桥梁毕业设计--南水北调大桥的内力计算和配筋设计

前言桥梁工程始终在生产发展与各类科学技术进步的综合影响下，遵循适用、安全、经济与美观的原则，不断的向前发展。

随着金融危机的快速蔓延，世界各国都在采取相应措施来应对这场金融海啸。

我国投资四万亿用于基础设施建设，来拉动内需保持国民经济快速发展。

根据使用任务、性质和所在线路的远景发展需要，结合该桥所在的地形、气候和水文地质以及交通情况，按照安全、适用、经济、先进和适当照顾美观的原则进行多方案比较，最后选择了预应力混凝土简支梁桥。

本设计为南水北调大桥的内力计算和配筋设计。

本项目所跨越段属于规划中的中线。

中线工程地理位置优越，可基本自流输水，工程投资较大；水源水质好，规划输水干线与现有河道全部立交，水质易于保护；输水渠线所处位置地势较高，可解决京、津、冀、豫4省（直辖市）京广铁路沿线的城市供水问题，还有利于改善生态环境。

全桥长120米，分3跨，跨径40米，为预应力钢筋混凝土简支箱型梁桥。

桥梁上部结构内力设计是下面进行的配筋设计及下部结构设计的前提，对于整座桥梁也是极其重要的部分。

本设计按照相关桥梁规范规定，对主梁尺寸拟定、主梁内力的计算、横隔梁内力的计算、行车道板内力的计算以及附属设施和概算的设计进行编制。

在此过程中，主要参考了桥梁工程、结构力学、材料力学、专业英语等相关的国内外书籍和文献。

综合考虑了材料以及结构的强度、刚度、稳定性等综合性能。

充分考虑了桥梁设计的“安全、适用、经济、美观”的原则。

设计的内容还包括配筋设计。

其中包括：预应力钢束面积的估算即钢束的布置；非预应力钢筋面积的估算与布置；截面几何特性的计算；持久状况截面承载能力极限状态的计算；预应力损失的计算；短暂状况及持久状况的应力验算；短期效应组合作用下的的截面抗裂性验算；主梁变形（挠度）计算；锚固区局部承压计算；行车道板的配筋设计。

设计还包括附属设施防撞墙的设计，工程概预算、施工组织设计及对桥梁先简支后连续一些理论及技术的学习。

本次设计是大学四年所学理论知识的综合运用，为以后的工作打下良好基础由于本人的能力有限，设计中错误以及考虑疏漏之处在所难免，敬请各位指导老师随时指出，我将努力加以改正和弥补！南水北调大桥上部设计1 原始资料、设计要求及方案比选1.1 概述本项目所跨越段属于规划中的中线。

中线工程地理位置优越，可基本自流输水，工程投资较大；水源水质好，规划输水干线与现有河道全部立交，水质易于保护；输水渠线所处位置地势较高，可解决京、津、冀、豫4省（直辖市）京广铁路沿线的城市供水问题，还有利于改善生态环境。

随着与之相连的相关高速公路的陆续建成通车，拟建成通车必将成为我国中部一条重要的东西向交通动脉。

1.2 原始资料河南省地跨暖温带和北亚热带两大自然单元的我国东部季风区内。

气候比较温和，具有明显的过度性特征。

南北各地气候显著不同，山地和平原气候也有显著差异。

全年四季分明。

总的气候特征是：冬季寒冷少雨雪，春短干旱多风沙，夏天炎热多雨，秋季晴朗日照长。

桥位范围内详勘地质主要为粘土、全风化花岗岩、弱风化花岗岩，地质概况如下：第1层：亚粘土，黄褐色，含少量沙砾，含量约10％，砾径1-3mm，下部加杂花岗岩强风化物。

第2层：全风化-强风化花岗岩，，岩芯呈砂砾状，自上而下砾径逐渐变粗，下部局部呈碎块状。

第3层：弱风化花岗岩，上部岩芯呈碎块状，主要矿物成分为长石，角闪石，粗粒结构，块状构造。

下部岩质新鲜，岩芯呈柱体状。

根据所查阅资料，河南省年平均气温为12.8-15.5℃，历史最高为43℃。

年平均降水量1004mm ，全年无霜期从北往南为180—240天。

往往全年的降水量主要集中在夏季，约占全年降水量的45-60%，设计洪水频率百年一遇。

地震烈度为八度。

由于预应力混凝土简支箱梁，桥梁上、下部结构可以平行施工，加快施工进度，缩短工期，预制构件便于工厂化批量生产，质量容易控制，成本相对较低。

但是构件之间存在拼装接缝，结构整体性相对较差，且需要大型起重运输设备和预制场地。

河流为独流水域，流量随季节变化大，平均水深0.8米左右，洪期水深2米左右，地下水类型为第四系空隙潜水，水位埋深4.5米左右。

1.3 设计要求根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60——2004）（以下简称《桥规》），《公路钢筋混凝土及预应混凝土桥涵设计规范》（JTG D62——2004）（以下简称《公路桥规》）要求，按A类即部分预应混凝土构件设计此梁。

1.4 方案比选根据原始资料及使用要求，初步拟定以下三种方案：方案一：预应力混凝土箱型拱桥（重力式墩台）。

箱型梁体上部构造图1-1 预应力混凝土箱型拱桥（重力式墩台）Fig.1 -1 Prestressed Concrete Arch Bridge（Gravity Abutment）方案二：预应力混凝土连续箱型梁桥210图1-2 预应力混凝土连续箱梁桥Fig.1 -2 The continuous prestressed concrete box-girder bridge南水北调大桥上部设计1）孔径布置：预应力混凝土变截面先简支后连续梁桥，分7跨，每跨17米，全长共120m。

2）主梁结构构造：主梁为预制预应力钢筋混凝土箱型梁。

主梁间距174cm，采用等截面梁高100cm，跨中截面顶板厚度10cm，顶板与腹板相交处设置三角承托。

腹板水平厚度24.7m，底板20m，腹板与底板相接处设置下三角承托。

3）桥墩基础：根据原始资料，主墩基础采用Φ1.2m和Φ1.3m的钻井灌注桩，东西边墩（桥台）采用刚性扩大基础。

采用梯形盖梁。

方案三：预应力混凝土简支箱型梁桥图1-3 预应力混凝土简支箱型梁桥Fig. 1 -3 The prestressed concrete box -girder bridge1）孔径布置：预应力混凝土变截面先简支后连续梁桥，分五跨，每跨40米，全长共120m。

2）主梁结构构造：主梁为预制预应力钢筋混凝土箱型梁。

主梁间距312cm，采用等截面梁高160cm，跨中截面顶板厚度10cm，顶板与腹板相交处设置三角承托。

腹板水平厚度24.7cm，底板20cm，腹板与底板相接处设置下三角承托。

在距支座一个梁高处采用变截面，由此处开始向支点处向内均匀变化，顶板厚度由10cm增加到20cm，腹板水平宽度由24.7cm 增加到49.4cm，底板由20cm增加到40cm，梁高保持不变。

主梁间预留20cm后浇注。

3）桥墩基础：根据原始资料，主墩基础采用Φ1.2m和Φ1.3m的钻井灌注桩，东西边墩（桥台）采用刚性扩大基础。

采用梯形盖梁。

4）施工方案：现场预制预应力混凝土预应力梁，采用闸门式加桥机施工，然后后浇注桥面板，最终桥面系施工。

方案点评及选择：方案一是拱桥技术工艺成熟，有大量的可以借鉴的经验，但需要大量吊装设备，占用大量场地以及劳动力。

从使用效果方面看，拱桥承载能力大，但是伸缩缝多，养护麻烦，同时纵坡比较大填土高，土方量大，给取土造成施工上的问题。

拱桥造价低廉，但耗用木材，水泥，劳动力，工时都很多。

重力式墩台圬工量大，技术成熟，但是对地基承载力有很高要求。

方案二是预应力混凝土箱型连续梁桥，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。

柱式墩台，配合桩基础结构稳定，施工方便对地基的强度不过分依赖，对于本设计的亚粘土-粉沙地形尤为如此。

但是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，且预应力梁的反拱度不容易控制，该方案机具耗用多，前期投入大，成本较多，成本回收难。

方案三是预应力混凝土箱型简支梁桥，简支梁桥是我们最早使用的桥型，也是应用最为广泛的桥型。

它受力简单，梁中只有正弯矩，体系温度、混凝土收缩徐变、张拉预应力等均不会在粱中产生附加内力，设计计算方便，最容易设计成各种标准跨径的装配式结构。

由于简支梁是静定结构，结构内力不受地基变形的影响，对基础要求较低，适用于地基较差的桥址上建桥。

在多孔简支梁桥中，相邻桥孔各自单独受力，便于预制、架设、简化施工管理，施工费用低，因此被广泛采用。

缺点是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。

综上，由对比我们可以看出方案三所需设备较少，占用施工场地少，对地基承载能力的要求不高，现行的施工技术、施工工艺和施工设备都很完善，施工难度小，造价低，工期短，适合中小型桥梁。

所以，方案三是最佳选择。

南水北调大桥上部设计2 设计资料及构造布置2.1 设计资料2.1.1 桥面跨径及桥宽标准跨径：总体方案选择的结果，采用装配式预应力混凝土箱型梁，跨度40m ，共三跨。

主梁长：伸缩缝采用4cm ，预制梁长39.96m 。

计算跨径：取相邻支座中心间距39.5m 。

桥面净空：由于该桥所在的路线宽度较大，确定采用分离式桥。

单侧桥横向布置：0.5⨯2（护栏）+3.75⨯2（二车道）+1（左路肩）+3（右路肩）=12.5m2.1.2 设计荷载根据线路的等级,确定荷载等级，由一级公路，设计时速100km/h 可查得： 计算荷载：公路一级荷载。

2.1.3 材料及工艺1）水泥混凝土：主梁、栏杆、桥面铺装采用C50号混凝土。

抗压强度标准值ck f =32.4MPa ，抗压强度设计值cd f =22.4MPa ，抗拉强度标准值tk f =2.65MPa ，抗拉强度设计值td f =1.83MPa ,c E =3.45×410MPa 。

2）预应力钢筋采用（ASTM A416—97a 标准）低松弛钢绞线1×7标准型。

抗拉强度标准值pk f =1860MPa ，抗拉强度设计值pd f =1260MPa ，公称直径15.2m m ，公称面积1392mm ，弹性模量p E =1.95×510MPa 。

2.1.4 设计依据1）《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）；2）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ D62-2004）；2.2 构造布置2.2.1 主梁间距与主梁片数为使材料得到充分利用，拟采用抗弯刚度和抗扭刚度都较大的箱型截面，按单箱单室截面设计，为减小下部结构的工程数量，采用斜腹式。

施工方法采用先预制，在吊装的方法。

在保证行车道板使用性能—挠度和裂缝控制的前提下，将预制箱梁控制在可以吊装的范围内，整桥横向按8片预制箱梁布置，设计主梁间距均为3.12m，边主梁宽3.02m,中主梁宽2.92m，主梁之间留0.2m后浇段，以减轻吊装重量，同时能加强横向整体性。

2.2.2 主梁尺寸拟定1）主梁高：根据预应力混凝土简支梁的截面尺寸设计经验梁高跨比通常为1/15-1/25，本设计取1/25，即梁高h=1.60m。

2）顶板宽度与厚度：顶板宽度在桥面宽度和主梁片数确定以后，就已经确定：3.12m；厚度与其受力有关，此处采用变厚度，悬臂远端10cm，在20cm处开始逐渐变厚，与腹板相交处厚度为16cm，由腹板向内依然采用相同的变厚度。