都江堰市聚兴路江安河桥梁上部结构设计.docx

都江堰市聚兴路-江安河桥梁上部结构设计

摘要：本设计为都江堰市聚兴路-江安河桥梁(预应力混凝土简支梁桥)的上部结构。在设计中，桥梁上部结构的计算着重分析了桥梁的恒载以及活载的作用力，进行恒载内力的计算。运用杠杆原理法、偏心压力法求出活载横向分布系数，并运用最不利荷载进行内力计算。主梁的配筋计算，采用正常使用极限应力状态方法估算预应力钢筋数量，计算了钢绞线的各种预应力损失；并进行预加应力阶段和使用阶段主梁截面的强度和变形验算、锚固区局部强度验算。主梁采用后张法预制施工。
关键词：预应力混凝土；恒载；活载；预应力损失
Ju Xing Road-Jiang An River Bridge of Du Jiang Yan City
upper structure design
Dexiang Xu
（Civil Engineering，Department of Civil Engineering，Urban and Rural Development College，Sichuan Agricultural University，20077260）
Tutor：Zongrong Xie
（Department of Engineering Management，Urban and Rural Development College ,Sichuan Agricultural University，611830）
Abstract: This design for Ju Xing Road-Jiang An River Bridge of Du Jiang Yan City(prestressed concrete beam bridge) upper structure. In the design, calculation of bridge the upper structure is analyzed emphatically the constant load and bridge live load, the internal force calculation of constant load. Using lever principle method, eccentric-pressed method for transverse distribution coefficient, living load using the most unfavorable load and internal force calculation. The main girder, the reinforcement calculation of normal use extreme stress state method to estimate the number of prestressed reinforced steel, calculated the various prestress loss; And add stress stage and gets the girder use phase strength and deformation section of anchorage zone checking and calculating local strength. After girder precast construction by post-tensioning method.
Key words: pre-stressed concrete; dead load；live load; loss of pre-stress

第一部分：设计报告
1前言
1.1设计任务
由于已建石拱桥老化，加之交通量增大，为了缓解交通压力，特修建都江堰市聚兴路-江安河桥梁。
1.2设计标准
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)、《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)。
汽车荷载按公路-Ⅰ级，人群荷载3KN/m2，每侧栏杆、人行道重量的作用力分别为1.52KN/m和3.6KN/m。
1.3任务要求
根据给定的设计原始资料，拟定桥梁类型、分孔布置，选择上部结构形式（不同的情况可采用不同的分孔布置、不同的上部结构形式）。设计时按设计内容要求进行，并控制设计进度。通过本毕业设计，对桥梁设计计算理论，计算方法，施工图设计有一个全面的掌握。完成的设计资料应达到设计规范深度要求。
2设计资料
2.1地形地貌
桥位区主要为现存道路、居住地等。地貌单元为成都平原岷江水系一级阶地。
2.2区域地质情况
都江堰地区位于四川盆地西部，灌县断裂由什邡八角场经都江堰市二王庙从桥区北侧约8公里处通过。该断裂带（什邡）和南段（名山）历史上曾有地震活动，在都江堰市及附近该活动微弱，从地壳稳定性来看桥位区域相对稳定。
2.3地层岩性
该区域有人工填土（杂色，松散-稍密，稍湿，主要有填卵石、砖瓦碎块混少量粘性土、砂组成，厚度1.8-4.5m）和卵石土（灰-青色，松散-密实，饱和。岩浆岩、变质岩为主，含量55-90%,粒径2-15cm，大者有15cm以上；卵石里混有不等量漂石10-30%，粒径在20-40cm）。
地下水对混凝土无结晶类、分解类、结晶分解复合类腐蚀性，所以本场地环境类别为2.4地震基本烈度
根据中华人民共和国《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），该位置地震烈度为Ⅶ度，设计地震分组为一组，地震加速度为0.1g，特征周期为0.35秒；建筑场地类别为Ⅱ类，为可进行建设的一般场地。
2.5地基土物理力学指标
表2.1　地基土物理力学指标
土名
容重（KN/m3）
容许承载力（KPa）
内聚力（KPa）
内摩擦角
（0）
极限摩阻力（KPa）
压缩模量（MPa）
松散卵石
20.0
180
-
30.0
140
15.0
稍密卵石
21.0
350
-
33.0
160
25.0
中密卵石
22.0
580
-
36.0
180
30.0
密实卵石
23.0
850
-
40.0
260
40.0
3设计要求
3.1使用上的要求
桥上的行车道和人行道宽度要保证车辆和人群的安全畅通，并要满足将来交通量增长的需要。桥型、跨度大小和桥下净空要满足泄洪、安全通航或通车等要求。建成的桥梁要保证使用年限，并便于检查和维修。
3.2经济上的要求
桥梁设计要体现经济上的合理性。在设计中使桥梁的总造价和材料等的消耗为最少，要充分考虑桥梁在使用期间的运营条件以及养护和维修等方面的问题。
3.3设计上的要求
桥梁设计根据因地制宜、就地取材、方便施工的原则，要合理选用适当的桥型。整个桥梁结构及其各部分构件，在制造、运输、安装和使用过程中要具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。
3.4施工上的要求
桥梁结构要便于制造和架设。尽量采用先进的工艺技术和施工机械,利于加快施工速度，保证工程质量和施工安全。
3.5美观上的要求
由于都江堰是旅游胜地，所以设计的桥梁要具有优美的外形，与周围的景致相协调。
3.6环境保护和可持续发展
桥梁设计要考虑环境保护和可持续发展的要求，包括生态、水、噪声等诸方面，从桥位选择、桥跨布置、上部结构施工方法等多方面考虑环保要求，要采取必要的工程控制措施，将不利影响减至最小。
4方案比选
本设计有三种方案，都采用装配式，方案一为
表4.1　各种桥型方案优缺点比较

综上所述，方案二比方案一、三较好，所以采用5设计方法
5.1设计思路
5.1.1横断面设计
从上面可知，都江堰的设计车速不超过80km/h。桥梁设计的基准年限是100年，以后都江堰的发展会更加繁荣，而且为了提高都江堰道路的行车速度，把设计行车速度提为80km/h，这就要求单个行车道宽度为3.75m。
为了使行车通畅，车道定为四车道。为了节约成本且适应交通量增加，方便以后建八车道（在此桥旁边再建一座单向四车道的桥梁就是八车道了）且不拆除此桥，车道按单向四车道计算。
表5.1　城市道路交通规划设计规范
项目
城市规模与人口（万人）
快速路
主干路
次干路
支路
机动车设计速度（km/h）
大城市
＞200
80
60
40
30
≤200
60-80
40-60
40
30
中等城市
-
40
40
30
道路网密度 （km/km2)
大城市
＞200
0.4-0.5
0.8-1.2
1.2-1.4
3-4
≤200
0.3-0.4
0.8-1.2
1.2-1.4
3-4
中等城市
-
1.0-1.2
1.2-1.4
3-4
道路中机动车车道条数(条）
大城市
＞200
6-8
6-8
4-6
3-4
≤200
4-6
4-6
4-6
2
中等城市
-
4
2-4
2
桥面横坡的形成通常有三种形式。第一种，对于板桥或就地浇注的肋板式梁桥，可将墩台顶部做成倾斜的；第二种，采用不等厚的铺装层（包括混凝土的三角垫层和等厚的路面铺装层）；第三种，桥宽较大时，可直接将行车道做成双向倾斜。由于本设计的桥宽不是特别宽，且为了设计方便和节约成本，选择了第二种的桥面横坡形式。
桥面横坡坡度一般在1%-2%，而最适宜是1.5%。故本设计采用横坡坡度为1.5%。
图5.1　桥横断面图
5.1.2纵断面设计
城市桥梁在平面上宜做成直桥，特殊情况时可做成弯桥，其线型布置应符合现行的规范中的规定。由于本桥路线是在直线上，故本设计为直桥。
在桥位处，聚兴路与金土路之间要跨越电站引水渠和池塘，总长大约在120m左右，故本设计采用3～40m的预应力混凝土T形桥梁，全长130m。
桥面纵坡坡度i≤5%，一般在0.2%≤i≤0.4%,宜在3%范围内。考虑都江堰市是一个多雨的城市，因此纵坡坡度采用i=1.5%。

图5.2　桥位示意图
5.1.3粱肋设计
用杠杆原理法（适用于荷载靠近主梁支点时的荷载横向分布，也可用于双主梁或横向联系很弱的无中间横隔梁的桥）和偏心压力法（适用于桥上具有可靠的横向联系，且桥的宽跨比B/l≤0.5的情况）计算荷载横向分布。偏心压力法具有概念清楚、公式简明和计算简便等优点，但是其在推导中由于做了横隔梁近似绝对刚度和忽略主梁抗扭刚度，导致了边梁受力偏大，因此偏心压力法要修正。然后进行内力组合，计算配筋等。
5.1.4其他
横隔梁、桥面等的设计方法与梁肋的设计方法类似，不做介绍。
5.2设计感受
实际情况用箱梁适用，但是用T型梁也适用，而且构造简单，施工方便；静定结构，地基要求不高，能适用于地基较差的桥位；适合于较小跨径的桥梁，经济合理的常用跨径在20m以下；采用预应力混凝土结构，可提高简支梁的跨越能力，一般在50m以下。
6设计成果
6.1总的成果
完成了都江堰市聚兴路-江安河桥梁上部结构设计,为了适应以后交通量的增长，特意将梁等级由公路-Ⅱ级变为公路-Ⅰ级。
6.2承担的成果及其评价
承担了结构设计、施工图设计。对我完成的成果，总的来说，是合格水平，完全可以用于生产实践。
7总结
7.1设计中的难点与重点
钢束布置、钢束预应力损失估算。
7.2改进的地方
对材料的选用，截面的选取，钢筋和钢束的布置，施工图的绘制等。
8结束语
紧张的毕业设计终于划上了一个满意的句号，从七月份至今，回想起过去五个多月的设计，收获是很大的。看到展现在眼前的毕业设计成果，不仅使我对四年来大学所学专业知识的进行了一次比较系统的复习和总结归纳，而且使我真正体会了设计的艰辛和一种付出后得到了回报的满足感和成就感。同时也为以后的工作打下了坚实的基础，也为以后的人生作好了铺垫。
通过本毕业设计，掌握了结构设计的内容、步骤和方法，全面了解了设计的全过程；培养正确、熟练的结构方案、结构设计计算、构造处理及绘制结构施工图的能力；培养我们在工程设计中的配合意识；培养正确、熟练运用规范、手册、标准图集及参考书的能力；通过实际工程训练，建立功能设计、施工、经济全面协调的思想，进一步建立结构工程师的责任意识。
9致谢
在本次毕业设计过程中，得到了专业课老师、答辩组老师的热情辅导和鼓励，尤其是我的导师谢宗荣副教授付出了不少的心血；还有同学间的互帮互助。在设计阶段各位老师认真负责、兢兢业业、不辞劳苦，同学们也是积极讨论问题，总结经验教训。同时，中铁四局和成都大西南铁路监理有限公司提供了部分有价值的设计施工图，得到了他们的支持和帮助。在此一并致谢！
由于设计经验少，时间紧，任务重，不免有疏忽和不足的地方，恳请各位老师提出宝贵意见，在此不胜感激。
参考文献：
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[11] 单辉祖.材料力学教程[M].北京,高等教育出版社，2007
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[13] MacGregor,Wight James K. Reinforced Conecrete[M]. Pearson Prentice Hall,2005
[14] 王常才.桥涵施工技术[M].北京,人民交通出版社，2007
[15] 周念先.桥梁方案比选[M].上海,同济大学出版社，1997

第二部分：预应力混凝土简支T形梁桥计算书
1设计资料及构造布置
1.1设计资料
1.1.1标准跨径及桥宽
标准跨径：40m。
主梁全长：39.96m。
计算跨径：38.88m。
桥面净空：净-16.0附2×1.00人行道（四车道）。
1.1.2设计荷载
汽车荷载按公路-Ⅰ级，人群荷载3KN/m2，每侧栏杆、人行道重量的作用力分别为1.52KN/m和3.6KN/m。
1.1.3材料及工艺
主梁混凝土用C50，Ec=3.45×104MPa，抗压强度标准值fck=32.4MPa，抗压强度设计值fcd=22.4MPa；抗拉强度标准值ftk=2.65MPa，抗拉强度设计值ftd=1.83MPa。
预应力钢束采用ASTM A416-97a标准的低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，抗拉强度设计值fpd=1260MPa，公称直径15.24mm，公称面积140mm2，Ep=1.95×105Mpa；锚具采用夹片式群锚。
主筋采用HRB400级钢筋，抗拉强度标准值fsk=400MPa，抗拉强度设计值fsd=300MPa。直径≤12mm者，一律采用HRB335级钢筋，抗拉强度标准值fsk=335MPa，抗拉强度设计值fsd=280MPa。Es=2.0×105MPa。
1.1.4设计规范
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)及《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)，按A类预应力混凝土构件设计此梁。
1.1.5施工方法
采用后张法施工，预制主梁时，预留孔道采用预留金属波纹管成型，钢绞线采用TD双作用千斤顶两端同时张拉；主梁安装就位后现浇60cm宽的湿接缝。最后施工100mm厚的沥青桥面铺装层（平均）。
1.2横截面布置
1.2.1主梁间距与主梁片数
间距1.8-2.5m，采用2.2m；片数为8片。
1.2.2主梁跨中截面及主要尺寸拟定
主梁高度：在计算跨径的1/14-1/25,梁高采用2.5m。
肋宽：在0.18-0.2m，采用0.18m（有马蹄）。无马蹄采用0.4m。
马蹄：宽50cm，高25cm。
主梁各部分尺寸如下：

图1.1　桥梁横断面图（单位：cm）

图1.2　主梁各部分尺寸图（单位：cm）
计算截面几何特性：
表1.1　跨中截面几何特性

yi
yi
yuyi
yuyi

yu

yb

检验截面效率指标p（主要是跨中截面）：
上核心距Ku=∑I/∑Ai×yb=733.446×109/（898600×1567）
=520.888mm
下核心距Kb=∑I/∑Ai×yu=733.446×109/（898600×933）
=874.847mm
所以p=（520.888+874.847）/2500=0.558>0.5，以上说明跨中截面尺寸是合理的。
1.3横截面变化位置
本设计主梁采用等高度形式，横截面的T梁翼板厚度沿跨长不变，马蹄部分为配合钢束弯起从距中点14600mm距离向支点逐渐抬高。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，也因布置锚具的需要，在距梁端1000mm内将腹板加厚到与马蹄同宽。腹板加厚处到支点截面的距离为1740mm，中间有1280mm腹板加厚过渡段。
1.4横隔梁的设置
横隔梁在桥跨中点和两个四分点及梁端共设置5道。其间距9.72m，采用开洞方式，它的高度2.1m，平均厚度0.2m。
2主梁内力计算
控制截面：跨中、四分点、变化点、支点。
2.1恒载内力计算
2.1.1恒载集度
预制梁自重（第一期恒载）:
按跨中截面计，主梁的恒载集度：
G（1）=0.8986×25-0.09×25
= 20.215KN/m
由于马蹄抬高所形成的7个横置的三棱柱重力折算成的恒载集度：
G（2）=（7/2）×（9.72-1.28/2-0.46）×[（800+950）/2000-0.05-0.25]×0.1×25/39.96
=1.0853KN/m
由于梁端腹板加厚所增加的重力折算成恒载集度：
G（3）=2×(1.294-0.8986)×(1+1.28/2)×25/39.96
= 0.8114KN/m
横隔梁:
内横隔梁体积：
V=0.2×[1.01×2.1-0.04/2-0.0256/2-1.4×0.3-(1.2+1.4)/2×0.4]-0.3×0.2×
0.35×2
=0.18764 m3
端横隔梁体积：
V=0.2×[0.9×2.1-0.029/2-1.4×0.3-(1.2+1.4)/2×0.4]-0.3×0.2×0.35×2
=0.1321 m3
G（3）边=（3×0.18764+2×0.1321）×25/39.96
=0.5175KN/m
G（3）中=2G（3）边=1.0350KN/m
G1边=20.215+1.0853+0.8114+0.5175 =22.6292KN/m
G2中=23.1467KN/m
第二期恒载:
一侧栏杆为1.52KN/m；一侧人行道为3.60KN/m。
桥面铺装层:0.1×16×24=38.4KN/m
湿接缝:0.3×0.15×24×14/8+0.2×0.7×0.3×24×70/(8×39.96)=2.1107KN/m
G21=2.1107KN/m
G22=[2×（1.52+3.6）+38.4]/8 =6.08KN/m
2.1.2横载内力
表2.1　横载内力计算表（α=x/l,x距左端支点的距离)

2.1107
398.83
299.12
373.94
20.52
10.22
41.03

2.1107
398.83
299.12
373.94
20.52
10.22
41.03

2.2活载内力计算
2.2.1冲击系数和车道折减系数
跨中和变化点截面：
A=0.8986m2
Ic=0.733466m4
G=0.8986×25=22.465N/m
Mc=G/g=22.465/9.81=2.290×103NS3/m2
C50砼E取3.35×1010N/m2
所以f=3.14×/(2×38.882)
=3.402HZ
U=0.1767lN3.402-0.0157=0.201
因四车道，横向折减系数为0.67
跨径小于150m纵向折减系数为1.00
支点截面：
A=1.299m2
Ic=0.830568m4
G=1.299×25=32.35N/m
Mc=G/g=32.35/9.81=3.298×103NS3/m2
C50砼E取3.35×1010N/m2
所以f=3.14×/(2×38.882)
=3.017HZ
U=0.1767lN3.017-0.0157=0.179
2.2.2计算主梁的荷载横向分布系数
跨中的荷载横向分布系数mc：
l/B=38.88/7×2.2=2.52>2且具有可靠的横向联结,所以可按修正的刚性横梁法来绘制横向影响线和计算mc。
计算主梁的抗扭惯矩IT：
对于T形梁，抗扭惯矩可近似按下式计算：
IT=
跨中及变化点截面：
翼板：t1=he=hf'+stan
=150+490×1/4
=27.25cm
t1/b1=0.124
所以 c1=0.307
腹板:t2=18cm
t2/b2=0.095<0.1
所以 c2=1/3
马蹄:t3=（25+16+25）/2 =33cm
t3/b3=0.66
所以 c3=0.197
所以 IT==2.08951×10-2m4
支点截面：
翼板:t1=he=hf'+stan
=150+400×1/3
=28.33cm
t1/b1=0.128
所以 c1=0.306
腹板:t2=40cm
t2/b2=0.181
所以 c2=0.295
所以 IT==5.71624×10-2m4
跨中及变化点的IT/I<支点的IT/I，所以跨中及变化点的抗扭修正系数
β==0.931是最大的。
综上所述（1+u）及β都取跨中及变化点的，（1+u)=1.201, β=0.931。
b= (2.2×3.5)2+(2.2×2.5)2+(2.2×1.5)2+(0.5×2.2)2+(-2.2×1.5)2+
(-2.2×2.5)2+(-2.2×3.5)2
= 42×4.84=203.28m2
计算横向分布系数：
对于1号边梁:
=1/n+=1/8+0.931×12.25/42=0.417
=1/n +=1/8-0.931×12.25/28=-0.122
计算零点位置x/0.417=（7×2.2-x）/0.122
x=11.91m
Mcq=
=0.5×(0.417/11.91)×[(11.91-0.2)×8-1.8-3.1-4.9-6.2-8.0-9.3-11.1]
=0.8627
Mcr=（0.417/11.91）×（11.91+0.925）
=0.4494
对于2号边梁:
=1/n+=1/8+0.931×8.75/42=0.319
=1/n+=1/8-0.931×8.75/42=-0.069
计算零点位置x/0.319=（7×2.2-x）/0.069
x=12.66m
Mcq=
=0.5×(0.319/12.66)×[(12.66-0.2)×8-1.8-3.1-4.9-6.2-8.0-9.3-11.1]
=0.6965
Mcr=（0.319/12.66）×（12.66+0.925）
=0.3423
对于3号边梁:
=1/n+=1/8+0.931×5.25/42=0.241
=1/n+=1/8-0.931×5.25/42=0.009
Mcq=
=0.5××[(7×2.2-0.2)×8-1.8-3.1-4.9-6.2-8.0-9.3-11.1]+
0.5×0.009×8
=0.6175
Mcr=0.009+×（7×2.2+0.925）
=0.2549
对于4号边梁:
=1/n+=1/8+0.931×1.75/42=0.1638
=1/n+=1/8-0.931×1.75/42=0.0862
Mcq=
=0.5××[(7×2.2-0.2)×8-1.8-3.1-4.9-6.2-8.0-9.3-11.1]+
0.5×0.0862×8 =0.5393
Mcr=0.0862+×（7×2.2+0.925）=0.1685

图2.1　荷载横向分布系数mc
荷载位于支点时，应按杠杆原理法计算荷载横向分布系数m0：
对于一号梁:
Moq=0.5×（1/2.2）×（2.2-0.2+2.2-0.2-1.8+0）=0.5
Mor=（1/2.2）×（2.2+0.925)=1.4205
对于二号梁:
Moq=0.5×（2.2-1.8+2.2）/2.2=0.5909
Mor=0
对于三号梁:
Moq=0.5×（2.2-1.8+2.2）/2.2=0.5909
Mor=0
对于四号梁：
Moq=0.5×（2.2-1.8+2.2）/2.2=0.5909
Mor=0

图2.2　荷载横向分布系数mo
计算荷载内力：
计算1号梁：
荷载横向分布系数汇总：
Mcq=0.8627 Moq=0.5
Mcr=0.449