北江大桥主桥和引桥进行设计—毕业设计参考版.doc

广州大学毕业设计课题名称 学 院 系 别 专业班级 学 号 指导教师 完成日期 教务处制XX大桥设计摘要: 关键词: Abstract: Keywords: 目录目录I1. 概 述31.1 设计任务和主要内容31.2 设计规范和标准31.3 主要技术指标设计资料32. 方案比选42.1 方案初步拟定42.2 方案选定55.上部结构设计65.1 设计资料65.2 主梁内力计算85.3 引桥预应力钢束的估算及布置185.4 主梁截面特性计算225.5 预应力损失计算235.6 承载能力极限状态计算305.7 正常使用极限状态计算345.8 持久状况应力验算415.9 短暂状况应力验算457.基础设计477.1 设计资料477.2 计算桩基础507.3桩身材料截面强度验算537.4截面配筋及强度复核54结论56致谢56参考文献571. 概 述1.1 设计任务和主要内容根据XX大桥桥址位置处地质剖面图，以及毕业设计任务书的要求对北江大桥主桥和引桥进行设计，主要内容包括：恒载内力计算；活载内力计算；墩顶支反力计算；内力组合，得出基本组合、短期组合和长期组合的弯矩、剪力包络图；配筋计算、强度验算、使用阶段应力验算、裂缝宽度验算和变形验算。下部结构计算：单桩承载力计算，桩身强度验算。1.2 设计规范和标准1JTG_D60-2004公路桥涵设计通用规范；2JTJ022-85公路砖石及混凝土桥涵设计规范；3JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范；4JTJ024-85公路桥涵地基与基础设计规范；5JTG D60-2004公路桥涵通用设计规范。1.3 主要技术指标设计资料1车道数：；2设计荷载：3通航净空： 4曲线半径： 5最大纵坡： 6地质资料： 2. 方案比选2.1 方案初步拟定2.1.1 桥梁设计的原则桥梁设计中应遵循下列基本原则：1安全所设计的桥梁结构，在制造、运输、安装和使用过程中，应当有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性，并有安全储备，以保证行人和行车的安全。2使用桥上应保证车辆和人群的安全畅通，并满足将来交通量增长的需要。桥下应满足泄洪、安全通航或通车等要求。建成的桥梁应保证使用年限，并便于检查和维修。3经济设计的经济性一般是首要考虑的因素。经济性应综合发展远景及将来的养护和维修等费用。4美观一座桥梁，尤其是座落于城市的桥梁应具有优美的外形，应与周围的景致相协调。合理的结构布局和轮廓是美观的主要因素，决不应把美观片面的理解为豪华的装饰。根据毕业设计任务书、北江河大桥桥址位置处地质剖面图，参照国内外诸多工程实例和经验1，对主桥提出了两个桥式方案-连续梁桥和连续刚构桥；引桥为30m标准跨径的预制装配式预应力混凝土简支T梁桥。2.1.2 方案一： 总体布置图：1上部结构2下部结构3施工方法4 受力特点5 优点6 缺点2.1.2 方案二： 总体布置图1上部结构2下部结构3施工方法4受力特点5优点6缺点2.2 方案选定5.上部结构设计5.1 设计资料5.1.1 桥梁跨径及桥面净空1桥梁跨径标准跨径30m；预制全长29.96m；计算跨径29.10m。桥宽，桥面横坡采用1.5%。2设计荷载 公路-I级，结构重要性指数=1.0车道荷载：均布荷载标准值：qk=10.5kN/m；Pk=280kN3材料 混凝土强度等级为C50，主要强度指标为：强度标准值，强度设计值，弹性模量 预应力钢筋采用1×7标准型15.21860GB/T 52241995钢绞线，强度指标为：抗拉强度标准值fpk=1860MPa抗拉强度设计值fpd=1260MPa弹性模量 Ep=1.95×105 MPa相对界限受压区高度 普通钢筋a向抗拉普通钢筋采用HRB400钢筋，其强度指标为： 抗拉强度标准值 抗拉强度设计值 弹性模量 Ep=2.0× MPa 相对界限收压区高度 b箍筋及构造钢筋采用HRB335钢筋，其强度指标为： 抗拉强度标准值 抗拉强度设计值 弹性模量 5.1.2 主要结构尺寸主梁高度h=200cm, 主梁间距均为S=230cm，其中主梁上翼缘预制部份宽180cm，现浇段宽为50cm。全桥由7片梁组成。预制T形梁的翼板端部厚度取用15cm，根部加厚取25cm。初拟马蹄宽度40cm，高度25cm。T形梁腹板跨中区段厚度均取18cm。本设计主梁采用等高形式，横截面的T形梁翼缘板厚度沿跨长不变，马蹄部分为配合钢束弯起而在近支点范围内逐渐将马蹄抬高，将腹板逐渐加厚到与马蹄同宽。全桥共设6道中间开洞的横隔梁，中间间距583cm，端部间距623cm。桥梁立面图、横截面布置型式及单片梁跨中断面细部尺寸如图5-1至5-2所示：图5-1, 5-2 引桥T梁平,剖面图跨中截面几何特性计算见表5-1：表5-1 跨中截面几何特性计算分块名称分块面积()分块面积形心至上缘距离 分块面积对上缘静距分块面积的自身惯距分块面积对截面形心惯距1231×2456=17=4+6翼板27007.52025050625.0061.4710201218.2210251843.22三角承托81018.3148502250.0050.672079412.002081662.06腹板2880952736006144000.00-26.031951780.008095780.23下三角13217122572528.00-102.031374209.691374737.69马蹄1000187.518750052083.33-118.5314050001.0814102084.307552518745I=35906106.42截面形心至上缘距离 cm检验截面效率指标上核心距 cm下核心距 cm截面效率指标 表明以上初拟的主梁跨中截面尺寸是合理的。5.2 主梁内力计算5.2.1 恒载内力计算1一期恒载集度a按跨中截面计，主梁的恒载集度：g(1)=0.7522×25=18.805N/mb由于梁端马蹄抬高所引起增加的恒载集度：g(2)=4×(0.4-0.18)/2×0.12/2×4.66/3×5×25/29.10=0.1739kN/mc由于梁端腹板加宽所增加的重力折算成的恒载集度：g(3)= 2×（1.08-0.7522）×0.46×25/29.10=0.2590N/md内主梁（2、3、4号）跨中横隔梁体积：内主梁支点横隔梁体积： 边主梁（1号）支点横隔梁体积：边主梁跨中横隔梁体积： 边主梁（1号）横隔梁的重力折算成的恒载集度： g(4)=（2×0.14385+4×0.1684）×25/29.10=0.8260N/m 中主梁（2、3、4号）横隔梁的重力折算成的恒载集度： g(4)=（2×0.2877+4×0.3369）×25/29.10=1.652N/m边主梁的恒载集度为：中主梁的恒载集度为：2二期恒载集度两侧防撞墙： 容重 桥面铺装：25号砼：湿接缝： 现浇段： 将湿接缝、两侧防撞墙和桥面铺装层恒载均摊给七片主梁，则：合计：边主梁：33.25N/m；中主梁：34.07N/m。表5-2 恒载内力计算表项目计标式单位梁 号12，3，4恒载q33.2534.07弯矩M支点0.000.00变截面1873.6331907.853L/42639.672687.863跨中3519.5533583.821剪力Q支点483.7918492.6203变截面330.8378336.8795L/4241.8908246.3101跨中0005.2.2 活载内力计算1 计算主梁的荷载横向分布系数a计标支点处的荷载横向分布系数mo支点处的横向分布系数采用杠杆法计算，如图5-3所示：图5-3 杠杆法求横向分布系数计算图示（尺寸单位cm）b计算跨中的荷载横向分布系数mc 按刚性横梁法计算，计算出汽车荷载的横向分布系数，按照四车道计算，车道折减系数是0.67，但折减后的效应小于两个车道，故采用两车道荷载计算（3、4号梁除外）。如图下图5-4所示：考虑抗扭修正系数的影响：表5-3 修正系数计算分块面积（cm）（cm）翼缘板180200.1110.30974.46腹板130180.1300.2982.38马蹄4033.70.8430.1592.739.57故由公式其中：n=7，I=0.35906106.42，可求得：= 0.998再由公式 ，可求出横向公布影响线如图5-4。图5-4 刚性横梁法求横向分布系数计算图示（尺寸单位cm）荷载横向分布系数汇总见表5-4：表5-4 荷载横向分布系数梁 号荷 载 位 置公 路I级备 注1号梁跨中支点0.730.76支点处按”杠杆法”计算，跨中按”刚性横梁法”计算1、2、3、4号梁按照四车道折剪后计算值分别是0.523、0.472、0.423和0.383，按照二车道计分别是0.73、0.585、0.44和0.286，故取两者中的较大值。2号梁跨中支点0.5850.833号梁跨中支点0.440.834号梁跨中支点0.3830.832均布荷载和内力影响线面积计算表5-5 均布荷载和内力影响线面积计算截面公路I级均布荷载(kN/m)影响线面积 ()影 响 线 图 式10.510.5续表5-5截面公路I级均布荷载(kN/m)影响线面积 ()影 响 线 图 式10.510.5M变截面10.5Q变截面10.53公路-I级中集中荷载Pk计算计算弯矩效应时：计算剪力效应时： 4计算冲击系数简支梁桥的基频计算公式，则单根主梁：L=29.10，C50混凝土E取，则：（1+）=1.2405跨中，L/4及变截面处的弯矩和剪力计算：因四车道要折减，折减=0.67。计算结果如表5-6所示： 表5-6 弯矩和剪力（单位：）截 面梁 号车道荷载弯矩剪力跨中11909.475756125.053210321530.196325100.21387431150.91689475.374537741001.82084265.610108951/4跨11432.062771204.950351121147.611947164.24103483863.1611222123.53171854751.3425223107.5287458变截面处11016.53693237.26199922814.6220601190.13461583612.7071905143.00723244533.333759124.48129546荷载横向分布系数沿桥纵向的变化图形和支点剪力、变截面剪力影响线，如图5-5所示：图5-5 支点剪力影响线图以及汽车荷载纵向分布由规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，对于全梁各点的弯矩用进行计算，而对于计算变截面与支点处的剪力，则按如下公式： 其中由按值计得，的公式为：根据上面两个剪力影响图可以求得变截面与支点处的剪力值见表5-7：表5-7 汽车荷载剪力计算表（单位：）截面位置梁号汽车荷载支点192.6555930.770189208.12218301.5479614274.25146.2898767227.29133307.8326041355.84720710.012457227.29133293.150991448.61245511.475816227.29133287.37959835.2.3 主梁内力组合1基本组合（用于承载能力极限状态计算） （5-1）2短期组合（用于正常使用极限状态计算） （5-2）3长期组合（用于正常使用极限状态计算） （5-3）根据不同荷载组合方式，控制截面各主梁的内力组合结果见表5-8，根据表5-8计算结果，个控制断面设计荷载见表5-9。表5-8 荷载组合表截 面梁 号基本组合Sd短期组合Sd长期组合Sl支点101002.7173060654.02048780604.4109845201022.1099830666.39675090615.7533224301001.5557240658.10874350609.880677240993.47577460654.85069920607.5721201变截面13671.5112729.17219312447.4844464.77605392201.548083425.742628323429.8939670.44385292367.7198444.21354972170.633827412.933338733147.2131604.46551622253.7356417.60938162105.499998394.082385343036.0903578.52920452208.928407.15119142079.895666386.6720106L/415172.4914577.1994913448.0921357.58861173101.625296323.870973324832.0927525.50961723335.7088339.02685363058.060735312.006554334433.8616468.51657433175.1317316.04578792966.302404295.7228278 续表5-8梁 号基本组合Sd短期组合Sd长期组合Sl44277.3155446.11241273112.0083307.01185182930.231888289.3216387跨中16896.7293175.07449444597.482570.594554194135.51258350.0212841126442.8602140.29942364447.641756.572348224077.43287240.085549635911.869105.52435284233.532342.550142253955.08466830.1498150845703.134691.854152534149.365237.037964733906.98916726.24404358表5-9 各种组合最值表截 面位 置项目基本组合Sd短期组合Ss长期组合支点01022.109980666.3967510615.7533224变截面3671.511729.1721932447.484464.7760542201.548083425.7426283L/45172.491577.1994913448.092357.5886123101.625296323.8709733跨中6896.729175.0744944597.48370.59455424135.51258350.021284115.3 引桥预应力钢束的估算及布置根据跨中截面正截面抗裂要求，确定预应力钢筋数量。为满足抗裂要求，所需的有效预加力为： （5-4）为荷载短期效应弯矩组合设计值，由表5-9查得=4597.483；估算钢筋数量，近似采用毛截面几何性质。按图给定的截面尺寸计算：，。为预应力钢筋重心至毛截面重心的距离，。 假设，则由此得到：拟采用钢绞线，单根钢绞线的公称截面面积，抗拉强度标准值，张拉控制应力取，预应力损失按张拉控制应力25%估算。所需预应力钢绞线的根数为：，取24根。采用3束8预应力钢筋束，OVM15-8型锚具，供给的预应力筋截面面积，采用金属波纹管成孔，预留管道直径为85mm。参考公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中预应力钢束的布置。本设计中预应力筋束的布置，为了方便张拉操作，将所有的钢束都锚固在粱端。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；对于锚固截面，钢束布置通常考虑以下两个方面：一是预应力钢束合力重心尽可能靠近截面形心，使得截面均匀受压；二是考虑锚头布置的可能性，以满足张拉操作方便等要求。如图5-6所示。图56 预应力钢束布置图本设计预应力筋束布置采用圆曲线，钢束的弯起角度依次是，在锚固截面处相应的钢束竖向间距是30cm。其要素及有关计算参数见表5-10至表5-13：表5-10 预应力筋束曲线要素表编号锚端钢束升高值C （cm）（cm）（cm）（cm）N1136160.9610.2763588989.04480.96N2118130.9950.1057119744.16725.84N3100100.9950.1057119744.16725.84注：R钢束弯曲半径；跨中截面至起弯点的距离；支座中心线到锚固端的距离。表5-11 各计算截面预应力筋束位置计算表截面钢束号（cm）R（cm）(cm)（cm）（cm）角度锚固截面N1989.043588.180.2760.9611391215116N2744.167119.250.1050.9953912516N3744.167119.250.1050.9953912516支点截面N1964.043588.180.2690.963131.9312143.9315.585N2719.167119.250.1010.99536.421248.425.798N3719.167119.250.1010.99536.421248.425.798变化截面N1505.713588.180.1410.9935.821247.828.102N2260.837119.250.0370.994.781216.782.100N3260.837119.250.0370.994.781216.782.100L/4截面N1239.043588.180.0671.007.971219.973.820N2-5.847119.25-0.0011.000.001212.00-0.047N3-5.847119.25-0.0011.000.001212.00-0.047跨中截面N103588.1801.00012120N207119.2501.00012120N307119.2501.00012120表5-12 钢束坐标计算表（单位：mm）钢束号坐标X跨中 0100200300400500600700L/4跨723N1坐标Y121212121212.0513.9818.6919.97N212121212121212.0012.0012.00N312121212121212.0012.0012.00钢束号坐标X80090010001100120013001400支点1450锚固1475N1坐标Y26.2136.5549.7465.8084.78106.73131.69143.93151N212.3914.1317.2821.8427.8135.1943.9948.4251N312.3914.1317.2821.8427.8135.1943.9948.4251表5-13 验算截面钢束中心位置（单位：cm）跨中L/4跨支点锚固截面N11219.97143.93151N21212.0048.4251N31212.0048.4251平均1214.6680.2584.33一钢束的长度为曲线长度、直线长度和两端张拉的工作长度之和，其中一端工作长度不少于70cm，这里取70cm。计算结果见表514：表514 片梁钢束长度计算表（单位：cm）钢束号半径钢束弯起角度圆弧长度直线长度有效长度预留长度总长角度弧度N13588.18 161002.01 967.69480.96 2965.94 1403105.94 N27119.25 6745.53 1035.67725.84 2942.72 1403082.72 N37119.25 6745.53 1143.01725.84 2942.72 1403082.72 总长92705.4 主梁截面特性计算截面面积及惯性矩计算对于净截面：截面积： （5-5）截面惯性矩： （5-6）对于换算截面：截面积： （5-7）截面惯性矩： （5-8）取用主梁截面（b1=192cm）计算。式中：、分别为混凝土毛截面面积和惯性矩；、分别为一根管道截面积和钢束截面积；、分别为净截面和换算截面重心到主梁上缘的距离；分面积重心到主梁上缘的距离；计算面积内所含的管道（钢束）数；钢束与混凝土的弹性模量比值。主梁截面特性汇总如表5-15：表5-15 主梁截面特性值总表名称符号单位截面跨中1/4跨变截面支点混凝土净面积净面积7351.767351.768613.7610629.76净惯矩3.453E+073.384E+073.820E+074.320E+07净轴到截面上缘距离66.4366.4971.8576.03净轴到截面下缘距离133.57133.51128.15123.97截面抵抗扭矩上 缘5.089E+055.317E+055.682E+05786903.707下 缘2.534E+052.981E+053.485E+05534115.276钢束群重心到净轴距离121.57118.85101.0243.71混凝土换算截面换算面积8223.518223.519485.5111501.51换算惯矩4.533E+074.416E+074.584E+074.467E+07续表5-15换轴到截面上缘距离79.3179.0981.1479.34换轴到截面下缘距离120.69120.91118.86120.66截面抵抗扭矩上 缘5.584E+055.650E+055.630E+05737541.056下 缘3.652E+053.857E+053.702E+05496030.897钢束群重心到净轴距离108.69106.2591.7440.40钢束群重心到截面下缘距离12.0014.6627.1280.255.5 预应力损失计算设计预应力混凝土受弯构件时，需要事先根据承受外荷载的情况，估定其预加应力的大小，但是由于施工因素、材料性能和环境条件等的影响，钢筋中的预拉力将要逐渐减少。一般情况下，应考虑一下六种预应力损失值：1 预应力与管道壁间摩擦引起的应力损失；2 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失；3 钢筋与台座间的温差引起的应力损失；4 混凝土弹性压缩所引起的应力损失；5 钢筋松弛引起的应力损失；6 混凝土收缩和徐变硬气的应力损失。本设计中采用后张法构件，不考虑上述中第三项的预应力损失值的计算。原因是，先张法构件采用蒸汽或其他加热方法养护混凝土时，钢筋与台座间的温差引起的应力损失，仅用于先张法构件。5.5.1 摩阻损力摩擦损失主要由于管道的弯曲和管道位置偏差两部分影响所产生。对于直线管道，由于施工中位置偏差和孔壁不光滑等原因，在钢筋张拉时，局部孔壁仍将与钢筋接触而引起摩擦损失，其数值较小，本设计中不予考虑。对于弯曲部分的管道，还存在因管道弯转，预应力筋对弯道内壁的径向压力所引起的摩擦损失，其数值较大，并随钢筋弯曲角度之和的增加而增加。曲线部分摩擦损失由以上两部分影响所形成，故要比直线部分摩擦损失大得多。 摩擦损失的计算： （5-9）式中： 张拉控制力，；张拉端至计算截面间曲线管道部分切线的夹角之和，以rad计；x从张拉端至计算截面间的水平距离，(以m)计；力筋与管道壁间的摩擦系数和，对于金属波纹管取；k管道每米局部偏差对摩擦的影响系数，取k=0.0015。各截面摩阻损失的计算见表5-16：表5-16 摩檫损失计算表 钢束号截面123总 计（MPa）支点x(m)0.200.200.20弧度0.410.200.202.741.551.555.84变截面x(m)4.734.734.73弧度8.102.102.1054.1821.4821.4897.15L/4截面x(m)7.237.237.23弧度12.186.056.0580.9048.1448.14177.18跨中x(m)14.8514.8514.85弧度16.006.006.00115.6063.2063.20241.995.5.2 锚具变形损失 后张法构件，当张拉结束并进行锚固时，锚具将收到巨大的压力，使锚具自身及锚下垫板压密而变形。反摩擦影响长度 （5-10） （5-11）式中：张拉端锚下控制张拉应力； 锚具变形值，OVM夹片锚有顶压时取4mm； 扣除沿途管道摩擦损失后锚固端预拉应力； 张拉端到锚固端之间的距离。 当时，离张拉端x处由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的、考虑反向摩擦后的应力损失为： （5-12） （5-13） 当时，表示该截面不受反向摩擦的影响。锚具变形损失的计算见表5-17、5-18：表5-17 反摩擦影响长度计算表钢束号1231395139513951279.401331.801331.800.00780.00430.004310009.9513468.3113468.31表5-18 锚具变形损失计算表钢束号截面123总 计（MPa）支点x(mm)200200200155.84114.63114.63续表5-18钢束号截面123总 计（MPa）支点152.73112.93112.93378.5934变截面x(mm)4.734.734.73155.84114.63114.6382.2074.3774.37230.95L/4截面x(mm)7.237.237.23155.84114.63114.6343.2853.1053.10149.47跨中x(mm)14.8514.8514.85155.84114.63114.63-75.35-11.76-11.76不考虑5.5.3 分批张拉损失 本设计中，预应力钢筋采用逐束进行张拉锚固，因此，当张拉后批钢筋束时所产生的混凝土弹性压缩变形，将使先批已张拉并锚固的筋束产生应力损失。分批张拉损失可按下列简化公式计算： L4= （5-14） 式中：m张拉预应力钢筋批数,每批钢筋的根数和预加力相同；m=3 力筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值； 力筋重心处，由张拉全部力筋所产生的混凝土正应力； 后张梁： 全部钢筋的预加力（扣除相应的预应力损失）；、分别为力筋面积和有效预应力； 力筋重心至净截面重心轴的距离。表5-19 截面应力及预加力