长，预计21周 方案点评： 方案一采用预应力钢筋混凝土简支T型梁桥，而预应力混凝土梁桥课看作是一种预先存储了足够压应力的较新型的混凝土材料。队混凝土施加压力的高强度钢筋，既是加力工具有时抵抗荷载所引起构件内力的受力钢筋。另外，预应力混凝土梁桥除了具有钢筋混凝土梁的所有有点外还有下述的重要特点：能最有效的利用现代化的高强度材料（高强度混凝土，高强度钢材），减小构件截面，显著降低自重所占的全部设计荷载的比重，增大跨域能力，并扩大混凝土结构的使用范围。与钢筋混凝土梁桥相比，一般可以节省钢材3040，跨径愈大，节省愈多。全预应力混凝土梁在使用荷载下不出现裂缝，即使部分预应力混凝土梁在常遇荷载下也无裂缝，鉴于全截面参加工作，梁的刚度就比通常开裂的钢筋混凝土梁要大。因此，预应力梁可显著减少建筑高度，使大跨径桥梁做得轻柔美观。由于能消除裂缝，这就扩大了对多种桥型的适应性，并提高了结构的耐久性。 预应力技术的采用，为现代预制装配式结构提供了最有效的接合和拼装手段。根据需要可在结构纵、横和竖向任意分段，施加预应力，即可集成理想的整体，这就扩大了装配式桥梁的使用范围。方案二采用梁拱组合桥，它们利用梁的受弯与拱的承压特点组成联合结构。在预应力混凝土结构中，因梁体内科储备巨大的压力来承受拱的水平推力，使这类结构既具有拱的特点，而又非推力结构，对地基要求不是很高。但这种结构施工比较复杂，一般用于城市跨河桥上。总的来说，这两个方案都符合安全，功能，经济，施工的要求。在功能上第一个方案较有优势，在美观上第二个方案较有优势，但符合本次毕业设计任务书中的相应条件及本人水平有限，故选择第一个方案预应力混凝土简支T型梁桥为最终设计方案！ 2 桥梁的设计资料及构造布置2.1设计资料2.1.1桥面净空净2x8.0+1m（分隔带）+2x1.5m（人行道）桥面采用中间分隔带分离的形式。2.1.2主梁跨径及全长标准跨径：30m主梁全长：主梁预制全长L全=29.94m，伸缩缝采用6m计算跨径：L=28.66m（相邻支座中心间距）2.1.3设计荷载根据线路的等级，确定荷载等级由公路桥涵设计通用规范中4.3.1中的相关规定知道计算荷载为公路工级车道荷载，人群荷载为3.0KN/m2 。2.1.4材料及施工工艺水泥混凝土：主梁采用C50，Ec=3.45x104MPa，抗压强度标准值fck=32.4MPa,抗压强度设计值fcd=22.4MPa，抗拉强度标准值ftk=2.65MPa，抗拉强度设计值ftd =1.83MPa；预应力钢筋；采用低松弛的钢绞线，抗拉强度标准值fpk =1860MPa，抗拉强度设计值fpd =1260MPa，公称直径15.24m，公称面积140mm2，弹性模量Eo=1.95x105MPa；非预应力钢筋：当钢筋直径d12mm时采用HRB400级钢筋，抗拉强度标准值 fsk =400MPa，抗拉强度设计值fsd =330MPa；当直径d小于等于12mm时，一律采用HRB335级钢筋，抗拉强度标准值为fsk =335MPa，抗拉强度设计值fsd =280MPa；非预应力钢筋的弹性模量均为Es=2.0x105MPa。锚具：采用预应力钢绞线配套的锚具。施工工艺：采用后张法施工，预留孔道采用预埋金属波纹管成型，钢绞线采用TD双作用千斤顶两端同时张拉；主梁安装就位后现浇40mm宽的湿接缝，最后施工80mm厚的沥青桥面铺装层。2.1.5设计依据公路桥梁设计通用规范（JTGD60-2004）公路桥梁钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范（JTGD62-2004）2.1.6设计计算方法极限状态设计法2.2桥梁的结构构造布置主梁间距：采用 装配式方法进行施工，根据经济因素及现场的吊装能力，主梁间距一般在1.82.3m之间，本设计中选用2.0m，整个横桥向共布置10片主梁，设计主梁的宽均为2.0m；预制时，边梁宽1.8m，中梁宽1.6m，主梁间留0.4后浇段，以减轻吊装重量，同时加强横向整体性。（见图2-2及图2-3）主梁高：根据查阅相关资料得知预应力T行梁的截面尺寸，亮的高跨比选取再1/151/25之间，本设计采用1.80m横隔板间距：为了增强主梁之间的横向连接刚度，除了设计端横隔板外，还设置三片中横隔板，其间距为7.165m。共计5片。主梁腹板的厚度：在预应力混凝土梁中，腹板内的主拉应力较小，腹板的厚度主要由预应力钢筋的口道设置方式决定的，同时从腹板的稳定出发，腹板的厚度不宜小于其高度的1/5，本设计中取腹板的厚度为20cm。在跨中区段，钢束主要布置在梁的下缘，会形成较大的内力偶臂，故在梁腹下部设置马蹄以利较多数量的钢束布置和承受强大的预应力。设计实践表明马蹄面积与截面面积以10%20%为好，本设计中马蹄宽为40cm，高为20cm。主梁采用等高度形式，横截面的T梁翼板厚度沿跨长不变，马蹄部分为配合钢束弯起而从跨中开始向起点所有抬高。两端部区段由于锚固集中力的作用而引起较大的局部应力，也因布置锚具的需要，在距梁端一倍梁高的范围内将腹板加厚到与马蹄等宽。变化点截面（腹板开始较厚处）到支点的距离为370cm，中间设置一节长为270cm的腹板加厚过渡段。桥面铺装：采用厚度为8cm沥青混凝土，坡度由盖梁找平。桥梁横断面：（见图2-5）3 主梁截面几何特性初步计算3.1受压翼缘的有效宽度的计算预制时翼缘宽度为1.6m，使用时根据公路桥规中的规定，T型截面梁 受压翼缘的有效宽度b、f，取下列三者的最小值：（1）简支梁桥计算跨径的1/3，即L/3=9553；（2）相邻的两梁的平均间距，对于中梁为2000mm;（3）b+2bh+12h、f，本设计汇总bh=0，h、f=（1000x180+800x120/2）/1000=228mm.所以有h、f =2000.3.2主梁截面几何特性的计算预制时翼缘板宽度为1.6m，使用时为2.0m，分别计算着二者的截面特性，在工程设计中，主梁几何特性多采用分块数值求和法进行，其计算公式如下： 全截面面积：A=;各分块面积对上缘的面积矩：；全截面重心至梁顶的距离：全截面惯性矩计算用移轴公式：;式中；A分块面积； y分块面积的重心至梁顶边的距离； y全截面重心至梁顶的距离； S各分块对上缘的面积矩； I分块面积对其自身重心轴的惯性矩； 表3-1中主梁预制阶段跨中全截面几何特性计算表分块号分块面积A（mm2）ymm （mm3） ys （mm） （mm4） Ii（mm4）2x700x180=252000 9022680x103 52469.139x1090.680x109700x120=84000 22018480x103 39413.040x1090.067x1091600x200=320000 800256000x103 -18611.071x10968.267x109100x200=20000 1533660x103 -91916.891x1090.044x109200x400=80000 1700136000x103 -108694.352x1090.267x109合计A=756000Im= 中主梁跨中全截面的几何特性在使用阶段如图3-2及表3-2所示，同理根据图2-2，图2-3，计算出支座截面及214截面的几何特性，汇总于表3-3中。表3-2中主梁使用阶段跨中全截面几何特性计算表分块号分块面积A（mm2）ymm （mm3） ys （mm） （mm4） Ii（mm4）2x700x180=324000 9029160x103 47874.029x1090.875x109700x120=84000 22018480x103 34810.172x1090.067x1091600x200=320000 800256000x103 -23217.224x10968.267x109100x200=20000 153330660x103 -96518.625x1090.044x109200x400=80000 1700136000x103 -1132102.514x1090.267x109合计A=828000222.564x10969.520x109 3.3检验截面效率指标跨中截面使用阶段上核心距：ks=Im/下核心距；kx=Im/截面效率指标：根据以往的设计经验，预应力混凝土T形梁在设计时，检验截面效率指标较合理，且较大者亦较经济。上述计算表明，初拟的土梁跨中截面是合理的。表3-3主梁截面几何特性汇总表 截面A（mm2）（cm3）ys（cm）Im（cm4） 跨中中主梁预制阶段 7560463820614273.873x105边主梁预制阶段 7720467060605271.405x105使用阶段8280470300568292.084x105 2/4中主梁预制阶段7560463820614273.873x105边主梁预制阶段7720467060605271.405x105使用阶段8280470300568292.084x105 支点中主梁预制阶段10080683280678320.309x105边主梁预制阶段10440686952658332.418x105使用阶段10800689760639343.726x1054.主梁的内力计算4.1恒载内力的计算4.1.1主梁预制时的自重（第一期恒载）g1此时翼缘板宽1.6m按跨中截面计算，主梁每延米自重（即先按等截面计算）中主梁：g1、=0.756x25=1809KN/m内外边主梁：g1、=0.772x25=19.3KN/m由马蹄增高与梁端加宽所增加的重量折成没延米重（图4-1）V=10x130x434=564200cm3V1=72333cm3V2=166367cm3V3=43400cm3 4+4=1828400cm31828400cm3 1.914KN/m 横隔板梁折算成延米重量 中间隔板梁重量（两侧）=3x25x2x1.4x0.9-1/2x0.6x0.12-1/2x0.6x(0.6+0.8)x(0.14+0.06)/2=11.82KN 横隔梁重量=3x25x2x0.8x1.4-1/2x0.6x0.12-1/2x0.6x90.6+0.8）x(0.14+0.06)/2=6.64KN/m ()/28.66=0.65KN/m 每延米自重总和中主梁 18.900+1.914+0.64=21.454KN/m内、外边主梁+1/2=19.3+1.914+0.5x0.64=21.854KN/m4.1.2桥面板间接头（第二期恒载）中主梁：=0.4x0.18x25=1.8KN/m内、外边主梁:=1/2x1.8=0.9KN/m4.1.3栏杆、人行道、桥面铺装（第三期恒载）桥面坡度以盖梁做成斜面坡，桥面铺装厚度取为8cm，沥青混凝土的重度取为r=23KN/m3人行道每侧重：4.1KN/m 栏杆每侧重：1.5KN/m中间绿化带：=（0.4x0.1x0.2+1.8x0.1）x25+0.2x1.8x17=12.62KN/m每侧内边梁分担6.31KN/m外边梁=4.1+1.5+0.5x0.08x23=3.68KN/m中梁=2.0x0.08x23=3.68KN/m内边梁=1.0x0.06x23+6.31=7.69KN/m4.1.4主梁恒载总和（见表4-1） 表4-1主梁恒载汇总表梁荷载第一期恒载第二期恒载第三期恒载总和（KN/m）外边梁21.850.9006.5229.72中主梁21.451.8003.6826.93内边梁21.850.9007.6930.444.1.5主梁恒载内力计算 如图4-2所示，设x为计算截面离左支座的距离，并令=x/l，则主梁弯矩和剪力的计算公式分别为：mg=1/2（1-）lg=1/2（1-2）l g项目L/2L/4L/8L/4L/8支点第一期恒载g外边梁2243.31682.7981.5156.7234.9313.1中主梁2202.31651.9963.5153.8230.6307.4内边梁2243.31682.7981.5156.7234.9313.1第二期恒载g外边梁92.463.340.46.59.712.9中主梁184.8126.680.813.019.425.8内边梁92.463.340.46.59.712.9第三期恒载g外边梁669.4502.1292.946.770.193.4中主梁415.8311.9181.929.043.558.0内边梁789.5592.2345.455.182.7110.2总恒载g外边梁3005.12248.11314.8209.9314.7419.4中主梁2802.92090.41226.2195.8293.5391.2外边梁3125.22338.21367.3218.3327.3436.2恒载内力计算结果见表4-2. 4.2主梁活载横向分布系数计算4.2.1主梁跨中的横向分布系数主梁间再翼缘板及横隔梁出采用湿接，而且桥宽跨比为20/28.66=0.70.5不是窄桥，不宜用偏心压力法计算，可采用比拟异性板法计算。计算几何特性1）主梁的抗弯惯性矩（查表3-3） 主梁的比拟单宽抗弯惯性矩：2）横隔梁抗弯惯性矩 横隔梁间距取7.16m，厚度0.15m，每根中横隔梁的尺寸如图4-3所示。由于横隔梁截面有变化，故翼板的有效高度按c/比值进行计算，其中l为横梁的长度，可取两根边主梁的中心距计算。即：图4-3中横隔梁尺寸（单位cm） c/=350.5/800=0.438查桥梁工程中表2-5-3得c/=0.438时；=0.471中横隔梁翼板的有效高度=0.471x350.5=163.1cm求横隔梁截面重心位置横隔梁抗弯惯性矩为1/12x14x140x140x140+12x140x(140/2-27.7)=9301399.9所以，横隔梁比拟单宽抗弯惯性矩为:1）主梁和横隔梁的抗扭惯性矩 对于由于矩形组合而成的梁截面，如T型或工型，其抗扭惯性矩近似等于各个矩形截面的抗扭惯性矩之和：式中： 相应为单个矩形截面的宽度和厚度（图4-4）矩形截面抗扭刚度系数，根据b/t计算，按表4-3计算；m梁截面划分成单个矩形截面的块数。图4-4计算图表4-3矩形截面抗扭刚度系数计算表 b/t1.01.51.752.02.53.04.06.08.010c0.1410.1960.2140.2290.2490.2630.2810.2990.3070.3130.333 T梁间刚性连接的情况，主梁和横隔梁的抗扭惯性矩应按下列公式计算： 式中：h桥面板的平均厚度 主梁肋和内横梁肋的截面抗扭惯矩主梁翼板的平均厚度（18+12）/2=15cm对于主梁的梁肋： 查表4-3知=0.303 查表知=0.203 =0.303x140x20+0.203x40x25=466360对于横隔梁梁肋： t/b=0.12 查表4-3知c=0.308 0.308x125x15=129937.5cm则 =1/3x15x15x15+466360/200+129937.5/716 =3638计算参数 桥面半宽2B=10,根据公式：0.3195 =0.1884 计算主梁横向影响线坐标由于该桥所在线路的快读较大，且桥面再绿化带下分离，再计算主梁横向影响线坐标是是取半桥宽来进行计算的；已知0.3195，查桥梁工程后附的G-M法计算图表可查得影响系数K和K的值如下表4-4所示。表4-4 影响系数K和K的值影响系数梁位荷载位置校核值03B/4B/2B/40-B/4-2B/4-3B/4-BK 00.940.981.001.041.061.041.000.980.948.04B/41.061.071.081.081.021.000.940.880.831.01B/21.231.181.141.081.010.930.860.810.748.003B/41.411.301.211.090.970.870.800.740.678.02B1.681.421.241.070.930.830.720.680.608.03K00.820.930.991.081.141.080.990.930.827.96B/41.681.501.341.231.060.890.630.390.197.98B/22.472.101.741.380.980.640.25-0.17-0.527.893B/43.322.742.101.510.930.41-0.16-0.62-1.148.00B4.103.412.451.630.820.18-0.54-1.13-1.767.99校核根据公式： =校核值用来校核k值计算的准确性。用内涵法求实际梁位处的，实际梁位与表列梁位的关系，如图4-5所示。梁位关系示图可知， 对于号梁:k=0.2对于号梁：k=0.6kB+0.4kx1/4B对于号梁：k=k（这里k是指表列表梁位在0点的k值）现将号，号和号梁的横向影响线坐标值计算表如下：梁号和算式荷载位置B3B/4B/2B/40-B/4-B/2-3B/4-B1.4641.3241.2161.0860.9620.8620.7840.7280.6563.4762.8742.1701.5340.9080.364-0.236-0.722-1.264-0.122-1.550-0.954-0.4480.0540.4981.0201.4501.920A=（）-0.379-0.292-0.180-0.0840.0100.0940.1920.2270.361k=3.0792.5821.9901.4500.9180.458-0.044-0.449-0.9030.6160.5160.4390.2900.1840.092-0.009-0.090-0.1811.1521.1321.1121.0701.0080.9460.8940.8280.7822.8042.4682.1181.8121.0