土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)20M預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋

1、 摘 要 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T形梁橋由于其具有外形簡單，制造方便，結(jié)構(gòu)受力合理，主梁高跨比小，橫向借助橫隔梁聯(lián)結(jié)，結(jié)構(gòu)整體性好，橋梁下部結(jié)構(gòu)尺寸小和橋型美觀等優(yōu)點(diǎn)，目前在公路橋梁工程中應(yīng)用非常廣泛。 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)方法選用時(shí)，主梁就選用了后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T形梁。 在本次設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行了橋型方案的比選，確定簡支梁橋方案后，就其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：擬定截面尺寸；計(jì)算控制截面的設(shè)計(jì)內(nèi)力及其相應(yīng)的組合值；估算預(yù)應(yīng)力鋼筋的數(shù)量并對其進(jìn)行布置；計(jì)算主梁截面的幾何特征值；計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失值；正截面和斜截面的承載力復(fù)核；正常使用極限狀態(tài)下構(gòu)件抗裂性及變形驗(yàn)算；持久狀態(tài)下和短暫狀態(tài)下構(gòu)件截面應(yīng)

2、力驗(yàn)算。接著進(jìn)行了簡單的施工方法設(shè)計(jì)，包括施工前的準(zhǔn)備，主要分項(xiàng)工程的施工方法設(shè)計(jì)，冬季和雨季的施工安排以及施工過程中的環(huán)境保護(hù)措施等。 關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力，T形梁，方案比選，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，施工方法 I ABSTRACT Prestressed concrete T-shaped girder bridges are of many advantages. They have simple outlines and can be fabricated easily. The forces that act on their structures are reasonable.The ratio of

3、height of girders to span of girders is small. In landscape orientation the girders are connected by intersecting girders. Therefore the whole structure is of good entirety. And there are still many other merits, such as small size of infrastructure, the beauty of this type of bridge and so on. Beca

4、use of these advantages the PC T-shaped girder bridges are now widely applied in highway bridge projects. In the process of the design method of the paper. Posttensioning prestressed concrete T-shaped girder is chosen as the main girder of the bridge. In the process of the design of the bridge, the

5、comparison of different types of bridge is done firstly. After the comfirmation of the type of the bridge, the design of the structure is done, including confirming the size of cross sections, calculating the design forces of restraining sections and combining them according to The Criterion, estima

6、ting the amount of prestressed steels and arranging them, calculating the geometrical traits of cross sections of girders, calculating the loss of prestress, checking the carrying capacity of cross sections, check computations of the anticrack capacity of the structure and deformation in the ultimat

7、e state of normal use, and the stress of cross section respectively in the state of lasting load and in the state of temporary load. After all the work, next is the design of construction method. It includes the preparation before construction, the design of construction method of small projects, th

8、e arrangements of construction in the rainy season and in winter, the measurements of protecting environment in the process of construction. KEY WORDS: prestress，T-shaped girder; comparion of different schemes，the design of the structure，construction method II 目 錄 摘 要（中文） . 摘 要（外文） . 1 編制方案的原則與比選 .

9、1 2 設(shè)計(jì)資料及構(gòu)造布置 . 2 2.1 設(shè)計(jì)資料 . 2 2.1.2 設(shè)計(jì)荷載 . 2 2.1.3 材料及工藝 . 2 2.1.4 設(shè)計(jì)依據(jù) . 2 2.2橫截面布置 . 2 2.2.1 主梁間距和主梁片數(shù) . 2 2.2.2 主梁跨中截面尺寸擬定 . 3 2.3橫截面沿跨長的變化 . 6 2.4橫隔粱的布置 . 6 3 主梁作用效應(yīng)計(jì)算 . 7 3.1 永久作用效應(yīng)計(jì)算 . 7 3.1.2 永久作用效應(yīng) . 8 3.2可變作用效應(yīng)計(jì)算（修正剛性橫梁法） . 8 3.2.1 沖擊系數(shù)和車道折減系數(shù) . 8計(jì)算主梁的荷載橫向分布系數(shù) . 9車道荷載的取值 . 12計(jì)算可變作用效應(yīng) . 12

10、3.3主梁作用效應(yīng)組合 . 16 4 預(yù)應(yīng)力鋼束的估算和確定 . 17 4.1 跨中截面鋼束的估算和確定 . 17 4.2預(yù)應(yīng)力鋼束布置 . 17 4.2.1.跨中截面及錨固端截面的鋼束位置 . 17 4.2.2 鋼束起彎角和線形的確定 . 19 4.2.3 鋼束計(jì)算 . 19 5 計(jì)算主梁截面幾何特性 . 22 5.1 截面面積及慣矩計(jì)算 . 22 i 5.1.1 凈截面幾何特性計(jì)算 . 22 5.2截面凈矩計(jì)算 . 25 5.3 截面幾何特性匯總 . 28 6 鋼束預(yù)應(yīng)力損失值 . 29 6.1預(yù)應(yīng)力鋼束與管道壁之間的磨擦引起的預(yù)應(yīng)力損失 . 29 6.2由錨具變形、鋼束回縮引起的損失 .

11、 30 6.3混凝土彈性壓縮引起的損失 . 31 6.4 由鋼束應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失 . 36 6.5混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失 . 36徐變系數(shù)終極值和收縮應(yīng)變終極值的計(jì)算 . 37計(jì)算sl6 . 37 6.6 成橋后張拉N4號鋼束混凝土彈性壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失 . 39 6.7預(yù)加力計(jì)算及鋼束預(yù)應(yīng)力損失匯總 . 46 7 主梁截面承載力預(yù)應(yīng)力驗(yàn)算 . 47 7.1持久狀況承載能力極限狀態(tài)承載力驗(yàn)算 . 47 7.1.1 正截面承載力驗(yàn)算 . 47 7.1.2 斜截面承載力驗(yàn)算 . 48 7.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算 . 50 7.2.1 正截面抗裂驗(yàn)算 . 50 7.

12、2.2 斜截面抗裂驗(yàn)算 . 51 7.3 持久狀況構(gòu)件的應(yīng)力驗(yàn)算 . 56正截面混凝土的壓應(yīng)力驗(yàn)算 . 56 7.3.2 預(yù)應(yīng)力筋拉應(yīng)力驗(yàn)算 . 57截面混凝土主壓應(yīng)力驗(yàn)算 . 58 7.4 短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力驗(yàn)算 . 63 7.4.1 預(yù)加應(yīng)力階段的應(yīng)力驗(yàn)算 . 63 8 主梁端部的局部承壓驗(yàn)算 . 65 8.1 局部承壓區(qū)的截面尺寸驗(yàn)算 . 65 8.2 局部抗壓承載力驗(yàn)算 . 66 9主梁變形驗(yàn)算 . 68 9.1計(jì)算由預(yù)加力引起的跨中反拱度 . 68 9.2 計(jì)算由荷載引起的跨中撓度 . 71 9.3 結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算 . 71 ii 9.4預(yù)拱度的設(shè)置 . 71 10橫隔梁計(jì)算 . 72

13、 10.1 確定作用在跨中橫隔梁上的可變作用 . 72 10.2 跨中橫隔梁的作用效應(yīng)影響線 . 72 10.2.1 繪制彎矩影響線 . 73繪制剪力影響線 . 73 10.3截面作用效應(yīng)計(jì)算 . 75 10.4截面配筋計(jì)算 . 75 11 行車道板計(jì)算 . 77 11.1懸臂板荷載效應(yīng)計(jì)算 . 77 11.1.2 可變作用 . 78 11.1.3 承載能力極限狀態(tài)作用基本組合 . 78 11.2連續(xù)板荷載效應(yīng)計(jì)算 . 78 11.2.1 永久作用 . 78 11.2.2 可變作用 . 79 11.2.3 作用效應(yīng)組合 . 81 11.3 截面設(shè)計(jì)、配筋與承載力驗(yàn)算 . 81 12 蓋梁計(jì)算

14、. 83 12.1荷載計(jì)算 . 83 12.1.1 上部結(jié)構(gòu)永久荷載 . 83蓋梁自重及作用效應(yīng)計(jì)算 . 83可變荷載計(jì)算 . 84 12.1.4.雙柱反力Gi計(jì)算 . 87 12.2 內(nèi)力計(jì)算 . 87恒載加活載作用下各截面的內(nèi)力 . 87蓋梁內(nèi)力匯總 . 89 12.3 截面配筋設(shè)計(jì)與承載力校核 . 89 12.3.1 正截面抗彎承載能力驗(yàn)算 . 89 12.3.2 寫截面抗剪承載能力驗(yàn)算 . 91 12.3.3.全梁承載力校核 . 92 13 橋墩墩柱設(shè)計(jì) . 93 13.1 荷載計(jì)算 . 93 13.1.1 恒載計(jì)算 . 93 iii 13.1.2 汽車荷載計(jì)算 . 93 13.1.3

15、 雙柱反力橫向分布計(jì)算 . 93 13.1.4.荷載組合 . 94 13.2 截面配筋計(jì)算及配筋驗(yàn)算 . 95 13.2.1 垂直力 . 95 13.2.2 作用于墩柱底的外力 . 95 13.2.3 截面配筋計(jì)算 . 95 結(jié) 論 . 97 考文獻(xiàn) . 98 致 謝 . 99 iv 1 編制方案的原則與比選 1.1基本原則 (1)在符合路線基本走向的同時(shí)，力求接線順暢，路線短捷，橋梁較短，盡量降低工程造價(jià)。 (2)在滿足使用功能的前提下，力求橋型結(jié)構(gòu)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全、美觀，有利于環(huán)保。同時(shí)要根據(jù)橋位區(qū)的地形、地貌、氣象、水文、地質(zhì)、地震等條件，選用技術(shù)先進(jìn)可靠、施工工藝成熟、便于后期養(yǎng)護(hù)的橋

16、型方案。 (3)橋孔布置應(yīng)滿足通航要求。 1.2比選依據(jù) 根據(jù)橋位處河流的通航要求，結(jié)合橋位處的地形地貌、地質(zhì)等條件，并著重考慮施工的方便性，對兩跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋、兩跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋等橋式方案進(jìn)行比選.。 1.3簡支梁橋方案 主梁采用T形截面，梁高為等高度，主梁采用預(yù)制裝配的施工方法。橋墩均采用雙柱式橋墩，橋臺為框架式橋臺，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 1.4連續(xù)梁橋方案 主梁采用箱形截面，梁高為等高度，主梁采用懸臂澆筑施工。橋墩均采用雙柱式橋墩，橋臺為框架式橋臺，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。 1.5方案比較 以上兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下表所示： 以采用簡支梁橋方案。 1 2設(shè)計(jì)資料及構(gòu)造布

17、置 2.1 設(shè)計(jì)資料 2.1.1 橋梁跨徑及橋?qū)?標(biāo)準(zhǔn)跨徑：30 m（墩中心距離）； 主梁全長：29.96m； 計(jì)算跨徑：29.10m； 橋面凈空：凈9m+2³1.0m=11.0m。 2.1.2 設(shè)計(jì)荷載 公路級，人群荷載3.0kN/m2,每側(cè)人行欄、防撞欄重力的作用分別為1.52 kN/m2和4.99 kN/m2。 2.1.3 材料及工藝 混凝土：主梁用C40，欄桿及橋面鋪裝用C25。 預(yù)應(yīng)力鋼筋采用公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D622004）的15.2鋼絞線，每束6根，全梁配4束，fpk=1860MPa的鋼絞線。 普通鋼筋直徑大于和等于12mm的采用HRB3

18、35鋼筋,直徑小于12mm的均用R235鋼筋。 按后張法施工工藝制作主梁，采用內(nèi)徑70mm,外徑77mm的預(yù)埋金屬波紋管成孔和夾片錨具。 2.1.4 設(shè)計(jì)依據(jù) （1）公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D602004） （2）公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D622004） （3）公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTJ/T0412000）實(shí)施手冊 （4）公路橋涵設(shè)計(jì)手冊（梁橋），人民交通出版社，1996 （5）橋梁工程，邵旭東主編，武漢理工大學(xué)出版社，2005 （6）橋梁計(jì)算示例叢書（混凝土簡直梁（板）橋），易建國主編，人民交通出版社 （7）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理葉見曙主編，人民交通出版社，1999

19、2.2橫截面布置 2.2.1 主梁間距和主梁片數(shù) 主梁間距通常應(yīng)隨梁高與跨徑的增大而加寬為經(jīng)濟(jì)，同時(shí)加寬翼板對提高主梁截面效率指標(biāo)有效，故可在許可條件下適當(dāng)加寬T梁翼板。本橋主梁翼板寬度為2000mm，由于寬度較大，為保證橋梁的整體受力性能，橋面板采用現(xiàn)澆混凝土剛性接頭，因此主梁的 2 工作截面有兩種：預(yù)施應(yīng)力、運(yùn)輸、吊裝階段的小截面（bi=1600mm）和運(yùn)營階段的大截面（bi=2000mm）。凈9m+2³1.0m的橋?qū)掃x用五片主梁,如圖2-1所示。 cktk壓、抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。 2.2.2 主梁跨中截面尺寸擬定 （1）主梁高度 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋的主梁高度與跨徑之比通常在1/15

20、1/25,標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中高跨比約在1/181/19。當(dāng)建筑高度不受限制時(shí)，增大梁高往往是較經(jīng)濟(jì)的方案，因?yàn)榧哟罅焊呖梢怨?jié)省預(yù)應(yīng)力鋼束的用量，同時(shí)梁高加大一般只是腹板加高，而混凝土用量增加不多。綜上所述，本橋取用1800mm的主梁高度是較合適的。 （2）主梁截面細(xì)部尺寸 T梁翼板的厚度主要取決于橋面板承受車輪局部荷載的要求，還應(yīng)考慮能否滿足主梁受彎時(shí)上翼板受壓的強(qiáng)度要求。本橋預(yù)制T梁的翼板厚度取用80mm，翼板根部加厚至200mm以抵抗翼緣根部較大的彎矩。在預(yù)應(yīng)力混凝土梁中腹板內(nèi)主拉應(yīng)力較小，腹板厚度 3 一般由布置預(yù)制孔管的構(gòu)造決定，同時(shí)從腹板本身的穩(wěn)定條件出發(fā)，腹板厚度不宜小于其高度的1/15。

21、本橋腹板厚度取150mm。 馬蹄尺寸基本由布置預(yù)應(yīng)力鋼束的需要確定的，設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，馬蹄面積占截面總面積的10%20%為合適。本橋考慮到主梁需要配置較多的鋼束，將鋼束按兩層布置，一層排兩束，同時(shí)還根據(jù)公預(yù)規(guī)條對鋼束凈距及預(yù)留管道的構(gòu)造要求初擬馬蹄寬度為300mm，高度為250mm，馬蹄與腹板交接處做三角過度，高度100mm，以減小局部應(yīng)力。按照以上擬定的外形尺寸，就可繪出預(yù)制梁的跨中截面圖。 400400400400圖2-1斷面圖（尺寸單位：mm） 圖2-2立面圖（尺寸單位：mm） 4 圖2-3 跨中截面尺寸圖：（尺寸單位：mm） (3) 計(jì)算截面幾何特征 將主梁跨中截面劃分成五個(gè)規(guī)則圖形的小

22、單元，截面幾何特性計(jì)算見下表。 注：大毛截面形心至上緣距離ys 小毛截面形心至上緣距離ys(4)檢驗(yàn)截面效率指標(biāo) 上核心距：ks= =i =60.65(cm) Ai Si = 64.14(cm) Ai 21361913I= =32.54(cm) A×ys5500´180-60.655 下核心距：kx= 21361913I= =64.04(cm) A×yx5500´60.65 截面效率指標(biāo)： = ks+kx32.54+64.04 = =0.54>0.5 h180 表明以上初擬的主梁跨中截面是合理的。 2.3橫截面沿跨長的變化 如圖2-2所示，

23、本設(shè)計(jì)主梁采用等高形式，橫截面的T梁翼板厚度沿跨長不變。粱端部區(qū)段由于錨頭集中力的作用而引起較大的局部應(yīng)力，也為布置錨具的需要，在距梁端1200mm范圍內(nèi)將腹板加厚到與馬蹄同寬。馬蹄部分為配合鋼束彎起而從六分點(diǎn)附近（第一道橫隔梁處）開始向支點(diǎn)逐漸抬高，在馬蹄抬高的同時(shí)腹板寬度亦開始變化。 2.4橫隔粱的布置 模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在荷載作用處的主梁彎矩橫向分布，當(dāng)該處有橫隔梁時(shí)較均勻，否則直接在荷載作用下的主梁彎矩很大。為減小對主梁設(shè)計(jì)起主要控制作用的跨中彎矩，在跨中設(shè)置一道中橫隔梁，當(dāng)跨度較大時(shí)應(yīng)設(shè)置較多的橫隔梁。本設(shè)計(jì)在橋跨中點(diǎn)、三分點(diǎn)、六分點(diǎn)、支點(diǎn)處設(shè)置七處橫隔梁，其間距為4.85m。端橫隔

24、梁的高度與主梁同高，厚度為上部240mm，下部220mm；中橫隔梁高度為1600mm，厚度為上部160mm，下部140mm。詳見圖2-2。 6 3主梁作用效應(yīng)計(jì)算 根據(jù)上述梁跨結(jié)構(gòu)縱、橫截面的布置，并通過可變作用下的梁橋荷載橫向分布計(jì)算，可分別求得各主梁控制截面（一般取跨中、四分點(diǎn)、變化點(diǎn)截面和支點(diǎn)截面）的永久作用和最大可變作用效應(yīng)，然后再進(jìn)行主梁作用效應(yīng)組合。 3.1 永久作用效應(yīng)計(jì)算 3.1.1 永久作用集度 （1）預(yù)制梁自重 跨中截面段主梁的自重（六分點(diǎn)截面至跨中截面，長9.72m） G=0.5180³25³9.67=125.23(kN) 馬蹄抬高與腹板變寬段梁的自重

25、（長3.65m） G=(0.713931+0.5180)³3.65³25/2=56.21(kN) 支點(diǎn)段梁的自重（長1.63m） G=0.713931³25³1.63=29.09(kN) 邊主梁的橫隔梁 中橫隔梁體積： 0.15³（0.8³1.470.5³0.725³0.120.5³0.1³0.075） =0.1693（m3） 端橫隔梁體積： 0.23³（1.72³0.650.5³0.1076³0.65）=0.2491（m3） 故半跨內(nèi)橫梁重力為 G=（2

26、.5³0.1693+1³0.2491）³25=16.81 (kN) 預(yù)制梁永久作用集度 g1=（125.23+56.21+29.09+16.81）14.98=15.18 (kN/m) 二期永久作用 邊梁現(xiàn)澆部分橫隔梁 一片中橫隔梁（現(xiàn)澆部分）體積 0.15³0.2³1.47=0.0441(kN/m) 一片端橫隔梁（現(xiàn)澆部分）體積 0.23³0.2³1.72=0.07912 (kN/m) 故 g=（5³0.0441+2³0.07912）³2529.96=0.32 (kN/m) 鋪裝 8cm混凝土鋪

27、裝(1.5%橫坡) 0.08³9³25=18 (kN/m) 6cm瀝青鋪裝 0.05³9³23=10.35(kN/m) 若將橋面鋪裝均攤給五片主梁，則 g=（18.00+10.35）5=5.67(kN/m) 欄桿 一側(cè)人行欄1.52(kN/m)，一側(cè)防撞欄4.99(kN/m) 7 若將兩側(cè)人行欄、防撞欄均攤給四片主梁則 g=（1.52+4.99）³25=2.60(kN/m) 邊梁二期永久作用集度 g2=0.32+5.67+2.60=8.59(kN/m) 3.1.2 永久作用效應(yīng) 如圖2-3所示，設(shè)x為計(jì)算截面離左支座的距離，并令=xl。 主糧彎矩和剪力的計(jì)算公式分別為 1 Ma=a(1-a)l2g （3-1） 21 Qa=(1-2a)lg （3-2） 2 永久作用效應(yīng)計(jì)算見表3-1。 3.2可變作用效應(yīng)計(jì)算（修正剛性橫梁法） 3.2.1 沖擊系數(shù)和車道折減系數(shù) 按橋規(guī)條規(guī)定，結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)與結(jié)構(gòu)的基頻有關(guān)，因此要先計(jì)算結(jié)