三跨简支变连续T梁桥设计

本科毕业设计设计题目：

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二〇一年月日

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毕业设计开题报告

毕业设计结题报告

毕业设计成绩评定表

学院：土木工程学院学号：

注：总成绩=指导教师评定成绩（50%）+评阅人评定成绩（20%）+答辩成绩（30%），将总成绩由百分制转换为五级制，填入本表相应位置。

目录

1 前言 (1)

2 设计概述 (1)

2.1设计基本资料 (1)

2.1.1 工程概述 (1)

2.1.2 技术标准 (2)

2.1.3 材料规格 (2)

2.2设计方案比选 (2)

2.3设计规范 (3)

2.4桥博结构计算相关参数 (3)

3 桥跨布置及结构尺寸拟定 (4)

3.1桥跨总体布置 (4)

3.1.1 桥梁总跨径 (4)

3.1.2 桥梁分孔 (4)

3.2结构尺寸拟定 (4)

3.2.1 主梁数量与间距 (4)

3.2.2 主梁结构尺寸 (4)

3.2.3 横隔梁设置 (5)

3.3毛截面几何特性计算 (6)

3.3.1 毛截面几何特性计算结果 (6)

3.3.2 截面效率指标 的验算 (6)

3.4主梁单元的离散 (7)

4 主梁作用效应计算 (8)

4.1结构恒载作用效应计算 (8)

4.1.1 桥梁施工阶段介绍 (8)

4.1.2 二期恒载作用集度计算 (8)

4.1.3 恒载作用效应计算结果 (8)

4.2活载作用效应计算 (12)

4.2.1 汽车冲击系数计算 (12)

4.2.2 荷载横向分布调整系数计算 (13)

4.2.3 结构活载作用效应计算结果 (16)

5 结构次内力计算 (22)

5.1温度内力计算 (22)

5.2基础沉降计算 (24)

6 内力组合 (28)

6.1内力组合原理 (28)

6.2内力组合结果 (29)

7 预应力钢束设计 (38)

7.1预应力钢束估算 (38)

7.1.1 按正常使用极限状态下的正截面抗裂要求估算 (38)

7.1.2 按正常使用极限状态下的截面压应力要求估算 (40)

7.1.3 按承载能力极限状态的应力要求估算 (41)

7.1.4 预应力筋估算结果 (41)

7.2预应力钢束布置 (42)

7.3预应力损失计算 (42)

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7.3.1 预应力钢束与管道壁之间摩擦引起的预应力损失

1l

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7.3.2 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失

2l

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7.3.3 混凝土弹性压缩引起的预应力损失

4l

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7.3.4 钢筋松弛引起的预应力损失

5l

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7.3.5 由混凝土收缩、徐变引起的预应力损失

6l

7.3.6 截面有效预应力计算 (45)

8 主梁截面验算 (46)

8.1持久状况承载能力极限状态验算 (46)

8.2持久状况正常使用极限状态验算 (49)

8.2.1 截面抗裂验算 (49)

8.2.2 持久状况结构的应力验算 (53)

8.3短暂状态结构的应力验算 (55)

8.4挠度验算 (57)

9 结束语 (58)

参考文献： (58)

致谢 (59)

XXXXXXXXXXXXX

XXX

（XXXXX，XXXXXXX，XXXXXX，XXXXXXXXXX）

摘要：近年来，预应力混凝土结构的发展是越来越成熟。由于预应力结构能够很好的降低混凝土的开裂程度，并且充分发挥其材料特性，使结构轻型化得以实现。预应力混凝土连续梁桥与普通钢筋混凝土连续梁桥相比具有更大的跨越能力，而且它还有像变形和缓、刚度较大、伸缩缝使用较少、能够平稳行车、养护方便等一系列优点，所以在近代桥梁建筑中已得到越来越多的应用。本文对大桥的上部结构进行了设计，该桥坐落于XX区境内XX 林车站和XX镇南于村交界处的蟠龙河上，桥址处河口宽86.00m。文章综合考虑桥梁的美观、经济、耐久适用以及环境协调和施工技术的要求，最终确定简支变连续预应力混凝土连续梁桥的设计方案。在该方案中，主梁部分施工采用在工厂预制成型，然后吊装到位的方式。本设计中主梁选用30m+30m+30m工厂预制预应力混凝土T型截面梁，在拟定截面尺寸后，利用桥梁博士软件完成该桥上部结构的设计计算。

关键词：简支变连续；预应力筋；预应力混凝土结构；桥梁博士

Design of Panlong River Bridge of Xuecheng District

Sun Guodong

(School of civil engineering, Civil engineering class 5 Grade 2011, 20113415548) Abstract: Recently, the development of prestressed concrete structure is becoming more and more mature. Because of the capacity of reducing the crack and giving full play to the characteristics of the material, the light structure can be achieved. The advantages of prestressed concrete structure, such as larger span ability than common reinforced concrete, and more soft deformation, less expansion joints, big stiffness, smooth driving, and easy maintenance, is the reason that it’s used widely in construction of bridge. The upper structure of the Xuecheng Panlong River is designed in this paper, and the bridge locates at the junction of the station of Shanjialin and Zhangfan town, with 86.00m in it’s mouth. This paper, considering the beautiful, economic, durable and environmental coordination and construction technique requirement, ultimately determine the design scheme of simply-supported structure turns to continuous hierarchy. In this scheme, the main girder is prefabricated in factory firstly, and then lifting in place. The main span of this bridge is made by 30m + 30m + 30m prefabricated prestressed concrete T beam. The design and calculation of the upper structure of the bridge is completed by the software of dr.bridge after drafting section size.

Key words: simply-supported structure turns to continuous hierarchy; prestressed tendon; prestressed concrete structure; dr.bridge software

1 前言

改革开放以后，我国的经济发展已是日新月异，经济的发展和人民生活水平的提高都使得人们对交通的要求越来越高，希望出行能够更快捷、方便、舒适。这就推动交通运输业迅猛发展。在庞大的交通运输网络中，桥梁是保证交通顺畅的一个不可或缺的角色，但同时也是交通运输工作中的难点，但我国人民困服了一个又一个难点，使得我国的桥梁事业得以高速发展。

普通的钢筋混凝土抗拉强度低，容易出现裂缝，很难满足较大跨径桥梁施工对变形的要求。而预应力混凝土的出现很好的解决了这一问题。顾名思义，预应力混凝土结构，就是在构件受外力作用之前，先人为地对它施加预加压力，由此产生的预加应力可以用来抵消或减小外力所产生的拉应力。换句话说，就是借助预先施加的较大的抗压强度来增强其抗拉能力，以此来推迟混凝土的开裂时间，从而延长结构寿命。自从20世纪30年代预应力混凝土桥出现以来，经过80年的快速发展，该桥型在中、小跨度范围内已具有相当大的优势，在较大跨度范围内它和钢桥各具优势，正展开激烈竞争。该桥型主要承重结构为预应力钢筋混凝土结构, 预应力混凝土的出现是桥梁建筑史上的一个伟大的里程碑。而现在，经济的发展对桥梁工程的材料、结构等提出了更高的要求，这就敦促我们努力学习科学知识，为以后桥梁工程的发展贡献力量。

本设计进行的是先简支后连续预应力混凝土连续T梁桥上部结构的设计计算。由于连续梁为超静定结构，在外力作用下，支点位置会产生负弯矩，这对跨中产生的正弯矩具有一定的卸荷作用，从而使内力分布相对均匀合理，并在一定程度上减小梁高，扩大桥下净空，减少材料消耗，且全桥整体刚度较大，安全度较高，桥面伸缩缝设置较少，行车舒适，同时由于跨中截面的弯矩变小，桥梁跨径得以加大。本设计中的连续梁桥为三跨简支变连续预应力混凝土连续梁桥，在结构计算时使用桥梁博士和AutoCAD软件交互功能并依照相关的规范标准进行建模，计算并分析结构内力，随后进行预应力筋的计算和布置，然后进行结构安全性验算和结果的输出整理。

2 设计概述

2.1 设计基本资料

2.1.1 工程概述

蟠龙河大桥位于XX区境内XX林车站和XX镇南于村交界处的蟠龙河上，桥址处河口宽86.00m，该连续梁桥起点桩号为K2+102.4，终点为K2+192.4，桥下没有通航要求。该桥桥址处属于冲击平原，河道地形。该地地震烈度为6级，且桥址附近的水泥、钢材市场可充分保障建桥所需原材料供应。

2.1.2 技术标准

道路等级：公路I级；

桥面净宽：共有两幅桥面，每幅桥面宽12m，选用25m的整体式桥台基础；

单幅净宽——m

1m

?

+；

1=

12

1

m

1

主梁片数：两幅，每幅各5片梁；

桥轴平面线型：直线；

桥面铺装：选择11cm厚沥青混凝土铺装方案。

2.1.3 材料规格

混凝土：预制梁及各处现浇部分（封锚、现浇接缝、墩顶现浇连续段）均采用C50混凝土，其余部分采用C30混凝土。

预应力钢绞线：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62－2004）采用d=15.2mm的钢绞线。

普通钢筋：钢筋规格应满足GB 13013－1991以及GB 1499－1998的要求，对于直径大于12mm的钢筋，均选用HRB335热轧带肋钢；反之，采用R235钢。

锚具：正弯矩区选用OVM15型锚具，负弯矩区顶板束选用BM15型锚具。

预应力管道：预应力管道根据施工条件和要求选用预埋波纹管成型管道。

支座：根据使用部位及其要求的不同，该桥分别选用GYZF4和GYZ两种板式橡胶支座，且支座的各项技术性能应符合规范的规定。

伸缩缝：选择SSF80A大变位伸缩缝。

2.2 设计方案比选

根据桥梁设计应符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求同时应满足美观、环境保护和可持续发展的要求，初步确定上承式拱桥、T型刚构桥、先简支后连续预应力混凝土连续T梁桥三种桥梁形式。

方案一：上承式拱桥

在相同的跨径下，拱桥的弯矩、剪力以及变形与同跨径的梁式桥相比都要小很多。因为拱桥结构主要以承压为主，所以一般可选用砖、石、混凝土及钢筋混凝土等承压能力较强的圬工材料来建造。拱桥外形非常美观，形状极似彩虹卧波，而且跨越能力大，所以可以作为跨径小于500米的比选方案来考虑。但是，由于拱桥结构会产生很大的水平推力，对于下部结构以及基础（尤其是桥台）的要求很高。此外，在施工过程中，由于拱桥结构在合龙成桥之前不能依靠自身维持平衡，因而相同情况下，拱桥的施工难度和危险程度都要远大于梁式桥。

方案二：T型刚构桥

刚构桥主要靠整体结合在一起的梁（或板）与立柱（或竖墙）的钢架结构来承重，由于其连接处有较大的刚性，因此可以抵抗负弯矩的作用。虽然刚构桥跨

中的建筑高度相对较小，但由普通钢筋混凝土建成的桥在梁柱刚结处非常容易产生裂缝。正是因为处于一种不受约束的自由变形状态下的T 构长悬臂，在车辆荷载的作用下，能够引起悬臂处较大的弯、扭应力，因此长悬臂的各个方向都比较容易产生裂缝；另外，在悬臂端由于混凝土收缩徐变所产生的挠度，会在悬臂端和挂梁之间的结合处形成一定大小的折角，不仅破坏伸缩缝，而且还会引起车辆跳车，使悬臂产生附加冲击力，导致行车不适，也不利于桥梁结构的受力。

方案三：先简支后连续预应力混凝土连续T 梁桥

与拱桥不同，梁式桥在竖向荷载作用下并不会产生水平反力。先简支后连续预应力混凝土连续T 梁桥结构简单，便于施工，结构整体性和耐久性较好，刚度相对较大，变形较小，对地基承载力的要求相对较低，建成后行车舒适，养护比较便利，维修费用少。在没有特殊要求和通航要求的河道选用多跨简支变连续T 梁桥可以完全满足桥下对净空的要求，同时减少对河床的压缩，便于汛期泄洪。此外，该桥跨度适中，主梁为预制T 梁，施工时可以先在工厂预制成型，不仅能够保证质量，还可以大大缩短工期。同时，该桥施工技术成熟，施工所需设备相对较少，所占施工场地少。桥型简洁明快，能够与周围环境相互协调。

综合考虑桥梁建设经济性、工期、养护维修及运营费用和适用性、美观性等多种因素，最终确定先简支后连续预应力混凝土连续T 梁桥为本设计最佳方案。

2.3 设计规范

交通部颁《公路工程抗震设计规范》（JTJ004—2005）

交通部颁《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041—2000）

交通部颁《公路工程技术标准》（JTG01—2003） 交通部颁《公路桥涵设计通用规范》（JTG60—2004），简称《通规》 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），简称《公预规》

2.4 桥博结构计算相关参数

结构重要性系数：1.0；混凝土加载龄期：28天； 材料：C50混凝土，其容重为25kN/m3，弹性模量为3.45×410MPa ； 支座的不均匀沉降：该桥边墩沉降为1.0cm ，中墩为1.0cm ； T 梁的整体升降温：T 梁整体升温20℃，降温20℃；

结构的竖向日照温差：升温 1T 14℃，2T 5.5℃；降温 1T -7℃，2T -2.75℃； 钢筋回缩、锚具变形以及接缝压缩值：正弯矩区钢束为（两端）12mm ；负弯矩区钢束为6mm ；

超张拉系数：0

人群荷载 3.52m kN ；人行道宽1.0m ； 预制梁皆为全预应力混凝土构件。

3 桥跨布置及结构尺寸拟定

3.1 桥跨总体布置

3.1.1 桥梁总跨径

根据桥梁总跨径的确定原则，充分考虑汛期设计洪水的宣泄，保证河流中的流冰和排筏能顺利通过，避免过分压缩河床和因河床压缩后的桥梁壅水危及河滩路堤以及附近农田和建筑物，综合这些因素最终确定桥梁总跨径为90m。

3.1.2 桥梁分孔

根据桥梁所在地的地形和环境、河床地质以及水文条件等具体情况，并结合桥梁的使用要求，在技术条件允许的前提下，选用最经济合理的桥梁分孔方式，最终确定等分跨径的方案，即桥梁分为三跨，每跨标准跨径30m，预制梁计算跨径均为28.950；三跨的预制梁长分别为：边梁29.72m，中梁29.6m；由简支变为连续后计算跨径为29.475m，中跨计算跨径为30m。

3.2 结构尺寸拟定

3.2.1 主梁数量与间距

该桥双幅桥面配合整体式路基，单幅桥宽12m，配以5片主梁。主梁间距受梁高和跨径的影响拟定为245cm，其中主梁内梁的翼缘板宽为245cm，边梁的翼缘板宽为232.5cm，由于主梁翼缘板较宽，为使桥梁能够合理受力，桥面板间的横向联系为现浇混凝土刚性接头。主梁跨中横断面（单幅）布置图如图3.1所示。

图3.1主梁跨中横断面布置图（尺寸单位：cm）

3.2.2 主梁结构尺寸

根据常用的连续梁桥主梁尺寸的经验数据可知，连续梁桥主梁梁高与跨径之

比一般在1/15~1/25之间，本设计在满足各项要求的情况下拟定该桥主梁高2m。

主梁的梁肋宽度在满足抗剪要求下可以适当减小，但梁肋太窄不利于混凝土的振捣密实。为了满足抗剪和安放支座要求，主梁梁肋在靠近端部2.0~5.0m范围内可逐渐加宽。对于预应力主梁梁肋还应做成马蹄形，且马蹄形部分的面积应达到全截面面积的10%~20%才最为经济合理，此外梁肋端部宽度还应满足预应力锚具布置的要求。

预应力T梁翼缘板一般采用变厚形式，其厚度随主梁间距而定。翼缘板根部厚度一般应大于主梁梁高的1/10，边缘厚度一般大于10cm；当桥面板间采用现浇整体连接时，翼缘板悬臂端厚度应大于14cm。

综上所述，所拟定的该桥主梁截面尺寸如图3.2所示。

梁端跨中

中梁

梁端跨中

边梁

图3.2主梁结构尺寸图（尺寸单位：cm）

3.2.3 横隔梁设置

主梁的整体性能受横隔梁的刚度影响，刚度越大，整体性能越好，在荷载作

用下各主梁受力才能更均匀合理。端横隔梁必须设置，且设置在支座处，同时在跨中设置一道横隔梁可以减小跨中弯矩。此外本设计在各主梁的四分点处也设有横隔梁，其间距分别为6.975m 和7.5m ，横隔梁厚20cm 。

3.3 毛截面几何特性计算

3.3.1 毛截面几何特性计算结果

主梁截面几何特性是荷载横向分布系数、预应力筋配置等计算的前提，本设计使用桥梁博士软件中的截面设计功能计算主梁毛截面几何特性，现将计算结果输出并整理如表3.1所示。

注：中性轴高度为中性轴到梁底缘的距离

3.3.2 截面效率指标ρ的验算

对于边梁跨中截面：

上核心距 3532.032

.18965.0418

.0=?=?∑∑=

x s y A I k m

下核心距 6857.0)

32.12(8965.0418

.0=-?=?∑∑=

s x y A I k m

截面效率指标 5.05195.02

6857

.03532.0>=+=+=h k k x s ρ 对于中梁跨中截面：

上核心距 3806.026

.1809.0388.0=?=?∑∑=

x s y A I k m

下核心距 6481.0)

26.12(809.0388

.0=-?=?∑∑=

s x y A I k m

截面效率指标 5.05144.02

6481

.03806.0>=+=+=

h k k x s ρ 由上可知，初步拟定的截面是比较合适的。

3.4 主梁单元的离散

根据单元离散原则，综合考虑计算精度和计算能力的限制，现将全桥一共划分为61个单元。当桥梁在简支阶段施工时，2、23和44号节点处设有可动铰支座，在19、40和61号节点处设有固定铰支座；简支变连续后，在2、21和61号节点处设有可动铰支座，在42号节点处设有固定铰支座，桥梁体系由简支变为连续。桥梁单元离散如图3.3和图3.4所示，主梁桥博建模模型（以中梁为例）如图3.5所示。

图3.3 桥梁半跨（左）单元离散图

图3.4 桥梁半跨（右）单元离散图

图3.5主梁模型图（中梁）

4 主梁作用效应计算

4.1 结构恒载作用效应计算

结构恒载作用效应包括以预制T 梁自重荷载和预制T 梁横向接缝现浇段自重荷载为主的一期恒载作用效应以及以桥面铺装、人行道和防撞护栏等为主的二期恒载作用效应。本设计使用桥梁博士进行结构恒载作用效应计算。

4.1.1 桥梁施工阶段介绍

为确定结构自重效应集度以及为方便之后使用桥梁博士软件进行各项计算现简要介绍全桥施工流程。该桥整个施工过程可以划分为以下四个阶段：

第一阶段：工厂预制T 型主梁，待其达到规定强度时张拉正弯矩区预应力束，并进行水泥浆灌注。吊装各跨主梁到位，形成有临时支座的三跨简支梁状态。 第二阶段：浇筑相邻两跨之间的接头混凝土，待其达到规定强度后张拉负弯矩区预应力束，并灌注水泥浆。

第三阶段：以永久支座取代第二阶段的全部临时支座，实现简支变连续的结构体系转换，浇筑桥面板横向接缝混凝土，形成三跨连续的超静定空间结构。

第四阶段：最后进行桥面附属结构施工，主要包括防撞护栏以及桥面铺装。

4.1.2 二期恒载作用集度计算

1．二期恒载

成桥后二期恒载作用集度包括桥面铺装和防护栏自重荷载集度，其中11cm 厚沥青混凝土桥面铺装，宽11m ，沥青混凝土重度取324m kN =γ，防撞护栏按每侧每延米0.33m 混凝土计算，每侧1.0m 宽人行道按m kN 64.2计算，由5片梁共同承担，此自重荷载集度由第四施工阶段形成。

2．二期恒载作用集度计算（2g ）

m kN 808.8)64.22253.0224911.0(g 2=?+??+??=

4.1.3 恒载作用效应计算结果

由桥梁博士输出桥梁恒载效应计算结果，（对称只取半跨）整理如表4.1（边梁）和表4.2（中梁）所示，并由桥博绘出二期恒载作用弯矩图，见图4.1。