桥梁工程的毕业设计.docx
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桥梁工程的毕业设计
黄梅沙河桥设计
摘要
本设计是根据设计任务书的要求和《公路桥规》的规定,对黄梅县大桥进行方案比选和设计的。
本着“安全、经济、美观、实用”的原则，本论文提出三种不同的桥型方案进行比较和选择：
方案一为预应力混凝土等截面简支T梁桥，方案二为预应力混凝土变截面连续箱梁桥，方案三为钢筋混凝土下承式钢管拱桥。
根据以上的原则以及设计施工等多方面考虑，比较确定预应力混凝土等截面简支T梁桥为推荐方案，绘制三种方案的桥址平面图、立面图、横断面图。
在设计中，桥梁上部结构运用Madis/Civil软件建模分析，进行主梁的截面几何特性计算、荷载横向分布计算，以及恒载及活载布载的内力计算。
运用铰接梁法求出活载横向分布系数，并运用最大荷载法进行活载的加载。
进行了梁的配筋计算，估算了钢绞线的各种预应力损失，绘制预应力筋布置图。
对结构强度、刚度、应力、裂缝宽度、挠度等进行验算。
由于时间关系，本设计没有进行下部结构的设计。
关键词：
方案；简支T梁桥；比选；MADIS；验算
TheDesignofthehuangmeishaheBridge
Abstract
ThedesignwastocomparetheschemesandtodesignfortheHuangmeicountybridgebasedontherequirementsofthedesigntaskand"HighwayBridgeRegulation”.Thedesignofthebridgepresentsthreedifferentkindsofbridgemodelplanstocompareandchooseinlinewiththeprincipleof“safety,economically,aestheticandpractically”:
ThefirstprogramwasthedesignofthesectionsimplesupportedT-beamofprestressedconcrete,thesecondonewasprestressedconcretevariablecross-sectioncontinousgriderbridge,thethirdonewasreinforcedconcretesteel-tabulararchbridge.Accordingtotheprincipleaswellasdesignandconstructionaspects,theprestressedconcretesimplysupportedT-beambridgeofthesectionwasregardedasrecommendedscheme.Drawingthepreliminaryplan,elevationcrosssectiondrawingofthethreeschemes.
Inthedesign,theupperstructureofbridgeusedMadis/Civilsoftwaretomodelandanalyze,andtomakethegeometryspecialtyofthemaingridercross-sectioncalculation,theloadtransversedistributioncoefficientcalculation,anddeadload&liveloadinternalforcecalculation.Thehingedbeammethodforcalculatingcoefficientsoftransversedistribution,andapplyingthemaximumloadmethodtohavelive-loadloading.Makingthebeamreinforcementcalculation,calculatingthevariouslossofprestressofsteelstrand,drawingprestressedtendonlayout.checkingthestructuralstrength,stiffness,stress,crackwidthanddeflection.Intheinterestoftime,thebottomstructuredesignwasnotinvolvedinthisdesign.
Keywords:
Scheme;SimpleSupportedT-beam;Comparison;MADIS;Checking
1绪论
预应力混凝土简支T梁桥早在20世纪50年代在我国建成之后，这种桥梁便得到了广泛推广并提出了系列标准设计。
我国交通行业预应力混凝土简支T梁标准化设计经历了一个从无到有的发展过程。
1.1预应力混凝土简支T梁桥概述
1.1.1预应力混凝土特点
预应力混凝土可看作是一种预先储备了足够压力的新型混凝土材料。
对混凝土施加预压力的高强度钢筋，既是加力工具，又是抵抗荷载所引起构件内力的受力钢筋。
1.能有效地利用现代高强度材料（高强混凝土，高强钢材），减少构件截面，显著降低自重所占全部设计荷载的比重，增大跨越能力，并扩大混凝土结构的适用范围。
2.与钢筋混凝土梁桥相比，一般节省钢材30%~40%，跨径愈大，节省愈多。
3.全预应力混凝土梁在适用荷载下不出现裂缝，即使是部分预应力混凝土梁在常遇荷载下也无裂缝，鉴于能全面参与工作，梁的刚度就能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少建筑高度，使大跨径梁桥做的轻柔美观。
由于能消除裂缝，这就扩大了对多种桥型的适应性，并更加的提高了结构的耐久性。
4.预应力技术的采用，为现代装配式结构提供了最有效的接头和拼装手段。
根据需要，可在纵横向与竖向施加预应力，使装配式结构集整成理想的整体，这就扩大了装配式桥梁的适用范围，提高了运营质量。
1.1.2简支梁桥特点
以孔为单元，相邻桥孔各自单独受力，属静定结构，适用于中小跨度。
它的优点是结构简单，架设方便，可减低造价，缩短工期，同时最易设计成各种标准跨径的装配式构件。
但相邻两跨之间存在异向转角，路面有折角，影响行车平顺。
国内被人熟知的简支梁桥很多，其中两个如下：
[浙江瑞安飞云江桥]：
国内最大跨度的预应力混凝土简支梁桥（62m），37跨。
[河南开封黄河公路桥]：
最长的简支T梁桥，全长4475.09m。
共108孔。
其中77孔50m跨径的预应力砼简支T梁，31孔20m跨径的钢筋砼简支T梁
图1-1浙江瑞安飞云江桥图1-2河南开封黄河公路桥
1.1.3T梁桥特点
肋板式梁桥（T梁桥）承重结构为T梁——梁肋（腹板）与顶板（顶部钢筋混凝土桥面板）相结合。
由于受拉区混凝土得到很大程度的挖空，减轻自重，所以跨越能力增大。
目前，中等跨径（13~15m以上）的梁桥，通常多采用肋板式梁桥。
1.2国内发展研究状况
T形梁采用钢筋混凝土结构的已经很少了，从16m到50m跨径，都是采用预制拼装后张法预应力混凝土T形梁。
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40～60号；T形梁的翼缘板加宽，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形梁有结构简单，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。
目前的预应力混凝土简支“准连续”。
进人20世纪90年代，交通部先后出版了预应力空心板、预应力混凝土I型组合梁标准图。
但预应力混凝土简支T梁标准化工作相对滞后，这期间的预应力混凝土简支梁在桥梁建设中仍占有相当的比例，北京市每年有近80%为这种结构形式，而一些新技术、新工艺、新材料的迅速发展和应用，原有的标准图已不适用。
为此，北京市公路局于1998年向北京市公路设计研究院下达了预应力混凝土简T梁桥通用图课题，历时2年，于1999年完成了这一课题并通过了北京市组织的专家鉴定。
认为该通用图结构设计合理，完善和提高了国内预应力混凝土简支T梁桥标准化设计水平，有推广应用价值，为国内先进水平。
预应力混凝土梁桥在我国的发展基本趋于成熟，不仅在设计理论方面，而且再施工技术上都处于世界的前列。
随着我国经济发展，材料、机械、设备工业相应发展，这为我国修建高质量桥梁提供了有力保障。
再加上广大桥梁建设者的精心设计和施工，使我国建桥水平已跃身于世界先进行列。
我国幅员辽阔，经济发展水平参差不齐，经济上总体水平不高，公路桥梁发展还是要着眼于量大、面广的一般大、中桥，这类桥梁仍以预应力混凝土结构为主。
1.3研究方法和内容
本文以地质水文资料和桥梁工程确定黄梅县大桥桥型，借助大型有限元软件MIDAS/Civil平台，对大桥整体模型进行计算分析和验算。
主要工作如下:
1.通过结合地形及水文地质资料，综合考虑技术，经济，美观等因素，拟定三个方案，参考国内同类桥梁，确定桥型桥跨布置及截面细部尺寸进行比选，确定最优方案。
2.确定最优方案，对最优方案建立计算模型，考虑施工和成桥阶段的荷载组合以及预应力钢束布置，对桥梁整体结构进行计算分析。
3.根据全桥计算分析结果及施工阶段数据，分析恒、活载作用下全桥受力状态并验算应力，抗裂性，挠度。
2方案比选
2.1工程概况
2.1.1主要技术指标
（1）.设计荷载：
汽车荷载公路－I级，人群荷载3.0kN/m2；
（2）.桥面宽度：
净-1.5m＋4×3.75m＋1.5m；
（3）.桥面纵横坡：
纵坡：
3%；横坡：
2%；
（4）.通航要求：
无通航要求；
（5）.设计基准期：
100年。
2.1.2附现场工程地质条件
（1）.水文地质
黄梅县待建桥梁所要经过的地形相关已知资料如下表：
表2.1.2-1地形资料
桩号
标高m
桩号
标高m
K6+400
22.0
71
16.7
8
16.8
86
13.1
16
16.6
97
15.9
24
18.0
98
17.4
32
17.2
103
17.1
46
13.7
115
13.9
58
11.9
120
9.3
66
16.0
130
22.1
设计洪水位为19.6m.下图2.1.2-1所示为地形线图。
图2.1.2-1地形线图
2.2桥梁设计原则
1适用性
桥上应保证车辆和人群的安全畅通，并应满足将来交通量增长的需要。
桥下应满足泄洪、安全通航或通车等要求。
建成的桥梁应保证使用年限，并便于检查和维修。
2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振幅，避免车辆在桥上振动与冲击。
整个桥跨结构及各部分构件，在制造、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
设计的经济性一般应占首位。
经济性应综合发展远景及将来的养护和维修等费用。
4先进性
桥梁设计应体现现代桥梁建设的新技术。
应便于制造和架设，应尽量采用先进工艺技术和施工机械、设备，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。
5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，决不应把美观片面的理解为豪华的装饰。
应根据上述原则，对桥梁作出综合评估。
2.3方案编制
根据桥所在的地理位置，桥梁水文，地质情况等，决定选择以下三个方案：
第一方案：
预应力混凝土等截面简支T梁桥30+35+35+30m。
立面图示如下2.3-1。
图2.3-1预应力混凝土简支T梁桥立面图（mm）
第二方案：
预应力混凝土变截面连续箱梁桥35+60+35m。
立面图示如下2.3-2。
图2.3-2预应力混凝土变截面连续箱梁桥立面图（mm）
第三方案：
钢筋混凝土下承式连续钢管拱桥35+60+35m。
立面图示如下2.3-3。
图2.3-3钢筋混凝土下承式连续钢管拱桥立面图（mm）
当新建桥涵的跨径在50m及以下时，宜采用标准化跨径。
我国后张法装配式预应力混凝土简支梁桥的标准设计有25m，30m，35m，40m四种。
跨径大于50m一般采用箱型截面，箱梁边跨一般选为中跨的0.5～0.8倍即30～48m。
因此，各方案的跨径取值是合理的。
方案一预应力混凝土简支T梁桥。
采用9片T形截面梁组成，对于等截面的不等跨的横截面尺寸的选取，如下图2.3-4所示。
图2.3-4预应力混凝土简支T梁桥横截面图（mm）
截面各尺寸的选取:
预应力混凝土简支梁桥的标准设计有25m，30m，35m，40m四种。
梁高对应分别为1.25～1.45m，1.65～1.75m，2.00m，2.30m，标准设计中高跨比约为1/20～1/17，取30m跨径梁高1.7m，高跨比为1/17.65，取跨径35m,梁高为2.0m，高跨比为1/17.5，所以梁高取值合理。
主梁间距一般为1.6～2.2m，主梁宽度取2.0m。
翼板端部一般取不小于10cm，这里取10cm。
翼板根部厚度不小于主梁高度1/12，即14.17cm，取15cm。
当设承托时，承托与腹板相连处翼板的厚度不小于主梁高的1/10，即17cm，取20cm。
T形截面梁腹板宽度不应小于14cm，取20cm。
上下承托之间腹板高不大于15倍腹板宽为3m。
腹板高取1.1m。
马蹄宽为腹板厚的2～4倍即40～80cm，取60cm。
下翼缘高加1/2斜坡区，为梁高的0.15～0.20,即30～40cm，下翼缘高和斜坡区高分别取20cm。
横隔板取主梁高度的3/4，当设有马蹄时，延伸至马蹄加宽处。
预应力混凝土简支T梁有其优缺点。
优缺点如下:
优点：
1）能最有效的利用现代的高强度材料，减少构件截面，显著降低自重所占全部设计荷载比重，跨越能力大。
2）与钢筋混凝土梁桥相比，节省材料。
3）预应力混凝土在使用荷载下不出现裂缝，故梁的刚度比较大。
4）有利于生产和施工的机械化。
缺点：
1）工程数量大，造价高。
2）其截面形式不便于运输，安装。
3）建筑高度较高，土方量大，引道长度较长，增加了公路造价。
4）需要有一套专门的预应力张拉设备和材质好的、制作精度高的锚具，施工工艺复杂。
方案二预应力混凝土变截面连续箱梁桥。
采用1片单箱双室截面，有代表性截面尺寸如下图2.3-5所示。
图2.3-5预应力混凝土变截面连续箱梁横截面图（mm）
各尺寸的选取：
变高度（折线形）连续梁跨中高度为跨径的1/22～1/28即2.1～2.7m，取2.5m.支点处高度为跨径的1/16～1/20即3～3.75m，取3.5m。
底板厚为梁高的1/12～1/10，跨中处即为20.8～25cm吗，取25cm。
支点处即为29.2～35cm，取30cm。
悬臂长度一般采用2～5m,取3m。
翼缘板根部一般为0.2～0.6m，取0.4m。
腹板内有预应力钢束筋锚固时为380mm。
取380mm，支点处相应加厚。
承托取形式为1:
1,1:
3。
跨中截面梁肋总厚度不宜下雨桥宽的1/12～1/20,即1.5～0.9，这里0.38×3=1.14是合理的。
支点截面梁肋总厚度不宜小于1/12～1/18即1.5～1m。
取0.5×3=1.5是合理的。
箱梁顶底板中部厚度不应小于板净跨径的1/30即0.6m，跨中取值为1.05m比支点1/4跨处小，合理。
顶板厚一般在0.2～0.6m，跨中支点1/4跨处分别取0.25,0.3,0.25m。
预应力混凝土连续箱梁桥优缺点分析如下：
优点：
1）可以降低梁高，节省工程数量，有利于争取桥下净空，并改善景观。
2）其结构刚度大，具有良好的动力特性以及减震降噪作用，使行车平稳舒适，后期的维修养护工作也较少。
3）从城市美学效果来看，连续梁造型轻巧、平整、线路流畅，将给城市争
色不少。
缺点：
对基础沉降要求严格，特别是由于联长较大，梁体与墩台之间的受力
十分复杂，加大了设计难度。
方案三：
钢筋混凝土下承式钢管拱桥。
采用2片单箱单室相同截面组成。
一片截面形式及尺寸如下图2.3-6。
图2.3-6钢筋混凝土下承式钢管拱桥横断面图（mm）
截面各尺寸的选取：
组合式拱桥矢跨比一般为1/5～1/10即12～6m不小于1/12即5m，取8m。
横向钢管拱肋间距70cm。
上下两钢管拱圈之前距离90cm.钢管拱肋直径30cm。
系杆10cm，横系梁高度取60cm。
箱梁截面尺寸见方案二中尺寸范围。
优点是:
①桥下净空大,视野开阔,为将来改建留有较大余地；②建筑高度小,填土高度低,总造价低；③桥型美观,与周围环境相协调,建成后将成为一个亮点。
缺点是：
施工工艺较复杂,对施工技术要求较高。
2.4方案比选
表2.4-1方案比选
比较项目
第一方案
第二方案
第三方案
主跨桥型
预应力混凝土等截面等截面简支T梁桥
预应力混凝土变截面连续箱梁桥
钢筋混凝土下承式钢管拱桥
主桥跨结构特点
在垂直荷载的作用下，其支座仅产生垂直反力，而无水平推力。
结构造型灵活，整体性好，刚度较大，非常适合于中小跨径桥梁，预制安装施工便捷，对材料要求低。
受力明确，整体性较好，抗扭刚度很大，主梁现浇施工，作业量大。
整体自重较轻，主要是系杆受力，主梁受弯矩很小，跨径可以达到很大。
吊杆索力控制要求技术高。
养护维修量
小
大
大
设计技术水平
标准化设计成熟，国内先进水平
运用较多，国内先进水平
设计难度大，国内尚无这类桥型设计及相关规范
施工技术
顶推法
挂篮施工法
就地浇筑法
工期
较短
较长
较短
由上表可知，根据地质水文情况，结合桥梁设计原则，选择第一方案经济上另外两个方案好；跨径上满足要求，无通航要求下，美观性比第二方案好；工期上较短，对整个工程进度来说不会受其影响；施工难度较小。
所以选择第一方案预应力混凝土等截面简支T梁桥作为首选方案。
3建模分析
3.1计算横向分布系数
预应力混凝土简支T梁桥主梁设计运用MADIS软件对跨径为35m的中跨主梁的第5片进行建模分析。
首先计算第五片梁的横向分布系数。
由于宽跨比B/L=18/35>0.5，因此，此桥为宽桥，采用铰接梁法进行计算。
可以从MADIS软件中定义的截面的特性值可以得到
，
。
运用横向分布-计算软件进行计算
输入/主控信息:
横向连接为铰接；
计算数据/行车道宽度：
15；一侧人行道宽度:
1.5；
主梁计算跨径：
35；主梁片数：
9；单根梁上翼缘宽度：
1.98；
翼缘悬臂长度：
D1=0.75；翼缘板厚度：
0.125；
单根主梁的纵向抗弯惯矩：
0.01447
单根主梁的横向抗扭惯矩：
0.4089
得出计算结果第5片梁Mcq=0.2995Mcr=0.2190。
3.2建立模型
定义材料
材料：
1.C50混凝土；2.Strand1860钢绞线；
规范：
JTG04。
定义截面
截面类型>PSC-工字形截面
变截面拐点:
JI2；对称:
（开）；剪切验算:
（开）；
Z1自动:
（开）；Z3自动:
（开）；抗剪用最小腹板厚度:
（开）；
t1自动:
（开）；t2自动:
（开）；t3自动:
（开）；抗扭用:
（开）。
外部轮廓尺寸如下图3.2.1-1
图3.2.1-1：
T梁剖面尺寸图
考虑剪切变形（开）；偏心>中-上部图
建立结构模型
建立节点:
坐标（0,0,0）
扩展单元:
扩展类型>节点→线单元
单元类型>梁单元；材料>1:
C50；截面>1:
PSC工形；生成形式>复制和移动；复制和移动>等间距>dx,dy,dz>（1,0,0）；复制次数>（35）
定义结构组、边界条件组、钢束组和荷载组
（1）新建结构组
新建结构组1单元:
（1to35）
（2）新建边界组
新建边界组1，边界组2
（3）新建荷载组
新建荷载组：
自重，预应力1，预应力2，人群荷载，二期
（4）输入边界条件
模型/边界条件/一般支承
单选（节点:
1）；边界组名称>边界1；选择>添加
支承条件类型>Dx，Dy，Dz，Rx，Rz（开）
单选（节点：
35）；边界组名称>边界2；选择>添加
支承条件类型>Dy，Dz，Rx，Rz（开）
PSC截面钢筋布置
模型>材料和截面特性>PSC截面钢筋；截面列表>None
纵向普通钢筋进行布置，X轴方向为沿桥梁纵向，Y轴方向为沿桥梁横向。
表3.6-1纵向普通钢筋布置表
直径
数量
Ref.Y
Y（m）
Ref.Z
Z（m）
间距（m）
d25
24
中央
0
上部
0.06
0.08
d25
5
中央
0
上部
0.06
0.1
（i,j）两端钢筋信息相同（开）；抗剪钢筋
（i,j）两端钢筋信息相同（开）；I端
弯起钢筋（开）；间距（1.5）；角度（45）；Aw（0.000982m^2）
抗扭钢筋（开）；间距（0.2）；Awt（0.0002262m^2）；Alt（0.0002262m^2）
箍筋（开）；间距（0.2）；Awt（0.0002262m^2）
输入荷载
（1）荷载/静力荷载工况
名称（自重）；类型（施工阶段荷载）
名称（预应力1）；类型施工阶段荷载）
名称（预应力2）；类型（施工阶段荷载）
名称（桥面铺装）；类型（施工阶段荷载）
（2）输入恒荷载
荷载/自重；荷载工况名称>自重
荷载组名称>自重；自重系数>Z（-1）
荷载/梁单元荷载（单元）；荷载工况名称>二期
荷载组名称>二期；荷载类型>均布荷载；数值>w=-1.2
。
（3）输入钢束特性值
荷载/预应力荷载/预应力钢束的特性值
预应力钢束的名称（Tendon1）；预应力钢束的类型>内部（后张）
材料>2:
Strand1860；钢束总面积（0.0028）；或者
钢铰线公称直径>15.2mm（1x7）；钢铰线股数（20）
导管直径（0.13）；钢束松弛系数（开）：
JTG04、
预应力钢筋抗拉强度标准值（fpk）:
1860N/mm^2
预应力钢筋与管道壁的摩擦系数:
0.3
管道每米局部偏差对摩擦的影响系数:
0.0066（1/mm）
锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值:
开始点:
0.006m；结束点:
0.006m；粘结类型>粘结
同理定义右边跨和左边跨钢束特性值。
（4）输入钢束形状
荷载/预应力荷载/预应力钢束形状
钢束名称（Tendon1）；钢束特性值>Tendon1；选择（单元:
1to35）
输入类型>3-D曲线类型>圆
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