预应力混凝土简支T梁桥设计.doc
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绪论
桥梁是一种为全社会服务的公益性建筑，它与人类社会的发展繁荣和人们生产生活的便利息息相关。
桥梁建筑是人类认识自然和改造自然的产物，又是人类各个历史阶段文明发展的结晶。
桥梁建筑发展的动因与人类社会生产力、材料工业、科学技术等的发展密切相关。
我国从“七五”开始，公路建设进入了高等级公路建设的新阶段，近几年随着公路等级的不断提高，路桥方面知识得到越来越多的应用，同时，各项规范也有了较大的变动，为掌握更多路桥方面知识，我选择了35m装配式预应力混凝土简支T梁设计这一课题。
本设计是根据设计任务书的要求和《公路桥规》的规定，选定装配式预应力T形截面简支梁桥，该类型的梁桥具有受力均匀、稳定，且对于小跨径单跨不产生负弯矩，施工简单且进度迅速等优点。
设计内容包括拟定桥梁纵,横断面尺寸、上部结构计算，下部结构计算，施工组织管理与运营，施工图绘制,各结构配筋计算，书写计算说明书、编制设计文件这几项任务。
在设计中，桥梁上部结构的计算着重分析了桥梁在施工及使用过程中恒载以及活载的作用力，采用整体的自重荷载集度进行恒载内力的计算。
按照新规范公路2级车道荷载进行布置活载，并进行了梁的配筋计算，估算了钢绞线的各种预应力损失，并进行预应力阶段和使用阶段主梁截面的强度，正应力及主应力的验算。
下部结构采用以钻孔灌注桩为基础的墩柱，并分别对桥墩和桩基础进行了计算和验算。
毕业设计使得学生的独立系统的完成一项工程设计，因而对培养学生的综合素质、增强工程意识和创造能力具有其他教学环节无法取代的重要作用。
通过毕业的设计这一时间较长的教学环节，学生独立分析问题、解决问题的能力以及实践动手能力都会有很大的提高，还可以培养土木工程专业本科生综合应用所学基础课、技术基础课及专业课知识和相关技能，解决具体问题的能力。
已达具备初步专业工程人员的水平，为将来走向工作岗位打下良好的基础。
在本次设计过程中，新旧规范的交替，电脑制图的操作，都使我的设计工作一度陷入僵局。
在指导老师彭老师及本组其他组员的帮助下，才使的这次设计得以顺利完成。
在此，对老师和同学们表示衷心的感谢。
由于公路桥梁工程技术的不断进步，技术标准的不断更新，加之本人能力所限，设计过程中的错误和不足再所难免，敬请各位老师给予批评指正。
1桥梁方案的比选
1.1桥梁方案比选原则[1]
桥型方案比选是从安全、功能、经济、美观、施工、占地与工期多方面比选，最终确定桥梁形式。
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，尤其是座落于城市的桥梁应具有优美的外形，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。
1.2方案比选
从桥型、结构特点、安全性、施工技术、养护维修量及工期五个方面对三个桥型进行比较，选出最优的设计方案。
方案一：
采用预应力混凝土简支T梁桥
采用预制装配法施工，在现场浇注混凝土，然后张拉预应力筋，然后用龙门吊按一定的次序架设，每跨35m，共四跨，共4*35m=140m。
方案二：
采用预应力混泥土连续箱梁
选用变截面不等跨连续梁桥，主梁选用箱梁，采用挂篮施工法施工，三跨，共40+60+40=140m
方案三：
采用钢筋混凝土简支空心板桥
选用简支空心板桥，采用预制装配法施工，每跨20m，共六跨，共7*20=140m
表1-1方案比选
方案一
方案二
方案三
桥型
预应力混凝土简支T梁桥
预应力混凝土悬臂拼装连续箱梁桥
钢筋混凝土简支空心板桥
结构特点
预应力混凝土连简支T梁桥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，变性较小。
受力明确，理论计算较简单，设计和施工的方法日臻完善和成熟
连续箱梁抗扭刚度大，抵抗风荷载能力强，箱梁预制模板需求大，且模板安装难度大，吊装对设备要求高。
简支板桥外形简单，制作方便，且构件质量小，架设方便，采用空心板桥减轻自重，且充分利用材料。
安全性
1主桥跨度适中，梁式结构施工方便；
2采用预制T梁，可工厂预制施工，质量可靠，工期有保障，但需要大型预制场和吊装设备；
3行车较平顺。
1主体采用箱梁断面，刚度大施工安全；
2箱梁在工厂预制施工，质量可靠，但节段的运输和吊装需要多套设备，才能保证工期；
3行车平顺。
1主桥跨度较小，空心板结构施工方便；
2空心板工厂预制，但没有预应力束的张拉，桥梁将带裂缝工作，对环境及混凝土质量要求较高；
3行车不平顺。
施工技术
采用预制拼装法，在现场建设一个预制场，利用预置模版先现浇有预留预应力孔道的T梁，待强度满足在进行预应力张拉，其特点外型，简单、制造方便，整体性好。
悬臂施工支座需要临时固结及支承措施，支座处处理比较复杂，而且预应力钢筋需求量大，预应力张拉分阶段，施工难度较大。
结构不发生体系转换，施工难度简单
养护维修量
后期运营养护费用大
后期运营养护费用大
养护费用小
工期
较短
较长
较短
由表1-1可知，根据本桥的地质情况，结合桥梁设计原则，第一方案桥梁行车舒适性比第三方案好；经济方面比第二方案好，对施工技术方面的要求也比第二方案要低；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，所以选择第一方案作为首选。
图1-1三套方案的立面图
2桥梁上部结构设计
2.1概述
2.1.1绵阳包中桥基本情况
（1）桥梁线性布置
①平曲线半径：
无平曲线
②竖曲线半径：
无竖曲线，纵坡为1%
（2）主要技术标准
①设计荷载：
公路Ⅱ级
②桥面净宽：
净9＋2×1.5m
③通航要求：
无
（3）主要材料
①混凝土：
预应力混凝土主梁采用C55混凝土，其余构件采用C35混凝土，保护层厚度为35mm。
②预应力钢绞线：
采用低松弛高强钢绞线，标准强度为1860MPa，弹性模量为1.95×MPa。
③普通钢筋：
直径≥12mm选用HRB335级钢筋，直径<12mm选用R235级钢筋。
④钢板：
锚垫板等预埋钢板选用低碳钢。
⑤锚具：
预制T梁采用OVM型锚具及其配套设备；T梁接头顶板束采用BM15型锚具及其配套设备。
⑥预应力管道：
采用钢波纹管、扁管成型。
⑦支座：
采用GYZ和GYZF4系列橡胶支座。
⑧伸缩缝：
采用SSF80A大变位伸缩缝。
⑨焊条：
对于R235钢采用T420焊条，对于HRB335采用T500焊条。
（4）桥面铺装
采用8-17cm防水混凝土。
（5）施工方法
预制拼装法
（6）设计规范
①交通部《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）
②交通部《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》（JTGD62-2004）
③交通部《公路工程技术标准》（JTJB01-2003）
2.1.2桥型及纵横断面布置
（1）桥型布置及孔径划分
该设计为重庆至宜宾段二级公路上的绵阳包中桥。
为缩短工期，提高行车舒适性，综合分析比较各类桥型后最终采用预应力混凝土简支T桥，跨径为4×35m，施工方法预制拼装法[1]。
考虑伸缩缝的设置，每片梁的预制长度为34.90m，伸缩缝采用10cm，
计算跨径取梁支座中心的距离为33.50m
（2）截面形式及截面尺寸拟定
①截面型式及梁高
采用等高度T形截面梁。
梁高1.5m，高跨比H/L=3/7。
②横截面尺寸
每幅桥面全宽为12m。
将每幅桥做成五个T梁的组合截面。
其中预制简支梁板宽为220cm。
根据交通部《公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范》（JTGD62-2004）中9.3.3条规定，翼缘悬臂端厚度取12cm，与腹板相连处厚度不应小于梁高的1/10，取20cm，大于梁高的1/10。
不设置承托[2]。
③T梁下马蹄尺寸和腹板宽度设置
考虑预应力束及主筋的布置及预制时混凝土的振捣，下马蹄底端宽度取40cm，高度取30cm，两侧直线放缓至腹板宽度，坡度为1：
1。
为保证主梁的抗剪需要，腹板受压时的稳定，以及混凝土的振捣质量，通常腹板宽度取在15-18cm，鉴于本桥的跨度为30m，纵向钢筋数量较多，取较大值18cm。
由于预应力束的布置需要，腹板宽度需要从18cm变为40cm，与下马蹄底部同宽，过渡段长度不小于12倍腹板宽度差，12×（40-18）=264cm，再根据横隔板的布置，将横隔板布置在腹板宽度开始变化处，则中跨主梁腹板宽度过渡段长度取670cm。
④横隔板设置
为增强桥面系的横向刚度，在支座处设置端横隔板，同时在跨中处设置中横隔板，中跨主梁横隔板间距为5*670cm，横隔板高度一般取为梁高的3/4左右，本桥为施工方便，横隔板底端与下马蹄截面开始变化处平齐，即距主梁顶面130cm，同时，为便于模板的安放及加固，横隔板设置为等宽，为16cm。
、
2.2.毛截面的几何性质计算
2.2.1截面几何特性
预制宽度为220cm，可以采用分块面积法、节线法。
本算例采用分块面积法。
计算公式如下：
毛截面面积：
（2-1）
各分块面积对上缘的面积矩：
（2-2）
毛截面重心至梁顶的距离：
（2-3）
毛截面惯性矩计算用移轴公式：
（2-4）
式中——分块面积
——分块面积的重心至梁顶边的距离
——毛截面重心至梁顶的距离
——各分块对上缘的面积矩
——分块面积对其自身重心轴的惯性矩
计算抗弯惯性矩I和抗扭惯性矩
翼缘板换算平均高度：
cm
马蹄换算平均高度cm
截面面积：
=220*16+40*35+18*（150-16-36）=6510
截面对上边缘的静矩：
=220*16*16/2*40*35*（150-35/2）*18*（150-16-35）*（16+99/2）=328.845
则重心位置:
cm
主梁的抗弯惯性矩I
主梁的抗扭惯性矩，查下表
表2-1抗扭惯性矩系数表
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
<0.1
C
0.141
0.155
0.171
0.189
0.209
0.229
0.25
0.27
0.291
0.312
0.333
对于翼板：
=0.0769<0.1,c=0.333
对于梁肋：
=0.182c=0.295
表2-2各截面几何性质
截面
跨中
6510
328845
50.5
10697778
7764
412863
5209
15092816
支点
8600
468875
54.5
18022842
对于马蹄：
=0.875c=0.159
2.3主梁内力计算
2.3.1施工阶段划分
在恒载内力计算之前有必要对本实例施工过程给予简要介绍，以便合理计算。
如图2-2所示，第一施工阶段为第一跨预制主梁的安装，待混凝土达到设计强度100%后张拉正弯矩区预应力钢束，并灌浆，在将各跨预制T梁安装就位，形成由临时支座支承的简支梁状态；同理第二施工阶段安装第二跨预制主梁；第三施工阶段安装第三跨预制主梁；第四施工阶段安装第四跨预制主梁；
图2-1施工阶段示意图
2.3.2恒载内力计算[4]
（1）主梁预制时的自重（第一期恒载）g1、
①按跨中截面计算，主梁每延米自重（即先按等面积计算）
=0.651*25=16.275
②由马蹄增高梁端加宽所增加的重量折成每延米重
M1=11*90*670=663300
M2=1/3*1/2*10*11*670=12283.33
M3=1/3*1/2*11*0.8*670=982.6667
M=676566
所以
=4*676566**25/34.9=0.194KN/m
③横隔梁折算成每延米重量
=（220-18）*4*80*9*25*6*/34.9=2.497KN/m
所以
g1、=16.275+0.194+2.497=18.966KN/m
（2）栏杆，人行道、桥面铺装（第二期恒载）
桥面坡度以盖梁做成斜面坡找平，桥面铺装厚度取为6cm沥青混凝土的重力密度取=23KN/
人行道每侧重：
4.1KN/m
栏杆每侧重：
1.5KN/m
中主梁：
=2.2*0.06*23=3.04KN/m
边梁：
=4.1+1.5+2.20.006*23=8.64KN/m
表2-3自重g
第一期恒载
第二期恒载
总
主梁
18.966
3.04
22.006
边梁
18.966
8.64
27.606
（3）主梁的恒载内力计算
计算公式：
设x为计算截面离左支座的距离，幷另a=x/l，则
主梁弯矩和剪力的计算公式分别为：
（2-5）
恒载内力计算结果见表
表2-4恒载内力表
项目
L/2
L/4
L/8
L/4
L/8
支点
105.42
78.778
45.692
8.575
12.863
17.15
主梁
2319.873
1733.589
1011.44
188.7015
283.0632
377.4029
边梁
2910.225
2174.745
1268.827
236.7215
355.096
473.4429
2.3.3活载内力计算
（1）冲击系数
汽车冲击系数的计算采用以结构基频为指标的方法。
结构的基频反映了结构的尺寸、类型、建造材料等动力特征内容，它直接体现了冲击效应和桥梁结构之间的关系。
按结构不同的基频，汽车引起的冲击系数在0.05-0.45之间变化，其计算方法为：
当f<1.5Hz时=0.05
当1.5Hz≤f≤14Hz时=0.1767lnf-0.0157
当f>14Hz=0.45
式中：
f——结构基频（Hz）
冲击引起正弯矩：
（2-6）
式中：
l——结构的计算跨径（m）；
E——结构材料的弹性模量（N/m2）；
Ic——结构跨中截面的截面惯性矩（m4）；
mc——结构跨中处的单位长度质量（kg/m）；
G——结构跨中处延米结构重力（N/m）；
g——重力加速度，g=9.81（m/s2）。
计算过程如下：
结构计算跨径l=33.5m；C55混凝土弹性模量E=3.55×1010N/m2；结构跨中截面的截面惯性矩Ic=0.161m4；结构跨中处结构
结构跨中出单位长度质量：
kg/m
冲击引起正弯矩：
由于基频大于1.5Hz小于14Hz，故
=0.1767lnf-0.0157=0.175
（2）计算主梁荷载横向分布系数
对于一座由多片主梁和横隔板组成的梁桥来说，当桥上有荷载P作用时，由于结构的横向联系必然会使所有主梁以不同程度地参与工作，并且随着荷载作用位置的变化，某根主梁所承担荷载也随之变化。
因此，必须首先了解某根主梁所分担的最不利荷载，然后再沿桥纵向确定该梁某一截面的最不利内力，并以此得出整座桥梁中最不利主梁的最大内力值。
根据各种梁式桥不同的宽度、横向联系构造和截面位置建立计算模型。
本桥宽跨比为B/l=12m/30m=0.4<0.5，且具有可靠的横向连接，符合偏心压力法的应用条件，故跨中处可采用偏心压力法计算横向分布系数。
对于支座处的横向分布系数的计算，可采用杠杆原理法。
再分别求解如下：
①跨中处：
A求荷载横向分布影响线竖标
本桥各根主梁的横截面均相等，梁数n=5，梁间距为2.2m，则
=48.4
1号主梁在两边主梁处的横向影响线的竖标值为：
绘出荷载分布影响线并计算荷载横向分布系数mc
荷载分布影响线如图2-3所示；
荷载横向分布系数：
人群荷载横向分布系数：
0.62
人群荷载横向分布系数：
0.241
3号主梁
荷载横向分布系数：
人群荷载横向分布系数：
0.2
图2-2荷载横向分布影响线
②支座处
如图2-3中1号梁支座处横向分布影响线可得，
车道荷载横向分布系数：
人群荷载横向分布系数：
2号梁和3号梁一样
车道荷载横向分布系数：
人群荷载横向分布系数：
同理可得其它主梁横向分布系数，列入表2-2，
表2-5主梁荷载横向分布系数
荷载分类
1号主梁
2号主梁
3号主梁
跨中
车道荷载
0.683
0.617
0.6
人群荷载
0.62
0.241
0.2
支座
车道荷载
0.41
0.591
0.591
人群荷载
1.39
0
0
（3）活载内力计算
①荷载横向分布系数
按偏心压力法计算梁的跨中荷载横向分布系数为
车道荷载
人群荷载
按杠杆法计算梁的支点荷载分布系数为
车道荷载
人群荷载
②计算车道荷载跨中弯矩
对于公路2级，车道荷载的均布荷载标准值为7.875KN/m，集中荷载的标准值为220.5KN
图2-3跨中弯影响线矩和剪力
将车道荷载按上图布置，则车道荷载跨中弯矩为
③计算人群荷载的跨中弯矩：
④计算跨中截面车道荷载的最大剪力
⑤计算跨中截面人群荷载的最大剪力
⑥计算支点截面车道荷载的剪力
车道荷载横向分布系数见下图
图2-4荷载分布系数
将集中荷载靠支点布置，考虑横向分布的变化，附加三角形的荷载重心处影响线淑标值为
故车道荷载的最大剪力为
⑦计算支点截面人群荷载的最大剪力
⑧计算1/4处截面
图2-51/4处影响线
车道荷载弯矩：
人群荷载弯矩：
车道荷载最大剪力：
人群荷载最大剪力：
表2-6主梁内力组合
序
号
L/4处
弯矩L/2处
剪力支点处
M
Q
M
Q
M
Q
（1）
恒载
1733.6
188.7
2319.9
O
0
377.4
（2）
汽车荷载
1168.8
101.2
2335.9
114.0
0
213.8
（3）
1.2恒载
2080.32
226.44
2783.88
0
0
452.88
（4）
1.4汽车荷载
1636.32
141.68
2370.26
159.6
0
299.32
（5）
3716.64
368.12
6054.14
159.6
0
752.2
（6）
0.44
0.385
0.54
1
0
0.40
（7）
提高后的
3827.9
379.16
6235.76
164.39
0
774.77
控制设计的计算内力
3827.9
379.16
379.16
164.39
0
774.77
2.4预应力钢筋面积的估算及其布置
2.4.1估算预应力钢筋面积
（1）按强度要求估算：
式中—混凝土强度安全系数，；
—计算弯矩，采用1号梁跨中截面组合I，；
—跨中截面高度，；
—设计经验系数，取；
则
每根钢绞线，面积为，抗拉设计强度：
，则预应力钢筋根数根。
（2）预应力钢筋数量的选定
预应力钢筋暂定为28根，孔道数为4个,4个孔道中各布7根钢绞线，锚具采用XM15-7.
2.4.2钢束布置
（1）跨中截面钢束的布置（如图2-
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