土木工程论文设计.doc

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1、中 南 大 学CENTRAL SOUTH UNIVERSITY本科毕业论文(设计)论文题目: 学生姓名: 指导老师: 学 院: 专业班级: 完成时间: 中 南 大 学毕 业 论 文（设 计）任 务 书函授站(点): 专业:土木工程 年级： 学生姓名： 毕业设计（论文）题目：墨水湖大桥主桥（25m）结构设计起止日期： 指导教师： 毕业设计（论文）要求（包括日程安排和进度）：一、日程安排和进度阶段阶 段 内 容起止时间总体设计设计内容的主要构架章节和重点难点内容11.10.6-11.11.6资料收集通过现场调研、文献查阅、网上搜集等收集资料11.11.7-11.12.5初稿撰写根据总体设计和有关要

2、求撰写并完成设计初稿11.12.6-12.3.1修改补充根据导师意见对初稿进行修改补充12.3.2-12.5.1文档整理按毕业设计格式要求整理文档，准备答辩12.5.2-12.5.25答辩12.5.26二、论文要求 毕业论文由题目（标题）、摘要、引言（前言）、正文、结论、参考文献和附录等几部分构成。整篇论文字数不少于8000字左右，书写方式必须为计算机打印。要求数据正确、思路清晰、观点正确，逻辑合理，语句通顺，文本格式符合规范要求。审查意见：院（站）负责人： 年 月 日注：本任务书由指导教师填写并经审查后，一份由学生装订在毕业设计（论文）的封面之后，原件存函授站。中 南 大 学毕 业 设 计（

3、论文）成 绩 单函授站(点): 专业: 年级： 学生姓名： 毕业设计（论文）题目：墨水湖大桥主桥（25m）结构设计指导老师评语：指导老师建议成绩： 指导老师签名：年 月 日审查意见：院（站）负责人：年 月 日评审意见：评审人签名： 年 月 日毕业设计（论文）答辩评语及成绩成绩： 专业毕业设计（论文）答辩委员会主任签名： 年 月 日审查意见：院（系）负责人签名：年 月 日注：此成绩单一式三份，一份装入学生个人学籍档案，一份装订入毕业论文中，另一份由各函授站备存摘 要本设计题目为墨水湖大桥主桥设计，它是联系汉阳地区与武汉经济技术开发区的主要干道中的一座特型桥梁，是目前武汉湖泊中最长的桥梁。墨水湖位

4、于武汉市汉阳区，该湖区是规划的环保生态旅游区域，这就对大桥造型的景观性提出了较高要求：大桥不仅将成为武汉新区门户的标志桥，也将是风景区湖中的景观桥。设计该桥为双向六车道，城市客运交通主干道，车辆荷载为公路一级，所设计的标准跨径为25米，桥净宽为30.6米。设计的内容包括主桥桥身采用预应力T梁，下部结构为盖梁，四柱式桥墩，钻孔灌注桩，设计方法为允许应力法。关键词：预应力T梁； 内力计算； 截面验算； 预应力损失； 允 许应力法目 录0绪 论 11工程概况22设计方案比较32.1 编制设计方案的主要原则32.2 初步拟定比较方案32.3 技术经济比较和最优方案的选定33 预应力混凝土T梁内力计算

5、53.1 设计资料53.2 结构尺寸63.2.1 横断面的布置63.2.2 主梁尺寸拟定73.3主梁内力计算93.3.1 恒载内力计算93.3.1.1恒载集度93.3.1.2恒载内力103.3.2 活载内力计算113.3.2.1冲击系数和车道折减系数113.3.2.2主梁的荷载横向分布系数113.3.2.3计算活载内力143.3.2.4主梁内力组合174预应力混凝土T 梁设计194.1 预应力钢束的估算及布置194.1.1 估算钢束面积194.1.2 钢束布置194.1.2.1 跨中截面钢束的布置194.1.2.2 锚固面钢束布置204.1.2.3 其他截面钢束位置及倾角计算204.2 主梁截

6、面几何特性计算224.3 钢束布置位置的校核234.4 钢束预应力损失估算244.4.1 钢束张拉控制应力244.4.2 钢束应力损失244.5 预加应力阶段的正截面应力验算294.6 使用阶段的正应力验算294.6.1 截面混凝土正应例力验算304.6.2 使用荷载作用下钢束中的应力验算304.7 使用阶段的主应力验算304.7.1 截面面积矩计算304.7.2 主应力验算314.7.3 主应力的限制值334.7.4 主应力验算334.8 截面强度计算334.8.1 正截面强度计算334.8.2 斜截面强度验算344.9 梁端锚固区的局部承压验算354.9.1 局部承压强度验算354.9.2

7、 局部承压抗裂性验算374.10 主梁变形（挠度）计算384.10.1 短期荷载作用下主梁挠度验算384.10.2 预拱度设置计算394.10.3 长期荷载作用下的变形405 钻孔灌注桩、四柱式桥墩计算415.1 设计资料415.2 盖梁415.2.1 荷载计算415.2.1.1 上部部构造恒载415.2.1.2 盖梁自重及内力计算425.2.1.3 活载计算425.2.2 内力计算475.2.3 盖梁配筋计算485.3 桥墩墩柱的计算515.3.1 荷载计算515.3.2 截面配筋计算525.4 钻孔灌注桩计算545.4.1 荷载计算545.4.2 桩长计算555.4.3 桩的内力计算555

8、.4.4 桩顶纵向水平位移验算575.4.5 桩截面配筋59参 考 文 献610 绪论随着我国经济发展，材料、机械、设备工业相应发展，大跨径桥梁在我国的基础交通建设中也有了有力的物质保障，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。回顾我国的建桥历史，我国幅员辽阔，有着悠久的建桥历史，从古老的赵州桥到解放前的钱塘江大桥，再到第一座长江大桥武汉长江大桥，再到现在的杭州湾跨海大桥，可以说中国形形色色的公路，铁路，跨江，跨海大桥足以证明我国桥梁建设从古到今一直处于世界先进行列。随着我国改革开放的深入，各式各样的桥梁如雨后春笋般冒了出来，但总观所有的桥梁，由于我国各地经济

9、水平的参差不齐，经济总体水平不高，公路桥梁还是面向量大，面广的一般大，中桥，而在这其中预应力混凝土梁（板）桥成为了其中的主要的桥型。同时随着科学技术的不断发展和人民生活水平的不断提高，人们对各方面的要求也不断的提高，对道路桥梁的要求也越来越高。这就对道路桥梁的建设提出了更高的要求。桥梁的形式各种各样，但主要可以分为梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥。而在二十世纪80年代以来，预应力混凝土梁（板）因其节省材料，自重轻，减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力，结构简单，安全可靠，便于安装等优点，在国内桥梁建设中得到广泛应用。 而墨水湖大桥属于其中的一座，它采用了预应力梁（板）结构，下部采用盖梁，柱式桥墩，钻孔灌

10、注桩的结构形式，形式简单明了，在下面的内容中将对墨水湖大桥主桥进行结构设计。1工程概况(1) 场地自然地理概况及地形地貌特征武汉市属于我国东南季风气候区，具有夏季炎热、冬季寒冷、降水充沛等主要气候特点，年平均气温15.9，极端最高气温41.3，极端最低气温-18。多年平均降水量1261.2mm，降水集中在6-8月，占全年的41%；最大年降水量2107.1mm，最大日降水量332.6mm，年平均蒸发量为1447.9mm，绝对湿度年平均16.4mb，湿度系数为0.90，大气影响急剧深度为1.35m。墨水湖湖面面积约3.02km2，常水位一般为18.65m，最高控制水位为19.65m，湖底高程基本在

11、17.6m左右。工程场地位于武汉市汉阳区墨水湖地段，北起汉阳特种汽车改装厂，向南跨墨水湖水域，止于汉阳区江堤乡杜家湾。场地地势总的特征为南北高中间低，地形标高一般为17.0-23.0m，场地地貌上多属湖泊（I区），其中桩号4+280-4+660段属剥蚀堆积岗状平原（II区）。(2) 场地地质构造特征武汉市位于淮阳山字型弧顶西翼与鄂东南华夏系构造复合部位，也处反接在山字型构造上的新华夏系第二沉降带。区内地壳受燕山运动南北向水平挤压应力的作用，致使古生界及早三叠地层形成一系列近东西向的紧密线状褶皱，以及与之配套的压性、扭性和张性断层。工程场地在地质构造上属新隆-豹子懈复式倒转向斜。长约60km，宽

12、2-6km，核部为三志叠大冶组，两翼由志留系至二叠系地层组成，北翼倒转，倾向北，倾角50-80度，南翼正常，倾向北，倾角45-70度。工程场地位于该复式倒转向斜北翼，基岩为志留系砂岩、泥岩、石炭系石灰岩、泥盆系石英砂岩及二叠系炭质页岩、泥岩，上覆全新统湖积淤泥、淤泥质粘性、中更新统冲洪积粘性土、碎石土及残积粘性土。由于受该倒转向斜影响，基岩裂隙较发育，岩芯较破碎， (3) 场地地层构成及其岩性特征场地地层主要全新统湖积相淤泥、淤泥质粘性土、中更新统冲洪积粘性土及残积粘性土构成，底部基岩志留系砂岩、泥岩、石炭系石灰岩、泥盆系石英砂岩及二叠系炭质页岩、泥岩。(4) 场地水文地质条件场地地表水主要为

13、墨水湖水，主要接受大气降水、地表径流及人工补给，受气候及人工影响明显。地下水主要为上层滞水、层间水及岩溶裂隙水。上层滞水主要赋存于上部人工填土层中，主要接受大气降水的入渗补给。其水位、水量与季节关系密切，并受人类活动影响明显，水量一般有限。层间水主要赋存于碎石土中，受径流补给，岩溶裂隙水主要赋存于下部弱风化石灰岩中，主要接受侧向地下水的补给及侧向排水，场地上层滞水地下水位为地面以下1.00-4.20米。地下水及地表水对砼结构、钢筋砼结构中钢筋无腐蚀性。2设计方案比较2.1 编制设计方案的主要原则(1) 根据桥位断面水文计算，无论那种方案均要在满足全断面流量的情况下，根据已计算的桥长及桥面最低标

14、高，选择桥型；(2) 选择桥型要综合考虑当地的建筑材料的供给，及利用率，还要考虑当地运输条件等方面的情况。在满足上述条件后，要充分利用当地材料优势，考虑桥型要美观，与当地的自然环境相协调，与公路等级相适应，而且经济费用要合理，要经久耐用；(3) 设计及选择桥型以满足公路技术指标为依据；(4) 桥面净宽为30.6米；(5) 设计荷载：公路-级，人群荷载4.0KN/m22.2 初步拟定比较方案根据水文计算及公路等级要求，初步拟定以下两种方案供比较选择(1) 预应力混凝土T梁：标准跨径25米；(2) 空腹式等截面悬链线拱桥。2.3 技术经济比较和最优方案的选定 设计方案的评价和比较，要全面考虑各项技

15、术经济指标，综合分析每一个方案的优缺点，相互比较，科学的选定最佳方案。首先从技术经济指标逐项对比分析：(1)主要材料用量如果是拱桥，其材料用量很大，简支T梁桥材料用量要少得多，从节省材料上讲，用简支梁桥更好。(2) 劳动力需求量方面对于拱桥，首先材料用量大，会导致需要更多的劳动力，而简支梁很多都是机械施工，可以先再施工附近预制梁然后用架桥机运至所需地方，并架设到合适的位置。所以从省劳动力方面，选用简支梁桥更好。(3) 全桥造价从造价上讲，拱桥如果是圬工拱桥其造价将低于简支梁桥，但此桥为位于城区，圬工材料少；如果采用钢筋混凝土拱桥，由于拱桥建筑高度较高，使两岸接线工程量增大，那么将比简支梁桥需要

16、更多的钢材和混凝土，从而增大造价。所以选用简支梁桥为宜。(4) 养护费用方面在养护费用方面，拱桥与梁桥相差不多，一旦梁桥部分构件出现损坏，容易维修与更换；而拱桥损坏修复较梁桥困难，再则该桥位于武汉市，其交通量大，不宜中断交通修复，故选用梁桥较为适宜。(5) 各种材料运输方面从材料运输上讲，运输条件差不多。综合以上几点评比，从施工工期、工程造价及材料用量方面，决定采用第一方案，即预应力混凝土装配式简支T型梁桥。图1:桥型布置图3 预应力混凝土T梁内力计算3.1 设计资料(1) 桥面跨径及桥宽标准跨径：25米主梁长：24.96米计算跨径：24.12米桥面净宽：20.322+21+211.25+1.

17、5(2) 设计荷载公路-级，人群荷载4.0KN/m2(3) 材料及工艺混凝土:主梁50号;湿接缝50号，按后张法工艺制作安装，45毫米抽拔橡胶管。(4) 设计依据我国行业标准公路桥涵设计通用规范（JT GD602004）我国行业标准公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范（JT GD622004）我国行业标准公路桥涵设计手册-梁桥（上册，96版）我国行业标准公路桥涵设计手册-墩台与基础（96版）(5) 基本数据表3-1 基本数据计算表 名称项目符号单位数据混凝土立方强度MPa50弹性模量MPa3.5104轴心抗压标准强度MPa35抗拉标准强度MPa3.00轴心抗压设计强度MPa28.5抗拉设计强度

18、MPa2.45预施应力阶段极限压应力0.7 MPa22.05极限拉应力0.7 MPa1.925使用载作用阶段荷载组合I极限压应力0.5MPa17.5极限压应力0.8MPa2.40极限主压应力0.6MPa21荷载组合II极限压应力0.6MPa21极限压应力0.9MPa2.70极限主压应力0.65MPa22.75碳素钢丝标准强度MPa1860弹性模量MPa1.95105抗拉设计强度MPa1488最大控制应力0.75MPa1395使用阶段极限应力MPa荷载组合0.65MPa1209荷载组合0.70MPa1302材料容重钢筋混凝土KN/m326混凝土KN/m324钢丝束KN/m378.5钢束与混凝土的

19、模量比无量纲5.573.2 结构尺寸3.2.1 横断面的布置依据公路桥涵设计通用规范主梁间距为1.61米（留11厘米的工作缝，翼缘板宽150厘米），由桥面净宽确定为19片梁。3.2.2 主梁尺寸拟定(1) 主梁高度预应力混凝土简支梁的主梁高度与其跨径之比通常在1/151/25之间，当建筑高度不受限制时，增大梁高是比较经济的方案，可以节省预应力钢束用量。对于跨径25米的简支梁取用150厘米梁高是比较合理的。选用150厘米梁高时，计算跨径为24.12米，高跨比为1.50/24.12=1/16。1/16位于1/151/25之间，符合要求。(2) 主梁腹板的厚度在预应力混凝土梁中腹板内主拉应力较小，腹

20、板的厚度主要由预应力钢束的孔道设置方式决定，同时从腹腔板的稳定出发，腹板厚度不宜小于其高度的1/15，故取用腹板厚度为12厘米。在跨中区段，钢束主要布置在梁的下缘，以形成较大的内力偶臂，故在梁腹板下设置马蹄，以利数量较多的钢束布置。设计实践表明，马蹄面积与截面积以10%20%为宜。设置马蹄宽30厘米，高18厘米，则马蹄与截面积之比为14.02%，位于10%20%之间，符合要求。(3) 横截面沿跨长度变化横截面沿跨长度变化主要考虑预应力钢束在梁内布置的要求，以及锚具布置的要求，故为配合钢束的弯起而从四分点开始向支点逐渐抬高，同时腹板的宽度逐渐加厚，在距梁端一倍梁高范围内（150厘米）将腹板加厚与

21、马蹄同宽。(4) 横隔梁的设置为增加各主梁的横向联系，使各主梁在载荷作用下的受力均匀，本设计共设置7道横隔梁。为减轻吊装重力，横隔梁采用开洞形式。考虑施工方便和钢束布置，横隔梁高度为135厘米，平均厚度为15厘米。 图3-1 横隔梁设置图 图3-2 T梁各截面图示(5) 主梁几何特性计算见下表表3-2跨中截面几何特性计算表 分块名称分块面积形心距上缘距离分块面积分块面积对上缘净矩分块面积自重惯性矩分块面积对截面形心惯性矩翼板41200480064004827648002771200三角承托10.66552588419634134943366945286腹板7014881041601906624

22、184821122865392下三角129.3372931225677.33430555430768马蹄14154076140145808942773404291920385220029610827996注： （cm）（cm）上核心距： 下核心距： 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。3.3主梁内力计算3.3.1 恒载内力计算3.3.1.1恒载集度(1) 主梁自重（第一期恒载） 按跨中截面计算g(1)=0.385226=10.01KN/m 由马蹄抬高所形成四个横置的三棱柱重力折算成的荷载集度g(2)=41/2(4.021.500.15)(0.300.18)0.082624.

23、96=0.1KN/m 梁端腹板加宽所增加的重力折算成的恒载集度主梁端面积：30150+(15030)8(15030)28=0.600m2g(3)=2(0.421.080.15)(0.594-0.3852)2624.96=0.72KN/m 边梁的横隔板内横隔板体积： 0.151.350.6751/2（0.080.16）0.6751/2（0.030.11）0.0751/2（0.450.85）0.150.850.08=0.10m3端横隔板体积： 0.151.350.61/2（0.080.16）0.61/2(0.450.85)0.150.850.08=0.09m3故 g(4)=(50.1020.09)

24、2624.96=0.71KN/m 第一期恒载（边主梁恒载集度）g1=g(i)=10.010.10.720.71=11.54KN/m(2) 第二期恒载一侧栏杆 1.00 KN/m桥面铺装厚为13cm桥面铺装层：0.13(12+11.2521.5)24=81.12KN/mg2=1/19(2181.12)=4.375 KN/m3.3.1.2恒载内力图3-3恒载内力计算图式如图3-3所示：设 x为计算截面离左支座的距离，令a=x/l，则恒载内力计算见表3-3所示：表3-3 恒载内力（1）计算表计算数据L=24.12 L2=581.77m2项目跨中1/4跨变化点1/4跨变化点支点a0.50.250.06

25、40.250.06401/2a（1a）0.1250.09380.02991/2（12a）0. 250.4360.5第一期恒载11.54839.20629.40201.1069.59121.36139.17第二期恒载4.375318.14238.7276.0926.3846.0152.763.3.2 活载内力计算3.3.2.1冲击系数和车道折减系数按公路桥涵设计规范第2.3.2条规定，对汽车超20级 1=1(1.3-1)(4524.12)（455）=1.157按公路工程技术标准规定,当桥面行车宽度大于等于21且小于等于28时,按六行车对称布载,汽车荷载折减40,既车道折减系数为0.553.3.2

26、.2主梁的荷载横向分布系数(1) 跨中荷载横向系数L/B=24.12/30.6=0.788故可按修正刚性横梁法绘制横向影响线,并计算横向分布系数mc。 计算主梁抗扭惯矩 对于T形梁截面，抗扭惯矩可近似按下式计算： 式中：和-相应为单个矩形截面的宽度和厚度； -矩形截面抗扭刚度系数； m-梁截面划分成单个矩形截面的个数对于跨中截面，翼缘板的换算平均厚度：马蹄部分的换算平均厚度： 表3-4 计算表 分块名称（cm）（cm）翼缘板150120.08130.86400腹板116150.120.30781.20504马蹄30220.730.18360.586492.65553 计算抗扭修正系数设计主梁的

27、间距相同，并将主梁近似看成等截面，则有： 式中：-与主梁片数n有关的系数，当n=19，求得为1.003 ，B=30.6，l=24.12m，I=0.11304565，按桥规取G=0.425，带入计算得：=0.9938 按修正的刚性横梁法计算横向影响线竖坐标值：式中，n=19, 计算所得值列于表3-5表3-5 计算表 梁号e114.490.19390.03690.02120.0055-0.0102-0.0259-0.0416-0.0573-0.0730-0.0887212.880.17820.03870.02470.0107-0.0033-0.0173-0.0313-0.0453-0.0593-0

28、.0733311.270.16250.04050.02820.01590.0036-0.0087-0.0210-0.0333-0.0456-0.057949.660.14680.04230.03170.02110.0105-0.0001-0.0107-0.0213-0.0319-0.042558.050.13110.04410.03520.02630.01740.0085-0.0004-0.0093-0.0182-0.027166.440.11540.04590.03870.03150.02430.01710.00990.0027-0.0045-0.011774.830.09970.04770

29、.04220.03670.03120.02570.02020.01470.00920.003783.220.08400.04950.04570.04190.03810.03430.03050.02670.02290.019191.610.06830.05130.04920.04710.04500.04290.04080.03870.03660.03451000.05260.05260.05260.05260.05260.05260.05260.05260.05260.0526绘制的跨中横向分布图如，从影响线上看,1号梁为最大,所以以1号梁计算为准。 图3-4 跨中横向分布系数计算图式=1/2*

30、(0.1446+0.1573+0.1748+0.1271+0.1144+0.0968+0.0842+0.0666+0.0408+0.0232+0.0105)=0.5202；= 0.1895(2) 支点的荷载横向分布系数按杆杠法绘制横向影响线并进行布载，1号梁荷载的横向分布系数计算如下： 图3-5 支点横向分布系数计算图式=1/20.9925=0.4963 =0.7129荷载横向分布的汇总见表3-6。表3-6 荷载横向分布系数汇总表 荷载类别公路级0.52020.4963人群0.18950.71293.3.2.3计算活载内力对于横向分布系数的取值作如下考虑：计算主梁活载跨中弯矩时，均采用全跨统一

31、的横向分布系数mc；考虑到跨中和四分点剪力影响线的较大坐标位于桥跨中部，故按不变化的mc计算；计算支点附近应考虑支承条件的影响，按横向分布系数沿桥跨的变化曲线取值，即从支点到1/4L之间，横向分布系数用mc与mo直线插入，其余均取mc值。(1) 计算跨中截面最大弯矩，计算式为：图3-6 跨中截面内力计算图式（单位：M）由计算图式得Mq=1.1570.52022123.5=1278.07KN.MQq=1.1570.5202160.4=96.54KN q=1.154=4.6KNmMr=10.18954.624.1224.128=63.39KN.MQr=10.18954.624.128=2.63KN

32、(2) 计算1/4L截面最大弯矩和最大剪力，由计算图式得图3-7 四分点截面内力计算图式（单位：M） Mq=1.1570.52021791.5=1078.25KN.MQq=1.1570.5202297=178.76KN q=1.154=4.6KNmMr=10.18954.624.124.522=47.52KN.MQr=10.18954.624.120.752=7.88KN(3) 计算变化点截面最大弯矩和最大剪力，由计算图式得 图3-8 变化点截面内力计算图式（单位：M） Mq=1.1570.52025200.862=269.78KN.MQq=1.157（1200.940.5+1200.880.

33、51+1400.590.5202+1400.530.5202）=221.94KN q=1.154=4.6KNmMr=10.18954.624.121.212=12.72KN.MQr=10.394.64.530.842+10.18954.622.622=13.27KN(4) 计算支点截面最大剪力，由计算图式得图3-9 支点剪力计算图式（单位：M）Qq=1.157（14010.4963+1400.940.5+1200.650.5202+1200.590.5202+300.470.5202）=254.57KNq=1.154=4.6KNmQr=10.524.64.020.882+10.18954.624.122=14.74KN3.3.2.4主梁内力组合根据公路桥涵设计通用规范第2.1.1条规定，根据可能出现的作用荷载。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第4.1.2条规定进行了提高，内力组合见表3-7。表3-7主梁内力组合表荷载类别跨中截面四分点截面