桥梁工程毕业设计预应力混凝土简支T型梁桥.docx
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展架桥（01号桥）施工图设计
1方案拟订与比选
1.1设计资料
（1）技术指标：
汽车荷载：
公路-I级
桥面宽度：
26m采用双幅（12+2×0.5）m
（2）设计洪水频率：
百年一遇；
（3）通航等级：
无；
（4）地震动参数：
地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s，相当于原地震基本烈度VI度。
1.2设计方案
鉴于展架桥地质地形情况。
该处地势平缓，故比选方案主要采用简支梁桥和连续梁桥形式。
根据安全、适用、经济、美观的设计原则，我初步拟定了三个方案。
1.2.1方案一：
（8×40）m预应力混凝土简支T型梁桥
本桥的横截面采用T型截面（如图1—1）。
防收缩钢筋采用下密上疏的要求布置所有钢筋的焊缝均为双面焊，因为该桥的跨度较大，预应力钢筋采用特殊的形式（如图1—2）布置，这样不仅有利于抗剪，而且在拼装完成后，在桥面上进行张拉，可防止梁上缘开裂。
优点：
制造简单，整体性好，接头也方便，而且能有效的利用现代高强材料，减少构件截面，与钢筋混凝土相比，能节省钢材，在使用荷载下不出现裂缝等。
缺点：
预应力张拉后上拱偏大，影响桥面线形，使桥面铺装加厚等。
施工方法：
采用预制拼装法（后张法）施工，即先预制T型梁，然后用大型机械吊装的一种施工方法。
其中后张法的施工流程为：
先浇筑构件混凝土，并在其中预留孔道，待混凝土达到要求强度后，将预应力钢筋穿入预留的孔道内，将千斤顶支承与混凝土构件端部，张拉预应力钢筋，使构件也同时受到反力压缩。
待张拉到控制拉力后，即用夹片锚具将预应力钢筋锚固于混凝土构件上，使混凝土获得并保持其预压应力。
最后，在预留孔道内压注水泥浆。
，使预应力钢筋与混凝土粘结成为整体。
立面图（尺寸单位：
cm）
图2
图1
图1—1（尺寸单位：
cm）图1—2
1.2.2方案二：
（86+148+86）m预应力混凝土连续箱形梁桥
本桥采用单箱单室（如图1—3）的截面形式及立面图（如图1—4），因为跨度很大（对连续梁桥），在外载和自重作用下，支点截面将出现较大的负弯矩，从绝对值来看，支点截面的负弯矩大于跨中截面的正弯矩，因此，采用变截面梁能符合梁的内力分布规律，变截面梁的变化规律采用二次抛物线。
优点：
结构刚度大，变形小，行车平顺舒适，伸缩缝少，抗震能力强，线条明快简洁，施工工艺相对简单，造价低，后期养护成本不高等。
缺点：
桥墩处箱梁根部建筑高度较大，桥梁美观欠佳。
超静定结构，对地基要求高等。
施工方法：
采用悬臂浇筑施工，用单悬臂—连续的施工程序，这种方法是在桥墩两侧对称逐段就地浇筑混凝土，待混凝土达到一定强度后，张拉预应力筋，移动机具、模板继续施工。
图1—4（尺寸单位：
cm）
图1—3（尺寸单位：
cm）
1.2.3方案三：
（16×20）m预应力混凝土空心板桥
本桥横断面采用17块中板（如图1—5、图1—6）和2块边板（如图1—7、图1—8）
优点：
预应力结构通过高强钢筋对混凝土预压，不仅充分发挥了高强材料的特性，而且提高了混凝土的抗裂性，促使结构轻型化，因而预应力混凝土结构具有比钢筋混凝土结构大得多的跨越能力。
采用空心板截面，减轻了自重，而且能充分利用材料，构件外形简单，制作方便，方便施工，施工工期短，而且桥型流畅美观。
缺点：
行车不顺，同时桥梁的运营养护成本在后期较高。
施工方法：
采用预置装配（先张法）的施工方法，先张法预制构件的制作工艺是在浇筑混凝土之前先进行预应力筋的张拉，并将其临时固定在张拉台座上，然后按照支立模板——钢筋骨架成型——浇筑及振捣混凝土——养护及拆除模板的基本施工工艺，待混凝土达到规定强度，逐渐将预应力筋松弛，利用力筋回缩和与混凝土之间的黏结作用，使构件获得预应力。
图1—5.中板跨中截面图（尺寸单位：
cm）图1—6、中板支点截面（尺寸单位：
cm）
图1—7.边板跨中截面（尺寸单位：
cm）图1—8.边板支点截面（尺寸单位：
cm）
1.3方案比选
表1—1方案比选表
方案
设计方案一
设计方案二
设计方案三
适用性
各梁受力相对独立，避免超静定梁的复杂问题，行车较舒适。
箱形截面抗扭刚度大，可以保证其强度和稳定性，有效的承担正负弯矩，桥梁的结构刚度大，变形小，行车平稳舒适。
空心板截面，减轻了自重，而且能充分利用材料，构件外形简单，制作方便，方便施工，施工工期短。
美观性
构造简单，线条简洁
全桥线条简洁明快，与周
围环境协调好，因此，桥
型美观
全桥线条简洁，但桥孔跨
度多，因此显得有些繁缛
影响桥型美观
续上表
施工难易
等跨径布置，细部尺寸相同，可以重复利用模板预制，施工较为方便。
相对简支梁桥的施工要更复杂。
相对于简支T型梁和连
续箱形梁施工较简单。
经济性
等截面形式能大量节约模板，加快建桥进度，简易经济，但不能充分利用截面作用，基础设计量大。
连续梁刚度大，变形小，伸缩缝少，能充分利用高强材料的特性，促使结构轻型化，跨越能力强。
充分发挥了高强材料的
特性，而且提高了混凝
的抗裂性，促使结构轻
型化。
后期养护成本较
高
通过对比，从受力合理，安全适用，经济美观的角度综合考虑，方案一:
预应力混凝土简支T型梁桥为最佳推荐方案。
此方案，采用预应力混凝土简支T型梁桥，结构简单，节省材料，经济合理；采用预制装配的施工方法，施工方便，周期短；而且桥型流畅美观。
2设计资料及构造布置
2.1设计资料
2.1.1桥梁跨径及桥宽
标准跨径：
40m（墩中心距离）
主梁全长：
39.96m
计算跨径：
39.00m
桥宽：
26m采用双幅（12+2×0.5）m
2.1.2设计荷载
公路I级，结构重要性系数=1.0，均布荷载的标准值为10.5KN/m，集中荷载标准值为316KN.
2.1.3材料及工艺
混凝土：
采用C50混凝土，=3.45×MPa，抗压强度标准值=32.4MPa，抗压强度设计值=22.4MPa，抗拉强度的标准值=2.65MPa，抗拉强度设计值=1.83MPa。
钢筋：
预应力钢筋采用ASTMA416-97a标准的低松弛钢绞（1×7标准型），抗拉强度标准值=1860MPa。
抗拉强度设计值=1260MPa，公称直径15.24mm，公称面积140，弹性模量Ep=1.95×MPa。
普通钢筋直径大于和等于12mm的采用HRB400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的预埋波纹管和夹片锚具。
2.1.4设计依据
（1）JTJ01-1997.公路工程技术标准［S］.北京:
人民交通出版社,1997简称《标准》
（2）JTGD60-2004.公路桥涵设计通用规范［S］.北京:
人民交通出版社,2004.
简称《桥规》
（3）JTGD62-2004.公路钢筋混凝土及预应力桥梁设计规范［S］.北京:
人民交通出版社,2004.简称《公预规》
（4）JTGD60-1985.公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京:
人民交通出版社,1985.（5）邵旭东.桥梁工程（上、下册）［M］.北京:
人民交通出版社,2004.
2.1.5基本计算数据见（表2-1）
表2-1基本数据计算表
名称
项目
符号
单位
数据
混凝土
立方强度
fcu,k
MPa
50
弹性模量
Ec
MPa
3.45×
轴心抗压标准强度
fck
MPa
32.40
轴心抗拉标准强度
ftk
MPa
2.65
轴心抗压设计强度
fcd
MPa
22.40
轴心抗拉设计强度
ftd
MPa
1.83
短暂状态
容许压应力
0.7f'ck
MPa
20.72
容许拉应力
0.7f'tk
MPa
1.757
持久状态
标准荷载组合:
容许压应力
0.5fck
MPa
16.20
容许主压应力
0.6fck
MPa
19.44
短期效应组合:
容许拉应力
σst-0.85σpc
MPa
0
容许主拉应力
0.6ftk
MPa
1.59
φs15.2钢绞线
标准强度
fpk
MPa
1860
弹性模量
Ep
MPa
1.95×105
抗拉设计强度
fpd
MPa
1260
最大控制应力σcon
0.75fpk
MPa
1395
持久状态应力:
标准状态组合
0.65fpk
MPa
1209
材料重度
钢筋混凝土
γ1
KN/ｍ3
25.0
沥青混凝土
γ2
KN/ｍ3
23.0
钢绞线
γ3
KN/ｍ3
78.5
钢束与混凝土的弹性模量比
αEp
无纲量
5.65
注：
考虑混凝土强度达到90%时开始张拉预应力钢束。
和分别表示钢束张拉时混凝土
的抗压、抗拉标准强度，则=29.6MPa，=2.51MPa。
2.2横断面布置
2.2.1主梁间距与主梁片数
本桥为双幅桥（两幅桥为独立的桥，因此只计算单幅即可），主梁翼板宽度为220cm，单幅的桥宽为13m，选用4片主梁和2片边梁（边主梁翼板宽度为210cm），主梁之间的间距为220cm
2.2.2主梁跨中截面主要尺寸拟定
1/2支点截面1/2跨中截面
横断面图
半纵剖面图
A---A
图2-1结构尺寸图（单位cm）
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常在1/14-1/25,当建筑高度不受限制时（本桥不受限制），增大梁高往往是最经济的方案，因为增大梁高可以取得较大的抗弯力臂，还可以节省预应力钢束用量，同时梁高加大一般只是腹板加高，而混凝土的用量增加不多。
终上所述，本桥中取240cm的主梁高度是比较合适的。
2、主梁截面细部尺寸
T梁翼板的厚度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是上翼板受压的强度要求，本桥预制T梁的翼板厚度取用10cm，翼板根部加厚到25cm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，腹板厚度翼板由布置预制孔管的构造决定，同时从腹板本身的条件出发，腹板厚度不宜小于其高度的1/15，本桥腹板厚度取用20cm。
为了防止在施工和运营中使马蹄部分遭致纵向裂缝，马蹄面积占截面总面积的10%——20%比较合适，同时根据《公预规》9.4.9条对钢束净距及预留管道的构造要求，初拟马蹄宽度为58cm，高度为20cm，马蹄与腹板交接处作三角过渡，高度为20cm，以减小局部应力。
按照以上拟定的外形尺寸，就可绘制出预制梁的跨中截面图（如图1-2）
图1-2跨中截面尺寸图（单位cm）
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单元，截面几何特性计算见（表2-2）
表2-2跨中截面几何特性计算表
分块名称
分块面积
（）
跨中截面形心至上缘距离
（cm）
分块面积对上缘净距=·
（）
自身惯距（）
=-
（cm）
对截面形心的惯距
（）
翼板
2200
5.00
11000
18333.33
88.87
17375329
17393662
三角承托
1050
15.00
15750
13125.00
78.87
6531500
6544625
腹板
4200
115.00
483000
15435000
-21.13
1875203
17310203
下三角
380
203.33
77265.4
8444.44
-109.46
4552967
4561411
马蹄
1160
230.00
266800
38666.67
-136.13
21496397
21535064
8990
843915.4
67344965
注：
截面形心至上缘距离：
4、支点截面几何特性计算表（表2-3）
表2-3支点截面几何特性计算表
分块名称
分块面积
（）
分块面积形心至上缘距离（）
分块面积对上缘静矩（）
分块面积的自身惯矩（）
（）
分块面积对截面形心的惯矩
（）
（）
翼板
2200
5.00
11000.0
18333.33
99.40
21736792
21755125
三角承托
615
13.64
8388.5
3699.63
90.75
5064871
5068570
腹板
13340
125.00
1667500.0
5880716667
-20.60
5660962
64468129
16155
1686888.5
91291824
注：
截面形心至上缘距离:
5、检验跨中截面效率指标ρ（希望ρ在0.5以上）
上核心距：
下核心距：
截面效率指标：
ρ＞0.5
表明以上初拟的主梁跨中截面是合理的。
2.3横断面沿跨长的分布
本桥主梁采用等高形式，横断面的T梁宽度沿跨长不变，梁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，距梁端200cm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。
马蹄在纵断面的变化情况见（图2—1）。
2.4横隔梁的设置
在荷载作用下的主梁弯矩横向分布，当该处有横隔梁时比较均匀，否则在直接荷载作用下的主梁弯矩较大，为减少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。
本桥在桥跨中点、三分点、六分点和支点处设置七道横隔梁，其间距为6.5m。
端横隔梁的高度与主梁同高，厚度为上部26cm，下部为24cm。
中横隔梁高度为210cm，厚度为上部18cm，下部16cm。
横隔梁的布置见（图2—1）
3主梁的作用效应计算
根据上述梁跨结构纵、横截面的布置，可分别求得各主梁控制截面（一般取跨中截面、L/4截面和支点截面）的永久作用效应，并通过可变作用下的梁桥荷载横向分布系数和纵向内力影响线，求得可变荷载的作用效应，最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
（1）跨中截面段主梁的自重（六分点截面至跨中截面，长13m）
＝0.8990×26×13＝303.86（KN）
（2）马蹄抬高与腹板变宽段梁的自重（长5m）
≈（1.6155+0.899）×5×26/2=117.60（KN）
（3）支点段梁的自重（1.98m）
＝1.6155×26×1.98＝83.17（KN）
（4）中主梁的横隔梁
中横隔梁体积：
0.17×（2.1×0.85-0.5×0.7×0.15-0.5×0.2×0.19）＝0.2913（）
端横隔梁体积：
0.25×（2.3×0.66-0.5×0.51×0.1093）＝0.3656（）
故半跨内横梁重力为：
＝（2.5×0.2913+1×0.3656）×26=28.44（KN）
（5）预制梁永久作用集度
＝（303.86+163.44+83.17+28.44）/19.98＝28.97（KN/m）
2、二期永久作用
（1）中主梁现浇部分横隔梁：
一片中横隔梁体积（现浇）
0.17×0.30×2.1=0.1071（）
一片端横隔梁体积（现浇）
0.25×0.30×2.3=0.1071（）
故：
=（5×0.1071+2×0.1725）×26/39.96=0.57（KN/m）
（2）铺装
12cm混凝土铺装
0.12×13×25=39.00（KN/m）
6cm沥青铺装
0.06×13×21=16.38（KN/m）
若将桥面铺装均摊给4片（中主梁）+2片（边主梁）
=（39+16.38）/6=9.23（KN/m）
（3）栏杆
一侧防撞栏：
（0.94×0.5-0.5×（0.555+0.735）×0.18-0.5×0.05×0.555）×26=5.19KN/m
若将两侧防撞栏均摊给6片梁
=5.91×2/6=1.97（KN/m）
（4）中主梁二期永久作用集度
=0.57+9.23+1.97=12.77（KN/m）
3.1.2永久作用效应
如图3—1所示，设x为计算截面离左支座的距离，并令α=X/L
主梁弯矩和剪力的计算公式：
=0.5×α（1-α）g（3—1）
=0.5×（1-2×α）Lg（3—2）
永久作用计算表（表3—1）
表3—1主梁永久作用效应
作用效应
跨中截面
（=0.5）
L/4截面
（=0.25）
支点截面
（=0）
续上表
一期
弯矩（KN·m）
5507.92
4130.94
0.00
剪力（KN）
0.00
282.46
564.92
二期
弯矩（KN·m）
2427.90
1820.92
0.00
剪力（KN）
0.00
124.51
249.02
弯矩（KN·m）
7935.82
5951.86
0.00
剪力（KN）
0.00
406.87
813.94
图3—1永久作用计算图示
3.2可变作用效应计算
3.2.1冲击系数和车道折减系数
按《桥规》4.3.2条规定，结构的冲击系数与结构的基频有关，因此要先计算结构的基频。
简支梁桥的基频可采用下列公式估算：
（Hz）
其中：
（KN/m）
根据本桥的基频，可计算出汽车荷载的冲击系数为：
0.247
按《桥规》4.3.1条，当车道大于两车道时，需进行车道折减，三车道应折减22％，但折减不得小于两车道布截的计算结果。
本桥按三车道设计。
因此在计算可变作用效应时需进行车道折减。
3.2.2计算主梁的荷载横向分布系数
1、跨中的荷载横向分布系数
如前所述，本桥桥跨内设五道横隔梁，具有可靠的横向联系，且承重的长宽比为：
＞2
所以可按修正的刚性横梁法来绘制横向影响线和计算横向分布系数
（1）计算主梁抗扭惯距可近似按下式计算：
=（3—3）
式中：
、——相应为单个矩形截面的宽度和高度
——矩形截面抗扭刚度系数
m——梁截面划分成单个矩形截面的个数
对于跨中截面，翼缘板的换算平均厚度：
=
马蹄部分的换算平均厚度：
=
图3—2示出了的计算图示，的计算见表3—2
（2）计算抗扭修正系数
对于本桥，主梁的间距相同，并将主梁近似看成等截面，则得：
（3—4）
式中：
G=0.4E;L=39.00m；=6×0.01098528=0.06591168；=5.5m；=3.3m；=1.1m；=-1.1m；=-3.3m；=-5.5m；=0.67344965.
计算得：
=1.0
（3）按修正的刚性横梁法计算横向影响线竖标
式中：
;
计算所得值见（表3—3）
图3—2计算图示（尺寸单位：
cm）
表3—2计算表
分块名称
（cm
（cm）
/
（cm）
=（×）
翼缘板①
220
15.25
14.43
1/3
2.60082
腹板②
194.75
20
9.74
0.312
4.86096
马蹄③
58
30
1.93
0.225
3.5235
10.98528
表3—3值
梁号
1
0.5238
0.3810
0.2381
0.0952
-0.0476
-0.1905
2
0.3810
0.2952
0.2095
0.1238
0.0381
-0.0476
3
0.2381
0.2095
0.1810
0.1524
0.1238
0.0952
（4）计算荷载横向分布系数
1号梁的横向影响线和最不利布载图式如图3—3所示
可变作用（汽车公路—I级）
三车道：
=×（0.5238+0.4147+0.3303+0.2134+0.1290+0.0121）×0.78=0.6361
两车道：
=×（0.5238+0.4147+0.3303+0.2134+0.1290+0.0121）=0.7450
故取可变作用的横向分布系数为：
=0.7450
2、支点截面的荷载横向分布系数
如图3—4所示，按杠杆原理法绘制荷载横向分布系数并进行布载，1号梁可变作用的横向分布系数计算如下：
图3—3跨中的横向分布系数的计算图示（尺寸单位：
cm）
图3—4支点的横向分布系数计算图示（尺寸单位：
cm）
可变作用（汽车）：
=0.5×（1+0.18）=0.59
3、横向分布系数汇总（见表2—4）
表2—41号梁可变作用横向分布系数
可变作用类别
公路—I级
0.7450
0.59
3.2.3车道荷载的取值
根据《桥规》4.3.1条，公路—I级的均布荷载标准值和集中荷载标准值为：
=10.5KN/m
计算弯矩时=KN
计算剪力时=316×1.2=37
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