4车道高速公路30米预应力混凝土简支T梁桥上部结构设计_论文

1、4车道高速公路30米预应力混凝土简支T梁桥上部结构设计_论文 2 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 摘 要 交通是社会的经济命脉，桥梁是交通畅通的咽喉，交通的不畅会制约着经济的发展。所以保障桥梁的实用性，尤其是安全性至关重要。这就需要对桥梁进行计算。 本文就一座T型简支梁的预应力混凝土桥梁为设计目的，从而探讨桥梁设计方面的一些知识与内容。 其中桥梁上部结构设计包括结构尺寸的拟定，主梁设计，桥面板设计。 主梁设计的主要内容是：荷载计算；荷载横向分布计算；内力影响线绘制；内力计算包括恒载内力、活载内力、附加内力、结构次内力等等；内力组合包括承载能力极限状态、正常使用极限状态；绘制内力图；

2、进行截面强度计算包括破坏阶段截面强度和斜截面强度的计算等等。 本次设计工程为某高速公路上的一座分离式立交，上部结构为一孔30米预应力混凝土简支T梁，路基全宽28米，半幅桥梁宽13.75米，两侧采用刚性护栏宽度各0.5米，不设人行道；桥面铺装采用10cm沥青混凝土+9cm沥青混凝土；设计荷载为公路-I级。 其中桥梁主梁混凝土采用C50，预应力钢束采用标准强度为1860Mpa的高强度钢绞线。桥梁下部结构采用U形台，扩大基础。 设计内容包括：主梁内力计算：恒载内力，活载内力，主梁内力组合。确定了桥梁全长与分孔等问题，拟定了上部尺寸，完成了内力计算，上部配筋，截面验算等计算工作，重点为上部结构的内力计

3、算与配筋计算，截面验算。 计算表明，各项验算符合要求，设计方案合理。 关键词：混凝土，T型简支梁，预应力，上部结构设计 -1- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） The design of superstructure of four lanes highway 30m prestressed concrete simply-supported T girder bridge Abstract Traffic is economics of society, bridge is unblocked throat of traffic, Its smooth will restrict

4、 social development of economy. So it is essential to ensure the functionality of the bridge, especially the security. This needs to calculation method to bridge. In this paper, a T-beams of prestressed concrete bridge was designed to explore some aspects of bridge design and content only. Superstru

5、cture design, including structure size of the development, the main girder, panel design. The main girder design are: load calculation; calculated transverse load distribution; internal force influence line drawing; internal forces of the internal force calculation, including dead load, live load, i

6、nternal forces, additional internal force, internal force structure, plays, etc; combination of internal forces, including the ultimate state, the normal limit state; inner force diagram; for strength calculation section, including the failure stage and the inclined section strength strength calcula

7、tion section and so on. Design project for a highway interchange on a separate, superstructure of a hole 30 m prestressed concrete simply supported T beam, full width of roadbed is 28 meters wide and 13.75 meters Banfu bridge, on both sides of the rigid barrier width, 0.5 m no sidewalks; 10cm asphal

8、t concrete pavement with asphalt concrete +9 cm; design load for the road-I level. One concrete of bridges using C50, a standard strength of prestressed steel beam high-strength steel strand for the 1860Mpa. U-shaped bridge substructure units, expand the base. Design elements include: main beam inte

9、rnal force calculation: the internal force constant set, live set internal force, internal force main beam combination. Determine the bridge length and sub-hole problems, developed upper size, completed internal force calculation, the upper reinforcement, such as checking the calculation section, fo

10、cusing on the upper structure of the internal force calculated with the reinforcement calculation, -2- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） checking cross-section. Calculations show that the checking line with requirements, design and reasonable. Key Words：Concrete,T girder, prestressed, superstructure design -3-

11、北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 目 录 摘 要 . 1 Abstract . 2 引 言 . 1 1文献综述 . 2 1.1预应力混凝土简支T梁桥国外研究进展 . 2 1.2预应力混凝土简支T梁桥国内研究进展 . 3 2课题背景及开展研究的意义 . 5 2.1课程背景 . 5 2.1开展研究的意义 . 5 3工程概况及其计算方法 . 7 3.1工程设计概况 . 7 3.2 计算方法. 7 3.3极限状态方程 . 7 4设计基本资料及构造布置 . 9 4.1设计资料 . 9 4.2横截面布置 . 11 4.2.1主梁间距与数量 . 11 4.2.2主梁跨中截面尺寸拟定 . 11 4.

12、2.3横隔梁设置 . 12 4.2.4桥面铺装 . 12 5截面几何特性计算 . 13 6主梁内力计算 . 15 6.1永久作用效应计算 . 15 -4- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 6.1.1恒载内力计算 . 15 6.1.2永久作用效应 . 16 6.2可变作用效应计算 . 18 6.2.1冲击系数和车道折减系数 . 18 6.2.2主梁荷载横向分布系数 . 18 6.2.3活载内力计算 . 21 6.3作用效应组合 . 23 7预应力钢束估算及布置 . 24 7.1预应力钢束数量估算 . 24 7.2预应力钢束的布置 . 25 7.3确定钢束弯起角和线形 . 27 7.4

13、钢束计算 . 27 7.4.1计算钢束起弯点到跨中的距离 . 27 7.4.2计算控制截面钢束重心 . 28 7.4.3预应力计算钢束长度 . 29 8 钢束预应力损失计算 . 31 8.1张拉控制应力 . 31 8.2预应力钢筋预应力损失计算 . 31 8.2.1预应力钢束与管道壁间的摩擦引起的预应力损失 . 31 8.2.2预应力钢束由锚具变形、钢筋回缩引起的预应力损失 . 32 8.2.3混凝土弹性压缩引起的预应力损失 . 33 8.2.4由预应力刚筋应力松弛引起的预应力损失 . 35 8.2.5混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失 . 36 8.2.6预应力损失汇总 . 38 -5- 北

14、京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 8.3预加力作用效应计算 . 39 9主梁截面承载力与应力验算 . 42 9.1持久状况承载能力极限状态承载力验算 . 42 9.1.1正截面承载力验算 . 42 9.1.2斜截面承载力验算 . 44 9.1.3斜截面抗弯承载力验算 . 47 9.2正常使用极限状态抗裂性验算 . 47 9.2.1正截面抗裂性验算 . 47 9.2.2斜截面抗裂性验算 . 48 9.3持久状况应力验算 . 50 9.3.1跨中截面混凝土法向应力验算 . 51 9.3.2预应力钢筋拉应力验算 . 52 9.3.3斜截面混凝土主压应力验算 . 53 9.4短暂状况构件应力验

15、算 . 55 10主梁端部局部承压验算 . 58 10.1局部承压区截面尺寸验算 . 58 10.2局部抗压承载验算 . 59 11主梁变形验算 . 60 11.1预压力引起的跨中反拱度 . 60 11.2由荷载引起的跨中挠度 . 62 11.3结构刚度验算 . 62 11.4预拱度设置 . 62 12行车道板计算 . 63 12.1悬臂板的荷载效应 . 63 -6- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 12.2永久荷载效应 . 63 12.3可变作用效应 . 64 12.4连续板的荷载效应 . 64 12.4.1永久荷载效应 . 65 12.4.2可变作用效应 . 66 12.5行车

16、道板界面设计，配筋与承载力验算 . 68 12.5.1翼板与梁肋连接处 . 68 12.5.2连续板跨中处 . 68 12.5.3截面抗剪验算 . 69 结 论 . 70 参 考 文 献 . 71 附 录 A . 73 附 录 B . 79 在 学 取 得 成 果 . 79 致 谢 . 80 -7- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 引 言 自20世纪80年代以来，我国道路、桥梁建设取得了飞速的发展，使我国的交通运输环境和能力得到了巨大的改变这对改善投资环境、促进经济腾飞、改善人民生活环境起了非常重要的作用。 在公路、铁路、城市和农村道路交通建设以及水利建设中，为了跨越各种障碍（如河

17、流、沟谷或者其他线路等）必须修建各种类型的桥梁。桥梁是保证道路全线贯通的咽喉。 而现今随着国内的经济发展不论铁路、公路还有城市道路都在向高速的方向发展，而高速就意味着更多的桥梁和隧道。特别是在非平原地区，桥梁在高速公路上的应用更是频繁。 比如四川，典型的丘陵地形，近年来飞速发展，导致交通有很大的建设，在丘陵地区的桥梁特点是短而多，就是跨度较小而桥的需求量很大。在这些情况下，就非常适合结构简单而比较适合跨度较小的梁桥的修建，所以在我国以后的桥梁建筑中，梁桥将占很大一部分。 如今预应力混凝土的技术相对成熟，应用也很广泛，预应力结构具有跨越能力大、受力性能好、耐久性优越而且经济效益显著等优点，所以非

18、常适用于高速公路桥梁的建设。 本篇论文就单独的一座高速公路后张法预应力混凝土T型简支梁桥梁的上部结构进行研究和设计，希望能以点带面的就桥梁设计方面进行研究。 -1- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 1文献综述 1.1预应力混凝土简支T梁桥国外研究进展 18世纪中叶工业革命后，钢、水泥、钢筋混凝土及预应力混凝土等人工材料的发展和应用，推动了近代桥梁科学技术的革命。人工材料在桥梁工程上的应用是近代桥梁的标志。19世纪中期，钢材的出现，开始了土木工程的第一次飞跃。随后又产生了高强钢材，于是钢结构得到蓬勃发展。结构跨度从砖、石、木结构的几米、几十米跃到百米、几百米至千米以上，开创了在大江、

19、海峡上修建桥梁的奇迹1。1867年钢筋混凝土诞生，实现了土木工程的第二次飞跃。有了钢筋混凝土才有可能建造跨越能力很大的桥梁，并使形式多样化。1905年，比利时出现了单跨55m的钢筋混凝土桥；1930年，法国的弗莱西奈建造了跨度178m的钢筋混凝土拱桥。1928年高强钢丝用于预应力混凝土，使在混凝土中建立永存的预压应力成为可能，奠定了现代预应力混凝土的实用基础，大大提高了混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力，使其用途更为广泛，使土木工程发生了又一次飞跃2,3。 20世纪中叶，第二次世界大战以后，全球的持续稳定和科学技术与经济的高速发展，使桥梁科学技术获得了比历史上任何时期都快的发展。主要表现为：

20、高强轻质材料的发展和应用；跨度的不断增大，形式的多样化与结构的整体化；设计与计算的计算机化（如CAD技术的发展）；制造的工业化、自动化与程序化，施工工艺的提高。由于设计方法与计算理论、材料科学、制造工艺、安装方法、基础施工技术等方面的不断改进，当今桥梁工程规模之巨大、技术之复杂已今非昔比。已建桥梁跨度接近2000m（明石海峡悬索桥跨度为1990m），水下深度超100m的基础工程，高出地面接近200m的桥墩。桥梁工程还将向更高的记录攀登4。 预应力混凝土桥梁一跃上桥梁建设的历史舞台，就显示出它强大的竞争能力。从50年代创建了突破了100m的跨径记录，经过三十余年的迅猛发展，至今已创建了440m跨

21、径记录。目前，在规划中的设计方案有突破500m跨径记录的趋势。而在实际的工程实际中，在400m以下的跨径范围内，预应力混凝土桥梁已经为优胜的方案。在三十年发展中有几座典型桥例是非常值得关注。1953年联邦德国建成的胡尔姆斯 -2- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） (worms)桥跨径已达到114.2m，采用悬臂浇注法，从而发展了预应力混凝土结构的一种新体系T型刚构。1964年联邦德国又建成了主跨为208 m本道尔夫(ben-doif)桥，成功地表明悬臂法施工方法的优越性，且在结构体系上又有了创新。薄型的主墩与上部连续梁固结，形成带铰的连续刚构体系。1962年在委内瑞拉建成的马拉开波

22、(malacaibo)桥，桥全长8272m，其中主桥为斜拉桥，跨径为160+5235+160m，它标志着预应力混凝土对新型结构体系的强有力的适应性。19世纪70年代，预应力混凝土结构相继应用，成为大跨径预应力混凝土桥梁的主要桥梁之一。 1.2预应力混凝土简支T梁桥国内研究进展 革开放以来，我国公路建设事业迅猛发展，尤其是高速公路建设，从无到有。作为公路建设重要组成部分的桥梁建设也得到相应发展，一般公路和高等级公路上的各种桥梁，形式多样，跨越大江(河)、海峡(湾)的大桥梁建设也相继修建，工程质量不断提高，为公路运输提供了安全、舒适的服务。随着经济的发展、综合国力增强，我国的建筑材料、设备、建筑技

23、术都有了较快发展。特别是电子计算技术的广泛应用，为广大工程技术人员提供了方便、快捷的计算分析手段。更重要的是我国的经济政策为公路事业发展提供多元化的筹资渠道，保证了建设资金来源5,6。 梁式桥种类很多，也是公路桥梁中最常用的桥型，其跨越能力可从20m直到300m之间。公路桥梁常用的梁式桥形式有：按结构体系分为简支梁、悬臂梁、连续梁、T型刚构、连续刚构等；按截面型式分为T型梁、箱型梁(或槽型梁)、衍架梁等7。 T型梁桥在我国公路上修建最多，早在20世纪五、六十年代，我国就建造了许多T型梁桥，这种桥型对改善我国公路交通起到了重要作用。T型梁采用钢筋混凝土结构的已经很少了，从16m50m跨径，大部分

24、是采用预制拼装后张法预应力混凝土T型梁。预应力体系采用钢绞线群锚，在工地预制，吊装架设。其发展趋势为:采用高强、低松弛钢绞线群锚：混凝土标号C4060号，T型梁的翼缘板加宽25m是合适的；吊装重量增加；为了减少接缝，改善行车，采用工型梁，现浇梁端横梁湿接头和桥面，在桥面现浇混凝土中布置负弯矩钢束，形成比桥面连续更进一步的“准连续”结构。预应力混凝土T型梁有结构简单、受力明确、节省材料、架设安装方便，跨越能力较大等优点。其最大跨径以不超过50m为宜，再加大跨径不论从受力、构造、经 -3- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 济上都不合理了。大于50m跨径以选择箱形截面为宜。目前的预应力混

25、凝土T型梁采用全预应力结构，预应力张拉后上拱偏大，影响桥面线形，带来桥面铺装加厚。为了改善这些缺点，建议预制时在台座上设反拱，反拱值可采用预施应力后裸梁上拱值的1/22/38。预应力混凝土简支或“准连续”T型梁，建议由交通行业主管部门组织编制一套适用的标准图。 虽然我国桥梁技术发展迅速，但是仍旧存在一些问题： 一、施工方面存在的问题主要是施工单位的领导层，尤其是技术领导，对工程质量安全重视不够或根本不重视，只重视利润，导致施工不按规程、规范和设计要求进行，施工中偷工减料，以次充好，不合格材料被使用。 二、现如今，桥梁的美观在设计中地位变得越来越重要。一些大桥，由于在设计中对美学不够重视或缺少建

26、筑师的参与和合作，给人以笨拙、呆板和粗糙的感觉。要想让桥梁成为当地的标志性建筑，工程师们应在桥梁美学方面多下功夫9。 三、目前我国桥梁改造加固设计存在的主要问题是：基层养护管理和设计部门，桥梁病害诊断技术力量薄弱，桥梁检测手段落后。考虑结构损伤影响的承载力评估方法不够完善。桥梁改造加固总体设计方案的设计思路不够开阔，应用技术单一，涉及深度不够。个别桥梁加固设计生搬硬套国外或国内其他行业的设计方法，忽略了桥梁带载加固分阶段受力的特点。有些加固设计只作宏观的定性分析，缺少科学的定量分析计算，设计带有很大的随意性10。 实现全球四大洲的陆路交通网是世界桥梁工程界共同奋斗的目标和梦想。这一桥梁之梦有可

27、能在22世纪实现。管理部门应加强桥梁养护、管理及设计与施工技术队伍建设等工作，同时年轻一代桥梁工程师要以报国为己任，以主人翁的姿态，勤奋学习、努力创新、勇于实践，提高美学意识和审美能力，这样才能让中国的桥梁成为世界桥梁史上的里程碑，使中国成为世界桥梁强国中的一员，重现中国古代桥梁的辉煌。 -4- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 2课题背景及开展研究的意义 2.1课程背景 在最近的四分之一世纪中，混凝土桥梁在设计方面已取得了显著的进步11。近来二十年来，预应力混凝土已成为国内外土建工程最主要的一种结构材料，而且预应力混凝土桥梁有强大的竞争能力，主要的因素有一下几方面： 一、预应力混凝

28、土充分发挥了高强材料的特性，具有可靠的强度，刚度及抗裂性能，结构在车辆运行中噪音小，维修工作量少。 二、预应力混凝土桥梁的施工方法已达到很先进的水平，现代化技术的应用已使它的施工周期大大缩短，显示出巨大经济效益。 三、预应力混凝土桥梁适用于各种结构体系，而且还在不断创新出体现预应力技术特点的新型结构体系，因而它的适用范围大，竞争力强。 四、预应力混凝土桥梁可充分利用材料可塑的特点，在建筑上有丰富、多采的表现潜力12。 课程设计背景：某高速公路上的一座分离式立交，上部结构为一孔30米预应力混凝土简支T梁，路基全宽28米，半幅桥梁宽13.75米，两侧采用刚性护栏宽度各0.5米，不设人行道；桥面铺装

29、采用10cm沥青混凝土+9cm沥青混凝土；设计荷载为公路I级。桥梁主梁混凝土采用C50，预应力钢束采用标准强度为1860MPa的高强度钢绞线。桥梁下部结构采用U形台，扩大基础。 2.1开展研究的意义 预应力混凝土梁桥的发展与应用虽然只有60余年的历史，但其在各种跨径上的桥型用途最大，数量最多。在我国经济起飞的当代，大规模公路、铁路建设突飞猛进，其中大多数桥梁工程项目为预应力混凝土桥梁所占领，因而对此类型的研究依然是生产中迫切需要的，对节约投资的效益也将是巨大的。我国在这方面已取得不少有价值的设计与施工经验，相信在21世纪我国在预应力混凝土梁桥设计、施工的水平将达到更先进，更光辉的水平。 -5-

30、 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 我国城市立交桥的建设主要开始于改革开放后的20世纪80年代，与美国、英国、日本、德国等相比，虽然起步较晚，但随着我国高等级公路、铁路、城市道路和大型立交枢纽的兴建，在短短数年内取得了巨大进展，并收到显著的经济、社会和环境效益13。 -6- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 3工程概况及其计算方法 3.1工程设计概况 某高速公路上的一座分离式立交，上部结构为一孔30米预应力混凝土简支T梁，路基全宽28米，半幅桥梁宽13.75米，两侧采用刚性护栏宽度各0.5米，不设人行道；桥面铺装采用10cm沥青混凝土+9cm沥青混凝土；设计荷载为公路-I级

31、。 桥梁主梁混凝土采用C50，预应力钢束采用标准强度为1860Mpa的高强度钢绞线。桥梁下部结构采用U形台，扩大基础。 3.2 计算方法 对于桥的内力计算采用极限状态法进行计算。 3.3极限状态方程 设S表示荷载效应，它代表由各种荷载分别产生的荷载效应的总和，可以用一个随机变量来描述；设R表示结构抗力，也当作一个随机变量。构件每一个截面满足S?R时，才认为构件时可靠的，否则认为是失效的。 结构的极限状态可以用极限状态函数来表达。承载能力极限状态函数可表示为 Z=R-S (3-1) 根据概率统计理论，设S、R都是随机变量，则Z=R-S也是随机变量。根据S、R的取值不同，Z值可能出现三种情况，并且

32、容易知道：当Z=R-S>0时，结构处于可靠状态；当Z=R-S=0时，结构达到极限状态；当Z=RS<0时，结构处于失效(破坏)状态。 Z=R-S=0成立时，结构处于极限状态的分界限，超过这一界限，结构就不能满足设计规定的某一功能要求。 结构设计中经常考虑的不仅是结构的承载能力，多数场合还需要考虑结构对变形或开裂等的抵抗力，也就是说要考虑结构的适用性和耐久性的要求。由此，上述的极限方程可推广为: Z=g（X1，X2，Xn） （3-2） 式中，g（）是函数记号，在这里称为功能函数。g（）由所研究的结构功能而定，可以是承载能力，也可以使变形或裂缝宽度等。X1，X2，Xn为影响该 -7- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 结构功能的各种荷载效应以及材料强度、构件的几何尺寸等。结构功能则为上述各变量的函数。 -8- 北京科技大学天津学院本科生毕业设计（论文） 4设计