预应力混凝土简支T型梁桥设计

大连星海大桥

预应力混凝土简支T型梁桥设计

摘要

桥是跨越障碍的通道，随着我国城市建设和高等级公路、道路建设的发展，桥梁的建设也将成为必然的趋势。预应力混凝土简支T型梁桥设计在我国公路上修建很多。

本毕业设计内容为预应力混凝土简支T型梁桥设计，结构设计包括对预应力混凝土简支T型梁、墩柱及盖梁的设计和计算，具体计算方法包括荷载横向分布系数计算法、容许应力法。施工组织包括钻孔桩施工、T型梁的预制和架设、支座和伸缩缝施工、以及桥面铺装和栏杆施工以及附属结构的施工等。

设计中参考了《桥梁计算示例集—混凝土简支梁（板）桥》、《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》、《公路桥涵设计通用规范》、《桥梁工程》、《桥梁施工组织管理》等课内外有关资料。

关键词：桥梁，设计，预应力，混凝土 T梁

Abstract

Bridge across obstacles corridors, with our urban construction and the high-grade highway, road construction, bridge building will also become the inevitable trend. Pre-stressed Concrete T bridge design teams in the construction of many of our roads.

The design elements for Pre-stressed Concrete graduated from T bridge design, structural design, including extensions of Pre-stressed Concrete, and culvert design and calculation, the specific methodology including horizontal distribution of load factor calculations, allowing stress law. Construction organizations, including bored pile construction, and erection of prefabricated T bridge design, secure and joints construction, decking and railings and deck construction and construction subsidiary structure.

Specific reference in the design of the "bridge of examples Collection - concrete extensions (board) Bridge," and "Highway design of reinforced concrete and pre-stressed norms", "road tunnels designed generic norms", "bridge project", "bridge construction organization and management" classes and outside information.

Key words: bridge，design，pre-stress，concrete，T bridge目录

摘要 (1)

Abstract (Ⅱ)

一绪论 (4)

二方案比选 (5)

2.1方案编制 (6)

2.2 推荐方案 (7)

三上部结构设计 (7)

3.1 设计资料及构造布置 (8)

3.1.1 设计资料 (8)

3.1.2 横截面布置 (10)

3.1.3 横截面沿跨长的变化 (14)

3.1.4 横隔梁的设置 (14)

3.2 主梁作用效应计算 (14)

3.2.1 永久作用集度 (14)

3.2.2 可变作用效应计算 (17)

3.2.3 主梁作用效应组合 (25)

3.3 预应力钢束的估算及其布置 (26)

3.3.1 跨中截面钢束的估算和确定 (26)

3.3.2 预应力钢束布置 (27)

3.4 计算主梁几何截面特性 (33)

3.4.1 截面面积及惯矩计算 (33)

3.4.2 截面净矩计算 (36)

3.4.3 截面几何特性汇总 (37)

3.5 钢束预应力损失计算 (39)

3.5.1 预应力钢束与管道壁之间的摩擦引起的预应力损失 (40)

3.5.2 由锚具变形、钢束回缩引起的预应力损失 (40)

3.5.3 混凝土弹性压缩引起的预应力损失 (41)

3.5.4 由钢束应力松弛引起的预应力损失 (42)

3.5.5 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失 (44)

3.5.6 成桥后张拉N7号钢束混凝土弹性压缩引起的预应力损失 (45)

3.5.7 预加力计算及钢束预应力损失汇总 (46)

3.6 主梁截面承载力与应力验算 (46)

3.6.1 持久状态承载能力极限状态承载力验算 (46)

3.6.2 持久状况正常使用极限状态抗裂验算 (55)

3.6.3 持久状况构件的应力验算 (58)

3.7 主梁端部的局部承压验算 (66)

3.7.1 局部承压区的截面尺寸验算 (66)

3.7.2 局部抗压承载力验算 (68)

3.8 主梁变形验算 (69)

3.8.1 计算由预加力引起的跨中反拱度 (69)

3.8.2 计算由跨中引起的跨中挠度 (71)

3.8.3 结构刚度验算 (71)

3.8.4 预拱度的设置 (71)

3.9 行车道板计算 (72)

3.9.1 悬臂板荷载效应计算 (72)

3.9.2 连续板荷载效应计算 (73)

3.9.3 截面设计、配筋与承载力验算 (76)

3.10 支座计算 (79)

3.10.1选定支座的平面尺寸 (79)

3.10.2 确定支座的厚度 (80)

3.10.3 验算支座的偏转 (81)

四下部结构设计 (82)

4.1 基本资料 (83)

4.2 盖梁计算 (84)

4.2.1 荷载计算 (84)

4.3 内力计算 (92)

4.4 截面配筋设计与承载力校核 (96)

4.5 桥墩墩柱设计 (100)

4.5.1 荷载计算 (100)

4.5.2 截面配筋计算及应力验算 (103)

4.6 钻孔桩计算 (105)

4.6.1 荷载计算 (105)

4.6.2 桩长计算 (108)

4.6.3 桩的内力计算（m法） (109)

4.6.4 桩身截面配筋与承载力验算（图2-16） (111)

4.6.5 墩顶纵向水平位移验算 (112)

五施工组织设计 (114)

5.1 编制说明 (114)

5.2 编制依据 (115)

5.3 工程概况 (115)

5.4 主要工程项目的施工方案 (116)

5.4.1 桥下部结构施工 (116)

5.4.2 桥上部结构施工 (118)

5.5 主要单项工程施工工艺 (122)

5.6 编制施工计划 (129)

5.7 劳动力、机具、材料投入 (130)

5.8 雨季的施工安排 (132)

5.9 质量安全保证体系 (132)

5.10 附图 (134)

结论 (139)

参考文献 (140)

谢辞 (141)

一绪论

梁式桥种类很多，也是公路桥梁中最常用的桥型，路桥梁常用的梁式桥形式有简支梁、悬臂梁、连续梁等，梁式桥跨径大小是技术水平的重要指标，一定程度上反映一个国家的工业、交通、桥梁设计和施工各方面的成就。80年代以来，我国公路上修建了几座具有代表性的预应力混凝上简支T型梁桥（或桥面连续），如河南的郑州、开封黄河公路桥，浙江省的飞云江大桥等，其跨径达到62m，吊装重220t。

T形梁采用钢筋混凝土结构的已经很少了，从16m到50m跨径，都是采用预制拼装后张法预应力混凝土T形梁。预应力体系采用钢绞线群锚，在工地预制，吊装架设。其发展趋势为：采用高强、低松弛钢绞线群锚，混凝土标号40～60

号；T形梁的翼缘板加宽，25m是合适的；吊装重量增加；为了减少接缝，改善行车，采用工型梁，现浇梁端横梁湿接头和桥面，在桥面现浇混凝土中布置负弯矩钢束，形成比桥面连续更进一步的“准连续”结构。预应力混凝土T形梁有结构简单，受力明确、节省材料、架设安装方便，跨越能力较大等优点。其最大跨径以不超过50m为宜，再加大跨径不论从受力、构造、经济上都不合理了。大于50m跨径以选择箱形截面为宜。目前的预应力混凝土简支“准连续“。

随着交通建设事业的发展，大量的预应力混凝土简支T梁被广泛应用，其中的标准化设计起到了重要作用。我国交通行业预应力混凝土简支T梁标准化设计经历过了一个从无到有的发展过程。20世纪60年代，主要套用过去苏联的标准图。20世纪70年代由交通部组织交通部第二公路勘察设计院编制了装配式后张法预应力混凝土简支梁标准图JT/GQB-025-75。20世纪80年代出版了新的标准图－装配式钢筋混凝土简支梁JT/GQB-024-83。进人20世纪90年代，交通部先后出版了预应力空心板、预应力混凝土I型组合梁标准图。但预应力混凝土简支T梁标准化工作相对滞后，这期间的预应力混凝土简支梁在桥梁建设中仍占有相当的比例，北京市每年有近80%为这种结构形式，而一些新技术、新工艺、新材料的迅速发展和应用，原有的标准图已不适用。为此，北京市公路局于1998年向北京市公路设计研究院下达了预应力混凝土简T梁桥通用图课题，历时2年，于1999年完成了这一课题并通过了北京市组织的专家鉴定。认为该通用图结构设计合理，完善和提高了国内预应力混凝土简支T梁桥标准化设计水平，有推广应用价值，为国内先进水平。

预应力混凝土桥梁一旦跃上桥梁建设的历史舞台，就显示出它的强大竞争力，从50年代创建突破了100m的跨径纪录，经过30余年的迅猛发展，至今已创建了440m的跨径纪录。目前，在规划中的设计方案又突破500m的跨径纪录的趋势。而在实际的工程实践中，在400m以下的跨径范围中，预应力混凝土桥梁常为优胜的方案。

随着我国经济发展，材料、机械、设备工业相应发展，这为我国修建高质量桥梁提供了有力保障。再加上广大桥梁建设者的精心设计和施工，使我国建桥水平已跃身于世界先进行列。我国幅员辽阔，经济发展水平参差不齐，经济上总体水平不高，公路桥梁发展还是要着眼于量大、面广的一般大、中桥，这类桥梁仍以预应力混凝土结构为主。所以我们要着重抓多样化、标准化，编制适用经济的标准图，提高施工水平和质量，然后抓住跨越大江（河）、海湾的特大型桥梁建设，不断总结经验，高标准、高质量建桥。

二方案比选

2.1方案编制

根据桥所在的地理位置，桥梁水文，地质情况等，决定选择以下三个方案：第一方案：预应力斜拉桥:5m+80m+10m+80m+5m

优缺点：斜拉桥就塔墩墩距来说，是大跨径，可以做到一般型式的桥都难做到的特大跨径。由于拉索是弹性支承，因而支承刚度(主要决定于拉索面积)是可变的，另外还可对拉索施加预应力。斜缆索的水平分力对主梁的轴向预施压力可以增强主梁的抗裂性能，节约高强度钢材的用量。斜拉桥也是重要的景观建筑，可以体现一个城市甚至一个国家的建筑技术，和艺术品位。但斜拉桥施工工艺和施工控制不是很成熟，且养护与日常检查费用较高。

第二方案：T形刚构桥:10m+40m*4+10m

优缺点：刚构桥外形美观，结构尺寸较小，桥下净空大，桥上视野开阔。但敦梁连接构造复杂，柱脚有水平推力。钢筋混凝土刚构桥混凝土用量少，然而钢筋的用量较大，且梁柱刚接处易开裂。刚构桥基础工程造价也较高，施工比较困难。

第三方案：预应力简支梁桥：6*30m

优缺点：能最有效的利用现代的高强度材料，减少构件截面，显著降低自重所占全部设计荷载比重，跨越能力大。预应力混凝土在使用荷载下不出现裂缝，故梁的刚度比较大。有利于生产和施工的机械化。但工程数量大，造价高。其截面形式不便于运输，安装。建筑高度较高，土方量大，引道长度较长，增加了公路造价。需要有一套专门的预应力张拉设备和材质好的、制作精度高的锚具，施工工艺复杂。

2.2 推荐方案

采用方案三，即预应力混凝土简支T形梁桥，结构形式采用装配式，优点是制造简单、整体性好、接头也方便。预应力混凝土T形梁有结构简单，受力明确、节省材料、架设安装方便，跨越能力较大等优点。

三上部结构设计

3.1 设计资料及构造布置

3.1.1 设计资料

1.技术资料

标准跨径：30m；

主梁全长：29.96m；

计算跨径：29.00m；

桥面净宽：11+230.5m (无人行道)

设计荷载:公路—Ⅰ级

气温：年最高气温:43℃最低：-5℃

2.河床地质情况

见所给桥位地质剖面图

3.材料及工艺

混凝土：主梁采用C50，栏杆及桥面铺装C30。

预应力钢筋采用《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钢绞线，每束7根，全梁配7束，

f=1860Mpa。

pk

普通钢筋直径大于和等于12mm的采用HRB335钢筋；直径小于12mm 的均用R235钢筋。

按后张法施工工艺制作主梁，采用内径70mm、外径77mm的预埋波纹管和夹片锚具。

4.设计依据及参考用书

中华人民共和国交通部标准，《公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）》北京人民交通出版社;

中华人民共和国交通部标准，《公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ029-85）》;

中华人民共和国交通部标准，《公路施工技术规范（JTJ041-89）》;

范立础主编，《桥梁工程》（上册），北京人民交通出版社，1980；

顾安邦主编，《桥梁工程》（下册），北京人民交通出版社，1980；

叶见曙主编，《结构设计原理》，北京1997；

徐光辉主编，《桥梁计算示例集》，预应力混凝土刚架桥，1995；

李廉锟主编，《结构力学》，北京教育出版社，1996;

陈忠延主编，《土木工程专业毕业设计指南》，桥梁工程分册，北京水利水电出版社，2000;

5.基本计算数据

表1-1

3.1.2 横截面布置

1．主梁间距与主梁片数

主梁间距通常应随梁高与跨径的增大而加宽为经济，同时加宽翼板对提高主梁截面效率指标ρ很有效，故在许可条件下应适当加宽T 梁翼板。

本设计主梁翼板宽度为2400mm ，由于宽度较大，为保证桥梁的整体受力性能，桥面板采用现浇混凝土刚性接头，因此主梁的工作截面有两种：预施应力、运输、吊装阶段的小截面（i b =1800mm ）和运营阶段的大截面（i b =2400mm ）。净—11+230.5的桥宽选用五片主梁，如图1—1所示。

图1—1

跨径中线

2．主梁跨中截面主要尺寸拟订

（1）、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。当建筑高度不受限制时，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，同时梁高增大一般只是腹板加高，而混凝土用量增加不多。综上所述，主梁高度取1800mm 。

（2）、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。所以预制T 梁翼板的厚度取用160mm ，翼板根部加厚到260mm 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=120mm ，所以腹板厚度取200mm 。

马蹄尺寸基本由布置预应力钢束的要求确定的，设计实践表明，马蹄面积占截面

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，同时还应根据《公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）》对钢束净距及预留管道的构造要求，初拟马蹄宽度为550mm，高度250mm，马蹄与腹板交接处作三角过渡，高度150mm，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。如图1-2所示：

图1--2：跨中截面尺寸图(尺寸单位:mm)

计算截面几何特征

将主梁跨中截面划分成五个规则图形的小单元，截面几何特征列表计算见表1—2。

跨中截面几何特性计算表

表1—2

大毛截面

小毛截面

注：大毛截面形心至上缘距离：547764

62.55()8757.5

i s

i

S y cm A

=

=

=∑∑

小毛截面形心至上缘距离：537524

71.89()74777.5

i s i

S y cm A

=

=

=∑∑

（4）、检验截面效率指标ρ（希望ρ在0.5以上） 上核心距：s k =x

I A y ∑∑?=()

35612820.71

8757.518062.55?-=34.62()cm

下核心距：()35612820.71

65.018757.562.55

x s

I cm A k y ∑=

==?∑?

截面效率指标：

34.6265.01

0.550.5

180

s x

h

k k

ρ

++

===>

表明以上初拟的主梁跨中截面是合理的。

3.1.3 横截面沿跨长的变化

如图1所示，主梁采用等高形式，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而引起较大的局部应力，也为布置锚具的需要，在距梁端1980mm范围内将腹板加厚到与马蹄同宽。马蹄部分为配合钢束弯起而从六分点附近（第一道横隔梁处）开始向支点逐渐抬高，在马蹄抬高的同时腹板宽度亦开始变化。

3.1.4 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，在跨中设置一道中横隔梁；当跨度较大时，应设置较多的横隔梁。在桥跨中点和交点、1/4点、3/4点处设置五道横隔梁，其间距为7.375m。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1600mm ，厚度为上部180mm，下部160mm。

3.2 主梁作用效应计算

根据上述梁跨结构纵、横截面的布置，并通过可变作用下的梁桥荷载横向分布计算，可分别求得各主梁控制截面（一般取跨中、四分点、变化点截面和支点截面）的永久作用和最大可变作用效应，然后进行主梁作用效应组合。

3.2.1 永久作用集度

1．永久作用集度

（1）预制梁自重

①跨中截面段主梁的自重（四分点截面至跨中截面，长7.25m）：

0.74775257.25135.53()

G kN

=??=

（1）

②马蹄抬高与腹板变宽段梁的自重（长5m）：

(1.1791250.74775) 5.75252138.49()

G kN

≈+??=

（2）

③支点段梁的自重（长1.98m）

1.7912525 1.9858.37()

G kN

=??=

（3）

④ 边主梁的横隔梁

中横隔梁体积：30.17(1.390.70.50.10.50.50.150.175)0.1589m ??-??-??= 端横隔梁体积：

31.6000.550.25()(1.80.16)0.50.0650.3250.212622m ???-?--??=????

故半跨内横隔梁重力为：(10.2126 1.50.1589)2511.27()G kN =?+??=（4）

⑤ 预制梁永久作用集度

1(135.53138.4958.3711.27)14.9822.94()g kN m =+++=

（2）二期永久作用

① 现浇T 梁翼板集度

016

0.825 3.2()g kN m =??=（5）. ② 边梁现浇部分横隔梁

一片中横隔梁（现浇部分）体积：

30.170.40 1.390.09452()m ??=

一片端横隔梁（现浇部分）体积：

30.250.40 1.640.164()m ??=

故：

0.0945220.1642529.960.51()g kN m =

?+??=（6）（3） ③ 铺装

9cm 沥青混凝土铺装：0.09112322.77()kN m ??= 7cm 钢纤维混凝土铺装：0.07112519.25()kN m ??= 若将桥面铺装均摊给五片主梁，则58.404()g kN m =

=（7）（22.77+19.25） ④ 栏杆

一侧防撞栏：4.99kN m

若将两侧防撞栏均摊给五片主梁，则

4.992 1.996()g kN m =?=（8）

⑤ 边梁二期永久作用集度：

3.20.518.404 1.9961

4.11()g kN m =+++=2

2．永久作用效应

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