煤海大桥预应力钢筋混凝土简支T形梁桥毕业设计.doc

前言本次设计的煤海大桥预应力钢筋混凝土简支T形梁桥，桥梁主跨标准跨径30米，分为7跨，总长为210米。 海大桥下部结构设计是本桥的重要组成部分，应按一级公路的设计标准来修建，设计荷载：汽车荷载按公路-I级。下部结构的设计包括：盖梁尺寸拟定、内力计算、截面配筋及承载力校核；桥墩内力计算、配筋设计、应力验算；桩基内力计算、桩长计算、配筋及强度验算；桥台恒载、活载、土压力的计算，对计算结果进行地基承载力、基底偏心距、基础稳定性的验算。桩基采用m法。主要的设计依据有公路桥涵设计通用规范、公路桥涵地基与基础设计规范等。从古至今，从国外到国内，桥梁的外观、设计、技术、桥型、施工方法都在逐渐发展、完善。从木桥、竹索桥到石桥、铁链桥，再到现在的各种桥梁。人们为了生存发展，在面对大自然的千姿百态时不曾动容，创造了一次次奇迹，迎来一次次辉煌。国内、国外在桥梁工程史上的伟大成就我们是有目共睹的。一部桥梁发展的历史，是桥梁跨径不断增大的历史，是桥型不断丰富的历史，是结构不断轻型化的历史。我国自50年代中期开始修建预应力混凝土梁桥，至今已有40多年的历史，比欧洲起步晚，但近对年来发展迅速，在预应力混凝土桥梁的设计、结构分析、试验研究、预应力材料及工艺设备、施工工艺等方面日新月异，预应力混凝土梁桥的设计技术与施工技术都已达到相当高的水平。近20年来，我国已建成的具有代表意义的连续梁桥有跨径90m的哈尔滨松花江大桥、跨径120m的湖南常德沅水大桥、主跨125m的宜昌乐天溪桥、跨径154m的云南六库怒江大桥等。国内外桥梁的现状和发展趋势：1）跨径不断增大；2）桥型不断丰富，施工技术不断提高，施工方法不断改进；3）结构不断轻型化。近代随着桥梁建筑的发展，对于建桥材料、施工方法、设计理论等方面提出了新的要求。1 设计资料与方案比选1.1 设计标准及上部构造路线道路等级：高速公路。计算行车速度：100 km /h；设计荷载：汽车荷载按公路-I级 桥面分为左右双幅，单幅12.25m，净3.72×3+2×0.5m。标准跨径：30m；计算跨径：29.2m；梁长29.90m上部构造：预应力钢筋混凝土简支T型梁。1.2 水文地质条件煤海大桥位于辽宁省阜新市郊，河流均为独流水域，流量随季节变化较大，平均水深0.5m左右，地表水体为沙河支流，属于季节性河流（勘察时无水），设计洪水频率百年一遇,气候属北温带大陆性气候，冬寒夏热，昼夜温差大，年平均最低气温-23，历史最高气温为36，年平均气温为7。年平均降水量为450mm-550mm，无霜期为145-160天。项目区域工程地质条件比较简单，第四系覆盖层有薄有厚，表层常为可塑粘性土，厚度一般710m，呈坚硬到可塑状态，其下常为厚度不等粉土层的通常为58m，在下部为中砂砾，呈中密密实状态，承载力高，工程性质较好。1.3 材料(1)混凝土：钻孔灌注桩: C30混凝土桥墩: C30混凝土桥墩 (盖梁) ： C35混凝土桥台（盖梁） ： C30混凝土(2) 钢筋： HRB335、R2351.4 下部结构方案比选1.4.1桥墩的类型及比选结果桥墩的作用是支承在它左右两跨的上部结构通过支座传来的竖直力和水平力。有时桥墩建在江河之中，它还要承受流水压力，水面以上的风力和可能出现的冰压力，船只等的撞击力。所以桥墩在结构上必须有足够的强度和稳定性，在布设上要考虑桥墩与河流的相互影响，在空间上应满足通航和通车要求。具体桥梁建设时采用什么类型的桥墩，应依据地质、地形及水文条件、墩高、桥跨结构要求及荷载性质及大小，通航和水面漂浮物等，桥跨以及施工条件等因素综合考虑。但是在同一座桥梁内，应尽量减少桥墩的类型。1） 实体式桥墩：主要特点是依靠自身重量来平衡外力而保持稳定，它墩身比较厚实，可以不用钢筋，而用天然石材或者片石混凝土砌筑，适宜荷载较大的大、中型桥梁，或流冰、漂浮物较多的江河之中。此类桥墩的最大缺点是圬工数量较大，因而其自重大阻水面积也较大，要求地基承载力高。有时为了减轻墩身体积，通常将墩顶部分做成悬臂式的。 2）空心式桥墩：外形类似重力式桥墩，但是它是中空的薄壁墩，较适用于高桥墩，它克服了实体式桥墩在许多情况下材料强度得不到充分发挥的缺点，而将混凝土或钢筋混凝土桥墩做成空心薄壁结构等形式，这样可以节省圬工材料，还减轻重量，施工速度快。其缺点是抵抗流水冲击和水中夹带的泥沙或冰块冲击力的能力差。 3）桩或柱式桥墩：由于钻孔灌注桩基础的广泛使用，桩式桥墩在桥梁工程中得到普遍采用。多采用就地浇筑混凝土建造，外型美观，圬工体积小。这种结构一般用于桥跨不大于50m，墩身不高于10m的情况。如在桩顶上修筑承台，在承台上修筑立柱作墩身，则成为柱式桥墩。柱式桥墩可以是单柱，也可以是双柱或多柱形式，视结构需要而定。综合以上，本次桥梁下部结构设计采用双柱式桥墩。1.4.2桥台的类型及比选结果桥台是两端桥头的支承结构物，它是连接道路与桥梁的构造物。它既要承受支座传递来的竖直力和水平力，还要挡土护岸，承受台后填土及填土上荷载产生的侧向土压力。因此桥台必须有足够的强度，并能避免在荷载作用下发生过大的水平位移、转动和沉降。当前，我国公路桥梁的桥台有实体式桥台和埋置式桥台等形式。1）实体式桥台：U型桥台它是最常用的桥台形式，它由支承桥跨结构的台身与两侧翼墙在平面上构成U字形而得名。一般用圬工材料砌筑，构造简单，可以用混凝土或片、块石砌筑，适合于填土高度在810m以下，跨度稍大的桥梁。缺点是桥的侧墙之间的填土容易积水，结冰后冻胀，使侧墙产生裂缝，而且桥台体积和自重较大，也增加了对地基的要求。2）埋置式桥台：它适应于各种地基，根据桥宽和地基承载力可以选择采用双柱、三柱或多柱的形式，它是将台身大部分埋入锥形护坡中，只露出台帽在外以安置支座及上部构造物。这样，桥台所受的土压力大为减少，体积可以大为减少。但是由于台前护坡用作永久性表面防护设施，存在着被洪水冲毁而使台身裸露的可能，故一般用于桥头为浅滩、护坡受冲刷较小的场合。埋置式桥台不一定是实体结构。配合钻孔灌注桩基础，埋置式桥台一般多采用桩柱上的框架式和锚拉式等型式。由上面各种桥墩和桥台的比较，根据经济造价、地质条件、技术以及本路段填土等要求应选用双柱式桥墩，埋置式桥台，混凝土灌注柱基础。1.5 桥梁下部结构尺寸桥梁下部结构尺寸如下图所示:图1-1 桥墩一般构造/ mmFig. 1-1 Pier general structure/ mm将墩柱的圆形截面换算为0.8倍的方形截面时，a=0.8d=0.8×180=144cm，故盖梁的跨高比，故可按深受弯构件进行相关计算和验算； 盖梁的悬臂端，属于一般的钢筋混凝土悬臂梁。盖梁惯性矩：柱的惯性矩： 柱与梁的线刚度之比为：>5 (1-1) 故可按简支梁计算。2盖梁计算2.1上部构造恒载上部构造恒载如表2-1所示表2-1上部构造恒载Table 2-1 upper structure dead load每片边梁自重KN/m每片中梁自重KN/m一孔上部结构总重（KN）每个支座的恒载反力（KN）1.5号梁2.3.4号梁5974.161.5号梁2.3.4号梁39.4440.31575.90588.462.2 盖梁自重及内力计算： 图2-1 盖梁尺寸/ mmFig. 2-1 The size of bent cap/ mm盖梁自重及内力计算见下表：表2-1 盖梁自重及内力表Table 2-1 The dead-weight and internal force of bent cap 截面编号自重（KN）弯矩（KN/m）剪力（KN）Q左Q右1-1-34.125-34.1252-2-54.375-54.3753-3-74.25223.1254-4168.75168.755-5002.3 活载计算1）、活载横向分布系数计算荷载对称布置时用杠杆法，非对称布置时用偏心压力法。对称布置：（1）公路-级车辆荷载：单列车：图2-2 单列公路I级荷载对称布置/mmFig. 2-2 single row road - I level of load symmetrical arrangement/mm 双列车： 图2-3 双列公路I级荷载对称布置/mmFig. 2-3 two row road - I level of load symmetrical arrangement/mm 三列车： 图2-4三列公路I级荷载对称布置/mmFig. 2-4 three row road - I level of load symmetrical arrangement/mm 非对称布置时1）公路-I级车辆荷载 单列车:图2-5单列公路I级荷载非对称布置/mmFig.2-5 Single row road-I level of load asymmetrical arrangement/mm (2-1) 已知n=5、e=422.5cm 则： 双列车：图2-6双列公路I级荷载非对称布置Fig.2-6 Double row road-I level of load asymmetrical arrangement e=275cm 三列车：图2-7双列公路I级荷载非对称布置Fig.2-7 Double row road-I level of load asymmetrical arrangement e=125cm 2）按顺桥向活载移动情况,求得支座活载反力的最大值。 公路-I级汽车荷载： a、单孔布载： ，图2-8 公路I级荷载单孔单列布置 Fig. 2-8 Road - I level of load single-hole and single row arrangement 单列车: 双列车： 三列车： (0.78为折减系数)b、双孔布载：图2-9 公路I级荷载双孔单列布置Fig. 2-9 Road - I level of load two-hole and single row arrangement 单列车： 双列车： 三列车： 活载横向分布后各梁的支点反力： （2-2）表2-2 各梁活载反力计算表Table 2-2 Calculation of anti-beam live load 活载横向分布后各梁反力汇总表 荷载横向分布情况 公路-I级荷载 计算方法荷载布置横向分布系数单孔双孔BRiBRi对称布置按杠杆法计算单列行车0450.10603.400.1881.02108.610.64288.064386.180.1881.02108.61000双列行车0900.20.001206.80.000.62558.12748.220.38342.08458.580.62558.12748.2200.000.00三列行车0.31053.23315.971411.95423.590.82863.651157.800.76800.451073.080.82863.651157.800.3315.97423.59非对称布置按偏心受压法计算单列行车0.648450.1291.66603.4391.000.424190.84255.840.290.02120.68-0.024-10.80-14.48-0.248-111.62-149.64双列行车0.42900.2378.081206.8506.860.31279.06374.110.2180.04241.360.0981.02108.61-0.02-18.00-24.14三列行车0.31053.23315.971411.95423.590.25263.31352.990.2210.65282.390.15157.98211.790.1105.32141.204）各梁永久荷载和可变荷载的反力组合： 冲击系数1+=1.253，影响线长度按双孔计： （2-3） 表2-3 各梁永久荷载和可变荷载的反力组合 Table 2-3 different beam counterforce combination of permanent load and variable load各梁永久荷载、可变荷载基本组合编号荷载情况1号梁2号梁3号梁4号梁5号梁1恒载1151.79 1176.91 1176.91 1176.91 1151.79 2公路一级二列对称0.00 937.51 574.61 937.51 0.00 3公路一级二列非对称635.09 468.76 302.42 136.09 -30.24 4公路一级三列对称530.75 1450.72 1344.57 1450.72 530.75 5公路一级三列非对称530.75 442.29 353.83 265.38 176.92 7组合（1+2）1151.79 2114.42 1751.52 2114.42 1151.79 8组合（1+3）1786.88 1645.67 1479.33 1313.00 1121.55 9组合（1+4）1682.54 2627.63 2521.48 2627.63 1682.54 10组合（1+5）1682.54 1619.20 1530.74 1442.29 1328.71 2.4双柱反力Gi的计算 双柱受力见下图：图2-10 双柱反力计算图/mmFig. 2-10 Reactions acting of double Pier/mm表2-4 墩柱反力计算表Table 2-4 Calculation of pier reaction编号荷载组合反力G1（KN）反力G2（KN）11+24141.97 4141.9721+34168.25 3178.1831+45570.92 5570.9241+54065.01 3538.47 由上表可知，对称三列布置时立柱反力最大(G1 = G2)，并由荷载组合（编号3）时控制设计，此时G1= G2=5570.92 KN2.5内力计算2.5.1 恒载加活载作用下的各截面的内力1)弯矩计算： 为求得最大弯矩值，支点负弯矩取非对称布置时的数值，跨中弯矩取用对称布置时数值。 各截面弯矩计算式如下： M1-1=0 M2-2=0 M3-3=×0.8 M4-4=×2.5+×1.7 M5-5=×4.2×5×2.5 各截面弯矩计算结果见下表：表2-5 弯矩组合表Table 2-5 Combination of moments荷载组合情况墩柱反力梁支座反力各截面弯矩G1R1R2截面2-2截面3-3截面4-4截面5-5组合(1+2)4141.97 1151.79 2114.42 0.00 -921.43 4161.88 6351.27 组合(1+3)4168.25 1786.88 1645.67 0.00 -1429.50 2618.83 4458.10 组合(1+4)5570.92 1682.54 2627.63 0.00 -1346.03 5264.20 8416.05 组合(1+5)4065.01 1682.54 1619.20 0.00 -1346.03 2704.16 4612.33 2)相应最大弯矩值时的剪力计算：截面11: =0； =； 截面22: =；截面33: =； =； 截面44: =； =；截面55: =； =；表2-6 剪力组合表Table 2-6 Combination of shear forces组合情况墩柱反力梁支座反力R1R2R3组合(1+2)4141.97 1151.79 2114.42 1751.52 组合(1+3)4168.25 1786.88 1645.67 1479.33 组合(1+4)5570.92 1682.54 2627.63 2521.48 组合(1+5)4065.01 1682.54 1619.20 1530.74 续2-6表组合情况各截面剪力截面1-1截面2-2截面3-3截面4-4截面5-5v左V右v左V右v左V右v左V右v左V右组合(1+2)0-1151.79 -1151.79 -1151.79 -1151.79 2990.18 2990.18 875.757 875.76 -875.76 组合(1+3)0-1786.88 -1786.88 -1786.88 -1786.88 2381.37 2381.37 735.707 735.71 -743.63 组合(1+4)0-1682.54 -1682.54 -1682.54 -1682.54 3888.37 3888.37 1260.741 1260.74 -1260.74 组合(1+5)0-1682.54 -1682.54 -1682.54 -1682.54 2382.47 2382.47 763.266 763.27 -767.48 2.5.2 盖梁内力汇总表 表2-7 盖梁内力汇总表Table 2-7 capping beam internal force summary table 截面号内力 1122334455弯矩M自重-10.4125-23.6875-88.7875530.75506.5625M荷载00.00 -1429.50 2618.83 8416.05 M计算-10.4125-23.69 -1518.29 3149.58 8922.62 剪力V自重左-34.125-54.375-74.25168.750右-34.125-54.375223.125168.750V荷载左0.00 -1786.88 -1786.88 3888.37 1260.74 右-1786.88 -1786.88 3888.37 1260.74 -1260.74 V计算左-34.13 -1841.26 -1861.13 4057.12 1260.74 右-1821.01 -1841.26 4111.50 1429.49 -1260.74 2.5.3 盖梁各截面的配筋设计及承载力校核 采用C35混凝土，fcd=16.1Mpa； ftd=1.52Mpa，主筋采用HRB335钢筋，I类环境条件，保护层厚度为30mm，结构重要系数。桥规中规定作为短梁在设计计算时的钢筋混凝土盖梁的纵向受拉钢筋一般应沿盖梁长度方向通长布置，中间不要断开或者弯起，因此1-1，2-2，3-3截面相同，受弯矩作用，在梁的上部配置受拉钢筋，配筋与3-3截面配置相同计算时以3-3截面为例;而4-4截面与跨中（5-5）截面是在梁的下部配置受拉钢筋，4-4与跨中截面配筋相同，计算时以跨中截面为例。 1)跨中截面： 跨中高h=1800、宽1500，设 则有效高度为： 内力：=8922.62 由公式得 解得：= 所需要的钢筋面积： 将代入上式 实际选用25根32钢筋，实际，分两层布置，采用焊接钢筋骨架：上层6根，下层为19根。计算得：配筋率： >满足要求。受压区高度实际承载力： 所以5-5，4-4截面抗弯承载力验算符合要求。2) 截面3-3：高h=1800、宽1500，设则有效高度为：内力：=1518.29由公式得 解得：=所需要的钢筋面积：将代入上式 (2-4)实际选用10根20钢筋，实际，布置一层。计算得：配筋率： <不满足最小配筋率的要求。因此，采用最小配筋率进行配筋：配置1128，实际由于1-1，2-2，3-3截面尺寸相同，因此以3-3界面为例进行计算。校核： 配筋率： >且 >，配筋符合要求。受压区高度 实际承载力： 所以3-3，2-2，1-1截面抗弯承载力验算符合要求。 表2-8截面配筋设计Table 2-8 The design section of steel reinforcement截面号截面尺寸弯矩M实际配筋b(mm)h(mm)（KN.M）数量面积as取值配筋率>Mu(KN.M)111500180010.41 11286773.8500.258 3190.605 221500180023.69 11286773.8500.258 3190.605 33150018001518.29 11286773.8500.258 3190.605 44150018003149.58 253220105600.770 8986.728 55150018008922.62 253220105600.770 8986.728 2.5.4盖梁斜截面抗剪承载力计算公路桥规中规定根据有关试验资料及有关设计资料，深受弯构件的钢筋混凝土盖梁进行斜截面抗剪承载力计算公式如下： （2-5）其中-连续梁异号弯矩影响系数，计算近边点梁段的抗剪承载力时，取=1.0，计算中间支点梁段时，取=0.9，钢构个节点附近时取=0.9。-箍筋配筋率。-箍筋抗拉强度设计值（Mpa），取值不宜大于280Mpa。截面应满足下式要求： （2-6）其中，.1）截面验算（1）1-1截面： 所以 1-1截面合格。（2）2-2，3-3截面 所以 2-2，3-3截面合格。（3）4-4，5-5截面 所以 4-4，5-5截面合格。由此可知盖梁的各个截面都满足要求。2）计算各截面配箍率。由得到 斜截面的箍筋采用HRB335，直径（1）1-1截面 1-1截面安最小配箍率进行配筋。（2）2-2截面 2-2截面按最小配箍率进行配筋。（3）3-3截面 3-3截面按计算配筋进行配置。（4）4-4截面 4-4截面按计算配筋进行配置。（5）5-5截面 5-5截面按最小配箍率进行配筋。3）计算箍筋间距。（1）公预规中规定深受弯构件的盖梁内设置箍筋，其直径不应小于，间距不应大于。（2）公路桥规中规定。（3）根据3-3截面的计算配箍率确定箍筋间距 （4）根据最小配箍率，确定最大箍筋间距，箍筋采用直径 由以上四条取最大箍筋间距为（设定各截面箍筋间距都相等）。 。4）验算各截面的受剪承载力（1）1-1截面 承载力满足要求。（2）2-2截面 2-2截面承载力满足要求。（3）3-3截面 3-3截面承载力满足要求。（4）4-4截面 4-4截面承载力满足要求。（5）5-5截面 5-5截面承载力满足要求。5）验算各斜截面的抗剪承载力。按照公路桥规关于复核截面位置和复核方法的要求进行复核外伸梁部分距支座点h/2处的斜截面抗剪承载力检查截面尺寸正截面的有效高度剪力计算值 截面尺寸满足要求，并且不需要进行斜截面抗剪承载力的计算，仅按照构造要求配置箍筋即可。（2）复核距支座中点向跨中方向h/2处的斜截面抗剪承载力a检查截面尺寸 正截面的有效高度 剪力计算值 截面尺寸满足要求，需要进行斜截面抗剪承载力的计算b斜截面顶端位置的确定 以距支座h/2=900mm处为斜截面底端位置即下图B”点，现向跨中方向取距离为 的截面，可以认为验算截面顶端在此正截面上。 下面进行剪跨比M的计算. 由图可知，需验算截面顶端位置距支座中心， 位于4-4，5-5 截面之间，可近似认为斜截面弯矩按线性变化，则斜截面顶端截面的弯矩计算值为 剪力计算值 图2-11 斜截面抗剪验算示意图Figure 2-11 oblique section shear calculation sketch 计算截面有效高度 剪跨比m的计算值 斜截面投影长度C为 验算斜截面的下端实际距支座中心即图中的B点。C斜截面抗剪承载力计算 斜截面内纵向受拉钢筋，主筋配筋率为: 因此斜截面抗剪承载力为 而验算截面处的剪力计算值 距支座h/2跨中点处斜截面抗剪承载力满足要求。 表2-9 盖梁各斜截面抗剪承载力汇总表 Table 2-9 summary table of the oblique section shear bearing capacity of beam截面号截面尺寸剪力V（KN）<验算截面计算配箍率实际箍筋间距实际配箍率截面抗剪能力 h0(mm)合格(%)（mm）(%)（KN）11左15001750-34.137747.60 0.00000 1000.452400 4430.36 11右15001750-1821.01 7747.60 0.07643 1000.452400 4430.36 22左15001750-1841.26 7747.60 0.07814 1000.452400 4430.36 22右15001750-1841.26 7747.60 0.07814 1000.452400 4430.36 33左15001750-1861.13 7747.60 0.07984 1000.452400 4430.36 33右150017504111.50 7747.60 0.38962 1000.452400 4430.39 44左150017404057.12 7703.33 0.33587 1000.452400 4708.77 44右150017401429.49 7703.33 0.04170 1000.452400 4708.77 55左150017401260.24 7703.33 0.03241 1000.452400 4708.77 55右15001740-1260.24 7703.33 0.03241 1000.452400 4708.77 图2-11盖梁配筋图/cmFig. 2-11 Cover beam reinforcement figure/cm2.5.5验算跨中出最大裂缝密度 双柱间盖梁接短梁进行跨中截面裂缝宽度计算盖梁跨中长期效应与短期效应组合弯矩计算。 a.盖梁自重在跨中产生的弯矩 b.上部结构在盖梁中产生的弯矩。 汽车荷载在盖梁中产生的弯矩 双孔三列对称布置 双孔三列非对称布置 d.荷载短期效应组合弯矩计算值 e.荷载短期效应组合弯矩计算值 计算系数 带肋钢筋系数 钢筋应力的计算 (4) 换算直径的计算对于焊接钢筋骨架 (5) 纵向受拉钢筋配筋率的计算 (6) 最大裂缝跨度的计算 抗裂满足要求。3桥墩墩柱计算3