苏州201省道城乡大桥1号预应力混凝土简支梁桥的设计

摘 要

　　本设计是根据设计任务书的要求和相关规范的规定，对苏州201省道城乡大桥1号预应力混凝土简支梁桥进行方案比选和设计的。在设计中，首先对上部结构进行尺寸的拟定及进行构造布置，并计算主梁的横向分布系数和可变作用效应。计算主梁的几何特征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和变形验算、锚固区局部承压验算和挠度的计算。计算横隔道板和行车道板并进行配筋计算。

　　其次对下部结构设计，下部结构采用以钻孔灌注桩为基础的墩柱，对盖梁以及桩基础进行了计算和验算，并对盖梁进行了配筋设计。

　　本设计全部设计图纸采用计算机辅助设计CAD绘制，计算机编档、排版，打印出图及论文。

　　关键词：预应力混凝土；简支；钻孔灌注桩

　　Abstract

　　The design is based on the design task book requirements and the relevant nor-

　　as 201 in the city of Suzhou provincial urban and rural bridge 1prestressed concrete simply supported beam bridge scheme selection and design. In the design, first of all on the upper structure of the proposed size of and structural arrangement, and the calcula- tion of main girder transverse distribution coefficient and variable effect. Calculation of main girder set feature and the beam reinforcement calculation, estimation of the loss of prestress steel strand, and prestressed phase and use phase of the main beam section of the strength and deformation calculation, anchorage zone of partial pressure checking and calculation of deflection. Calculation of diaphragm plate and carriageway plate and reinforcement calculation.

　　The second is the lower part of the structure design, the substructure adopts to bored pile based on pier column, beam and pile foundation were calculated and checked, and the reinforcement design for beam.

　　The design of all design drawings using computer aided design CAD drawing, computer filing, typesetting, printing out the map and paper.

　　key words: prestressed concrete;simple supported;cast-in-place pile
 

目录

前 言

　　本设计为苏州201省道城乡大桥1号预应力混凝土简支梁桥，桥梁共1跨，每跨标准跨径24米，整体式双向四车道。经技术经济比较，上部结构采用装配式后张预应力混凝土T型简支梁桥，下部结构采用盖梁、柱式桥墩、钻孔灌注桩基。

　　依照任务书要求，遵照有关设计规范，进行后张预应力混凝土简支梁桥的设计。通过本毕业设计，掌握桥梁结构荷载的布置方法、掌握主梁的设计方法、掌握桥梁盖梁的计算方法、掌握桥梁墩台的设计与计算、掌握桥梁桩基础的设计与计算等，并利用AutoCAD、MIDAS软件进行计算机辅助绘图。

　　此过程中，学会搜集资料、考虑问题、分析问题和解决问题的方法，从而进一步巩固所学课程，且培养了运用现行规范进行设计的能力，培养运用所学知识综合分析问题和解决问题的能力。

　　本设计由十三章组成，第一章拟定主梁截面尺寸，确定上部结构；第二章主梁作用效应计算，在可变作用计算时应用杠杆原理法；第三章预应力钢束的估算及布置；第四章计算主梁截面几何特性；第五章钢束预应力损失计算，验算预应力筋的损失范围是否符合规范要求；第六到第八章主梁截面承载力与应力验算及局部承压和主梁变形验算，验算之前的设计以及尺寸、计算是否合理；第九章横隔梁计算，通过对横隔梁的内力计算确定配筋数量；第十章行车道板计算，通过计算给主梁翼缘配筋；第十一到十三章为下部结构设计和计算，通过计算确定了盖梁、桥墩墩柱和钻孔桩基的配筋。

　　本设计主要依据为我国交通部颁布的《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）和《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）。

　　根据设计任务书和计算书还对桥梁的总体布置图、配筋图及一些附属设施图进行了绘制。

　　限于本人设计水平，本设计还存在缺点，请各位领导和老师给与批评和指正。

　　第1章 设计资料及构造布置

　　1.1 设计资料

　　1.1.1 桥梁跨径及桥宽

　　标准跨径：24m（墩中心距离）；

　　主梁全长：23.96m;

　　计算跨径：23m;

　　桥面净空：净-16m+4×1.75m=23.00m.

　　1.1.2 设计荷载

　　公路-Ι级，人群荷载为3.0 kN/m,每侧人行栏及人行道、防撞栏重力的作用力分别为1.52kN/m和4.99kN/m.

　　1.1.3 材料及工艺

　　混凝土：主梁用C50混凝土，栏杆及桥面铺装用C30混凝土。

　　预应力钢筋采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥函设计规范》（JTG D62-2004）的s15.2钢绞线，每束8根，全梁配5束，pk=1860MPa.

　　普通钢筋直径大于和等于12mm的采用HRB335级钢筋，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、外径77mm的预埋波纹管和夹片锚具。

　　1.1.4 设计依据

　　（1）交通部颁《公路工程技术标准》（JTG B01-2003），简称《标准》；

　　（2）交通部颁《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004），简称《桥规》；

　　（3）交通部颁《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004），简称《公预规》。

　　1.1.5 基本计算数据（见表1-1）
 

　　1.2 横截面布置

　　1.2.1 主梁间距与主梁片数

　　本设计主梁翼板宽度为2300mm,由于宽度较大，为保证桥梁的整体受力性能，桥面板采用现浇混凝土刚性接头，因此主梁的工作截面有两种：预施应力、运输、吊装阶段的小截面（bi=1600mm）和运营阶段的大截面（bi=2300mm）。净-16m+4×1.75m=23.0m的桥宽选用十片主梁，如图1-1.

　　1.2.2 主梁跨中截面主要尺寸拟定

　　（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,标准设计中高跨比约在1/18~1/19.当建筑高度受限制时，增大梁高往往是较经济的方案，因为增大梁高可以节省预应力钢束用量，同时梁高加大一般只是腹板加宽，而混凝土用量增加不多。综上所述，本设计中取用1700mm的主梁高度是比较合适的。

　　（2）主梁截面细部尺寸

　　T梁翼板的厚度主要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时上翼板受压的强度要求。本设计预制T梁的翼板厚度取用150mm,翼板根部加厚到250mm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，腹板厚度一般由布置预制孔管的构造决定，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.腹板厚度取200mm.

　　马蹄尺寸基本由布置预应力钢束的需要确定的，马蹄面积占截面总面积的10%~20%为合适。考虑到主梁需要配置较多的钢束，将钢束按二层布置，一层最多排三束，同时还根据《公预规》9.4.9条对钢束间距及预留管道的构造要求，初拟马蹄宽度为550mm,高度为250mm,马蹄与腹板交接处作三角过渡，高度过150mm,以减小局部应力。

　　按照以上拟定的外形尺寸，就可绘出预制梁的跨中截面图（见图1-2）。

　　（1）计算截面几何特性

　　将主梁跨中截面划分成五个规则图形的小单元，截面几何特征列表计算见表1-2.

　　表明以上初拟的主梁跨中截面是合理的。

　　1.3 横截面沿跨长的变化

　　本设计主梁采用等高形式，横截面的T梁翼板厚度沿跨长不变。梁端部区段由于锚头集中力的作用引起较大的局部应力，也为布置锚具的需要，在距梁端1980mm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四分点附近（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变开始变化。

　　1.4 横隔梁的设置

　　在荷载作用处的主梁弯矩横向分布，当该处有横隔梁时比较均匀，否则直接在荷载作用下的主梁弯矩很大。为减小对主梁设计起主要控制作用的跨中弯矩，在跨中附近设置两道中横隔梁；当跨度较大时，应设置较多的横隔梁。本桥跨径为24m,应设置五道横隔梁，其间距为5.75m.端横隔梁的高度与主梁同高，厚度为上部260mm,下部240mm;中横隔梁高度为1450mm,厚度为上部180mm,下部160mm.

　　第2章主梁作用效应计算
　　2.1永久作用效应计算
　　2.1.1永久作用集度
　　2.1.2永久作用效应
　　2.2可变作用效应计算
　　2.2.1冲击系数和车道折减系数
　　2.2.2计算主梁的荷载横向分布系数
　　2.2.3车道荷载的取值
　　2.2.4计算可变作用效应
　　2.3主梁作用效应组合

　　第3章预应力钢束的估算及其布置
　　3.1跨中截面钢束的估算和确定
　　3.1.1按正常使用极限状态的应力要求估算钢束数
　　3.1.2按承载能力极限状态估算钢束数
　　3.2预应力钢束布置
　　3.2.1跨中截面及锚固端截面的钢束位置
　　3.2.2钢束起弯角和线形的确定：
　　3.2.3钢束计算：

　　第4章计算主梁截面几何特性
　　4.1截面面积及惯矩计算
　　4.1.1净截面几何特性计算
　　4.1.2换算截面几何特性计算：
　　4.2截面净距计算
　　4.3截面几何特性汇总

　　第5章钢束预应力损失计算
　　5.1预应力钢束与管道壁之间引起的预应力损失
　　5.2由锚具变形、钢束回缩引起的预应力损失
　　5.3混凝土弹性压缩引起的预应力损失
　　5.4由钢束应力松弛引起的预应力损失
　　5.5混凝土收缩和徐变引起的预应力损失
　　5.5.1徐变系数终极值和收缩应变终极值的计算
　　5.6预加力计算及钢束预应力损失汇总

　　第6章主梁截面承载力与应力验算
　　6.1持久状态承载能力极限状态承载力验算
　　6.1.1正截面承载力验算
　　6.1.2斜截面承载力验算
　　6.2持久状态正常使用极限状态抗裂验算
　　6.2.1正截面抗裂验算
　　6.2.2斜截面抗裂验算

　　6.3持久状态构件的应力验算
　　6.3.1正截面混凝土压应力验算
　　6.3.2预应力筋拉应力验算
　　6.3.3截面混凝土主压应力验算
　　6.4短暂状态构件的应力验算
　　6.4.1预加应力阶段的应力验算
　　6.4.2吊装应力验算

　　第7章主梁端部的局部承压验算
　　7.1局部承压区的截面尺寸验算
　　7.2局部抗压承载力验算
　　第8章主梁变形验算
　　8.1计算由预加力引起的跨中反拱度
　　8.2计算由荷载引起的跨中挠度
　　8.3结构刚度验算
　　8.4预拱度的设置

　　第9章横隔梁计算
　　9.1确定作用在跨中横隔梁上的可变作用
　　9.2跨中横隔梁的作用效应影响线
　　9.2.1绘制弯矩影响线
　　9.2.2绘制剪力影响线
　　9.3截面作用效应计算
　　9.4截面配筋计算

　　第10章行车道板计算
　　10.1悬臂板荷载效应计算
　　10.1.1永久作用
　　10.1.2可变作用
　　10.1.3承载能力极限状态作用基本组合
　　10.2连续板荷载效应计算
　　10.2.1永久作用
　　10.2.2可变作用
　　10.2.3作用效应组合
　　10.3截面设计、配筋与承载力验算

　　第11章盖梁设计
　　11.1荷载计算
　　11.1.1上部结构永久荷载
　　11.1.2盖梁自重及作用效应计算
　　11.1.3可变荷载计算
　　11.1.4双柱反力Gi计算，所引用的各梁反力
　　11.2内力计算
　　11.2.1恒载加活载作用下的各截面的内力
　　11.2.2盖梁内力汇总
　　11.3截面配筋设计与承载力校核
　　11.3.1正截面抗弯承载力验算
　　11.3.2斜截面抗剪承载力验算

　　第12章桥墩墩柱设计
　　12.1荷载计算
　　12.1.1汽车荷载的计算
　　12.1.2双柱反力横向分布计算
　　12.1.3荷载组合
　　12.2截面配筋计算与应力验算
　　12.2.1作用在墩柱顶的外力
　　12.2.2作用于墩柱顶的外力

　　第13章钻孔桩计算
　　13.1荷载计算
　　13.2桩长计算
　　13.3桩的内力计算（m法）
　　13.3.1桩的计算长度
　　13.3.2桩的变形系数

　　13.3.3地面以下深度z处桩身截面上的弯矩与水平压应力的计算
　　13.4桩身截面配筋与承载力验算
　　13.5墩顶-纵向水平位移验算
　　13.5.1桩在地面处的水平位移和转角计算
　　13.5.2墩顶纵向水平位移验算

结 论

　　本次设计任务是预应力简支T形梁桥的设计，首先对上部结构进行尺寸的拟定，由于没有经验，开始对尺寸的拟定毫无头绪，后来根据规范的规定及范例对尺寸做出初步的拟定，尺寸拟定后并进行的配筋验算，如若配筋验算不合格必须重新拟定尺寸重新进行验算。在下部结构的尺寸拟定中也出现了同样的问题。此次设计给我最大的启示就是：无论干什么工作都要有认真负责的态度，不能马虎大意。本次设计对我以后的生活或者工作都有重大的帮助。

　　最后老师和同学们的帮助下成功的完成了本设计。

致 谢

　　历经两个月的时间终于将这篇设计给做出来了，在设计过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。在此我要感谢我的老师和同学们，尤其要感谢我的论文指导老师-田俊老师和侯红梅老师，对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行设计的修改和改进。

　　另外，舍友和组员也给我提供了很多方面的支持与帮助。在遇到不明白的问题时互相帮助，互相讨论，使得难题迎刃而解，顺利的完成设计。在此向帮助和指导过我的各位老师和同学表示最衷心的感谢！

　　由于我的学术水平有限，所写设计难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

　　谢谢！

　　参考文献
　　[1]公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004），中华人民共和国行业标准，2004
　　[2]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004），中华人民共和国行业标准，2004
　　[3]公路砖石及砼桥涵设计规范，中华人民共和国行业标准，2004
　　[4]叶见曙主编《结构设计原理》，人民交通出版社，2006.76~121
　　[5]易建国主编《桥梁计算示例集》，人民交通出版社，2006.111~196
　　[6]范立础， 桥梁工程（上），北京：人民交通出版社，2003.32~153
　　[7]邵旭东， 桥梁工程（土木工程、交通工程专业用）， 北京：人民交通出版社，2004 .123~153
　　[8]强士中， 桥梁工程（上），北京：高等教育出版社，2004.67~98
　　[9]邵旭东、胡建华编著《桥梁设计百问》，人民交通出版社，2008.54~132

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