毕业设计20m预应力简支梁桥设计.doc
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××大学土木工程学院毕业设计
大力发展交通运输事业，是加速实现四个现代化的重要保证。
四通八达的现代交通，对于加强全国各族人民的团结，发展国民经济，促进文化交流和巩固国防等方面，都具有非常重要的作用。
我国幅员辽阔，大小山脉和江河湖泽纵横全国，在已通车的公路路线中尚有大量渡口需要改建为桥梁，并且随着社会主义工业、农业、国防和科学技术现代化的逐步实现，还迫切需要修建许多公路、铁路和桥梁，在此我们广大桥梁工程技术人员将不断面临着设计和建造各类桥梁的光荣而艰巨的任务。
一、工程概况及方案比选
（一）概述
平远街至锁龙寺高速公路是国道主干线GZ75（衡阳～南宁～昆明公路）位于云南省境内罗村口至昆明公路的重要段落，是云南省列为“九五”和“十五”期间改造的六条主要干线公路之一。
它途径红河、文山两个地州的弥勒、开远、砚山等市县，东连广西省，南接国家级边境口岸那发、河口、船头等，西接国道主干线GZ40及国道326线、国道323线，服务于滇中、滇东、滇南、滇东南等广阔地域，是云南省出海通边的主要通道，对云南乃至大西南的经济发展起着十分重要的作用。
路线地处云南东南部，位于东经102°43′～103°20′，北纬24°50′～25°02′之间。
本设计路段为平远街～锁龙寺高速公路11合同段庄田段，属于改地方路1。
此桥梁主要用于连接攀枝花村和庄田村。
（二）工程概况
1．地形地貌
平远街～锁龙寺高速公路路线起点位于砚山县平远镇，止点位于弥勒县朋普镇。
行政区划包括文由州、红河州。
路线所经区域位于云贵高原南缘，属滇东南高原及滇中湖盆高原，根据地貌成因可分为三个小的地貌单元。
本工程位于第三地貌单元内，即：
K124+100～K128+200段内，该地段以地表水、地下水强烈溶蚀作用、大陆停滞水堆积和地表河流侵蚀堆积作用为主，呈现出溶蚀断馅盆地的地形地貌特征。
2．水系
路线所经区域属南盘江水系、地表水主要有绿水塘河、南盘江、甸西河。
绿水塘河、甸西河均系盘江支流。
根据《南盘江流域洪水调查资料汇编》江边站资料、江边街水文站1954～1969年实测流量资料及朋普七孔桥站实测流量资料，南盘江最大洪峰流量5410米3/秒（1910年），最枯流量21.1米3/秒（1963年），另外根据水文资料计算，南盘江桥位于1/100的洪水水位标高为1012米，1/300的洪水水位标高为1014米。
甸西河最大洪峰流量640米3/秒（1915年），最枯流量0.30米3/秒（1958年）。
3．气候
路线所经地域位于东经102°43′～103°20′，北纬24°50′～25°02′之间，主要属于亚热带高原季风气候。
干旱季节分明，夏季多雨湿热，冬春少雨干燥。
气候随海拔高度变化明显，具垂直分带特征。
鹰嘴岩段（K94+000）至止点段（庄田段），位于海拔1000～1300米的河谷及盆地地段，年平均气温19.2°C，最高气温38.2°C，最低气温-2.5°C，平均年降水量795毫米，平均年蒸发量1334.1毫米左右。
路线所经区域内降雨量多集中在6～9月，占全年降雨量的66％～83％，蒸发量最大在3～5月，气温最高是5～7月，气温最低是12月至次年2月。
总的来说，路线所经区域的气候特点是：
降雨丰沛，热量充足，寒、旱、风等灾害天气少，光、热、水分配合理。
4．地震
路线所经区域地震活动频繁，是影响区域稳定性的主要因素。
据历史地震记录，区内破坏性地震有9次。
1919年12月21日，开远发生5.5级地震，地震烈度7度；1929年3月22日，区内西北角东经103°00′，北纬24°00′发生6.3级地震，地震烈度8度；1950年9月13日，个旧发生5.8级地震，地震烈度8度；1953年5月14日，小龙潭发生5级地震，地震烈度7度；1970年1月5日通海地震，波及本区段，造成部分房屋开裂或破坏。
区内地震多发生在西部，而东部较少。
东部区域内地震烈度一般在5～6度，基本属相对稳定地区。
西部地区地震活动频繁，有震次增多，震级减少趋势，历次地震烈度达6～8度。
据云南省地震局地震队资料，现今地壳垂直变形明显，相对变化达50毫米，说明地壳仍在活动，属于不稳定地区，有可能发生破坏性地震。
区内西部地震活动频繁，其震中多位于南北向断裂带及开远山字型构造的铰接复合部位，且多伴有温泉出露。
根据《中国地震烈度区划图》和《云南省各县区地震烈度分区》，本公路庄田段基本地震烈度为：
Ⅶ度基本地震烈度区。
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）的规定，庄田段设计基本地震加速度值为0.15g。
构造物按交通部部颁《公路工程抗震设计规范》要求设计。
5．工程地质及水文地质评价
（1）地质构造
本区域经历了多次构造变动，多种构造相互叠加，构造行迹比较复杂，影响本区域的构造体系主要有：
开远山字型构造体系、南北向构造体系、北西向构造体系。
路线K123+000～止点K128+200一带为南北向构造影响区域。
路线所经区域有南北向构造主干大断裂朋普～开远～个旧断裂于K124+400附近穿越该区域，为第四系地层所覆盖。
朋普溶蚀断馅盆地即为该断裂所控制形成。
（2）地层岩性
K124+100～K128+200一带分布河湖相黄色、灰白色粘土（其中灰白色粘土具膨胀性），灰黑色泥炭土，记忆砂、砾石土。
（3）岩土物理力学指标：
岩石物理力学性质指标统计表表1.1
岩石
名称
密度（g/cm3）
吸水率
％
孔隙
率
％
平均
软化
系数
抗压强度（Mpa）
动弹性
模量
Ed（MPa）
动泊松
比
（μ）
湿
干
天然
状态
浸水饱和
灰岩
白云
灰岩
2.59
～
2.76
2.51
～
2.74
0.9
～
3.5
2.3
～
8.8
0.86
～
0.87
32.4
～
50.6
20.3
～
101.8
—
—
砂岩
2.65
～
2.73
2.62
～
2.70
0.7
～
2.1
1.8
～
4.7
0.82
～
0.93
52.6
～
107.6
39.2
～
109.3
57134.7
～
66981.1
0.28
～
0.30
粉砂岩
2.73
2.62
～
2.66
2.8
～
4.1
8.6
～
11.0
0.72
6.9
～
9.1
2.8
～
13.1
36409.6
0.28
页岩
2.63
～
2.82
2.63
～
2.74
2.1
～
4.9
5.6
～
12.4
0.69
7.9
～
11.4
2.7
～
11.8
21667.6
0.32
土体物理力学性质指标统计表表1.2
天然密度ρ。
g/cm3
土粒比重Gs
饱和度Sr
%
天然孔隙比e。
含水量ω
%
塑限ωp％
液限ωl
%
塑性指数
IP
液性指数
Il
内聚力
C
kPa
内摩擦角φ
。
压缩系数a1-2
MPa
压缩模量Es1-2
MPa
自由膨胀率Fs
%
1.64
～
2.02
2.74
～
2.86
85
～
100
0.70
～
1.65
24
～
58
28
～
52
51
～
118
23
～
51
<0
～
0.49
39.6
～
134.4
1.9
～
25.4
0.09
～
0.14
15.82
～
21.80
20
～
88
1.64
～
1.91
2.66
～
2.85
88
～
100
0.938
～
1.65
33.6
～
58
36
～
54
72
～
128
34
～
86
<0
～
0.49
67.6
～
134.4
1.9
～
15.0
0.1
～
0.15
14.86
～
19.04
40
～
88
1.77
～
2.06
2.72
～
2.79
70
～
99
0.63
～
1.4
17
～
36
16
～
25
24
～
41
8
～
17
<0
～
0.76
54
～
62
21.7
～
22.6
0.073
～
0.083
12
～
13.7
1.34
～
1.87
2.78
～
2.86
85
～
100
1.01
～
1.31
35
～
87
24
～
62
42
～
101
18
～
39
<0
～
0.64
7
～
49
16.6
～
25.1
0.048
～
0.200
5
～
21
6．水文地质条件
路线所经区域地下水类型主要有松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水三大类。
K124+100～K128+200路段所在区域为朋普溶蚀断馅盆地，地表有甸西河流经区内，地下水埋深较浅，平均埋身1.27米，地下水类型为HCO3－Ca型水，局部为HCO3－Ca.Mg（Na）型水。
7．不良地质地段
本段路路线所经过区域不良地质地段分布广泛，种类繁多，主要不良地质地段类型有膨胀土、崩塌、泥石流、滑坡、溶岩漏斗、软弱土地基等。
膨胀土主要分布于平远街构造溶蚀盆地、朋普溶蚀断馅盆地等段。
崩塌主要分布于飞鱼泽至底打段。
泥石流主要分布于飞鱼泽至底打段。
滑坡主要分布于飞鱼泽至底打段。
溶岩漏斗主要分布于平远街至老玉坡段。
软弱土地基段落主要分布玉朋普溶蚀断馅盆地内。
8．工程地质条件及水文地质条件综合评价
该段路线穿越区为朋普溶蚀断馅盆地，以地表水、地下水强烈溶蚀作用、大陆停滞水堆积作用和地表河流侵蚀堆积作用为主。
该段地层以粘土、亚粘土、泥炭土、砂、砾石土为主。
地下水埋深较浅、平均埋深1.27米，地基承载力值较低。
主要不良地质现象有软土和膨胀土，软土段落有K124+250～K124+400、K124+700～K125+300、K125+700～K126+550、K128+150～K128+940四段。
前三段为甸西河河床所流经处，因河流位置变更，地形低洼，地下水、地表水汇集长期浸泡而成。
地表粘土呈软塑状，局部段落存在泥炭土，但成硬塑状，价值埋藏较深，对路基影响较小，因此这三段可抽取地表水，采用换填碎石、抛石挤淤等浅层方法处治。
K128+150～K128+940一段为沼泽相软土，需做深层处治。
膨胀土段落有K126+600～K128+200一段，岩性为褐红、褐黄夹灰白色粘土，路线K127+250～K128+050一段为挖方地段，所取费方不可用做路堤填料。
K124+000～K128+200一段路堤填料可用K124+000处深挖方及附近料场、攀枝花村后山石料场碎石土填筑。
（三）方案比选
1．比选方案的主要标准：
桥梁方案比选有四项主要标准：
安全，功能，经济与美观，其中以安全与经济为重。
过去对桥下结构的功能重视不够，现在航运事业飞速发展，桥下净空往往成为运输瓶颈，比如南京长江大桥，其桥下净空过小，导致高吨位级轮船无法通行，影响长江上游城市的发展。
至于桥梁美观，要视经济与环境条件而定。
2．方案编制
（1）悬臂桥
图1.1
（2）T型钢构桥
图1.2
（3）先简支后连续梁T型梁桥
图1.3
（4）斜拉桥
图1.4
3．方案比选
方案比选表表1.3
悬臂桥
T形刚构桥
预应力混凝土简支T形梁桥
斜拉桥
适用性
1．桥墩上为单排支座，可以减小桥墩尺寸2．主梁高度可较小，降低结构自重，恒载内力减小
超静定结构容易受温度、混凝土收缩徐变作用、基础不均匀沉降等影响，容易造成行车不顺
1．施工方便。
2．适合中小跨径。
3．结构尺寸标准化。
跨越能力大
安全性
1．在悬臂端与挂梁衔接处的挠曲线折点不利行车。
2．梁翼缘受拉，容易出现裂缝，雨水浸入梁体成为安全隐患
建国初期大量采用
目前国内大量采用，安全，行车方便。
1．行车平稳
2．索力调整工序比较繁复，施工技术要求高
美观性
做成变截面梁较漂亮
结构美观
结构美观
具有现代气息，结构轻盈美观。
经济性
支架昂贵，维修费用高
造价较低，工期较短
造价第二，用钢量大
造价最高
纵观桥梁的发展，悬臂桥已经基本不采用，由于是跨线桥，跨度不大，斜拉桥一般用于大跨度的跨海、跨河大桥，T形钢构桥容易受地震等影响，云南省多地震，以及经过上述方案的比较，决定采用预应力混凝土T形梁桥。
二、主梁设计
（一）设计概况及构造布置
1．设计资料
（1）设计跨径：
标准跨径20.00m（墩中心距离），简支梁计算跨径（相邻支座中心距离）19.50m，主梁全长19.96m。
（2）荷载：
汽车－20级；挂车－100级；人群：
3KN/m2；每侧栏杆、人行道的重量分别为1.52KN/m和3.6KN/m。
（3）材料及工艺：
混凝土：
主梁用40号，人行道，栏杆及桥面铺装用20号。
预应力钢束采用符合冶金部YB255-64标准的φs5mm碳素钢丝，每束由24丝组成。
普通钢筋直径大于和等于12mm的用16Mn钢或其它Ⅱ级热轧螺纹钢筋；直径小于12mm的均由Ⅰ级热轧光钢筋。
钢板和角钢：
制作锚头下支承垫板、支座垫板等均用普通A3碳素钢，主梁间的联接用16Mn低合金结构钢钢板。
按后张法工艺制作主梁，采用45号优质碳素钢结构钢的锥形锚具和直径50mm抽拨橡胶管。
（二）横截面布置
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ρ很有效，故在许可的条件下应适当加宽T梁翼板。
但标准设计主要为配合各种桥面宽度，使桥梁标准化而采用统一的主梁间距。
交通部《公路桥涵标准图》（78年）中，钢筋混凝土和预应力混凝土装配式简支T形梁跨径从16m到40m，主梁间距均为1.6m（留2㎝工作缝，T梁上翼沿宽度为158cm）。
考虑人行道适当挑出，净－7附2×0.75m的桥宽则用五片。
2．主梁跨中截面细部尺寸
（1）主梁高度
预应力混凝土简支梁桥的主梁高度与其跨径之比通常在1/15~1/25，本设计取1.33m。
主梁截面细部尺寸：
为了增强主梁间的横向连接刚度，除设置端横隔梁外，还设置3片中横隔梁，间距为4×4.875m，共5片，采用开洞形式,平均厚度0.15m。
T型梁翼板厚度为8cm，翼板根部加到20cm以抵抗翼缘根部较大弯矩。
为了翼板与腹板连接和顺，在截面转角处设置圆角，以减小局部应力和便于脱模。
在预应力混凝土梁中腹板处因主拉力很小，腹板厚度一般由布置孔管的构造决定，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。
标准图的T梁腹板厚度均取16cm。
腹板高度87cm。
马蹄尺寸基本由布置预应力钢束的需要来确定，实践表明马蹄面积占截面面积的10％～20％为合适。
这里设置马蹄宽度为32cm，高度18cm。
马蹄与腹板交接处做成45°斜坡的折线钝角，以较小局部应力。
这样的配置，马蹄面积占总面积15.75％，按上述布置，可绘出预制梁跨中截面，如图2.1所示。
马蹄从四分点开始向支点逐渐抬高，在距梁端一倍梁高范围内（133cm）将腹板加厚到与马蹄同宽。
变化点截面（腹板开始加厚区）到支点的距离为123cm，中间还设置一节长为30cm的腹板加厚的过渡段。
图2.1预制梁跨中截面图
（2）桥面铺装：
采用20号混凝土，坡度由桥面铺装层找平。
图2.2桥横截面图
图2.3主梁纵截面
（三）梁毛截面几何特性计算
1．截面几何特性
预制时翼板宽度为1.58m，使用时为1.60m，分别计算这二者的截面特征。
计算公式如下：
中主梁跨中毛截面的几何特性在预制阶段如图2.1，及表2.1
跨中截面（跨中与L/4截面同）毛截面几何特性表2.1
分
块
号
分块
面积
Ai（㎝2）
yi
（cm）
Si=Ai*yi
（Cm3）
（ys-yi）
（cm）
Ix=Ai（ys-yi）2
（Cm4）
Ii
（Cm4）
①
1136
4
4544
40.6
18.725×105
②
852
12
10224
32.6
9.055×105
③
1840
57.5
105800
-12.9
3.062×105
④
64
112.3
7187
-67.7
2.933×105
⑤
576
124
71424
-79.4
36.313×105
合
计
同时，用桥梁博士软件也可得出一致的结果。
软件使用例子：
设计－截面设计－创建新文件。
使用界面如下：
选择T型，然后进行几何参数设置。
计算书如下：
<<桥梁博士>>---截面设计系统输出
文档文件:
E:
\盛云华\123\设计文件1.sds
文档描述:
jk
任务标识:
def
任务类型:
截面几何特征计算
------------------------------------------------------------
截面高度:
1.33m
------------------------------------------------------------
计算结果:
基准材料:
JTJ023-85:
40号混凝土
基准弹性模量:
3.3e+04MPa
换算面积:
0.447m**2
换算惯矩:
9.07e-02m**4
中性轴高度:
0.884m
沿截面高度方向5点换算静矩（自上而下）:
主截面:
点号:
高度（m）:
静矩（m**3）:
11.330.0
20.9988.87e-02
30.6658.59e-02
40.3336.54e-02
50.00.0
------------------------------------------------------------
计算成功完成
边主梁截面与中主梁的翼缘宽度有差别，翼缘159cm：
如图2.4：
图2.4边主梁截面
现在使用桥梁博士来计算毛截面几何特性：
<<桥梁博士>>---截面设计系统输出
文档文件:
E:
\盛云华\123\边主梁跨中横截面几何特性.sds
文档描述:
截面特性
任务标识:
11
任务类型:
截面几何特征计算
------------------------------------------------------------
截面高度:
1.33m
------------------------------------------------------------
计算结果:
基准材料:
JTJ023-85:
40号混凝土
基准弹性模量:
3.3e+04MPa
换算面积:
0.448m**2
换算惯矩:
9.09e-02m**4
中性轴高度:
0.885m
沿截面高度方向5点换算静矩（自上而下）:
主截面:
点号:
高度（m）:
静矩（m**3）:
11.330.0
20.9988.9e-02
30.6658.61e-02
40.3336.55e-02
50.00.0
------------------------------------------------------------
计算成功完成
即Am=0.448㎡，yx＝0.885m，Im=909。
2．检验截面效率指标ρ
以跨中截面为例：
根据设计经验，预应力混凝土T型梁在设计时，检验截面效率指标取＝0.45～0.55，且较大者亦较经济。
上述计算表明，初拟的主梁跨中截面是合理的。
（四）主梁内力计算
1．恒载内力计算
（1）主梁预制时的自重（一期恒载）g1：
此时翼板宽1.58m
①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：
0.4468×25＝11.17kN/m（0.4468为Am,25为40号混凝土的容重，单位kN/m3）
内、外边梁：
0.448×25＝11.2kN/m
②由马蹄增高抬高所形成的4个横置的三棱柱重力折算成的恒载集度：
③由梁端腹板加宽所增加的重力折算成恒载集度：
（式中0.593为主梁端部截面积，主梁端部截面如图2.5）
图2.5主梁端部截面
④边主梁的横隔梁：
图2.6内横隔梁图
图2.7端横隔梁图
内横隔梁体积：
⑤
（2）栏杆、人行道、桥面铺装（三期恒载）g3：
一侧栏杆1.52kN/m，一侧人行道3.60kN/m；
桥面铺装层，见图2.2：
现将两侧栏杆、人行道和桥面铺装层恒载简易地平均分配到5片主梁上，则：
（3）主梁恒载内力计算
如图2.8所示，设为计算截面离左支点的距离，并令，则：
主梁弯矩和剪力的计算公式分别为：
恒载内力计算见表2.2
恒载内力（1号梁）计算表表2.2
计算数据
项目
跨中
四分点
变化点
四分点
变化点
支点
α
0.5
0.25
0.0718
0.25
0.0718
0
0.125
0.0938
0.0333
0.25
0.4282
0.5
一期恒载
12.3224
585.699
439.509
156.030
60.072
102.891
120.1434
二期恒载
5.4255
257.881
193.514
68.699
26.449
45.302
52.899
2．活载内力计算（修正刚性横梁法）
（1）冲击系数和车道折减系数
按“桥规”第2.3.2条规定，对于汽－20，
按“桥规”2.3.5条规定，平板挂车不计冲击力影响，即对于挂车－100，＝1.0
按“桥规”2.3.1条规定，对于双车道不考虑汽车荷载折减，即车道折减系数
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