横跨马厂碱河桥梁毕业设计.docx

前 言设计的主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，分析解决实际问题的能力。通过毕业设计使学生形成经济、环境、市场、管理等大工程意识，培养学生实事求是、谦虚谨慎的学习态度和刻苦钻研、勇于创新的精神。毕业设计过程中复习以前所学习的专业知识，同时也锻炼了学生将理论运用于实践的能力。桥梁的设计需要综合考虑各个方面的因素，其中包括桥址处地形、地貌、气象、水文条件、工程地质、以及周围所处的环境等等，除此之外，任何一个设计都必须要考虑的问题就是怎样将经济、实用、美观、环保四者都融于设计之中。设计主要包括上部结构计算和下部结构计算。桥梁的结构设计，主要是主梁、桩柱的内力计算、截面配筋、强度验算等。通过方案比选后确定本桥为简支T梁梁桥，桥长80米。计算过程中主要参考了公路桥涵设计手册梁桥(下册)、桥梁工程、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）、公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）、桥梁设计常用数据手册、基础工程等书籍。下上部主梁和下部墩柱的结构设计计算当中，以精确手算为主，充分利用了AutoCAD 计算机辅助设计功能和Excel 辅助计算功能计算；此次毕业设计除了有详细的计算书外，还按照设计要求绘制了一定量的施工图纸。总之，通过毕业设计，达到基本知识、基础理论、基本技能和运用知识能力、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、业务素质的训练，培养学生运用所学的专业知识和技术，独立研究、解决本专业实际问题的初步能力。为了清除表达计算原理，扎实理论功底，本次设计采用手算为主，电算为辅的方式完成，在设计之中难免会有疏漏和差错，希望得到老师的批评指正。 第1章 工程初步资料汇总1 设计原始资料1.1 工程概况本桥位于天津市津南区津南区八里台镇，桥梁横跨马厂碱河，马厂碱河南北走向，河道上口宽约50米，常水位-1.03米，水深3米，设计考虑采用桥梁形式跨越马厂碱河，桥梁西北至东南走向，两侧道路高程约2.254.3米，桥梁与引道接顺，为正桥。1.2 自然、气候条件天津市属于暖温带半湿润季风气候，位于大陆性与海洋性气候的过渡带上，四季分明。冬季受蒙古冷高气压控制，盛行西北风；夏季受太平洋副热带高气压左右，多为偏南风。气候特点是：春季干旱多风，冷暖多变；夏季温高湿重，雨热共济；秋天天高云淡，风和日丽；冬季寒冷干燥，雨雪稀少。年平均气温11.112.3，七月平均气温26以上，一月份平均气温-4以下，偶然最高温40.3，极端最低温-21。年平均降水量为550680mm，一日最大暴雨量304.4mm。每年69月为汛期，平均雨日34天左右，占全年总降水量的73%以上，冬季雨雪量只占全年总降水量的1%3%。常年最多风向是西南风，全年各月平均风速3.3米/秒，桥址处最大风速为33米/秒。标准冻土深度0.6m左右。1.3 地下水概况及地质条件（1）场地地形地貌、场地土土质特征及分布规律：本工程地面以下48米深度范围内地层主要由粉质黏土、粉土、黏土、粉质黏土夹粉土、粉砂，本桥桥台以粉砂作为桩基持力层。现详述如下：粉质黏土：灰色，流塑，局部软塑，土质不均，局部夹粉土薄层及淤泥质土薄层，含贝壳碎片。粉土：灰黄色，中密，湿，含锈斑，土质不均，局部夹粉质黏土薄层。黏土：灰黄色，可塑，含有机质，土质不均，局部夹粉质黏土薄层。粉质黏土：黄褐色，可塑，含锈斑及姜石，土质不均，局部相变为黏土。粉质粘土夹粉土：灰黄色，可塑，其中粉土，密实，湿，含锈斑及姜石，土质不均。粉砂：灰黄色，密实，饱和，主要成分以石英，长石为主，含云母。粉土：灰黄色，密实，湿，含锈斑及姜石，土质不均。（2）场地地下水水文地质条件：在长期浸水作用条件下，地下水对混凝土结构及混凝土结构中的钢筋不具腐蚀性；在干湿交替作用条件下，地下水对混凝土结构不具腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性；地下水对钢结构具微腐蚀性。本场地环境类型为类。冻深：标准冻土深度0.60m。（3）该场地抗震设防烈度为7度，属设计地震分组第一组，设计基本地震加速度值为0.15g。场地埋深20.0m深度范围内无液化土层分布。场地土类型属中软土，场地类别为类。本场地可视为可进行建设的一般场地。1.4 设计技术标准（1）设计基准期：100年。（2）桥梁结构设计安全等级：二级。（3）荷载标准：车辆荷载：城市A级。（4）地震基本烈度桥梁工程区域地震动峰值加速度为0.15g。桥梁抗震设防类型为B类，桥梁抗震设防措施等级为8级，E1地震作用下桥梁抗震重要性系数为0.43，E2地震作用下桥梁抗震重要性系数为1.3。（5）河道：河道宽50米，水位标高-1.03米。（6）通航要求：桥下无通航要求。（7）跨河桥宽度：桥梁全宽10m，横断面布置:0.5m（防撞护栏）+9m（行车道）+0.5m（防撞护栏）。（8）桥面横坡：机动车道双向横坡1.5%。（9）桥面铺装：由上至下分别采用：40mm细粒式沥青混凝土，70mm中粒式沥青混凝土；SBS改性沥青卷材防水层；100mm C40 防水混凝土（防水等级W8)， （10）坐标系统：1990年天津市任意直角坐标系。（11）高程系统：1972年天津市大沽高程系，2008年高程。1.5方案比选1.5.1 桥型方案比选桥梁的形式可考虑选用梁桥、拱桥、板桥、梁拱组合桥、斜拉桥。由于桥梁总长较小，可选用拱桥、梁桥、板桥作比较。从安全、实用、经济、美观、有利环保等方面进行比较，最终确定桥型。1.5.2桥梁设计原则（1）实用性桥上应保证车辆和人群的安全畅通，并满足使用年限内交通量增长的需要。桥梁及其引道的平、纵、横技术指标应与路线总体布设相协调。桥下净空应满足通航或流放木筏的需要，还应考虑排洪、流水、漂流物、冰塞以及河床冲淤的情况。跨线桥桥下净空应符合被交叉公路、铁路及其它道路等建筑界限的规定。（2）安全与舒适性现代的桥梁设计越来越强调使用的舒适度。桥面的纵横坡应满足行车与规范的的要求，曲线桥应综合考虑原缓曲线、超高曲线、竖曲线变化与行车舒适的关系，尽可能有利于驾驶员行车。整个桥跨结构及各部分构件，在制作、运输、安装和使用过程中应具有足够的强度、刚度稳定性和耐久性。（3）经济性综合考虑远景规划、工程造价及将来的养护与维修等费用，同时也要涉及国防方面的效应，比较而定。（4）环保在国家经济实力不断增强的年代，我们应提倡公路工程设计的环保要求，保持工程与周围环境的协调性，尽量做到以最小的破坏来完成的建设，实现“可持续发展”战略。（5）美观公路桥涵既是跨河、江、公路等的构造物，又是人们在生产实践中不断积累经验而建造的艺术品，同时，对人们的视觉有较大的影响，因此，在一些较大的桥梁结构的规划设计中，应结合自然环境，进行适当的景观设计。根据上述原则，综合考虑对桥梁作出评估。1.5.3桥型比选（1）简支梁桥简支梁桥是梁式桥中应用最早，使用最广泛的一种桥型。它受力简单，在竖直荷载下只产生竖向力，而不产生水平力，梁中只有正弯矩，适用于T型截面这种构造简单的截面形式；体系温变、混凝土收缩徐变、张拉预应力等均不会在梁中产生附加内力，设计计算方便，最易设计成各种标准跨径的装配式结构。由于简支梁是静定结构结构，结构内力不受地基变形的影响，对基础要求较低，能适用于地基较差的桥址，而且施工方法简单，施工控制容易，预制施工速度快。因此较多在工程中被采用。（2）连续梁桥 连续梁桥具有很多简支梁桥的优点，同时，连续梁在横载作用下，由于支点负弯矩的卸载作用，跨中正弯矩显著减小，结构的承载能力比简支梁大，它具有结构刚度大，变形小，动力性能好，主梁变形挠曲线平缓，有利于高速行车。 预应力的引入，使连续梁桥的优点更加突出： 由于能够充分的利用高强度材料，所以构件截面小，自重弯矩占总弯矩的比重大大减小，桥梁的跨越能力得到提高； 全预应力混凝土桥梁在使用荷载的作用下不出现裂缝，全截面参与工作，裂缝的减少能提高结构的耐久性，梁的刚度比通常开裂的钢筋混凝土梁要大，因此预应力混凝土梁可显著减小建筑物的高度，节省材料； 纵横竖三向预应力的应用能够极大地改善结构的整体性。近年来，连续梁桥在各种道路中的广泛采用，设计、施工方法已趋于成熟和完善，同时，各种新兴施工方法的采用，使连续梁的建设更加简便，经济效果更加明显。（3）梁拱组合桥拱桥的静力特点是：在竖直荷载作用下，拱桥的两端不仅产生竖直反力，而其还有水平推力，正是这个水平推力，使拱内产生轴向压力，并大大减小了跨中弯矩，使主拱截面材料强度得到充分的发挥，跨越能力增大。由于拱是主要承受压力的结构，因而，可以充分利用抗拉性能差而抗压裂性能好的圬工材料（石料、混凝土、砖等）来建造拱桥；同时拱桥可以通过选择合理的拱式体系既突出的结构上的线条来达到美的效果。拱桥也存在许多不足之处：由于拱式结构是一种推力结构，支撑拱的墩台和地基必须承受拱端的强大推力，因而修建拱桥要求有良好的地基；对于多孔连续拱，为防止其中一孔破坏而影响全桥，还应采取特殊的措施，或设置单向推力墩以承受不平衡的推力；在平原地区修建拱桥，由于建筑物高度较大，使桥两头的接线工程较大，亦使桥面坡度加大，对行车不利。在拱式桥跨结构中，将梁和拱两种基本结构组合起来，共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构特性及其组合作用，达到节省材料的目的。拱式组合体系桥一般可分为有推力和无推力两种类型。无推力拱式组合体系桥（也称系杆拱桥）是外部静定结构，兼有拱桥的较大的跨越能力和简支梁桥的对地基适应能力强的两大特点，故使用较多。同时，拱式组合体系桥梁的施工自由度很大，施工方法很多，比较容易控制。 目前，我国高速公路路网中的桥梁结构一般考虑简支梁和连续梁结构体系。简支梁受力明确，因温度升降，支座变位而产生的附加力较小，设计施工简便，但是，对于跨径比较大的桥，往往需要较大的梁高才能满足承载要求，同时，大跨径简支桥挠度较大，不利于行车。连续梁桥与简支梁桥相比，可以降低梁高，节省材料数量，有利于桥下净空；同时，连续梁桥结构刚度大，具有良好的动力性能及稳定性，有利于行车，后期养护维修费用也较小。但连续梁桥对基础沉降要求严格，因温度升降而产生的次内力，使得桥梁与墩台间的受力比较复杂，给设计带来了一定的困难。经以上综合考虑，选择钢筋混凝土简支梁方案。图1.1各种桥型简图1.6 梁截面形式方案比选1.6.1 单箱型截面方案采用该截面方案结构整体性强，抗扭刚度大，适应性较强，桥型景观效果好。该截面方案需采用就地现浇，现场浇注期间需要快速的提供大量的混凝土，以确保施工正常进行，预应力束的一次张蜡量也较大，但全桥可以同步施工，工期较短，但对桥下通行影响较大。1.6.2 组合箱型截面方案该截面方案结构整体性强，抗扭刚度大，多箱截面箱的高宽比较合理，更有利于箱的受力，当桥面较大时，采用多箱截面较单箱多室截面经济，且自重要小一些。在悬臂施工时，采用分箱施工，可减小施工荷载，节省施工费用；组合箱梁方案造价较小，但是桥面需现浇，相应工期也延长，结构整体性较差，运营后期变形较大，使用期间维修与养护费用大。1.6.3 槽型截面方案槽型截面方案桥为下承式结构，结构物造型美观轻巧，结构整体性较好，建筑物高度低，桥下净空较大，施工工艺简便，相应工期短；但是采用下承式结构建筑材料（混凝土）受力不合理，材料性能利用率较低，同时结构为开口式截面，结构的刚度和抗扭性能差，较少在工程中采用。1.6.4 T型截面方案该方案截面梁肋宽度较大，在承受负弯矩区段上，肋宽及底部还可以加大。结构受力明确，设计施工经验成熟，跨越能力大，采用预制装配式施工工序简便，进度较快。适合对桥下净空要求不高的简支梁桥。通过上面方案的比较，结合工程的特点和施工条件，选择T形截面方案为本桥的截面形式。 1.7 桥墩方案比选1.7.1 实体式桥墩实体桥墩由一个实体结构组成，按其截面尺寸又可以分为实体重力式桥墩和实体轻型桥墩。实体重力式桥墩是一种实体圬工墩，主要靠自己的重力平衡外力，从而保证桥墩的强度和稳定，外形粗壮，在中小桥梁中较少使用。实体轻型桥墩可用混凝土、浆砌片石或刚劲混凝土材料做成，重量体积都较小，但是抵抗冲击力的能力较差。1.7.2 空心桥墩采用空心墩能减少材料的用量，自重也较小，减小了软弱地基的负荷，但是空心墩稳定性较小，防撞能力较差。对大型桥梁可以采用，中小型桥梁桥墩较小，施工比较困难。1.7.3 桩（柱）式桥墩柱式桥墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式。它具有线条简捷、明快、美观，既节省材料数量又施工方便的特点，长期在公路建设中的使用，设计与施工技术日益完善，特别适合于公路中小梁桥。1.7.4 框架式桥墩框架式桥墩采用钢筋混凝土或预应力混凝土等压挠和扭曲构件组成平面框架代替墩身，支撑上部结构。此种桥墩的出现，给桥梁建筑增添了新的艺术造型，使桥梁整体结构造型更加轻巧美观，但是框架墩施工工艺较复杂，工程造价也较高。由以上桥墩方案的比较可知，桩（柱）式桥墩为本桥最佳选择方案。图1.2 桩柱式桥墩简图1.8 上部结构尺寸初步拟定上部结构4跨简支T梁，梁高1.1m，梁肋厚度16cm翼缘板宽度1.43m，横向布置7片梁，下部结构为桩基+系梁+墩柱+盖梁。坡度：纵坡0，横坡1.5中间布置五道横隔梁，高度取0.8m，宽度15cm桥面铺装为：70mm沥青混凝土+ C20混凝土三角垫层，端部6cm标准跨径16m，计算跨径15.5m，主梁全长15.96m。设计荷载：公路I级，车道荷载均布荷载标准值，集中荷载标准值内差法求得。设计时速60km/h,上、下行两座分离的独立桥梁桥上净空：净（行车道宽度9m。防撞墙0.5m*2）混凝土：主梁C40；盖梁C30；墩柱、桩基C25。钢筋：主筋HRB335，箍筋R235缝宽度限值：I类环境（允许裂缝宽度0.2mm）。设计依据公路桥涵设计通甩规范（JTGD602004）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD622004）主梁横断面及上部结构横断面见下图：图1.3 T梁构造图图1.4横断面图第2章 行车道板计算2.1 恒载及其内力2.1.1 每延米板上的恒载g沥青混凝土面层及C20混凝土垫层：主梁翼缘板自重合计：2.1.2 每延米宽板条的恒载内力弯矩 剪力 2. 2车辆荷载产生的内力将后轮作用于绞逢轴线上，后轴作用力为P=140kN，轮压分布宽度如图所示。对于车轮荷载中后轮的着地长度为，宽度为，则得：荷载对于悬臂根部的有效分布宽度：冲击系数作用于每米宽板条上的弯矩为：图2.1 行车道板图作用于每米宽板条上的剪力为：2.3 荷载组合恒+汽： 所以行车道板的设计内力为，2.4配筋I类环境条件，安全等级为二级，。C40混凝土：。HRB335钢筋：，。查表相对界限受压区高度系数。求混凝土相对受压区高度x悬臂端根部高度是16cm，混凝土保护层厚度30mm，若选用直径为12mm的HRB335钢筋，则有效高度为根据即：解得按公预规5.2.2条规定，查有关板宽1m内钢筋截面与间距表，当选用钢筋时，需要钢筋间距为135mm时，此时所提供的钢筋截面积为按公预规5.2.9条规定，矩形截面受弯构件的截面尺寸应符合下列要求，即：（满足要求）按公预规5.2.10条：故不需要进行斜截面抗剪承载力计算，仅按构造要求配置箍筋，板内分布钢筋用，间距取15cm。承载能力验算：承载能力满足要求。第3章 主梁内力计算3.1 主梁的荷载横向分布系数3.1.1跨中荷载横向分布系数中间五道横隔梁，有很强的横向联系，讲横隔梁视为刚性极大的梁，并计及主梁抗扭刚度影响，利用修正偏心压力法求主梁的荷载横向分布系数。(1)主梁的抗弯及抗扭惯矩图3.1 T梁尺寸图求主梁截面的重心位置翼板换算平均高度主梁抗弯惯矩：主梁抗扭惯矩。根据公式，查表计算得到：对于翼板，查表得；对于梁肋，查表得到。由公式得：(2)计算抗扭修正系数当n=7时，并取G=0.425E，带入公式有：=0.947(3)计算横向影响线竖标值对于1号边梁考虑抗扭修正后的横向影响线竖标值为：（其中）设影响线零点离1号梁轴线的距离为，则：，解得=7.08m(4)计算荷载横向分布系数1号边梁的横向影响线和布载图式如下：图3.2 1号边梁的横向影响线和布载图由三角形比例关系可求得:车辆荷载同理对于2号边梁考虑抗扭修正后的横向影响线竖标值为：设影响线零点离1号梁轴线的距离为，则：，解得=9.27m计算荷载横向分布系数2号梁的横向影响线和布载图式如下：图3.3 2号梁的横向影响线和布载图由三角形比例关系可求得:车辆荷载同理对于3号梁考虑抗扭修正后的横向影响线竖标值为：设影响线零点离1号梁轴线的距离为，则：，解得=38.4m11.2m计算荷载横向分布系数3号梁的横向影响线和布载图式如下：图3.4 3号梁的横向影响线和布载图由三角形比例关系可求得:车辆荷载同理对于4号梁考虑抗扭修正后的横向影响线竖标值为：计算荷载横向分布系数4号梁的横向影响线和布载图式如下：图3.5 4号梁的横向影响线和布载图车辆荷载3.1.2 支点处荷载横向分布系数用杠杆原理法计算支点处荷载横向分布系数。各主梁横向影响线如下：图3.6 各主梁横向影响线图对于1号梁：对于2号梁：对于3号梁：对于4号梁：表3.1 主梁汽车荷载横向分布综合表点值m号梁1234567备注跨中0.640.500.430.420.430.500.64修正偏心压力法支点0.340.500.410.590.410.500.34杠杆原理法3.2内力计算3.2.1恒载内力计算(1)恒载集度主梁：横隔梁：对于边主梁：对于中主梁：桥面铺装层：栏杆：作用于边主梁的全部恒载g为：作用于中主梁的全部恒载 为：(2)恒载内力计算边主梁的弯矩和剪力，计算图示如下：图3.7 边主梁的弯矩和剪力表3.2 边梁恒载内力剪力Q(kN)弯矩（kN/m）X=0142.20X=1/471.7413.3X=1/20551.1表3.3 中主梁恒载内力剪力Q(kN)弯矩（kN/m）X=0139.00X=1/467.8393.9X=1/20538.83.2.2 活载内力计算(1)恒载横向分布系数汇总如下：表3.4 主梁汽车荷载横向分布综合表点值m号梁1234567备注跨中0.640.500.430.420.430.500.64修正偏心压力法支点0.340.500.410.590.410.500.34杠杆原理法(2)计算边主梁公路I级荷载的跨中弯矩和1/4处截面弯矩。简支梁桥的基频：式中：结构的计算跨径，=15.5m E混凝土弹性模量，E=3.25 结构跨中截面的惯矩，=0.0226 结构跨中处单位长度质量（=G/g），=18.359.81=1. 87将以上数值代入公式，可得：=4.098Hz根据公路桥涵设计通用规范（JTG D602004），当1.5Hzf14Hz时，则可得：=1，双车道不折减。公路级车道荷载的值和值=10.5KN/m，=180（1+）=222KN。 跨中： ； y= =3.875故得：=1.23410.64（10.530.03+2223.875）= 928.41kN/m处：=22.52 y= 故得：=1.23410.64（10.522.52+2222.91）= 696.45kN/m(3)计算2号主梁公路I级荷载作用下的跨中和1/4截面出弯矩。=1.23410.50（10.530.03+2223.875）=727.07kN/m=1.23410.50（10.522.52+2222.91）=544.49kN/m(4)计算3号主梁公路I级荷载作用下的跨中和1/4截面出弯矩。=1.23410.43（10.530.03+2223.875）=625.28kN/m=1.23410.43