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