35m的预应力混凝土T型简支梁桥.docx

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35m的预应力混凝土T型简支梁桥

重庆大学桥梁毕业设计

0 前言

随着我国社会的发展与进步和人民的生活水平的日益提高，交通的便利程度和安全性得到了人们的广泛关注，桥梁又是现代交通中不可缺少的组成部分，于此同时，桥梁建设得到了迅猛发展，我国桥梁工程无论在建设规模上，还是在科技水平上，均已跻身世界先进行列。

各种功能齐全、造型美观桥梁开始频繁的出现在人们的生活中，给人们带来方便的同时很多桥梁也逐渐成为城市的标志性建筑。

本设计为葫芦岛市女儿河大桥下部结构设计，是根据《公路桥涵设计手册》系列丛书，以及依照交通部颁发的有关公路桥涵设计规范（JTG系列）拟定设计而成。

在设计过程中，作者还参考了诸如桥梁工程、土力学、基础工程、桥涵水文、桥梁结构力学、材料力学、专业英语等相关书籍和文献。

设计中考虑了各种尺寸与材料的选用符合规范中对强度、应力、局部承压强度的要求，并且产生在规范容许范围内的变形，使桥梁在正常使用的情况下能够达到安全，稳定和耐久的标准。

在可预期偶然荷载下仍能达到基本正常使用的标准。

设计时还充分考虑女儿河大桥所处区域的地质和水文条件，既保证符合规范要求，同时保证因地制宜并且便于施工和维护，并且兼顾桥梁本身的美观性与社会经济性，既要设计合理，又要起到良好的社会经济效益。

1 原始资料及方案比选

女儿河大桥位于葫芦岛寺缸线上，桥孔布置为4×35m的预应力混凝土T型简支梁桥，桥梁全长140m。

本桥上部为预应力混凝土T型梁，下部结构为钻孔灌注桩墩台。

1.1 技术设计标准

1）桥面净宽：

10.5m；

2）荷载等级：

公路—Ⅱ级荷载；

3）设计洪水频率：

1/100；

4）设计安全等级：

二级；

5）环境类别：

Ⅱ级；

6）计算行车速度：

60km/h；

7）公路等级：

公路—Ⅱ级，二车道。

1.2 主要设计依据

1）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；

2）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）；

3）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）；

4）《公路桥涵设计手册——墩台与基础》；

5）《公路桥梁墩台设计与施工》；

6）女儿河大桥设计资料。

1.3 工程地质资料

根据地质勘察，得出地形、地貌及地层的特征如下：

1）地形地貌：

女儿河大桥位于葫芦岛市缸屯镇钢东村北侧，勘察场地较平坦，属河谷、洪积相地貌。

2）地层特征：

地层由上至下主要划分为三层：

①.圆砾、②.强风化花岗岩、③.中风化花岗岩，各岩层特征分述如下：

（1）圆砾：

黄褐色，松散—中实，以稍密为主，由辉岩、砂岩、安山岩、花岗岩等卵、砾及长石、石英质砂砾组成，卵、砾呈中风化、次圆状，级配中等，厚度3.4—3.7m，基层标高92.21—93.26m，分布普通。

（2）强风化花岗岩：

太古界，黄褐色，花岗结构，块状构造，由长石、石英、云母等矿物组成，结构部分破坏，风化裂隙发育，岩石较软，属软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

控制层厚2.0—3.8m，层底标高88.41—91.26m，分布普遍。

（3）中风化花岗岩：

黄褐色，花岗结构，块状构造，结构少部分破坏，风化裂隙较发育，矿物成分主要为长石、石英和云母，岩石硬度较大，岩芯呈短柱状，属较软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ级，岩石质量指标RQD较好。

控制层厚3.6—4.5m，层底标高84.81—86.76m，分布普遍。

3）地下水状况：

拟建场地地下水主要赋存于圆砾层中，水量较丰富，属第四季孔隙式潜水类型，地下水对钢结构有弱腐蚀性，对钢筋混凝土无腐蚀性。

4）该区域地震基本烈度为Ⅵ度，标准冻层深度为1.10m。

5）岩土层承载力（表1-1）

表1-1 岩石承载力

Tab.1-1Rockcapacitylist

图层编号 岩（土）层名称 容许承载力

[]

水下钻孔灌注桩

   极限侧阻力标准值（）

极限侧阻力端准值（）

① 圆砾 400 130 

② 强风化花岗岩 500 140 1800

③ 弱风化花岗岩 1200 200 2800

注：

单位：

KPa

1.4 水文资料

桥位滩面广阔，主河槽沟形不太明显，相对较窄，河道弯曲。

测量时水面宽约5.0，水深约0.5。

设计洪水频率为1/100，设计流量为3895.00，设计水位为100.501，桥址上游汇水面积542/s。

1.5 气候资料

该地区地处严寒地区，年平均最高气温为30℃，年平均最低气温为-14℃，本区地震基本烈度为Ⅵ度。

1.6 桥型拟定

从桥梁受力体系可以将桥梁分为梁式桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥和刚架桥，从安全、适用、经济和美观四个方面分析。

同时，桥型的选择应充分考虑施工及养护维修的便利程序。

根据水文、气象、地质等条件，初拟桥型方案有三种。

方案一：

斜拉桥

图1-1斜拉桥示意图

Fig.1-1Cablestayedbridge

方案分析：

斜拉桥抗风能力较大，且跨越能力较强，做成变截面时，外形也很美观；但是它风险较大，塔也过高，支架昂贵，维修费用高，多适用于城市桥梁。

方案二：

预应力混凝土连续T型梁桥

图1-2预应力混凝土连续T型梁桥

Fig.1-2PrestressedconcretecontinualT-beambridge

方案分析：

预应力连续梁的技术先进，工艺要求比较严格，需要专门设备和专门技术熟练的队伍，但预应力梁的反拱度不容易控制。

从使用效果方面看，该结构属于超静定结构受力较好，无伸缩缝，行车条件好，养护方便，但是该方案机具耗用多，前期投入大，成本较多，成本回收难。

方案三：

预应力混凝土简支T型梁桥

 图1-3预应力混凝土简支T型梁桥

Fig.1-3PrestressedconcretesimplesupportT-beambridge

方案分析：

简支梁受力明确，构造简单施工方便，可便于装配施工，省时省工，适用于本设计的规模。

简支梁属于静定结构，受力不如连续梁，同时伸缩缝多，养护麻烦，但是造价低廉劳动力耗用少，工作量小，经济，中小型桥尤其适用。

1.7 比选结果

综上所述：

结合女儿河大桥的地质、水文条件进行比选，本着安全、经济、适用、美观的桥梁建造原则以及未来使用条件，女儿河大桥不是城市的标志性建筑，故不用过多考虑美观性因素。

方案一由于造价昂贵，虽然桥型美观，但是女儿河大桥不是城市道路桥梁，因此，可不考虑美观性因素。

方案二属于超静定结构，施工比较复杂，同时造价也比较高。

而方案三的简支T型梁桥具有结构造型灵活、整体性好、重量轻、用料省、造价低、耐久性强、行车舒适、外形美观等特点，其跨径较小，可便于装配施工，省时省工，适用于本设计的规模。

方案三虽然在工期上会比方案一长，但在从安全角度看，更具有优势，而且方案三中混凝土材料以砂、石为主，对于本设计可就地取材，更加经济合理。

1.8 墩台比选

1.8.1 桥墩比选

方案一：

双柱式钻孔灌注桩桥墩：

它由分离的两根桩柱所组成。

外形美观、圬工体积小、重量比较轻、施工便利、速度快、工程造价低。

最重要的是它能减轻墩身重力节约圬工材料，还能配合各种基础，设计灵活多样。

它也是目前运用最广泛的桥墩结构之一。

方案二：

重力式桥墩：

它是靠自身重量来平衡外部作用、保持稳定。

墩身比较厚实，可以不用钢筋，而用天然石材或片石混凝土砌筑。

它适用于承受作用值较大的大、中型桥梁或流水、漂浮物较多的河流中，或在砂石方便的地区，小桥也可以采用。

它的缺点就是圬工材料数量多、自重大，因而要求地基承载力高。

另外，阻水面积也较大。

1.8.2 比选结果

综上，着重从经济、安全的立足点出发，结合本设计联系的相关地质条件情况。

方案二虽然有着承载能力强、配用钢筋少的优点，但是其所用的圬工材料巨大、地基承载力要求也高。

不是很符合本设计的经济和安全的立足点原则，而方案一能够节省材料，节约成本。

所以，选择方案一。

1.8.3 桥台比选

方案一：

重力式桥台：

适用于填土高度为4-10m的单孔及多孔桥。

它的结构简单，基础底承压面积大，应力较小。

但圬工体积较大，两侧墙间的填土容易积水，除增大土压力外还易受冻胀而使侧墙裂缝。

方案二：

轻型桥台：

轻型桥台体积轻、自重小，它借助结构物的整体刚度和材料强度承受外力，从而可以节省材料，降低对地基强度的要求和扩大应用范围。

1.8.4 比选结果

综上，根据女儿河大桥的地质条件，桥址周围的材料以及经济、节约的角度进行比选。

重力式桥台体积较大，使用材料较多，不符合节约的原则，所以方案一不适用。

而方案二对地基承载力的要求相对较小，节省材料降低成本。

因此选择方案二。

2 支座的设计

2.1 板式橡胶支座的选用

板式橡胶支座由多层橡胶片与薄钢板镶嵌、粘合压制而成。

有足够的竖向刚度以承受垂直荷载，能将上部构造的反力可靠地传递给墩台，有良好的弹性，以适应梁端的转动；又有较大的剪切变形以满足上部构造的水平位移。

板式橡胶支座与原用的钢支座相比，有构造简单，安装方便；节约钢材，价格低廉；养护简便，易于更换等优点，且建筑高度低，对桥梁设计与降低造价有益；有良好的隔震作用，可减少活载与地震力对建筑物的冲击作用，因此本设计选用板式橡胶支座。

采用天然橡胶，适用温度为（温度环境），硬度取。

2.2 计算支座反力

根据上部结构计算结果，梁体自身构造产生的支座反力标准值为，公路－Ⅱ级荷载引起的支座反力标准值为，则支座压力标准值。

公路－Ⅱ级荷载作用下产生的跨中挠度，根据当地的气象资料，主梁的计算温差。

2.3 支座平面尺寸的确定

对于橡胶板：

式中：

——橡胶制作承受的平均压应力。

 ——支座压力标准值。

 ——橡胶支座使用阶段的平均压应力限值，。

则有，

选定支座的平面尺寸为，为顺桥方向长，为横桥方向宽。

为使支座与梁肋等宽，在三根主梁每一梁端设置一个橡胶支座。

支座初拟定选用66mm，其中有四层钢板和五层橡胶片，上下表层橡胶片厚8mm,中间各层10mm，加劲钢板每层厚5mm，橡胶片总厚度。

1）计算支座的平面形状系数S：

               （2-1）

（注：

）

2）计算橡胶支座的弹性模量：

               （2-2）

式中：

—常温下支座抗剪弹性模量，取Ge=1.0Mpa。

3）橡胶支座的应力验算：

           （2-3）

2.4 确定支座的厚度

主梁上的计算温差为44℃，伸缩变形为两端均摊，则每一支座的水平位移：

车道荷载在一个设计车道上的总重力为

 。

按《桥规》规定，制动力标准不得小于90，故取90参与计算。

五片梁共10支座，作用于一个支座，每个支座承受水平力。

确定需要的橡胶片总厚度

不计汽车动力：

计入汽车制动力：

按《桥规》的其他规定：

，满足要求。

支座总厚度。

2.5 支座偏转情况的验算

2.5.1 计算支座的平均压缩变形

    （2-4）

式中：

——橡胶体积模量，。

按《桥规》规定，，验算通过。

2.5.2 计算梁端转角

由关系式和可得：

                        （2-5）

设结构自重作用下，主梁处于水平状态。

已知公路－Ⅱ级荷载作用下的跨中挠度，代入上式得：

2.5.3 验算偏转情况

                               （2-6）

即，验算合格，支座不会落空。

2.6 验算支座的抗滑稳定性

2.6.1 计算温度变化引起的水平力

          （2-7）

2.6.2 验算滑动稳定性

以及         （合格）。

结果表明支座不会发生相对滑动。

3 桥墩设计

3.1 桥墩类型和主要材料

桥墩选用钻孔灌注桩双柱式桥墩。

主要材料：

混凝土采用混凝土；主筋采用钢筋；钢筋混凝土容重取。

3.2 桥墩截面尺寸拟定

根据女儿河大桥的设计资料，参照《公路桥涵设计手册——墩台与基础》中的有关规定和计算实例以及其它相关的规范中的相关要求，先初步拟定桥梁桥墩的尺寸如图3-1所示，然后进行配筋设计和验算，如不符合要求，进行必要的修改。

图3-1桥墩一般构造/cm

Fig.3-1Piergeneralstructure/cm

3.3 盖梁计算

盖梁截面尺寸见图3-2。

图3-2盖梁尺寸/cm

Fig.3-2Thesizeofbentcap/cm

3.3.1 垂直荷载计算

1）盖梁自重及内力计算（表3-1）

表3-1 梁自重及内力表

截面 自重/

弯矩/

剪力/

   左 右

1-1   -34.38 -34.38

2-2   -40.48 -40.48

3-3   -97.18 189.00

4-4   126.00 126.00

5-5   0 0

Tab.3-1Thedead-weightandinternalforceofbentcap

2）活载计算

（1）活载横向分配

荷载对称布置用杠杆法,非对称布置用偏心压力法。

a.单列公路—Ⅱ级荷载对称布置：

图3-3单列公路—Ⅱ级荷载对称布置

Fig.3-3Singlerowroad-Ⅱlevelofloadsymmetricalarrangement

 ，  ，  

b.双列公路—Ⅱ级荷载对称布置：

图3-4双列公路—Ⅱ级荷载对称布置

Fig.3-4Doublerowroad-Ⅱlevelofloadsymmetricalarrangement

 ， ， 

c.单列公路—Ⅱ级荷载非对称布置：

图3-5单列公路—Ⅱ级荷载非对称布置

Fig.3-5Singlerowroad-Ⅱlevelofloadasymmetricalarrangement

 ，，

                          （3-1）

d.双列公路—Ⅱ级荷载非对称布置

图3-6双列公路—Ⅱ级荷载非对称布置

Fig.3-6Doublerowroad-Ⅱlevelofloadasymmetricalarrangement

 ，  ，  

（2）公路－Ⅱ级荷载顺桥行驶：

a.单孔单列公路－Ⅱ级荷载

图3-7公路—Ⅱ级荷载单孔单列布置

Fig.3-7Road-Ⅱlevelofloadsingle-holeandsinglerowarrangement

b.双孔单列公路—Ⅱ级荷载

图3-8公路—Ⅱ级荷载双孔单列布置

Fig.3-8Road-Ⅱlevelofloadtwo-holeandsinglerowarrangement

（3）活载横向分配后各梁支点反力：

计算式为：

计算结果见表3-2

表3-2 梁活载反力计算表

Tab.3-2Calculationofanti-beamliveload

荷载横向分布情况 公路—Ⅱ级荷载

计算方法 荷载

布置 横向分布

系数 单孔 双孔

对称布置

按杠杆理

法计算 单列行车  366.407 0 507.163 0

    82.442  114.112

    201.524  278.940

    82.442  114.112

    0  0

 双列行车  366.407 41.221 507.163 57.056

    201.524  278.940

    247.325  342.335

    201.524  278.940

    41.221  57.056

非对称布置

按偏心受压法

计算 单列行车  366.407 196.028 507.163 303.432

    134.655  186.382

    73.281  101.433

    11.908  16.483

    -49.465  -68.467

 双列行车  366.407 139.235 507.163 192.722

    106.258  147.077

    73.281  101.433

    40.305  55.788

    7.328  10.143

（4）恒载与活载反力汇总

恒载与活载反力汇总见表3-3

双孔布载L=69.92m＞45m，故表中冲击系数。

表3-3 各梁反力汇总表

Tab.3-3Thesummaryofanti-beamforce

荷载情况 1号梁 2号梁 3号梁 3号梁 3号梁

 /KN

 /KN

 /KN

 /KN

 /KN

上部恒载 1202.88 1059.66 1097.92 1059.66 1202.88

公路—Ⅱ级（双孔双列对称布置） 70.189 343.10 421.07 334.10 70.19

公路—Ⅱ级（双孔双列非对称布置） 237.05 180.91 124.76 68.62 12.48

3.3.2 双柱反力计算

 计算式为：

；

图3-9双柱反力计算图/cm

Fig.3-9ReactionsactingofdoublePier/cm

表3-4 墩柱反力计算表

Tab.3-4Calculationofpierreaction

荷载情况 计算式 

上部恒载  2811.50

公路—Ⅱ级（双孔双列对称布置）  623.82

公路—Ⅱ级（双孔双列非对称布置）  499.05

3.3.3 盖梁各截面内力计算

1）弯矩计算

支点弯矩采用非对称布置时的计算值，跨中弯矩采用对称布置时的计算值。

图3-10盖梁各截面内力计算图/cm

Fig.3-10Interalforcesofcopinginsectionsonbentcap/cm

其盖梁各截面弯矩值见表3-5

表3-5 弯矩计算表

Tab.3-5Thecalculationofmoments

荷载情况 墩柱反力 梁的反力 各截面弯矩

1-1 

上部恒载 2811.50 1202.88 1059.66 1097.92 0 -120.29 -1202.88 405.74 1503.66

公路—Ⅱ级 对称 623.82 70.19 343.10 421.07 0 -7.02 -70.19 483.44 904.51

 非对称 499.05 237.05 180.91 124.76 0 -23.71 -237.05 24.95 187.15

2）相应于最大弯矩值时的剪力计算见表3-6

一般计算公式：

1-1截面：

，；

2-2截面：

；

3-3截面：

，；

4-4截面：

，；

5-5截面：

。

表3-6 剪力计算表/KN

Tab.3-6Thecalculationofshearforces/KN

荷载

情况 墩柱反力

梁的反力 各截面剪力

1-1 2-2 3-3 4-4 5-5

     左 右 左 右 左 右 左 右 左 右

上部恒载 2811.50 1202.88 1059.66 1097.92 0 -1202.88 1202.88 1202.88 -1202.88 1608.62 1608.62 548.96 548.96 -548.96

公路—Ⅱ级对称 623.82 70.19 343.10 421.07 0 -70.19 70.19 -70.19 553.63 553.63 553.63 210.54 210.54 -210.54

公路—Ⅱ级非对称 499.05 237.05 180.91 124.76 0 -237.05 237.05 237.05 -237.05 262.00 262.00 81.10 81.10 -43.67

3）截面内力组合

（1）弯矩组合见表3-7

其中活载按最不利情况考虑。

表3-7 弯矩组合表

Tab.3-7Combinationofmoments

截面号弯矩组合值

1-1 2-2 3-3 4-4 5-5

1 上部恒载 0 -120.29 -1202.88 405.74 1503.66

2 盖梁自重 -12.03 -15.78 -77.72 79.78 -366.58

3 公路—Ⅱ级对称布置 0 -7.02 -70.19 483.44 904.51

4 公路—Ⅱ级非对称布置 0 -23.71 -237.05 24.95 187.15

5 1+2+3 -14.44 -173.11 -1634.99 1259.44 2630.81

6 1+2+4 -14.44 -196.48 -1868.59 617.55 1626.50

（2）剪力组合见表3-8

表3-8 剪力组合表

Tab.3-8Combinationofshearforces

截面号

剪力组合值/KN 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5

1 上部恒载 

0 1202.88 -1202.88 1608.62 548.96

-1202.88 1202.88 1608.62 548.96 -548.96

2 盖梁自重 

-34.38 -40.48 -97.18 126.00 0

-34.38 -40.48 198.00 126.00 0

3 公路—Ⅱ级对称布置 

0 70.19 -70.19 553.63 210.54

-70.19 70.19 553.63 210.54 -210.54

4 公路—Ⅱ级非对称布置 

0 237.05 -237.05 262.00 81.10

-237.05 237.05 262.00 81.10 -43.67

5 1+2+3 

-42.26 1493.15 -1658.34 2856.63 953.51

-1582.98 1493.15 2932.23 1104.71 -953.51

6 1+2+4 

-42.26 1726.75 1891.94 2448.34 772.292

-1816.58 1726.75 2523.94 923.49 -719.89

3.3.4 各墩水平力计算

采用集成刚度法进行水平力分配。

上部构造每片内中梁支点反力为548.96KN，每片内边梁支点反力为529.83KN，每片外边梁支点反力为601.44KN。

中墩橡胶支座中钢板总厚度20mm，剪切模量＝1000，每跨梁一端设有4个支座，每个支座的抗推刚度为：

          （3-2）

每个墩上设有两排橡胶支座，则支座刚度为

 ＝2×20869.57＝41739.1                     （3-3）

取桥台及两联间桥墩的橡胶支座的摩擦系数μ=0.3，其中最小摩擦系数μ=0.2。

1）桥墩（台）刚度计算

墩（台）采用C40混凝土，其弹性模量。

（1）各墩（台）悬臂刚度～计算（图3-11）

 ；  ；  ；

一墩一柱：

                             （3-4）

图3-11桥面连续布置/m

Fig.3-11Theconsecu