预应力混凝土箱梁桥设计毕业设计论文

毕业设计（论文）任务书

专业班级：学生姓名：

一、题目：焦作惠普桥上部结构设计

二、起止日期

三、主要任务与要求

任务：桥梁的结构设计；桥梁的行车道板设计；主梁的设计；横隔梁的设计；支座的设计；共计五个部分组成。

要求：

①学生应严格按照毕业设计大纲规定的内容，独立完成相应的设计任务，设计说明书文字部分不少于3万字。

②在设计中必须贯彻执行党和政府关于道桥基本建设工作的各项方针、政策，设计编制的内容应符合《公路工程技术标准》、《公路桥涵设计规范》等行业规程和规定。

③设计应力求技术先进、经济合理、安全可靠。

④从事专题科研的学生，对从事的科研专题必须提交出全部或阶段报告。科研计划由指导教师和学生共同研究编制。

⑤设计中除列出计算过程外，应阐明设计原则和依据，对不同方案应作技术经济论证，做到说明清晰、详细，计算准确。

⑥完成不少于25000字符的专业外文翻译。

指导教师：职称：

院领导：签字（盖章）

年月日

河南理工大学

毕业设计（论文）评阅人评语题目：焦作惠普桥上部结构设计

评阅人：职称：

工作单位：

年月日

河南理工大学

毕业设计（论文）评定书

题目：焦作惠普桥上部结构设计

指导教师：职称：

年月日

河南理工大学

毕业设计（论文）答辩许可证答辩前向毕业答辩委员会（小组）提交了如下资料：

1、设计（论文）说明共页

2、图纸共张

3、指导教师意见共页

4、评阅人意见共页

经审查，土木工程专业道桥10-3 班杨坤同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。

指导教师：签字（盖章）

年月日根据审查，准予参加答辩。

答辩委员会主席（组长）签字（盖章）

年月日

河南理工大学

毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议土木工程学院道路与桥梁专业道桥10-3 班杨坤同学的毕业设计于 2014 年 06 月 11 日进行了答辩。

根据所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。

一、毕业设计（论文）的总评语

二、毕业设计（论文）的总成绩：

三、答辩组组长签名：

答辩组成员签名：

答辩委员会主席：签字（盖章）

年月日

摘要

本设计主要是关于小跨度预应力混凝土简支箱梁桥上部结构的设计。预应力混凝土简支箱梁桥以结构受力性能好、变形小、行车平顺舒适、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。设计桥梁标准跨度35米，横向布置4片箱梁，桥面宽为13.5米，设计车道数为3车道。设计过程如下：

首先，确定主梁主要构造及细部尺寸，它必须与桥梁的规定和施工保持一致。考虑到抗弯刚度及抗扭刚度的影响，设计采用箱形梁。顶板厚度沿全桥不变为0.2米, 底板厚度在跨中为0.25米，端部为0.3米。

其次，计算桥梁结构总的内力(包括恒载和活载的内力计算)。然后进行内力组合，从而估算出纵向预应力筋的数量，然后再布置预应力钢绞线。

然后，计算后张法中各个阶段的预应力损失。进一步进行截面强度的验算，其中包括承载能力极限状态和正常使用极限状态。在正常使用极限状态验算中包括计算截面的混凝土法向应力验算、预应力钢筋中的拉应力验算、截面的主应力计算，预应力阶段和使用阶段主梁截面的强度和变形验算、锚固区局部强度验算和挠度的计算。

最后，对横隔梁和行车道板进行配筋计算，并对支座进行了设计。

关键词:箱梁桥；预应力损失；有效预应力

ABSTRACT

The design is mainly on small-span prestressed concrete simply supported box girder bridge super structure .Prestressed concrete simply supported box girder bridge has become one of the most competitive bridges for its good behavior of structure、small deformation、good driving comfort，a small amount of maintenance work and good seismic performance. The standard span is 35m. The width of the bridge is 13.5m with four pieces box girder，three lanes. The design process is as follows：

Firstly, draw up the main size of the beam. It must correspond with the provisions of the bridge and construction. Taking into account the effects of bending stiffness and torsional rigidity, the design takes the box girder. The roof thickness along the entire bridge was unchanged for the 0.2m; slab thickness in the middle of the span is 0.25m, the end of 0.3m.

Secondly, analyse internal gross force of the structures (including dead load and lived load), then combine the internal forces, estimate the number of longitudinal pre-stressed reinforcement, and then arrange the prestressed steel strand.

Thirdly, calculate the prestress loss at each stage with post tensioning method. And check section intensity further, including bearing capacity limit state and serviceability limit state. In normal use limit state checking the concrete method including the calcula-tion of section to stress checking, prestressed reinforcement in tensile principal force checking, section stress calculation, prestressing stage and using stage girder section of the strength and deformation calculation of anchorage zone, local strength and deflection calculation.

Finally, does the reinforcement calculation of the cross beam，deck and the bearing are designed.

Key Words: box girder bridge；prestress loss；effective prestress

目录

摘要........................................................................................................................................... I 第一章项目可行性分析. (1)

1.1项目简介 (1)

1.2建设意义 (1)

第二章设计资料 (2)

2.1设计资料概述 (2)

2.1.1桥梁设计依据 (2)

2.1.2采用的标准与规范 (2)

2.2桥梁址工程地质条件 (2)

2.3河流横断面 (2)

第三章桥梁总体设计 (5)

3.1方案比选 (5)

3.1.1桥梁设计原则 (5)

3.1.2各种桥梁的特点 (5)

3.1.3方案比选 (6)

3.1.4梁部截面形式比选 (6)

3.1.5所选方案 (7)

3.2孔跨布置 (7)

3.3主要设计技术参数和标准 (8)

3.3.1交通参数 (8)

3.3.2公路设计技术标准 (8)

3.3.3主要材料 (8)

3.4箱形梁构造形式及相关设计参数 (9)

3.4.1横截面尺寸 (9)

3.4.2箱梁底板厚度和腹板宽度 (10)

第四章主梁作用效应计算 (11)

4.1永久作用集度 (11)

4.1.1一期永久作用集度（主梁自重） (11)

4.1.2二期永久作用集度 (11)

4.2永久作用效应 (11)

4.3可变作用效应计算 (12)

4.3.1冲击系数和车道折减系数计算 (12)

4.3.2横向分布系数计算 (13)

4.3.3可变荷载作用效应计算 (16)

4.4主梁作用效应组合 (20)

第五章预应力钢束估算及布置 (23)

5.1预应力钢筋数量估算 (23)

5.2预应力钢筋布置 (23)

5.2.1跨中截面及锚固段截面的钢束位置 (23)

5.2.2钢束弯起角度及线形的确定 (24)

5.2.3钢束计算 (24)

第六章计算主梁截面几何特性 (28)

第七章预应力损失计算 (29)

7.1预应力钢束与管道壁之间的摩擦引起的预应力损失 (29)

7.2由锚具变形、钢束回缩引起的预应力损失 (30)

7.3 预应力钢筋分批张拉时混凝土弹性压缩引起的应力损失 (31)

7.4钢筋松弛引起的预应力损失 (31)

7.5混凝土收缩、徐变引起的预应力损失 (31)

7.6钢束预应力损失汇总 (33)

第八章承载力、应力、挠度、抗裂性验算 (34)

8.1持久状况承载能力极限状态验算 (34)

8.1.1跨中正截面承载力验算 (34)

8.1.2斜截面承载力验算 (35)

8.2应力验算 (37)

8.2.1短暂状况构件的应力验算 (37)

8.2.2持久状况构件的应力验算 (40)

8.3抗裂性验算 (43)

8.3.1作用短期效应组合作用下的正截面抗裂验算 (43)

8.3.2作用短期效应组合作用下的斜截面抗裂验算 (43)

8.4主梁变形（挠度）验算 (44)

8.4.1预加力引起的跨中反拱度 (44)

8.4.2荷载引起的跨中挠度 (44)

8.4.3预拱度的设置 (45)

8.5局部承压验算 (45)

8.5.1局部承压区的截面尺寸验算 (45)

8.5.2局部抗压承载力验算 (46)

第九章行车道板计算 (47)

9.1 悬臂板荷载效应计算 (47)

9.2连续板荷载效应计算 (47)

9.2.1永久作用 (47)

9.2.2可变作用 (48)

9.2.3作用效应组合 (50)

9.3截面设计、配筋和承载力验算 (50)

9.3.1截面设计及配筋 (50)

9.3.2抗剪承载力验算 (51)

第十章横隔梁计算 (52)

10.1确定横隔梁上的可变作用 (52)

10.2跨中横隔梁作用效应影响线 (52)

10.2.1绘制弯矩影响线 (52)

10.2.2绘制剪力影响线 (53)

10.3截面配筋计算 (53)

第十一章支座设计 (55)

11.1确定支座平面尺寸 (55)

11.2确定支座厚度 (55)

11.3验算支座偏转情况 (55)

11.4验算支座的抗滑稳定性 (56)

参考文献 (57)

致谢 (1)

第一章项目可行性分析

1.1项目简介

该工程位于焦作市与郑州市的一条交通要道。随着经济的发展，车辆增加迅速，加之该桥特殊地理位置（市与市之间的主要枢纽），及旧桥设计宽度较窄及年度已久，无法承担起交通重荷，交通堵塞情况日益严重，故需修建此跨线桥梁。

1.2建设意义

1)是促进沿线经济、开发旅游的需要。

“要致富，先修路。”郑州是河南政治、经济的中心，焦作与郑州毗邻，故通往郑州的道路对焦作经济等的发展有很大的影响。

此外，焦作是中国优秀旅游城市，太极拳的故乡。焦作旅游资源丰富而独特：焦作山水深得大自然的造化，南北兼长，雄秀双绝；八百里太行，挟燕赵欢歌，顶三晋风尘，逶迤南下，至此轰然横断，陡起一挂挂险峰绝壁，切下一条条深峡幽谷，托出云台山、青天河、神农山、峰林峡、青龙峡五大峡谷景观。置身其中，犹如步入了一座雄伟神奇的地质宝库，又像走进了一部精彩绝伦的山水宝典，品味不尽的青山绿水，奇山秀水。

2)有利于太极文化的传播，丰富民众的精神生活。

焦作陈家沟是陈氏太极拳的发源地，大力发展交通运输事业，建立四通八达的现代交通网络，有利于太极文化的传播，对于促进文化交流具有重要的作用。

太极文化博大精深，源远流长。太极拳是中国的一大精粹，它更与博大精深的中华武术是分不开的，而它又是我中华武术的升华。太极拳讲究行云流水，刚柔相济，中正安舒，不偏不倚。现代生活节奏特别快，很多人身心俱疲，容易烦躁。太极拳于现代属于养生拳，用于调养生息，男女老少皆可以练习，它使人达到一个“和”的状态，是中国文化中的中庸之道的完美体现。

2.1设计资料概述

2.1.1桥梁设计依据

工程地质勘查报告等。

2.1.2采用的标准与规范

1)JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》；

2)JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》；

3)JTG B01—2003《公路工程技术标准》等。

2.2桥梁址工程地质条件

桥址场地地形相对平坦，地质条件良好。根据钻探结果，可知该地区域地基为成层土及砂层，自上而下各层如下：

1)亚砂土

灰褐色，软塑～硬塑，湿，表层为耕植土。该层厚度为5.6m。

2)亚粘土

灰黑色，软塑～硬塑，湿，中间含有粘土夹层。该层厚度2.7m。

3)亚砂土

灰红色，饱和，松～中密。该层厚度为1.2m。

4)亚粘土

褐色，饱和，硬塑，含大量粗砂。该层厚度为3.1m。

5)粗砂土

棕黄色，饱和，中密，含粘性土。该层厚度为3.1m。

地基评价

1)该区地震基本烈度为Ⅵ度。

2)该区上部土层较软，采用钻孔灌注桩基础基础施工。

2.3河流横断面

已知桥梁所在河沟横断面处各点高程见表2-1。为与路堤相接，桥面起点标高672.5米，终点桥面标高672.9米，且桥头引道路堤填土高度<4米。

根据以上数据，可以绘出河床断面图（图2-1），并依此进行分孔（图2-2），桥长710m（从K13+870-K14+580），在K14+120处进行变坡，边坡点左边纵坡为

1677.5672.5

100%2% 250

i

-

=?=，边坡点右边纵坡为

2

677.5672.9

100%1%

460

i

-

=?=。

主桥部分为连续梁，引桥部分为简支梁。跨径35m，设计为预应力简支箱梁板梁。

本设计主要对引桥部分进行设计。

图2-1 河床断面图（单位：m）

图2-2 桥跨分孔（单位：m）

3.1方案比选

桥梁的形式可考虑拱桥、梁桥和吊桥等。任选两种作比较，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。

3.1.1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、通行等要求。建成的桥梁应保证使用年限，并便于检查和维修。

2)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。

3.1.2各种桥梁的特点

1)梁桥

梁式桥是指其结构在垂直荷载的作用下，其支座仅产生垂直反力，而无水平推力的桥梁。预应力混凝土梁式桥受力明确，理论计算较简单，设计和施工的方法日臻完善和成熟。

预应力混凝土梁式桥具有以下主要特征：

a)混凝土材料以砂、石为主，可就地取材，成本较低；

b)结构造型灵活，可模型好，可根据使用要求浇铸成各种形状的结构；

c)结构的耐久性和耐火性较好，建成后维修费用较少；

d)结构的整体性好，刚度较大，变性较小；

e)可采用预制方式建造，将桥梁的构件标准化，进而实现工业化生产；

f)结构自重较大，自重耗掉大部分材料的强度，因而大大限制其跨越能力；

g)预应力混凝土梁式桥可有效利用高强度材料，并明显降低自重所占全部设计荷

载的比重，既节省材料、增大其跨越能力，又提高其抗裂和抗疲劳的能力；

h)预应力混凝土梁式桥所采用的预应力技术为桥梁装配式结构提供了最有效的拼

装手段，通过施加纵向、横向预应力，使装配式结构集成整体，进一步扩大了

装配式结构的应用范围。

2)拱桥

拱桥的静力特点是，在竖直荷载作用下，拱的两端不仅有竖直反力，而且还有水平反力。由于水平反力的作用，拱的弯矩大大减少。如在均布荷载q的作用下，简支梁的跨中弯矩为2/8

ql，全梁的弯矩图呈抛物线形，而拱轴为抛物线形的三铰拱的任何截面弯矩均为零，拱只受轴向压力。设计得合理的拱轴，主要承受压力，弯矩、剪力均较小，故拱的跨越能力比梁大得多。由于拱是主要承受压力的结构，因而可以充分利用抗拉性能较差、抗压性能较好的石料，混凝土等来建造。石拱对石料的要求较高，石料加工、开采与砌筑费工，现在已很少采用。

由墩、台承受水平推力的推力拱桥，要求支撑拱的墩台和地基必须承受拱端的强大推力，因而修建推力拱桥要求有良好的地基。对于多跨连续拱桥，为防止其中一跨破坏而影响全桥，还要采取特殊的措施，或设置单向推力墩以承受不平衡的推力。由于所建位置地质情况是软土地基，故不考虑此桥型。

3.1.3方案比选

本设计是图2-2中最左边的一跨，35米长的简支梁，下面选择适合此简支梁的截面形式，使其既安全适用耐久，又比较经济美观，即性价比较优。

3.1.4梁部截面形式比选

梁部截面形式考虑了箱形梁、组合箱梁、槽型梁、T型梁等可采用的梁型。

箱形梁方案：该方案结构抗扭刚度大，适应性强。景观效果好。该方案需采用就地浇筑，现场浇筑混凝土及张拉预应力工作量大，但可全线同步施工，施工期间工期不受控制,对桥下交通影响较其他方案较小。

组合箱梁：其结构整体性强，抗扭刚度大，适应性强。双箱梁预制吊装，铺预制板，重量轻。但从桥下看,景观效果稍差。从预制厂到工地的运输要求相对较低，运输费用较低。但桥面板需现浇施工,增加现场作业量，工期也相应延长。但美观较差，并且徐变变形大，存在着后期维修养护工作量大的缺点。

槽型梁：其为下承式结构，其主要优点是造型轻巧美观，线路建筑高度最低,且两侧的主梁可起到部分隔声屏障的作用，但下承式混凝土结构受力不很合理，受拉区混凝土即车道板圬工量大，受压区混凝土圬工量小，梁体多以受压区(上翼缘)压溃为主要特征，不能充分发挥钢及混凝土材料的性能。同时，由于结构为开口截面，结构刚度及抗扭性较差，而且需要较大的技术储备才能实现。

T型梁：其结构受力明确，设计及施工经验成熟,跨越能力大,施工可采用预制吊装的方法，施工进度较快。该方案建筑结构高度最高，由于梁底部呈网状,景观效果差。同时，其帽梁虽较槽型梁方案短些，但较其他梁型长，设计时其帽梁也须设计成预应力钢筋混凝土帽梁，另外预制和吊装的实施过程也存在着与其他预制梁同样的问题。

因此，结合工程特点和施工条件及箱型梁抗扭刚度大，横向抗弯刚度大和动力稳定性能好，外观简洁，适应性强，在直线、曲线、折返线及过渡线等区间段均可采用，且施工技术成熟，造价适中。

3.1.5所选方案

综上所述，选择预应力混凝土简支梁桥。桥梁横截面采用箱形梁，主梁间距3.5米，共用四片箱梁，顶板预制宽度3米，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，湿接头为0.5米。

3.2孔跨布置

1)标准跨径：35米

2)计算跨径：34米

3)主梁全长：34.96米（设4厘米的伸缩缝）

4)桥面宽度：13.5米

3.3.1交通参数

根据交通调查和客流量计算，的设计交通量与交通组成见表3-1。

表3-1 年平均日交通量表(单位：小客车辆/日)

一级公路设计年限达15年，2029年将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量满足为25000～55000辆的要求，双向六车道方案是经济合理的。

3.3.2公路设计技术标准

1) 公路等级：一级公路； 2) 设计时速：100/km h ；

3）使用功能：公路双向六车道，分离式； 4) 桥梁路面横坡：单向坡2%（直线段）； 5)设计荷载：公路-Ⅰ级； 6)环境标准：Ⅰ类环境； 7)设计安全等级：一级。

3.3.3主要材料

1) 混凝土：预制箱梁采用C50混凝土；桥面铺装采用12cm 沥青混凝土（从上而

下分别为10cm 沥青混凝土桥面铺装）。

2) 预应力钢束：采用高强度低松弛7丝捻制的钢绞线，公称直径为139mm 2 ， 标准强度为1860pk f Mpa =，弹性模量为51.9510p E Mpa =?,1000h 后应力松弛率不大于2.5％。

3) 普通钢筋： HRB335钢筋，335sk f Mpa =，280sd f Mpa =，52.010s E Mpa =?。

3.4.1横截面尺寸

全幅桥宽13.5米，主梁先预制，再运输、吊装就位，考虑到施工中是调运能力，将每幅桥做成四个单箱单室的小箱梁。其中，预制边、中梁顶板宽3米，底板宽1米，预制主梁间采用0.5米的湿接缝，从而减轻主梁的吊装重量。边、主梁均采用斜腹板，斜度为1:4，以减轻主梁自重。

跨中横断面图

支座处横断面

图3-1 预制主梁跨中横断面图及支座横断面图（单位：mm ）

1/2支点横断面

1/2跨中横断面

图3-2 主梁断面构造图（单位：mm ）

为满足顶板负弯矩、普通钢筋布置及载轮的局部作用，顶板采用等厚度20cm ，同时为防止应力集中和便于脱模，腹板和顶板交界处设置17cm ×8cm 的承托。

主梁断面构造如图3-2所示。

1)底板厚度

跨中正弯矩较大，底板不宜过厚。腹板厚度跨中大部分区域设为25cm，仅在距边支点160cm开始加厚，加厚区段长150cm，且底板逐渐加厚至30cm，这样构造处理同时为锚固底板预应力钢筋提供了空间。底板厚度变化如图3-4所示。

跨

径

中

心

线

图3-3 半纵剖图（单位：mm）

2)腹板厚度

支点处剪力较大，兼顾施工方便，腹板厚度仅在支点附近区域加宽，其余均为25cm。仅在距边支点160cm，加厚区段长150cm，且腹板最终加厚至40cm。

3)横隔梁（板）

在跨中和两边支点处设横隔板，板高2m，板厚0.5m。

4）预应力管道采用金属波纹管成型，波纹管内径为60mm，外径为67mm，管

道摩擦系数0.2

μ=，管道偏差系数0.0015

k=。锚具变形和钢束回缩量为4mm。

5) 沥青混凝土重度为233

/

kN m，预应力混凝土结构重度为263

/

kN m，混凝土重度为25K3

/

kN m，单侧防撞栏杆荷载为7.0/

kN m。