桥梁毕业设计

装配式预应力混凝土简支空心板桥

毕业设计任务书

第一章 概述

发展交通事业，实现四通八达的现代化交通，对发展国民经济，巩固国防具有非常重要的作用。在公路、铁路、城市和农村道路交通以及水利等建设中，为了跨越各种障碍（如河流、沟谷或其他线路）必建各种类型的桥梁与涵洞，因此，桥涵又成为陆路交通中的重要组成部分。在经济上，桥梁和涵洞的造价一般说来平均占公路总造价的10%-20%，特别是在现代高等级公路以及城市高架道路的修建中，桥梁不仅在工程规模上十分巨大，而且也往往是保证全线早日通车的关键。在国防上，桥梁是交通运输的咽喉，在需要高度快速、机动的现代战争中具有非常重要的地位。考虑到沙河两岸具有许多工厂、商业区、大量高层建筑房屋，政府有关部门计划在沙河之上建一座桥梁，以方便两岸人民、发展两岸经济，并命名为“利民桥”。

第二章 方案比较

为了获得适用、经济和美观的桥梁设计，有关部门进行了深入细致的调查和研究，并结合有关方面的要求综合考虑，满足使用、经济、结构尺寸、构造、施工、美观上的要求，做出几种方案，最后通过技术、经济等方面的综合比较获得最优设计。 方案一：预应力混凝土连续梁桥（8×8m） 方案二：预应力混凝土简支板桥（16×4m） 方案三：钢筋混凝土双曲拱桥（32×2m）

表2-1 方案比较表

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通过以上三种方案比较，从使用效果、造价、材料等诸多方面看，第二方案优点最多。第一方案由于“利民桥”属于城市桥梁且桥跨较小，造价较高不宜采用；第三方案由于在城市施工，施工场地不宜占大且土方来源困难，不宜采用。所以第二方案最为合理。

第三章 初步设计

第一节 原始资料

一、水文数据资料

设计洪水为频率为2%，设计流量为：Qs 962m3/s,设计流速为V0 4.1m/s， IL=0.8，e=0.8，波浪高度取0.5m。

二、气象资料：

当地最热日月平均气温23.5oC，最冷日月平均气温-6.1oC，极端最高温38oC，极端最低温度-25.0oC，地面冻土深0.8m，设计风速v 17m/s。

三、地质资料

据工程地质勘察报告（钻探深度为20m），桥位河床下的地质条件如下表：

表3-1 河床下地质资料报告表

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许承载力 0 70kPa，空隙比e=0.95，夹有淤泥质粘土，层厚为1m。

四、设计荷载

公路-II级 人群荷载：3.0kN/m2 桥面宽度：净-7＋2×1.0m 道路等级：II级 本河道不通航 抗震设防烈度为7度

第二节 水文计算

一、过水面积计算

设计水位拟订为983.33m,水面宽度69.606m

1

过水面积：A1=0.333×0.12×=0.02 m2

2

1

A2=4.9×（0.12＋3.16）×=8.036 m2

21

A3=27.3×（3.16+3.91）×=96.506 m2

21

A4=3.4×（3.91+4.44）×=14.195 m2

21

A5=15.3×（4.44+4.08）×=65.178m2

21

A6=12.9×（4.08+2.76）×=44.118m2

2

1

A7=2.76×5.496×=7.584 m2

2

Aqx=A1＋A2＋A3＋A4＋A5＋A6＋A7=235.637 m2

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设计过水面积：W=qs/v0=962/4.1=234.634m2

Aqx－W=235.637－234.634=1.003m2

取标准跨径 l=16m 分为4跨，桥长64m，桥墩宽取1.2m。

lj=15.1m； p=1.2m； Qp=962m3/s； Lj=60.4m

=d/l0=1.2/64=0.01875， =1－Aq=

0.375 4.1

=0.8982；

15.1

Q

p

p 1 3

=

962

=221.849m2 4.10.8982 1.2 1 0.01875

AJ=AQ×（1- ）=217.689m2

二、桥面标高

非通航河流： Hmm=HP＋ h hj h0

hj 查《桥涵水文》表12-4 hj=0.5m

桥面铺装采用防水混凝土铺装，上面层为3㎝厚的细粒式沥青混凝土与5㎝厚的中粒式沥青混凝土，下面层为10cm厚的C40防水混凝土。

波浪高度 hl=0.5m

h 2/3×0.5=0.33m HP=983.33m Hmm=983.33+0.33+0.5+0.88=984.95m

三、桥梁墩台的冲刷计算

（一）一般冲刷深度计算

河槽为粘土质河槽 Il=0.3； e=0.95； hmax=4.44m； Lj=60.4m；

=Ac/Lc=235.637/64=3.682

单宽流量集中系数： =1.3； 桥孔侧收缩系数： =0.8982；

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Qcp hmax Lj h

河槽部分一般冲刷深度：hp=

1

0.33

Il =8.14m

（二）最大冲刷深度计算：

53

1.3 962 4.44

0.8982 60.4 3.682

=

1 0.33

0.3

58

53

58

桥墩计算宽度B=1.2m； 桥型系数K =0.99；

1

冲止流速： = 2=0.22

Ie l

1.15

hp

2

3

1

=0.22

0.3 0.95

1.15

8.14=1.185；

23

hpB0

8.14

6.78 2.5； 1.2

0.6

hb 0.83 K B0 Il

1.25

=0.83 0.99 1.20.6 0.31.25 1.185

=0.24m；

最大冲刷深度：hs hp hb 8.14 0.24 8.38m

第三节 桥面总体布置

一、桥面总体布置：

。

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桥面净空为：7+2×1.0m；

全桥宽采用九块预制预应力空心板，每块空心板宽99cm。空心板全长15.96m，每块板内主筋采用钢铰线1×3束 12.9cm2。

图3-2 空心板截面构造及尺寸（尺寸单位cm）

（一）毛截面面积

Ah 99 70 2 38 18 4

192

2

1 1

2 7 2.5 7 2.5 7 5

2 2

=6930-1368-2268.2299-87.5

2

=3206.3cm

（二）毛截面对中心的惯矩

11

每个挖空的半圆面积为：A R2= 192 567.1cm2；

22

4R4 19

80.6mm； 重心：y=3 3

d4 0.00686 384 14304cm4； 半圆对其自重重心的轴O-O的惯矩为：I 0.00686

全截面对1/2板搞出的静矩：

17 17 2

S1/2板高=2 5 7 7 21 2.5 7 28 2.5 7 28

2 23 3 2 =2538.1cm2；

毛截面重心离1/2板高处的距离为：dh 铰缝重心对1/2板高处的距离为：d铰

S1/2板高

Ah

2538.1

0.79cm（向下移）； 3206.3

2538.1

29cm； 87.5

由此得空心板毛截面对重心轴的惯矩Ih：

38 18299 70322 Ih 99 70 0.79 2 38 18 0.79 4 14304 2 567.1 12 12

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=2829750+4325.013-37789.7688-57216-661619.0107-77651.35875 =1999.8×103cm4

第四章 作用效应计算

第一节 永久作用效应计算

一、空心板自重：

g1 Ah 3206.3 10 4 25 8.02kN/m。

二、人行道板及栏杆重力计算

人行道板及栏杆重力，参照其他梁桥设计资料，单侧重力取12.0kN/m，桥面铺装采用等厚度8cm沥青混凝土。

则全桥宽铺装每延米总重：0.08×7×23=12.88kN/m； 10cm厚的C40防水混凝土重：0.1×7×25=17.5kN/m

g2

12 2 12.88 17.5

4.34kN/m。

9

三、铰缝重力

g3 87.5 1 70 10 4 24 0.378kN/m。

由此得空心板的每延米的恒载：g g2 g3 4.718kN/m

四、恒载内力计算

表4-1 恒载内力计算组合

第二节 基本可变作用效应计算

一、 基本可变作用横向分布系数

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空心板的可变作用横向分布系数跨中和l/4处按铰接板法计算，支点处按杠杆原理法计算，支点到l/4之间按直线内插求得。 （一） 跨中及l/4处的可变作用横向分布系数计算

I

空心板的刚度系数： 5.8

4GIT l IT

2EI b

2

b

； l

2

I=Ih=1999.8×103cm4； b=100cm； l=15.6×102cm； IT——空心板截面的抗扭刚度（空心板截面构造简化如下图4-1）

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图4-2 横向分布影响线及横向最不利加载图 表4-2 各板可变作用横向分布影响线坐标表

1号板：m汽 i汽 0.171 0.120 0.092 0.068 0.2255

22 m人 i人 0.211 0.058 0.269 2号板：m汽

1

0.174 0.127 0.097 .0073 0.2355 2

m人 0.178 0.061 0.239 3号板：m汽

1

0.151 0.139 0.109 0.081 0.24 2

m人 （0.142+0.067）=0.209 4号板：m岂

1

0.121 0.141 0.127 0.094 0.2415 2

m人 0.114 0.078 0.192 5号板：m汽

1

0.099 0.125 0.139 0.113 0.238 2

m人 0.093 0.093 0.186

表4-3 各板可变作用横向分布系数汇总表

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由此可见，分两行行车时4号板最不利

mr 0.1920 ， 跨中与l/4处的荷载分布系数：m汽 0.2415

2

1

2号板：m汽 1.0 0.5， m人 2.0；

21

3号板：m汽 1.0 0.5， m人 0；

21

4号板：m汽 1.0 0.5， m人 0；

21

5号板：m汽 1.0 0.5， m人 02

3支点到l/4处的可变作用横向分布系数（内插法）

表4-4 空心板的可变作用横向分布系数

二、活载内力计算

（一）均布荷载和内力影响线面积计算

表4-5 均布荷载和内力影响线面积计算

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（二）公路II级中集中荷载Pk计算

360 180 计算弯矩效应时 Pk 0.75 180 15.6 5 180.3kN 50 5

计算剪力效应时Pk=180.3×1.2=216.36kN （三）计算冲击系数

A=0.32063m2， Ic=0.019998m4， G=0.32063×25=8.02N/m，

3310

mc=G/g=8.02/9.81=0.817×10NS/m2，C40混凝土E取3.25×10N/m2

自振基频：f1

2l2

EIc 3.25 1010 0.019998

5.757Hz 23

mc2 15.60.817 10

1.5Hz 5.757 14Hz

0.17671nf 0.0157 0.2936

则（1+ ）=1.2936

（四）跨中弯矩Ml/2，跨中剪力Ql/2计算 由于双车道不折减，故 1,计算如下表

表4-6 跨中弯矩与剪力组合表

S汽= 1 mcqk mipk yi S人=mc qr

（五）l/4跨的弯矩与剪力 1（双车道不折减）

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表4-7 l/4跨弯矩与剪力组合表

m变化区荷载重心处的内力影响线坐标为：

1

1 15.6 3.9 /15.6 0.917

3 a

Qo均 1 qk mc mo mc

2

3.9

0.917 1.2936 1 7.875 0.2415 7.8 0.5 0.2415 2

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25.72kN

Qo集 1 mipk yi=1.2936×1×0.5×216.36×1.0=139.94kN 公路II级QO=25.72+139.94=165.66 kN （七）计算支点截面人群荷载最大剪力

Qor mc qr

a

mo mc qr 2

3.9

0.1920 2.25 7.8 0 0.1920 2.25 0.917

2

2.597kN

第三节 作用效应组合

一、按承载能力极限状态组合（Sud 1.2S自重 1.4S汽 0.8 1.4 S人）

i 1m

表4-8 承载能力极限状态组合

m

二、正常使用状态长期效应组合（Ssd S自重 0.4S汽 不计冲击力 0.4S人）

i 1

表4-9 正常使用状态长期效应组合

m

三、正常使用状态短期效应组合 （Ssd S自重 0.7S汽 不计冲击力 1.0S人）

i 1

表4-10 正常使用状态短期效应组合

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第五章 预应力钢筋设计

第一节 预应力钢筋截面积的估算

采用先张预应力混凝土空心板桥，预应力采用钢铰线1×3 12.9㎝2，沿空心板跨径方向采用直线布置。设预应力钢筋束的截面积为Apl，其一般由空心板的跨中截面内力控制，按以下三个条件估算：

一、按极限状态抗弯承载力要求估算Apl

在跨中截面的抗弯能力极限的状态下，抗压设计强度，取空心板受压翼缘计算宽度

bi'=99㎝，且忽略铰缝 由bkhk

4

1818.115

cm 得bk

hk

382 18 38 1818.115cm2

138 1823

bkhk 2 0.00686 384 1212

+2×567.1× 8.06 9 图5-1 空心板换算等效工字形截面

2

=3597337.17㎝4 （尺寸单位：㎝）

得

1

1818.115hk2 3597335.717 hk 48.73 ㎝， bk 37.31㎝ 12

则等效工字形截面的上翼缘板厚度：h ' y上

hk48.73 35 10.64cm 22

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等效工字形截面的下翼缘板厚度：hi y下

hk48.73 35 10.64cm 22

等效工字形截面的肋板厚度：b bi' 2bk 99 2 37.31 24.38cm

设预应力钢筋布置在空心板下部一排，空心板跨中截面MD=892.018kN·m，并假定预应力钢筋重心距下板边缘距离为ay，取ay=4㎝，则板的有效高度h0 h ay 66cm。

x

由公式fpd Apl fcd b x和roMd fcd b x ho 可以求得预应力钢筋面积Apl为：

2 f bho

Apl cd

fpd

2r0 Md 1 2

f bh cdo

18.4 0.99 0.66 2 0.9 892.018 103

1 =62

126018.4 10 0.99 0.66

=0.00101989㎡=1019.89㎜2

用选定的单根预应力钢筋束的面积Apd除Apl可得所需要的预应力筋根数。 单根预应力钢筋束的面积为[采用钢铰线1×3 12.9㎝2（三股）]：

Apd

12.92

4

130.698mm2

板所需筋根数 1

AplApd

7.8根 8根

二、按施工阶段混凝土正应力要求估算

（一）预拉区边缘混凝土拉应力控制条件公式：

s

epn.yn

1 Np

rc2

sn

1

Mg1y Ac ct 1 Ic

Np——相应阶段预应力钢筋的合力；

s

——构件截面上边缘到截面重心轴的距离：0.79+35=35.79㎝； yn

x

——构件截面下边缘到截面重心轴的距离：35-0.79=3.21㎝； yn

rc——全截面回转半径：rc Ic/Ac 24.97cm；

2

Ac——全截面面积：Ac=3206.3㎝；

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34

Ic——全截面惯性矩：Ic=1999.8×10㎝；

Mg1——构件恒载在计算截面处引起的弯矩：Mg1=243.968kN·m。

张拉时混凝土强度达到设计强度的80%，相当于40号混凝土在张拉时为35号，查《公预规》轴心抗拉强度标准值ftk=2.2MPa，故张拉时构件上缘混凝土限制值

ct 1 0.7，ftk 0.7 2.2 1.54 MPa，其轴心抗压强度标准值fck 23.4 MPa。张拉时

构件下缘混凝土压力限制值为： cc 1 0.7，fck 0.7 23.4 16.38 MPa。

epn 357.9

1 N1

5

6

243.968 10 357.9

3260.3 102 1.544 1999800 10

1

5.738 10 3epn 10.90618 10

6

1

107 0.06332epn 11.035 Np

（二）按预应力区边缘混凝土压应力控制条件可得公式：

1 Np

1

x

epn yn

rc2

xn

Mg1 y Ac cc 1 Ic

1 Np

1 epn 5.485 10 3

5

76

0.66519 10 243.968 10 357.9 3206.3 102 16.38 1999800 104

1

epn 342.1

1

1.503 0.00825epn Np

三、按使用阶段混凝土正应力估算

（一）按受压区不开裂控制条件可得