重力式桥台桥墩设计.docx

攀枝花学院重力式桥台、桥墩设计
1.1设计资料
1.1.1 桥梁跨径及桥宽
标准跨径：30m；
主梁全长：29.96m；
计算跨径：29.16m；
桥面净空：净—7+2×1m（人行道）；
桥面坡度：不设纵坡，车行道双向横坡为2%，人行道单向坡为1.5%。
1.1.2 设计荷载：
公路—Ⅰ级
1.1.3 材料及施工工艺
混凝土：主梁C50，人行道、栏杆、桥面铺装及混凝土三角垫层用C30；
预应力钢筋：采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范》（JTG D62—2004）的钢绞线，每束7根，全梁配6束，=1860MPa。
按后张法工艺制作主梁，采用70mm金属波纹管成孔，预留孔道直径为75mm和OVM锚。
1.1.4 设计依据
（1）《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）简称《桥规》
（2）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）
（3）《桥梁工程》　　　　　　　　　　（人民交通出版社，姚铃森编）

1.2.1 主梁间距与主梁片数
主梁间距通常应随着梁高与跨径的增加而加宽为经济，由此可提高主梁截面效率指标值，采用主梁间距2.3m，考虑人行道可以适当挑出，考虑设计资料给定的桥面净宽选用7片主梁，其横截面布置形式图1.2.1。

图1.2.1
1.2.2 主梁尺寸拟定
1.2.2.1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在1/15～1/25之间，标准设计中一般取为1/16～1/18。所以梁高取用175cm。
1.2.2.2主梁腹板的厚度
在预应力混凝土梁中，梁中腹板内主拉应力较小，腹板厚度翼板由布置预制孔管的构造决定，同时从腹板本身的稳定要求出发，腹板厚度一般不宜小于其高度的1/15。本设计采用16cm.在跨中区段梁腹板下部设置马蹄，设计实践表明马蹄面积与截面面积以10%-20%为宜，马蹄宽：36cm，高：30cm。
1.2.3 翼板尺寸拟定
在接近梁的两端的区段内，为满足预应力束筋布置锚具的需要，肋厚应逐渐扩展加厚，其过渡段长度不宜小于12倍肋板的增加厚度。
预应力混凝土T梁的下缘，为了满足布置预应力束筋的要求，要扩大成马蹄形，马蹄的尺寸应该满足预应力各个阶段的强度要求。由于马蹄形部分承受预应力锚具的局部荷载作用，其尺寸不宜过小，否则在施工中易形成水平纵向裂缝，因此马蹄面积一般应占截面总面积的10%-20%。拟定马蹄宽度为40cm，高度为26cm。
第一章 设计任务书
1.1 基本设计资料
1.1.1 跨度和桥面宽度
1) 标准跨径：20.00m（墩中心距离）
2) 计算跨径： 19.50m（支座中心距离）
3) 主梁全长： 19.96m（主梁预制长度）
4）桥面净空： 净7m（行车道）＋2×1m人行道
1.1.2技术标准
1) 设计荷载标准：公路－Ⅱ级，人行道和栏杆自重线密度按单侧6kN/m计算，人群荷载3kN/m2
2) 环境标准：Ⅰ类环境
3）设计安全等级：二级
1.1.3 主要材料
1) 混凝土：混凝土简支T梁及横梁采用C40混凝土；桥面铺装上层采用0.03m沥青混凝土，下层为0.06～0.13m的C30混凝土，沥青混凝土重度按23kN/m3,混凝土重度按25kN/m3计。
2）钢筋：主筋用HRB335，其它用R235
1.1.4 构造形式及截面尺寸

图1 桥梁横断面和主梁纵断面图（单位：cm）
如图1所示，全桥共由5片T形梁组成，单片T形梁高为1.4m，宽1.8m；桥上的横坡为双向2%，坡度由C30混凝土混凝土桥面铺装控制；设有5根横梁。
第二章 主梁的荷载横向分布系数计算
2.1主梁荷载横向分布系数的计算
2.1.1 刚性横梁法计算横向分布系数
因为每一片T型梁的截面形式完全一样，所以：

式中，n=5，=2×（3.6）m=32.4 m
表1 值计算表

梁号

1
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
2
0.4
0.3
0.2
0.1
0
3
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2

计算横向分布系数：
根据最不利荷载位置分别布置荷载。布置荷载时，汽车荷载距人行道边缘距离不小于0.5m，人群荷载取3KN/m,栏杆及人行道板每延米重取6.0KN/m，人行道板重以横向分布系数的方式分配到各主梁上。

图2 横向分布系数计算图式（单位：mm）
从而可以各梁在不同荷载作用下的分布系数：
汽车荷载：m=0.5×(0.5355+0.3387+0.1900-0.0100)=0.5271
m=0.5×(0.3637+0.2689+0.1926+0.095)=0.4601
m=0.5×(0.2+0.2+0.2+0.2)=0.4
人群荷载：m=0.6448 m=0.4225 m=0.2×2=0.4
人行道板：m=0.6492-0.25=0.3992
m=0.4247-0.025=03997 m=0.2+0.2=0.4
2.1.2 杠杆原理法计算梁端剪力横向分布系数

图3 梁端剪力横向分布系数计算图式（尺寸单位：mm）
汽车荷载：m=0.5×0.6475=0.3238 m=0.5×1.0=0.5
m=0.5×(0.9444+0.3333)=0.6389
人群荷载：m=1.2222 m=-0.2222 m=0
一、设计资料、桥墩尺寸
标准跨径
预制板长
计算跨径
桥面净宽
汽车荷载
挂车荷载
净空
m
m
m
m
汽-20级
挂-100
m
8
7.96
7.6
5
120
250
4
墩帽厚
墩帽宽
墩帽顶部全长
挡块高
墩顶宽
m
m
直线段长m
半径m
全长m
m
m
0.3
1
7.7
0.5
8.7
0.3

埋深
基础厚
基础层数
基础上层平面尺寸
基础下层平面尺寸
m
m
个
m
m
m
m
2
0.75
2
2.08
9.59
2.88
10.39
墩身顶部全长（m）
墩身侧面坡
桥墩高
墩底宽
墩身底部全长
直线段长m
半径m
全长m

m
m
m
7.51
0.5
8.51
30.00
4.20
1.28
8.79
二、荷载计算
1、恒载计算:
a、上部构造恒载计算：
2、墩身自重计算：
桥墩共分为5段，其中墩帽为一段（S1），墩身分为四段（S2、S3、S4、S5）

a、墩帽重力：
b、墩身重力计算：
c、基础重力及基础禁边上的土重力：
2、活载计算:

a、汽车荷载计算：
1）、双孔荷载、单列车布置：
2）、单孔荷载、单列车布置：
3）、汽车横向排列：
b、挂车荷载计算：

1）、双孔荷载
2）、单孔荷载
3）、挂车横向排列：
2、水平荷载计算:
a、汽车制动力按一行车队的10％，不小于一辆重车的30％。
b、汽车制动力对墩身各截面产生的弯矩（按汽车制动力作用点在橡胶支座顶面计算）
1——1截面 M1-1= 29.88 KN.m
5——5截面 M5-5= 353.88 KN.m
基础底面 M基= 488.88 KN.m

三、内力汇总及组合

1、顺桥向内力汇总及组合

编号
项目
1——1截面
5——5截面
基底截面
P
H
M
P
H
M
P
H
M
（KN）
(KN)
(KN.m)
（KN）
(KN)
(KN.m)
（KN）
(KN)
(KN.m)
1
上部结构
644.49

0
644.49

0
644.49

0.00
2
桥墩
72.31

0
884.53

0
2213.76

0.00
3
汽车-20级单跨布载
243.12

48.62
243.12

48.62
243.12

48.62
4
汽车-20级双跨布载
254.17

10.41
254.17

10.41
254.17

10.41
5
挂车-100级单跨布载
605.18

121.04
605.18

121.04
605.18

121.04
6
挂车-100级双跨布载
683.35

0
683.35

0
683.35

0.00
7
汽车制动力

90
29.88

90
353.88

90
488.88
内力组合
（Ⅰ）1+2+3
1200.53
0
68.07
2175.19
0
68.07
2912.79
0
48.62
（Ⅰ）1+2+4
1216.00
0
14.58
2190.664
0
14.57904
3474.492007
0
10.41
（Ⅱ）1+2+3+7
960.4
100.8
87.92
1740.15
100.8
450.8
2481.1
72.0
430.00
（Ⅱ）1+2+4+7
972.8
100.8
45.1
1752.5
100.8
408.0
2489.9
72
399.43
（Ⅲ）1+2+5
1365.92
0
135.56
2145.65
0
135.56
2770.74
0
96.83
（Ⅲ）1+2+6
1453.48
0
0
2233.21
0
0
2833
0
0.00

编号
项目
5——5截面
基底截面
P
H
M
P
H
M
（KN）
(KN)
(KN.m)
（KN）
(KN)
(KN.m)
1
上部结构
644.49

0
644.49

0
2
桥墩
884.53

0
2213.76

0
3
汽车-20级单跨布载
243.12

571.33
243.12

571.33
4
汽车-20级双跨布载
254.17

597.30
254.17

597.30
5
挂车-100级
683.35

956.69
605.18

956.69
内力组合
（Ⅰ）1+2+3
2205.8
0
799.9
3770.3
0
571.3
（Ⅰ）1+2+4
2190.7
0
836.2
2928.3
0
597.3
（Ⅳ）1+2+5
2233.2
0
1071.5
2770.7
0
765.4

四、正截面强度计算：

横桥向内力不控制，故不计算横桥向截面强度。

1.偏心距计算：

a、1——1截面（组合Ⅱ控制）
e0= 0.0915 m<0.6y 0.3 m
b、5——5截面（组合Ⅱ控制）
e0= 0.2591 m<0.6y 0.384 m
以上满足规范要求

2.强度计算：
Raj= 17500 KN/m2
γm---材料安全系数,γm= 1.54
a、1——1截面（组合Ⅱ）
rw=（I/F）^0.5= 0.29 m
I= 0.69 m4
F=A= 8.30 m2
α=(1-(e0/y)^m)/(1+(e0/rw)^2)= 0.91
m--截面形状系数,对圆形截面取2.5；对T形或双曲拱截面取3.5；对箱形或矩形截面取8。
P=α*A*Raj/rm= 85645.64 KN/m2 >Nj

b、5——5截面（组合Ⅱ）
rw=（I/F）^0.5= 0.37 m
I= 1.48 m4
F=A= 10.90 m2
α=(1-(e0/y)^m)/(1+(e0/rw)^2)= 0.67
m--截面形状系数,对圆形截面取2.5；对T形或双曲拱截面取3.5；对箱形或矩形截面取8。
P=α*A*Raj/rm= 82412.51 KN/m2 >Nj

五、基底应力验算：

1.偏心距计算：
w= 14.36 m3
ρ=W/A= 0.48 m
1.5ρ= 0.72 m
组合Ⅱ e0=Mj/Pj= 0.17 m<1.5ρ= 0.72 m
偏心矩满足规范要求

2.基底应力计算：
σ σmax= N/A+M/W
σmin= N/A-M/W

组合Ⅱ

σ σmax= 112.9 KN/m2
σmin= 53.0 KN/m2

地基土基本承载力σ=250KPa

六、抗倾覆稳定性验算：

1.抗倾覆验算：
组合Ⅱ K0=y/e0 8.3 >1.3(安全）
y= 1.44
e0= 0.1733

2.抗滑动验算：
K0=μ*P/T μ=0.6
组合Ⅱ K0= 20.68 >1.3(安全）

2.1行车道板内力计算
荷载为公路-Ⅰ级。桥面铺装为8cm沥青混凝土（重度为23）和9cm厚的C30混凝土垫层（重度为24），T梁翼板材料的重度为25。
（一） 恒载及其内力（以纵向1m宽的板条进行计算）
1. 、每一米板上的恒载g：
沥青混凝土面层：
C30混凝土垫层：
T梁翼板自重：
合计：
2、 每米宽板条的荷载内力
弯矩
剪力
（二） 车辆荷载产生的内力
将后轮作用于铰缝轴线上，后轴作用力为。对于车轮荷载中后轮的着地长度为，宽度为[由《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）查得]，则得：

荷载对于悬臂根部的有效分布宽度：

冲击系数：

作用于每米宽板条上的弯矩为：

作用于每米宽板条上的剪力为：

（三） 荷载组合
恒+汽：

所以，行车道板的设计内力为：

2.2截面设计、配筋与强度验算
悬臂根部高度，净保护层厚度为
设选用HRB335,钢筋，则有效高度：

按《桥规》第5.2.2条规定：

则
即
解得
验算： ，满足要求。
按《桥规》第5.2.2条规定：
所以
当选用HRB钢筋，每米宽板内需要钢筋间距为100mm时，可提供的钢筋面积为
，符合要求
按《桥规》第5.2.9条规定，矩形截面受弯构件的截面尺寸应符合下列要求：

满足要求。根据《桥规》第5.2.10条规定
故不需要进行斜截面抗剪强度验算，仅按构造要求配置箍筋。板内分布钢筋采用R235,钢筋，间距为200mm。强度验算：

满足要求。

第3章 主梁的作用效应计算
3.1主梁恒载内力计算

3.1.1 恒载集度
(1)主梁：

横隔梁：
对于边主梁：

对于中主梁：

桥面铺装层：

栏杆和人行道：

作用于边主梁的全部恒载g为：

作用于中主梁的恒载强度为：

3.1.2 恒载内力
计算边主梁的弯矩和剪力，计算图示如图3.1.2所示，则：

图3.1.2

各计算截面的剪力和弯矩值，列于下表

边主梁恒载内力

截面位置x

内力
剪力Q（kN）
弯矩M()

Q=413.1
M=0

Q=0

3.2用偏心压力法计算横向荷载分布系数
跨中的荷载横向分布系数，本设计内设三道横隔梁，具有可靠的横向联系，且承重结构的长宽比为：l/B=29.16/7×2.3=1.83 2，按修正的刚性横梁法来绘制影响线。并计算横向分布系数。
各根主梁的横截面均相等，梁数n=7，梁间距2.3m，则：
由式2-5-28,1号梁横向影响线的竖标值为：

由绘制1号梁横向影响线，如图3.2.1所示，图中按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定确定了汽车荷载的最不利荷载位置。

图3.2.1
进而由计算横向影响线的零点位置，设零点至1号梁位的距离为x，则：

零点位置已知后，就可以求出各类荷载相应于各个荷载位置的横向影响线竖标值。
设人行道缘石至1号梁轴线的距离为
于是，1号梁的何在横向分布系数可计算如下（以分别表示影响线零点至汽车车轮和人群荷载集度的横坐标距离）：
车辆荷载：

人群荷载：
可查得为
用杠杆原理法求横向分布系数
首先绘制1号梁和2号梁的荷载横向影响线，如图3.2.2所示

图3.2.2

1号梁
车辆荷载：

人群荷载：

2号梁
车辆荷载

人群荷载

3.3计算公路-Ⅰ级荷载的跨中弯矩
3.3.1荷载横向分布系数汇总

梁号
荷载位置
公路-Ⅰ级
人群荷载
边主梁
跨中
0.709
0.513
支点
0.702
1.478

3.3.2简支梁桥的基频：

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）中第4.3.2条之5，当1.5Hz≤f≤14Hz时，，则可得：

，四车道考虑折减

；
故得：

3.3.3计算人群荷载的跨中弯矩：

3.3.4计算跨中截面车道活载最大剪力
鉴于跨中剪力影响线的较大坐标位于跨中部分故也采用全跨统一的荷载横向分布系数来计算。

故得：

3.3.5计算跨中截面人群荷载最大剪力

3.3.6计算支点截面车道荷载最大剪力
作荷载横向分布系数沿桥跨方向的变化图形和支点剪力影响线，如图所示
横向分布系数变化区段长度：

对应于支点剪力影响线的荷载布置，如图3.3.6所示。

图3.3.6
影响线面积为
。因此，得：

附加三角形荷载重心处的影响线坐标为：

因此，得：
故公路-Ι级荷载的支点剪力为：

3.3.7计算支点截面人群荷载最大剪力
人群荷载的横向分布系数，如图所示3.3.6，得：

3.4偏压法计算横隔梁内力
3.4.1确定作用在中横隔梁上的计算荷载
对于跨中横隔梁的最不利荷载布置，如图3.4.1所示。

图3.4.1
纵向一行车轮荷载对中横隔梁的计算荷载为：

3.4.2绘制中横隔梁的内力影响线
已知1号梁的横向影响线竖坐标值为：

同理可算得2号梁和3号梁的横向影响线竖坐标值为：

（1） 绘制弯矩影响线
对于2号和3号主梁之间截面的弯矩影响线可计算如下：
P=1作用在1号梁轴上时：

P=1作用在7号梁轴上时：

P=1作用在3号梁轴上时：

绘制影响线，如图
（2） 绘制剪力影响线
对于1号主梁处截面的影响线可计算如下：
P=1作用在计算截面以右时：

P=1作用在计算截面以左时：

绘成的影响线，如图3.4.2所示。

图3.4.2
3.4.3截面内力计算
将求得的计算荷载在相应的影响线上按最不利荷载位置加载，对于汽车荷载并计入冲击影响，则得：
弯矩：

剪力：

鉴于横隔梁的恒载内力甚小，计算中可略去不计，则按极限状态设计的计算内力为：

3.5主梁作用效应组合

由《桥规》4.1.6～4.1.8条规定，根据可能同时出现的作用效应选择三种最不利效应组合：短期效应组合，长期组合，标准效应组合，承载能力极限状态基本组合。组合情况见下表：

第4章 主梁预应力钢束估算和布置

4.1预应力钢束的估算及布置
4.1.1跨中截面钢束的估算与确定
1、 确定核心距

2、 按使用阶段的应力要求估算钢束数

M-使用荷载产生的跨中弯矩
-与荷载有关的经验系数，取0.51
—钢束的抗拉设计强度，1260Mpa
-一根钢束截面积，取为1396=834mm2
=36.8cm，=113.1-13.1=100cm
故根，取为6根
按承载能力极限状态估算钢束数
根据极限状态的的应力计算图式，受压区混凝土达到极限强度，应力图示呈矩形，同时预应力钢束数也达到标准强度，则钢束数的计算公式为：

式中：—极限状态效应组合
—估计钢束群中心到混凝土合力作用点力臂长度的经验系数，取为0.78
a — 主梁有效高度，
故，根
对全预应力梁，希望在弹性阶段工作，同时，边主梁与中间主梁所需的钢束数相差不多，为方便钢束布置和施工，各主梁统一定为6根
采用6束6钢绞线，单根钢绞线的公称截面面积=139mm2，抗拉
强度标准值=1860MPa，张拉控制应力取=0.75=0.75×1860=1395Mpa。

4.2 预应力钢束布置

4.2.1 跨中截面及锚固截面的钢束布置
对于跨中截面，在保证布置预留管道构造要求的前提下，尽可能使钢束群重心的偏心距大些。采用70mm金属波纹管成孔，预留孔道直径为75mm，根据《公预规》9.1.1条规定，管道至梁底和梁侧净距不应小于3cm及管道直径的1/2。根据《公预规》9.4.9条规定，水平净距不应小于4cm及管道直径的0.6倍，在竖直方向可叠置。本设计采用70mm金属波纹管成孔，预留孔道直径为75mm。根据以上规定，跨中截面的细部构造如图4.2.1：
图4.2.1
由此可直接得出钢束群重心至梁底距离为：

4.2.2 钢束起弯角和线形的确定
确定钢束起弯角时，既要照顾到由其弯起产生足够的竖向预剪力，又要考虑到所引起的摩擦预应力损失不宜过大。为此，将端部锚固端截面分为上、下两部分，上部钢束的弯起角定为150，下部钢束弯起角定为，相应的钢束竖向间距为25cm。
为简化计算和施工，所有钢束布置的线形均为直线加圆弧，并且整根钢束都在同一竖直平面内。
4.2.3 钢束计算
3.2.3.1计算钢束起弯点及其半径计算
锚固点到支座中线的水平距离，由下图几何关系，可求得一根钢束的长度为曲线长度、直线长度与两端张拉的工作长度（）之和，其中钢束的曲线长度可按圆弧半径与弯起角进行计算，计算结果如下表：

钢束计算长度表（cm）
钢束号
R（cm）
弯起角
曲线长度s=πφ/180
直线长度x2
钢束有效长度2(s+x2)
钢束预留长度
钢束长度
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦=⑤+⑥
N1（N2)
3648.65
7
445.54
1033.93
2958.94
140
3098.94
N3(N4)
7162.16
7
874.58
601.33
2951.82
140
3091.82
N5
3284.46
15
859.43
624.38
2967.62
140
3107.62
N6
4046.92
15
1058.94
420.96
2959.80
140
3099.80
∑
18588.94

4.3 钢束预应力损失计算

根据《公预规》的规定，当计算主梁截面应力和确定钢束的控制应力时，应计算预应力损失值。后张法梁的预应力损失包括：前期应力损失（钢束与管道壁的摩擦损失，锚具变形、钢束回缩引起的损失，分批张拉混凝土弹性压缩引起的损失）；后期预应力损失（钢绞线应力松弛引起的应力损失，混凝土收缩和徐变引起的应力损失），而梁内钢束的锚固应力和有效应力（永存应力）分别等于张拉应力扣除相应阶段的预应力损失。
4.3.1预应力钢筋与管道壁间摩擦引起的应力损失
按《公预规》6.2.2计算公式：

式中：—预应力钢筋锚下的张拉控制应力（MPa）
=1395MPa
—预应力钢束与管道摩擦系数，取=0.20
—管道每米局部偏差对摩擦的影响系数，取0.0015
—从张拉端到计算截面曲线管道部分切线夹角之和（rad）
—从张拉端到计算截面的管道长度(m)
各控制截面的计算结果见下表。

管道摩擦损失计算表
截面
钢束号

（°）
（rad)
(m)

（MPa）
跨中截面
N1（N2）
7
0.1221
14.787
0.0466
0.0455
63.52
N3(N4)
7
0.1221
14.744
0.04654
0.0455
63.44
N5
15
0.2617
14.7764
0.0745
0.07179
100.15
N6
15
0.2617
14.683
0.0744
0.07170
100.021

4.3.2由锚具变形、钢束回缩引起的摩擦损失
按《公预规》第5.2.7条规定，计算公式为：

锥形锚具压密值6mm，采用两端同时张拉，，钢束的有效平均长度2958.2cm，代入公式得：

式中：—张拉系数，采用一次张拉=1.0
—钢筋松弛系数，对取=0.3
σpe—传力锚固时钢应力
—预应力钢筋的抗拉强度标准值
4.3.5混凝土收缩和徐变引起的预应力损失
按

第5章 主梁截面承载力及应力验算

预应力混凝土梁从预加力开始到受荷载破坏，需经受预加应力，使用荷载作用，裂缝出现和破坏等四个受力阶段。为保证主梁受力可靠并予以控制，应对控制截面进行各个阶段的强度验算。先进行破坏阶段的截面强度验算，再分别验算使用阶段和施工阶段的截面应力至于裂缝出现阶段,《公预规》根据公路简支梁标准设计的经验，对于全预应力梁在使用荷载作用下，只要截面不出现拉应力就不必进行抗裂性验算。
5.1截面强度验算
在承载能力极限状态下，预应力混凝土梁正截面和斜截面都有可能破坏，下面验算这两类截面的强度。
按，对于简支梁取跨中截面进行验算。
(1)对于T形截面受压区翼缘计算宽度1，应取用下列三者中的最小值：
＝2916/3=972cm 220cm(主梁间距) b+2c+121220cm
故取=220cm。
(2)确定混凝土受压区高度
按，对于带承托翼缘板的T形截面，
当成立时，中性轴载翼缘部分内，否则在腹板内。
左边== 1260×1.39×6×6=6305.04 kN
右边== 22.4×2200×150=7392 kN
左边<右边，即中性轴在翼板内。
设中性轴到截面上缘距离为x，则
(3)(4)

=8180.56（）