土木工程道桥方向毕业设计星河大桥设计公路Ⅱ级荷载

星河大桥设计（公路-Ⅱ级荷载)

(桥面净空为净11m+2×1.5m的人行道)

The Galaxy Bridge Design（A highway-II load）(Net 11m + 2 ×1.5 m Sidewalk)

摘要

本桥为星河大桥，全长220米，该公路设计为公路－Ⅱ级。该桥设计有三种方案，分别为预应力简支T梁桥、简支T梁桥、和空心板桥。经过方案比选、工程量计算，选用装配式预应力简支梁桥为最终方案。该设计总体方案为装配式预应力简支T梁，全长220米,分6跨，净11m＋2×1.5m。设计说明书分为三章，分别是桥梁初步设计，桥梁上部结构设计及钻孔灌注桩、双柱式桥墩的计算，后面附参考资料与设计规范。

关键词：T型梁桥；上部结构；钻孔灌注桩；

ABSTRACT

The Galaxy Bridge Design, the length of 220 meters, the highway design for highway-Ⅱlevel. The bridge design has three scheme, were simply supported beam bridge,prestressed T simply supported beam bridge, and the hollow slab T. After the alternative schemes, work load calculation, choose prestressed beamtocolumn beam bridge for the project. The overall design scheme for the prestressed beamtocolumn simply-supported T beam, the length of 220 meters, six points across, and net 11 m + 2 x 1.5 m. The design specification is divided into three chapters, respectively is bridge preliminary design, bridge at the structure design and bored piles, double column type pier calculation, behind with references and design standard.

Keywords: T bridge; The upper structure; Bored piles;

目录

第1章桥梁初步设计 (1)

1.1设计方案的初步拟定 (1)

1.2绘制桥梁方案图 (1)

1.3工程量计算 (1)

1.4方案比选 (5)

第二章总体布置及主梁的设计 (6)

2.1设计资料及构造布置 (6)

2.2主梁内力计算 (9)

2.3预应力钢束的估算及其布置 (19)

2.4 计算主梁截面几何特性 (25)

2.5钢束的预应力损失计算 (29)

2.6主梁截面承载力与应力验算 (32)

2.7局部抗压承载力验算 (36)

2.8横隔梁内力计算 (37)

第三章下部结构 (45)

3.1设计资料 (45)

3.2盖梁计算 (45)

3.3桥台墩柱设计 (60)

3.4钻孔桩计算 (64)

致谢 (71)

参考文献 (72)

第1章 桥梁初步设计

１.１设计方案的初步拟定

1.1.1方案一：11×20m 钢筋混凝土T 型简支梁桥

1. 梁高h=1.8m ，每跨l =20m ，实际的梁长'l =19.96。

2.桥面标高：因为该桥没有通航要求，梁底的标高为：6+0.75=6.75桥面铺装：5cm 的沥青混凝土面层，C20的混凝土防水层4cm ，桥面标高为：6.75+1.8+0.09=8.64m 。

3.桥梁结构主要尺寸拟定：初步拟定桩径为1.4m ，桩的长度为25m ， 1.1.2方案二：6×40m 预应力混凝土T 型梁桥

1. 梁高h=1.8m ，每跨l =40m ，实际的梁长'

l =39.96。

2.孔径设置：本方案具体见图，因为不考虑通航要求，桥面标高只需要满足泄洪即

可。

3、墩基础：两端桥台均为重力式桥台,桩径为1.6m ，桩的长度28没。 1.1.3方案三：预应力空心板桥

1．梁高0.95h m =，每跨20l m =，实际梁长19.96l m '=，共11跨，全长为220m ，结构一般尺寸构造详见附图1，由于不考虑通航要求，桥面标高只需满足泄洪需要。

2、确定桥面标高

min 0s j H H h h h =+?+?+?∑

式中： min H ——桥面最低高程（m ）

s H ——设计水位，取6p H m =

h ?∑——考虑、雍水、浪高等综合因素，取0.8h m =∑

j h ? ——桥下净空安全值，取m h j 5.0=?

0h ? ——上部结构建筑高度，09511106 1.06h cm m ?=+==

则 min 60.80.5 1.068.36H m =+++= 3、桥梁结构主要尺寸拟定

根据标准图集《公路桥涵设计图》和公路Ⅰ级荷载要求，拟定桥梁上下部结构的造尺寸，结构一般尺寸构造详见附图1

1.2绘制桥梁方案图

具体见桥梁方案比选横断面布置图

1.3 工程量计算

1.3.1 方案一：11×20钢筋混凝土简支T型梁桥

一、上部结构：

1、主要材料：

①混凝土：T型梁采用C30号混凝土，行车道桥面铺装垫层采用C20号防

水混凝土。

②钢筋：主筋一般采用HRB335级钢筋，其它也采用HRB235钢筋。

2、预制钢筋混凝土T型梁：（单跨）

混凝土：内梁——18.6.3

m边梁——19.43

m

钢筋：内梁——5321.0㎏边梁——7657.6㎏

人工：内梁——463.8人工边梁——323.8人工

3、桥面的铺装：（单跨）

沥青面层：103

m

4、人行道以及铺装：

混凝土：14.03

m钢筋：493㎏

人工：450工日木材：0.483

m

表1-1 上部结构工程量汇总表

项目混凝土(3

m) 钢筋(t) 人工(人工) 木材(3m)

数

量

443.63 77.23 3743.5 0.48

二、下部结构：

1、主要材料：

混凝土桩柱主筋采用HRB335钢筋。2、桥台：

§桥台1：

①台柱+台帽+耳墙+背墙：

混凝土：13.283

m钢筋：1382.4㎏人工：130工日木材：0.543

m

②桩柱：

混凝土：32.23

m钢筋：468.2㎏人工：1136工日木材：----

§桥台2：

①台柱+台帽+耳墙+背墙：

混凝土：22.153

m钢筋：1322㎏

人工：185工日木材：0.783

m

②桩柱：

混凝土：33.163

m钢筋：502.5㎏人工：128.6工日木材：----

3、桥墩：

表1-2

项目混凝土钢筋人工木材(3

m) (kg) (工日) (3m)

1 墩帽+墩身18.0 560.8 48.4 0.53 墩柱25.34 384.4 74.8 0.55

2 墩帽+墩身14.4 542.4 40.1 0.48 墩柱29.32 467.5 90.2 0.67

3 墩帽+墩身14.3 542.6 40.6 0.48 墩柱32.88 486.5 98.7 0.77

4 墩帽+墩身13.7 552.2 41.

5 0.49 墩柱31.1 486.0 44.5 0.48

5 墩帽+墩身16.2 578.45 48 0.58 墩柱28.84 436.2 40.3 0.45

6 墩帽+墩身16.8 564.58 44.8 0.52 墩柱30.18 440.42 38.8 0.46

表1-3 下部结构工程量汇总表

项目混凝土(3

m) 钢筋(t) 人工(工日) 木材(3m) 数量352.98 10.5 1186.4 8.44

表1-4 附属工程工程量汇总

项目混凝土

(3

m)

钢材(t) 人工(工日) 木材(3

m) 草袋（个）

数量/ 0.321 0.073 2033.0 36975

5、临时工程：

①汽车便道：

②人工：47+416=463工日

③临时边桥：

人工：10×4.4=44工日

钢材：10×0.252=2.52t

木材：10×0.343=3.433

m

④假设输电线录：

人工：10×7.4=74工日

木材：10×1.222=12.223

m

钢材:10×0.026=0.26t

表1-5 临时工程工程量汇总

项目混凝土(3

m) 钢材(t) 人工(工日) 木材(3m) 数量/ 2.66 576.3 14.35

表1-6 全桥工程工程量汇总

项目混凝土

(3

m)

钢材(t) 人工(工日) 木材(3

m)

其它

草袋（个）

沥青混凝土

(3

m)

数量695.72 70.24 7440.4 24.32 36975 4.89

1.3.2 方案二：6×40m装配式预应力混凝土T型梁桥

表1-7上、下部工程工程量汇总

材料结构混凝土

)

(3

m

钢筋（kg）人工（工日）木材（3

m）

上部结构

主梁1486.8 114654.2 23684 82.23 桥面铺装52.8 ——420 0.94

下部结构

桥台96.8 3854.4 770 1.28 承台1122 577056 8220 3.60 桩基础1294.4 844520 15730.68 ——

总计4855 1544691.2 49878.6 88.04

1.3.3 方案三：预应力空心板桥

表1-8 方案三工程工程量汇总

m) 钢材(t) 人工(工日) 木材(3m) 沥青混凝土(3m)

项目混凝土(3

数量694.61 69.71 7437.2 22.31 4.89

1.4 方案比选

1.4.1 方案比较

表1-9三种方案工程量比较：

m) 钢筋(t) 人工（工日）木材(3m) 项目混凝土(3

方案一4855 1544691.2 49878.6 88.04

方案二697.82 68.97 8220.1 36.5

方案三1394.98 117.24 26320.98 54.2

1.4.2 方案推选

依据设计构思综合考虑，桥梁方案应该满足受力合理、技术可靠、结构新颖、施工方便的原则，以上方案均满足这一要求。从安全和稳定性来讲，第二方案有很好的抗震性能，为首选方案；从材料用量来比较，第二方案提供了详细的工程量，而且混凝土和钢材用量较少，如果单从材料费用考虑，第二方案较为经济；从施工难度以及工期来看，第二方案结构简单，施工方便，施工周期较短。第一种方案工艺较复杂，对施工质量要求较高，需要技术熟练的施工队伍。第三方案是整体现浇，考虑到工程量以及工期，第三种方案排除。显然，第二方案最为可行。

综合以上因素以及数据统计，第二种方案为最优方案即推选方案，它的技术要求较为简单，施工周期较短，工程用材较少，造价合理，再结合工程经验以及当地的实际情况，并且考虑建桥级别、设计人员的设计能力等一些因素，第二方案是推荐方案中比较优秀的方案。

第二章总体布置及主梁的设计

2.1设计资料及构造布置

2.1.1设计资料

1、桥梁跨径及桥宽

标准跨径：40m（墩中心距），

全桥共：240米，分6跨，

主梁全长：39.96m，

桥面净空：净—11米，2×1.5人行道，

计算跨径：39.00m。

2、设计荷载

人群荷载3.0kN/m，两侧人行道、栏杆重量分别为3.6 kN/m和1.52 kN/m。

3、材料及工艺

本桥为预应力钢筋混凝土T型梁桥，锥形锚具；

混凝土：主梁用40号，人行道、栏杆及桥面铺装用20号；

预应力钢筋：《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG

D62_2004）的s 15.2，每束6根，全梁配7束，=1860 MPa。

2.1.2结构尺寸布置

全桥横截面布置如图2-1所示：

图2-1 主梁横断面布置图（单位：cm）

表2-1 基本计算数据

名称项目符号单位数据

混凝土

立方强度MPa 40

弹性模量Ec MPa 3.3×104 轴心抗压标准强度MPa 28.0 轴心抗拉标准强度MPa 2.60 轴心抗压设计强度fcd MPa 23.0 抗拉设计强度MPa 2.15

预施应力阶

段

极限压应力0．70'f ck MPa 17.64

极限拉应力0．70'

tk

f MPa 1.638

使用荷载

作用阶段

标准荷载组合：

极限压应力0.5MPa 14.0

极限主压应力0.6MPa 16.8

短期效应组合：

极限拉应力—0.85 fpc MPa 2.34

极限主压应力0.65MPa 18.2

s

15.2 碳

素

钢

丝

标准强度fpk MPa 1860

弹性模量Ep MPa 1.95×105 抗拉设计强度fpd MPa 1260

最大控制应力0.75 fpk MPa 1395

持久状态应力：

标准荷载组合：0.65 fpk MPa 1209

材料容重

钢筋混凝土r1 KN/m3 25.0 混凝土r2 KN/m3 24.0 钢丝束r3 KN/m3 78.5

钢束与混凝土的弹性模量比值无量钢 5.91

*注：本示例考虑主梁混凝土达90%标准强度时，开始张拉预应力钢束。'f

ck 与'

tk

f分别表

示钢束张拉时混凝土的抗压，抗拉标准强度，则：'f

ck =25.2MPa, '

tk

f=2.34MPa

2.1.3横截面布置

本设计采用公路桥涵标准图40米跨径的定型设计，因此主要尺寸已经大致定下，，以下为初步选定截面尺寸。

1、主梁间距与主梁片数

全桥宽14米，主梁间距1.6米（T梁上翼缘宽度为158cm，留2cm施工缝），因此共设8片主梁，根据一些资料，主梁的梁高选用2300mm详细布置见下图

：

图2-2 跨中截面尺寸图（尺寸单位：mm）

将主梁跨中截面划分成5个规则图形的小单元，截面几何特性列表计算见表2-2。

表2-2 跨中截面几何特性计算表

分块名称分块面积i

A

（

2

cm）

分块面积形

心至上缘距

离

i

y

(2

cm)

分块面积对

上缘静距

3

i i i

=A y cm

S（）

分块面积的自身

惯矩

i

I

(2

cm)

i s i

d y y

=-

（cm）

分块面积

对截面形

心惯矩

2

i

i

x

d

A

I=(

4

cm)

x

i

I

I

I+

=

(

4

cm) （1）（2）(3)=(1)×(2) （4）（5）

2

=?

（6）（1）（5）(7)=(4)+(

6)

翼板160×8=1280 4 5120

6826

12

8

1603

=

?

87.466 9792385 9799211

三角承托864 12 10368

)

16

160

(

36

1

-

?

×123=6912

79.466 5456026 5462938

腹板3104 105 325920 9735179 －13.534 568557 1030373

6

下三角 100 198.667 19867 556 －107.201 1149205 1149761 马 蹄 1008

216 217728 65856

3124.534

15632787

15698643

∑

6356

579003

∑I=42414289

579003

=91.096cm 6356i i i S y A ∑=

=∑截面形心至上缘距离

2.检验截面效率指标ρ（希望ρ在0.5以上） 上核心距:

s 42414289

6356(23091.096)i x I k A y ∑=

=

∑??-=48.041cm

下核心距:

=73.254cm

x i s

I

k A y ∑=

∑?

截面效率指标： 48.04173.254

0.5270.5230s x k k h ρ++=

==>

表明以上初拟的主梁跨中截面是合理的。

3.横截面沿跨长的变化，该梁的翼板厚度不变，马蹄部分逐渐抬高，梁端处腹板加厚到与马蹄等宽，主梁的基本布置到这里就基本结束了。 2.1.4横隔梁的布置

由于主梁很长，为了减小跨中弯矩的影响，全梁共设了五道横隔梁，分别布置在跨中截面、两个四分点及梁端.

2.2主梁内力计算

2.2.1恒载内力计算

1.永久作用集度 （1）预制梁自重

a. 按跨中截面计，主梁恒载集度：

g 0.635625.013206.57KN /m =??=（1）（） b. 由于马蹄抬高与腹板变宽段自重

(2)+=g ≈??（1.4436250.6356）525/2129.95（KN ）

c. 支点段梁自重：(3) 1.44362525 1.98=71.46g ≈??（KN ）

d.边主梁的横隔梁 中横隔梁体积：

()

30.16(1.570.90.50.90.120.50.10.15)0.21624m ??-??-??=

端横隔梁体积：

()

30.24(1.820.80.50.80.323)0.3392m ??-??÷=

()

(4):g (1.50.2162410.3392)2516.59KN =?+??=故边半跨内横梁重力为

e. 第一期恒载 边主梁的恒载集度为：

4

11=206.57+129.95+71.46+16.59i i g g ==∑（）/19.98=17.77(KN/m)

（2）第二期恒载

a.桥面铺装层:

7cm 混凝土铺装：0.07×14×25=24.5 KN/m 6cm 沥青铺装：0.06×14×23=19.32 KN/m

()(5)24.519.32/8 5.48 KN /m

g =+=将桥面铺装均摊给八片主梁：

b.栏 杆：1.52KN/m 人行道：3.60KN/m

将两侧人行栏各恒载均摊给8片主梁，则： g=（1.52+3.60）×2/8=1.28KN/m c.边梁二期永久永久作用集度： g=5.48+1.28=6.76KN/m 2、永久作用效应

如图2-3所示，设x 为计算截面离左支座的距离并令l x /=α。 主梁弯矩和剪力的计算公式分别为：

2

1()2M l l g

ααα=-

1

(2)g

2

Q l l αα=-

图2-3 永久作用效应计算图

表2-3 恒载内力计算表

计算数据

39.00m?l = 2

2

1521m l =

项 目

i g

()()

21

2M l l g KN m ααα=-?

1

(2)g()

2Q l l KN αα=-

跨 中

四分点 支点 四分点 变化点 支 点 α

0.5

0.25 0 0.25 0.0530 0 1

()2l αα- 0.125 0.0938 0 1

(2)2l α-

0.25

0.447

0.5

第一期恒载1g (KN/m) 17.77 3378.21 2535.24 0 173.257 309.784 346.515

第二期恒载2g

(KN/m)

6.76 1285.245 964.448 0 65.91 11

7.847 131.82

2.2.2可变作用效应的计算

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

42

2

3.14

3.25100.4241

2.44(HZ)

22392469.42

c c EI f l m π

??=

==?简支梁桥的基频可采用右列公式估算：

()

3

0.969025102469.42kg/m 9.81c G m g ??===其中：

根据本桥的基频,可计算出汽车荷载的冲击系数为:

ln ln 2.44f μ=-=-=0.17670.01570.17670.01570.14

根据《桥规》4.3.1条,当车道大于两车道时,需进行车道折减,本示例按两车道设计，因此，在计算时可不进行车道折减。

2.主梁荷载横向分布系数

（1）跨中截面的荷载横向分布系数c m

本桥跨内有五道横隔梁，具有可靠的横向联结，且承重结构的长宽比为：

205.360.1800

.39>=?=B l

所以可选用偏心压力法来绘制横向影响线和计算横向分布系数c m 。 a.计算主梁抗扭惯性矩I T

3

i

1T ,t m

T i i i I c b ==∑对于梁截面抗扭惯矩：

式中 b i 和i t ——相应为单个矩形截面的宽度和高度； i c ——矩形截面抗扭刚度系数；

对于跨中截面，翼缘板的换算平均厚度：

1820

14cm 2t +=

=

马蹄部分的换算平均厚度：

22838

33cm 2t +=

=

图2-4示出T I 的计算图式，T I 的计算见表2-4。

图2-4

T I 的计算图式（尺寸单位：mm ）

表2-4

T I 计算表

分块名称 bi (cm) ti (cm) bi /ti ci

ITi = ci ·bi ·3

i t (×10-3m2) 翼缘板① 160 14 11.428 31 1.46346 腹 板② 183 16 11.437 31

2.49856 马 蹄③

36 33

1.091

0．141

1.8242 ∑

5.7862

注：《桥梁工程》表3—2实心矩形截面c 值 b.计算抗扭修正系数β

本算例主梁间距相同，将主梁近似看成等截面，则得：

2i

2i i

i 1112a I T Gl I E I β=

+

∑∑

式中：

41234

456780.425;39.00;80.00578620.0462896 5.6;4; 2.4;

0.8;0.8; 2.4;4; 5.6;0.42414289;i T i

i G E l m I m a m a m a m a m a m a m a m a m I m ===?=====-=-=-=-==∑∴

按公式计算得：=0.95

c.按修正偏心压力法计算横向影响线竖标值：

∑=+=

n

i i

i ij a

e

a n

1

21

βη

求出一号梁在两个边主梁的横向分布影响线竖标值为：

402

.052.1076.595.0812

11=+=η 152

.052.1076.595.0812

18-=-=η

计算所得ij η值见表2-5

表2-5 ij η值

梁号

1 0.40

2 0.32

3 0.2437 0.1646 0.085

4 0.0063 -0.0729 -0.152 2 0.323 0.2664 0.2099 0.1533 0.0961 0.0401 -0.0164 -0.073 3 0.244 0.21 0.1761 0.1421 0.1082 0.0742 0.0403 0.0063 4

0.165

0.1536

0.1421

0.1307

0.1193

0.1079

0.0951

0.085

d ．计算荷载横向分布系数

1、2、4号梁的横向影响线和最不利布载，因为很显然1号梁的横向分布系数最大，故只需计算1号梁的横向分布系数：

图2-5 跨中的横向分布系数

计算图式（尺寸单位：cm ）

由于设计书中计算行车速度：60公里/小时，根据《桥梁工程》表1-5查得行车道宽度3.50m ，中间带宽度：2.00m ，所以设计车道数：双向2车道，查表得：横向折减系数：1.00.

11

0.4020.3230.24370.16460.08540.0063-0.0729-0.08770.53222

cq q m η=

=?+++++=∑汽车的横向分布系数：（）0.4361cr m =人群荷载：

（2）支点截面的荷载横向分布系数

计算

该截面用杠杆原理法计算，绘制荷载横向影响线并进行布载如2-6

图2-6 跨中的横向分布系数

计算图式（尺寸单位：cm ）

11

0.63040.3222oq q m η=

=?=∑汽车荷载：

1.556or m =人群荷载：

（3）横向分布系数汇总

表2-6 1号梁活载横向分布系数

荷载类别 mc m0 公路—II 级 0.532 0.32 人 群

0.4361

1.556

3. 车道荷载取值

根据《桥梁工程》图1-21，公路二级的均布荷载标准值和集中荷载标准值为：

=0.75×10.5=7.875（KN/m ）

计算弯矩时：=0.75×｛

×（39-5）+180｝=237（KN ）

计算剪力时：=237×1.2=284.4（KN ）

4. 计算可变作用效应

在进行可变作用效应计算中,本设计对于横向分布系数取值作如下考虑:支点处横向分布系 ,从支点至第一根横梁系段，横向分布系数从直线过渡到；其余梁段均

取

。

（1）计算跨中截面最大弯矩及相应荷载位置的剪力和最大剪力及相应荷载位置的弯矩。

图2-7 跨中截面内力计算图式

计算公式为：k k mq mp y S =Ω+

式中：S ——所求截面的汽车（人群）弯矩或剪力； ——车道集中荷载标准值；

Ω——影响线上同号区段面积

k q ——车道均布荷载标准值；

y ——影响线最大坐标值 可变作用（汽车）标准效应：

=×0.532×7.875×39×9.75－0.212×6.5×7.875×0.6655＋0.532×237×

9.75=2018.63(KN*m)

=×0.532×7.875×0.5×19.5×1.2－×0.212×6.5×7.875×0.6655＋0.532×

284.4×0.5=99.39（KN)