土木工程毕业设计20M预应力混凝土简支梁桥

1、 摘 要 预应力混凝土简支T形梁桥由于其具有外形简单，制造方便，结构受力合理，主梁高跨比小，横向借助横隔梁联结，结构整体性好，桥梁下部结构尺寸小和桥型美观等优点，目前在公路桥梁工程中应用非常广泛。 在本次毕业设计方法选用时，主梁就选用了后张法预应力混凝土简支T形梁。 在本次设计中，首先进行了桥型方案的比选，确定简支梁桥方案后，就其进行了结构设计，设计的主要内容有：拟定截面尺寸；计算控制截面的设计内力及其相应的组合值；估算预应力钢筋的数量并对其进行布置；计算主梁截面的几何特征值；计算预应力损失值；正截面和斜截面的承载力复核；正常使用极限状态下构件抗裂性及变形验算；持久状态下和短暂状态下构件截面应

2、力验算。接着进行了简单的施工方法设计，包括施工前的准备，主要分项工程的施工方法设计，冬季和雨季的施工安排以及施工过程中的环境保护措施等。 关键词：预应力，T形梁，方案比选，结构设计，施工方法 I ABSTRACT Prestressed concrete T-shaped girder bridges are of many advantages. They have simple outlines and can be fabricated easily. The forces that act on their structures are reasonable.The ratio of

3、height of girders to span of girders is small. In landscape orientation the girders are connected by intersecting girders. Therefore the whole structure is of good entirety. And there are still many other merits, such as small size of infrastructure, the beauty of this type of bridge and so on. Beca

4、use of these advantages the PC T-shaped girder bridges are now widely applied in highway bridge projects. In the process of the design method of the paper. Posttensioning prestressed concrete T-shaped girder is chosen as the main girder of the bridge. In the process of the design of the bridge, the

5、comparison of different types of bridge is done firstly. After the comfirmation of the type of the bridge, the design of the structure is done, including confirming the size of cross sections, calculating the design forces of restraining sections and combining them according to The Criterion, estima

6、ting the amount of prestressed steels and arranging them, calculating the geometrical traits of cross sections of girders, calculating the loss of prestress, checking the carrying capacity of cross sections, check computations of the anticrack capacity of the structure and deformation in the ultimat

7、e state of normal use, and the stress of cross section respectively in the state of lasting load and in the state of temporary load. After all the work, next is the design of construction method. It includes the preparation before construction, the design of construction method of small projects, th

8、e arrangements of construction in the rainy season and in winter, the measurements of protecting environment in the process of construction. KEY WORDS: prestress，T-shaped girder; comparion of different schemes，the design of the structure，construction method II 目 录 摘 要（中文） . 摘 要（外文） . 1 编制方案的原则与比选 .

9、1 2 设计资料及构造布置 . 2 2.1 设计资料 . 2 2.1.2 设计荷载 . 2 2.1.3 材料及工艺 . 2 2.1.4 设计依据 . 2 2.2横截面布置 . 2 2.2.1 主梁间距和主梁片数 . 2 2.2.2 主梁跨中截面尺寸拟定 . 3 2.3横截面沿跨长的变化 . 6 2.4横隔粱的布置 . 6 3 主梁作用效应计算 . 7 3.1 永久作用效应计算 . 7 3.1.2 永久作用效应 . 8 3.2可变作用效应计算（修正刚性横梁法） . 8 3.2.1 冲击系数和车道折减系数 . 8计算主梁的荷载横向分布系数 . 9车道荷载的取值 . 12计算可变作用效应 . 12

10、3.3主梁作用效应组合 . 16 4 预应力钢束的估算和确定 . 17 4.1 跨中截面钢束的估算和确定 . 17 4.2预应力钢束布置 . 17 4.2.1.跨中截面及锚固端截面的钢束位置 . 17 4.2.2 钢束起弯角和线形的确定 . 19 4.2.3 钢束计算 . 19 5 计算主梁截面几何特性 . 22 5.1 截面面积及惯矩计算 . 22 i 5.1.1 净截面几何特性计算 . 22 5.2截面净矩计算 . 25 5.3 截面几何特性汇总 . 28 6 钢束预应力损失值 . 29 6.1预应力钢束与管道壁之间的磨擦引起的预应力损失 . 29 6.2由锚具变形、钢束回缩引起的损失 .

11、 30 6.3混凝土弹性压缩引起的损失 . 31 6.4 由钢束应力松弛引起的预应力损失 . 36 6.5混凝土收缩和徐变引起的预应力损失 . 36徐变系数终极值和收缩应变终极值的计算 . 37计算sl6 . 37 6.6 成桥后张拉N4号钢束混凝土弹性压缩引起的预应力损失 . 39 6.7预加力计算及钢束预应力损失汇总 . 46 7 主梁截面承载力预应力验算 . 47 7.1持久状况承载能力极限状态承载力验算 . 47 7.1.1 正截面承载力验算 . 47 7.1.2 斜截面承载力验算 . 48 7.2 持久状况正常使用极限状态抗裂验算 . 50 7.2.1 正截面抗裂验算 . 50 7.

12、2.2 斜截面抗裂验算 . 51 7.3 持久状况构件的应力验算 . 56正截面混凝土的压应力验算 . 56 7.3.2 预应力筋拉应力验算 . 57截面混凝土主压应力验算 . 58 7.4 短暂状况构件的应力验算 . 63 7.4.1 预加应力阶段的应力验算 . 63 8 主梁端部的局部承压验算 . 65 8.1 局部承压区的截面尺寸验算 . 65 8.2 局部抗压承载力验算 . 66 9主梁变形验算 . 68 9.1计算由预加力引起的跨中反拱度 . 68 9.2 计算由荷载引起的跨中挠度 . 71 9.3 结构刚度验算 . 71 ii 9.4预拱度的设置 . 71 10横隔梁计算 . 72

13、 10.1 确定作用在跨中横隔梁上的可变作用 . 72 10.2 跨中横隔梁的作用效应影响线 . 72 10.2.1 绘制弯矩影响线 . 73绘制剪力影响线 . 73 10.3截面作用效应计算 . 75 10.4截面配筋计算 . 75 11 行车道板计算 . 77 11.1悬臂板荷载效应计算 . 77 11.1.2 可变作用 . 78 11.1.3 承载能力极限状态作用基本组合 . 78 11.2连续板荷载效应计算 . 78 11.2.1 永久作用 . 78 11.2.2 可变作用 . 79 11.2.3 作用效应组合 . 81 11.3 截面设计、配筋与承载力验算 . 81 12 盖梁计算

14、. 83 12.1荷载计算 . 83 12.1.1 上部结构永久荷载 . 83盖梁自重及作用效应计算 . 83可变荷载计算 . 84 12.1.4.双柱反力Gi计算 . 87 12.2 内力计算 . 87恒载加活载作用下各截面的内力 . 87盖梁内力汇总 . 89 12.3 截面配筋设计与承载力校核 . 89 12.3.1 正截面抗弯承载能力验算 . 89 12.3.2 写截面抗剪承载能力验算 . 91 12.3.3.全梁承载力校核 . 92 13 桥墩墩柱设计 . 93 13.1 荷载计算 . 93 13.1.1 恒载计算 . 93 iii 13.1.2 汽车荷载计算 . 93 13.1.3

15、 双柱反力横向分布计算 . 93 13.1.4.荷载组合 . 94 13.2 截面配筋计算及配筋验算 . 95 13.2.1 垂直力 . 95 13.2.2 作用于墩柱底的外力 . 95 13.2.3 截面配筋计算 . 95 结 论 . 97 考文献 . 98 致 谢 . 99 iv 1 编制方案的原则与比选 1.1基本原则 (1)在符合路线基本走向的同时，力求接线顺畅，路线短捷，桥梁较短，尽量降低工程造价。 (2)在满足使用功能的前提下，力求桥型结构实用、经济、安全、美观，有利于环保。同时要根据桥位区的地形、地貌、气象、水文、地质、地震等条件，选用技术先进可靠、施工工艺成熟、便于后期养护的桥

16、型方案。 (3)桥孔布置应满足通航要求。 1.2比选依据 根据桥位处河流的通航要求，结合桥位处的地形地貌、地质等条件，并着重考虑施工的方便性，对两跨预应力混凝土简支箱梁桥、两跨预应力混凝土连续梁桥等桥式方案进行比选.。 1.3简支梁桥方案 主梁采用T形截面，梁高为等高度，主梁采用预制装配的施工方法。桥墩均采用双柱式桥墩，桥台为框架式桥台，基础为钻孔灌注桩基础。 1.4连续梁桥方案 主梁采用箱形截面，梁高为等高度，主梁采用悬臂浇筑施工。桥墩均采用双柱式桥墩，桥台为框架式桥台，基础为钻孔灌注桩基础。 1.5方案比较 以上两个方案的优缺点比较如下表所示： 以采用简支梁桥方案。 1 2设计资料及构造布

17、置 2.1 设计资料 2.1.1 桥梁跨径及桥宽 标准跨径：30 m（墩中心距离）； 主梁全长：29.96m； 计算跨径：29.10m； 桥面净空：净9m+2³1.0m=11.0m。 2.1.2 设计荷载 公路级，人群荷载3.0kN/m2,每侧人行栏、防撞栏重力的作用分别为1.52 kN/m2和4.99 kN/m2。 2.1.3 材料及工艺 混凝土：主梁用C40，栏杆及桥面铺装用C25。 预应力钢筋采用公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004）的15.2钢绞线，每束6根，全梁配4束，fpk=1860MPa的钢绞线。 普通钢筋直径大于和等于12mm的采用HRB3

18、35钢筋,直径小于12mm的均用R235钢筋。 按后张法施工工艺制作主梁，采用内径70mm,外径77mm的预埋金属波纹管成孔和夹片锚具。 2.1.4 设计依据 （1）公路桥涵设计通用规范（JTG D602004） （2）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004） （3）公路桥涵施工技术规范（JTJ/T0412000）实施手册 （4）公路桥涵设计手册（梁桥），人民交通出版社，1996 （5）桥梁工程，邵旭东主编，武汉理工大学出版社，2005 （6）桥梁计算示例丛书（混凝土简直梁（板）桥），易建国主编，人民交通出版社 （7）结构设计原理叶见曙主编，人民交通出版社，1999

19、2.2横截面布置 2.2.1 主梁间距和主梁片数 主梁间距通常应随梁高与跨径的增大而加宽为经济，同时加宽翼板对提高主梁截面效率指标有效，故可在许可条件下适当加宽T梁翼板。本桥主梁翼板宽度为2000mm，由于宽度较大，为保证桥梁的整体受力性能，桥面板采用现浇混凝土刚性接头，因此主梁的 2 工作截面有两种：预施应力、运输、吊装阶段的小截面（bi=1600mm）和运营阶段的大截面（bi=2000mm）。净9m+2³1.0m的桥宽选用五片主梁,如图2-1所示。 cktk压、抗拉标准强度。 2.2.2 主梁跨中截面尺寸拟定 （1）主梁高度 预应力混凝土简支梁桥的主梁高度与跨径之比通常在1/15

20、1/25,标准设计中高跨比约在1/181/19。当建筑高度不受限制时，增大梁高往往是较经济的方案，因为加大梁高可以节省预应力钢束的用量，同时梁高加大一般只是腹板加高，而混凝土用量增加不多。综上所述，本桥取用1800mm的主梁高度是较合适的。 （2）主梁截面细部尺寸 T梁翼板的厚度主要取决于桥面板承受车轮局部荷载的要求，还应考虑能否满足主梁受弯时上翼板受压的强度要求。本桥预制T梁的翼板厚度取用80mm，翼板根部加厚至200mm以抵抗翼缘根部较大的弯矩。在预应力混凝土梁中腹板内主拉应力较小，腹板厚度 3 一般由布置预制孔管的构造决定，同时从腹板本身的稳定条件出发，腹板厚度不宜小于其高度的1/15。

21、本桥腹板厚度取150mm。 马蹄尺寸基本由布置预应力钢束的需要确定的，设计实践表明，马蹄面积占截面总面积的10%20%为合适。本桥考虑到主梁需要配置较多的钢束，将钢束按两层布置，一层排两束，同时还根据公预规条对钢束净距及预留管道的构造要求初拟马蹄宽度为300mm，高度为250mm，马蹄与腹板交接处做三角过度，高度100mm，以减小局部应力。按照以上拟定的外形尺寸，就可绘出预制梁的跨中截面图。 400400400400图2-1断面图（尺寸单位：mm） 图2-2立面图（尺寸单位：mm） 4 图2-3 跨中截面尺寸图：（尺寸单位：mm） (3) 计算截面几何特征 将主梁跨中截面划分成五个规则图形的小

22、单元，截面几何特性计算见下表。 注：大毛截面形心至上缘距离ys 小毛截面形心至上缘距离ys(4)检验截面效率指标 上核心距：ks= =i =60.65(cm) Ai Si = 64.14(cm) Ai 21361913I= =32.54(cm) A×ys5500´180-60.655 下核心距：kx= 21361913I= =64.04(cm) A×yx5500´60.65 截面效率指标： = ks+kx32.54+64.04 = =0.54>0.5 h180 表明以上初拟的主梁跨中截面是合理的。 2.3横截面沿跨长的变化 如图2-2所示，

23、本设计主梁采用等高形式，横截面的T梁翼板厚度沿跨长不变。粱端部区段由于锚头集中力的作用而引起较大的局部应力，也为布置锚具的需要，在距梁端1200mm范围内将腹板加厚到与马蹄同宽。马蹄部分为配合钢束弯起而从六分点附近（第一道横隔梁处）开始向支点逐渐抬高，在马蹄抬高的同时腹板宽度亦开始变化。 2.4横隔粱的布置 模型试验结果表明，在荷载作用处的主梁弯矩横向分布，当该处有横隔梁时较均匀，否则直接在荷载作用下的主梁弯矩很大。为减小对主梁设计起主要控制作用的跨中弯矩，在跨中设置一道中横隔梁，当跨度较大时应设置较多的横隔梁。本设计在桥跨中点、三分点、六分点、支点处设置七处横隔梁，其间距为4.85m。端横隔

24、梁的高度与主梁同高，厚度为上部240mm，下部220mm；中横隔梁高度为1600mm，厚度为上部160mm，下部140mm。详见图2-2。 6 3主梁作用效应计算 根据上述梁跨结构纵、横截面的布置，并通过可变作用下的梁桥荷载横向分布计算，可分别求得各主梁控制截面（一般取跨中、四分点、变化点截面和支点截面）的永久作用和最大可变作用效应，然后再进行主梁作用效应组合。 3.1 永久作用效应计算 3.1.1 永久作用集度 （1）预制梁自重 跨中截面段主梁的自重（六分点截面至跨中截面，长9.72m） G=0.5180³25³9.67=125.23(kN) 马蹄抬高与腹板变宽段梁的自重

25、（长3.65m） G=(0.713931+0.5180)³3.65³25/2=56.21(kN) 支点段梁的自重（长1.63m） G=0.713931³25³1.63=29.09(kN) 边主梁的横隔梁 中横隔梁体积： 0.15³（0.8³1.470.5³0.725³0.120.5³0.1³0.075） =0.1693（m3） 端横隔梁体积： 0.23³（1.72³0.650.5³0.1076³0.65）=0.2491（m3） 故半跨内横梁重力为 G=（2

26、.5³0.1693+1³0.2491）³25=16.81 (kN) 预制梁永久作用集度 g1=（125.23+56.21+29.09+16.81）14.98=15.18 (kN/m) 二期永久作用 边梁现浇部分横隔梁 一片中横隔梁（现浇部分）体积 0.15³0.2³1.47=0.0441(kN/m) 一片端横隔梁（现浇部分）体积 0.23³0.2³1.72=0.07912 (kN/m) 故 g=（5³0.0441+2³0.07912）³2529.96=0.32 (kN/m) 铺装 8cm混凝土铺

27、装(1.5%横坡) 0.08³9³25=18 (kN/m) 6cm沥青铺装 0.05³9³23=10.35(kN/m) 若将桥面铺装均摊给五片主梁，则 g=（18.00+10.35）5=5.67(kN/m) 栏杆 一侧人行栏1.52(kN/m)，一侧防撞栏4.99(kN/m) 7 若将两侧人行栏、防撞栏均摊给四片主梁则 g=（1.52+4.99）³25=2.60(kN/m) 边梁二期永久作用集度 g2=0.32+5.67+2.60=8.59(kN/m) 3.1.2 永久作用效应 如图2-3所示，设x为计算截面离左支座的距离，并令=xl。 主粮弯矩和剪力的计算公式分别为 1 Ma=a(1-a)l2g （3-1） 21 Qa=(1-2a)lg （3-2） 2 永久作用效应计算见表3-1。 3.2可变作用效应计算（修正刚性横梁法） 3.2.1 冲击系数和车道折减系数 按桥规条规定，结构的冲击系数与结构的基频有关，因此要先计算结