简支梁桥设计范例_毕业设计

1 设计依据

1.1工程概述

该桥设计车速为80Km/h，桥位于直线段内，桥位起迄中心桩号为k0+100~k0+220。桥梁全长4×30m，上部结构为装配式预应力混凝土简支T型梁桥，下部结构为双柱式墩，桩基础，轻型薄壁桥台。本桥上部结构采用先预制后张拉的施工形式。

1.2 自然条件

（1）河流及水文情况

河床比降为+1.25％，设计洪水位为14m，桥下没有通航要求。

（2）当地建材情况

桥梁附近采石场有充足的碎石、块石可供，水泥与钢材可选择当地材料市场供应。（3）气象情况

查阅当地气象资料。年极端最高气温44oC，年最低气温-12oC。

（4）地震情况

地震烈度为6级。

1.3 设计标准及规范

1.3.1 设计标准

桥型：双向整体式装配预应力混凝土简支T型梁桥

桥面宽度：全宽17.6m

桥面净宽：净—14+2×1.8m。

桥面纵坡：2.0%

桥面横坡：2.0%

车辆荷载等级：公路-Ⅰ级

1.3.2 设计规范

《公路工程抗震设计规范》（JTJ004---2005）

《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041---2000）

《公路工程技术标准》（JTG01---2003）

《公路桥涵通用规范》（JTG60---2004）

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62---2004）

2 方案构思与设计

2.1 桥梁设计原则

（1）使用上的要求

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。桥型、跨度大小和桥下净空应满足泄洪、安全通航或通车等要求。建成的桥梁应保证使用年限，并便于检查和维修。

（2）舒适与安全性的要求

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）经济上的要求

在设计中必须进行详细周密的技术经济比较，使得桥梁的总造价和材料等的消耗为最少。桥梁设计应遵循因地制宜，就地取材和方便施工的原则。并且桥梁的桥型应该是造价和使用年限内养护费用综合最省的桥型，设计中应该充分考虑维修的方便和维修费用少，维修时尽可能不中断交通，或中断交通的时间最短。能满足快速施工要求以达到缩短工期的桥梁设计，不仅能降低造价，而且提早通车在运输上将带来很大的经济效益。

（4）先进性上的要求

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）美观上的要求

一座桥梁应具有优美的外形，应与周围的景观相协调。城市桥梁和游览地区的桥梁，可较多的考虑建筑艺术上的要求。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细部装饰。

2.2 桥型方案构思与总体设计

2.2.1 方案初选（拟定桥型图式）

根据桥梁设计原则，从安全、功能、经济、美观、施工、占地与工期等多方面比选，初步确定梁桥、拱桥、刚架桥三种桥梁形式。3种方案的比较表暂列于后。

方案一、预应力混凝土简支梁桥

图2.1 预应力混凝土简支梁桥（单位：cm）方案二、上承式拱桥

图2.2 上承式拱桥（单位：cm）

方案三、刚架桥

图2.3 刚架桥(单位：cm)

2.2.2 桥墩方案比选

桥墩类型有重力式实体桥墩、空心桥墩、柱式桥墩、轻型桥墩和拼装式桥墩。现选取前3种形式进行比较，以便选择一个较好的方案。

①重力式实体桥墩

采用混凝土或石砌的实体结构施工简易，取材方便，节约钢材。但是墩身较为厚重，圬工量大，外形粗大笨重，减少桥下有效孔径，增大地基负荷；当桥墩较高，地基承载力较低时尤为不利。

②空心桥墩

这种桥墩具有截面积小、截面模量大、自重轻、结构刚度和强度较好的特点，多用于高桥。但是薄壁空心桥墩施工较复杂，又费钢材。

③柱式桥墩

柱式桥墩的结构特点是由分离的两根或者多根立柱所组成，城市路桥的桥墩布置和形式好环，直接影响交通和美观，双柱式桥墩楣梁可以外露或出于美观需要而隐蔽于上部结构之内，造型美观，此地基采用钻空罐注桩，双柱式桥墩在强度和刚度上也满足要求。此外双柱式桥墩外形轻巧大方，圬工体积较少。所以采用双柱式桥墩。

3 初步设计

3.1设计资料及构造布置3.1.1地质资料

弥渡河地质分布：

Ⅰ.亚粘土：分布在标高503.54m 以上，[]0210KPa σ=，

3118.5/KN m γ=，110C KPa =，0120φ=，4112000/m KN m =，531310/k KN m =?；

Ⅱ.中密中砂：分布在标高505.74m 至502.51m 之间，[]0350KPa σ=，3219.5/KN m γ=，20C KPa =，0238φ=，4220000/m KN m =，532610/k KN m =?； Ⅲ.砂砾石层：属中密圆砾，分布在标高502.51m 以下，[]0550KPa σ=，33/21m KN =γ，KPa C 03=，0340=φ，43/60000m KN m =，3

53/1012m KN k ?=

3.1.2桥梁跨径及桥宽

桥梁总长：120m

桥梁分孔布置：4等跨

标准跨径：30m （墩中心距离）

主梁全长：29.96m 计算跨径：28.66m

桥面净空：净—1.8m+14m+1.8m+m=17.6m

3.1.3设计荷载

公路—Ⅰ级，人群荷载：3.0N/m 2，一侧栏杆重量的作用力为1.52kN/m ，每侧人行道重：3.57 kN/m 。

3.1.4材料及工艺

混凝土：主梁用C50。

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φs 15.2钢绞线，每束6根，全梁配5束。

普通钢筋采用HRB335钢筋；吊环采用R235钢筋。 按后张法采用TD 双作用千斤顶两端同时张拉施工工艺制作主梁，采用内径70mm 、外径77mm 的预埋波纹管和锚具;主梁安装就位后现浇60cm 宽的湿接缝。最后施工混凝土桥面铺装层。

3.1.5设计依据

交通部颁《公路工程技术标准》（JTG B01—2003），简称《标准》； 交通部颁《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004），简称《桥规》； 交通部颁《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）。

注：考虑混凝土强度达到C45时开始张拉预应力钢束。

ck

和tk 分别表示钢束张拉时混凝土的抗压、抗拉标准强度，则

ck

f '=29.6Mpa ， tk f '=2.51Mpa 。

3.2 截面布置

支点截面

跨中截面

变化点截面

跨中截面

支点截面

·

图3.1 结构尺寸（尺寸单位：mm ）

3.2.1主梁跨中截面主要尺寸拟订

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。当建筑高度有受限制时，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2100mm 的主梁高度是比较合适的，本桥桥体有8片梁。

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180mm ，翼板根部加厚到300mm 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，设计实践表明，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，将钢束按三层布置，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500mm ，高度为300mm ，马蹄与腹板交接处作三角过渡，高度过100mm ，以减小局部应力。

按照以上拟订的外形尺寸，就可绘出预制梁的跨中截面图（见图3.2）。

图3.2 跨中截面尺寸图（尺寸单位：mm ）

3.2.2计算截面几何特征

对于T 型截面受压翼缘的计算宽度b f ，根据《公路桥规》计算得出的有效宽度为2200mm.将主梁跨中截面划分成五个规则图形的小单元。见图3.3 截面形心至上缘距离为：

i

i

s y

y =

A A

?∑

式中：A i ——分块面积

y——分块面积的形心至上缘的距离

i

主梁的工作截面有两种：预制和吊装阶段的小截面（b=160cm）；运营阶段的大截面

3.2

（b=220cm）。主梁跨中截面的全截面几何特性如表

3.2.3检验截面效率指标ρ（希望ρ在0.5以上）

上核心距：

s x 47848000

k =

==35.25cm y 9690140.15

A ∑I ∑??

下核心距：

x s 4784800

k =

==70.69cm y 969069.85

A ∑I ∑??

截面效率指标：

ρ=

5.0504.0210

69

.7025.35>=+=+h k k s x

表明以上初拟的主梁中截面是合理的。

3.3 横截面沿跨长的变化

如图3.1所示，本设计主梁采用等高的形式，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，在距支座2250mm范围内将腹板加厚到与马蹄同宽。见图（3.1）

3.4 横隔梁的设置

模型试验结果表明，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，在跨中设置一道路中横隔梁；当跨度较大时，应设置较多的横隔梁。本设计在桥跨中点、四分点、和支座处共设置五道横隔梁，其间距分别为7m和7.33m。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2000mm，厚度为上部180mm，下部160mm。详见图3.1所示。

4 上部结构施工图设计

4.1 主梁永久作用效应计算

4.1.1 永久作用集度

（1）预制梁自重（一期横载）

按跨中截面计，主梁的横载集度：

g（1）=0.861×25=21.53kN/m

由于变截面的过渡区段折算成的横载集度：

g（2）=2×1.25×0.35×(1.4+1.5+0.026)×0.5×25/28.66=1.11kN/m

由于梁端腹板加宽所增加的重力折算成的横载集度：

g（3）＝2×1.0×0.3×1.46×25/28.66=0.76kN/m

中横隔梁体积：（0.7×1.62-0.7×0.5×0.12）×0.15=0.16mm3

端横隔梁体积：（0.55×1.5+0.55×0.5×0.12）×0.15=0.13mm3

边主梁的横隔梁横载集度：

g（4）=（3×0.1638+2×0.1287）×25/28.66=0.65kN/m

边主梁的横隔梁横载集度：

g（4）′=2 ×g（4）=2×0.653=1.31kN/m

边主梁的一期横载集度为：

g1=∑

=

=

+

+

+

=

4

1 i

05

.

24

65

.0

76

.0

11

.1

53

.

21kN/m

中主梁的一期横载集度为：

g1′＝∑=21.53+1.11+0.76+1.31=24.71kN/m

（2）二期永久作用

一侧人行道栏杆1.52 kN/m；一侧人行道3.57 kN/m；桥面铺装层重（图4.1）

图4.1 桥面铺装（尺寸单位：mm）

1号梁：0.5×（0.07+0.076）×0.4×25=0.73 kN/m

2号梁：0.5×（0.76+0.109）×2.2×25=5.09 kN/m

3号梁：0.5×（0.109+0.142）×2.2×25=6.90 kN/m

4号梁：0.5×（0.142+0.175）×2.2×25=8.72 kN/m

现将恒载作用汇总如表4.1

4.1.2 永久作用效应

α=。

如图4.2所示，设x为计算截面离左支座的距离，并令/x l

M影响线

V影响线

图4-2 永久作用效应计算图

主梁弯矩和剪力的计算公式分别为：

21

(1)2M l g

ααα=- lg 212

1）（αξ-=V

永久作用效应计算见表4.2。

表4.2号梁永久作用效应

4.2 可变作用效应计算（修正刚性横梁法）

4.2.1冲击系数和车道折减系数

按《桥规》4.3.2条规定，结构的冲击系数与结构的基频有关，因此要先计算结构的基频。简支梁桥的基频可采用下列公式估算：

Hz m El l f c c 94.442

.246947848

.048.4781045.366.28214

.32102

2

=????==

π

其中：m c =G/g=0.969×25×103/9.81=2469.42 l=28.66m E=3.45×1010N/m 2 Ic=478.48×109mm 4

根据本桥的基频，可计算出汽车荷载的冲击系数为：

μ=0.176ln f -0.0157=0.267

所以1+μ=1.267

按《桥规》4.3.1条，两车道不折减，三车道折减系数为0.78，四车道折减系数为0.67，但折减后的值不得小于两行车队布载时的计算结果。

4.2.2计算主梁的荷载横向分布系数

（1）跨中的荷载横向分布系数m c

如前所述，桥跨内设五道横隔梁，具有可靠的横向联系，且承重结构的长宽比为：

61.066

.286.17l ==B 认为具有得靠的横向联接，宽跨比接近0.5，按修正偏心压力法计算。 ①计算主梁抗扭惯矩I T

对于T 形梁截面，搞扭惯矩可近似按下式计算：

31i m

t i i T t b c I ∑==

式中：bi ，ti —相应为单个矩形截面的宽度和高度； ci —矩形截面抗扭刚度系数；

m —梁截面划分成单个矩形截面的个数。 对于跨中截面，翼缘板的换算平均厚度：

mm 2402

120120180180=++=t

马蹄部分的换算平均厚度：

mm 3502400300t 1=+=

I T 的计算图式见图4.3，结果见表4.3

图4.3 I T 计算图式（尺寸单位：mm ）

表4.3 I T 计 算 表

② 计算抗扭修正系数β

对于本算例主梁的间距相同，并将主梁近似看成等截面，则得：

∑∑+

=

i i

i i

T I a E I Gl i 22

1211

β 式中：G=0.4E ；l=28.66m ；

4314.01016.178m I

i

Ti

=??=-∑；a 1=-a 8=7.7m ； a 2=-a 7=5.5m ；

a 3=-a 6=3.3m ； a 4=-a 5=1.1m ； I i =0.48m 4。。.

计算得β=0.96。

③ 按修正的刚性横梁法计算横向影响线竖坐标值：

∑=±=

71

2

1

i i i ij a e a n

βη

式中：n=8，8

2222221=277 5.5 3.3 1.1=203.28m i i a =?+++∑（。

计算所得的ij η值列于表4.4内。

表4.4 ηij 值

④计算荷载横向分布系数图(4.4)

汽车荷载：cq m ＝qi 1

2

η∑； 人群荷载：or m ＝r η 一号梁：

4车道：cq m ４＝3.5×(0.37+0.302+0.253+0.185+0.136+0.068-0.020.-0.048×)0.67=0.44 3车道：cq m 3=0.5×(0.37+0.302+0.253+0.185+0.136+0.068) ×0.78=0.512 2车道：cq m ２＝0.5×(0.37+0.302+0.253+0.185)=0.555 1号梁的汽车荷载横向分布系数为：cq m =0.555 (2车道)

110220220220220220220

2201号梁

2号梁

3号梁

4号梁

图4.４ 跨中的横向分布系数m c 计算图式（尺寸单位：mm ）

人群：cr m =0.423. 同样得到2号、3号、4号梁的荷载横向分布系数，计见表4.5

表4.5 荷载横向分布系数计算表

（2）支点的荷载横向分布系数m 0（杠杆原理法） 计算如图4.5

（3）荷载的横向分布系数汇总（表4.6）

表4.6 荷载分布系数汇总表

4.2.3道荷载的取值

根据《桥规》，公路-Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值k q =10.5 kN/m:；集中荷载标准

值：计算弯矩时为360180

P =)(29-5)+180=280m 505

k -?-（，计算剪力时为P k =280×1.2=336

kN.

4.2.4计算可变作用效应

支点处取0m ，跨中取c m ，c m 从第一根内横隔梁起向0m 直线过渡。 （1）、跨中截面的最大弯矩和最大剪力

(1)(P q cq k k i S m q y μξω=++） r c r o r =m q ωS

式中：1+μ=1.267；or q =1.8×3.0=5.4 kN/m ，跨中截面内力计算图式4-6 内力计算结果见表4-7.

（2） 求四分点截面的最大弯矩和最大剪力 内力计算结果见表4.8

（3）求支点截面最大剪力（图4.7）

内力计算结果见表4.9

1号梁

2号梁

3号梁

4号梁

1

.

图4.5支点的荷载横向分布系数计算图