学校代码学号00863112
分类号密级
本科毕业论文（设计）
学院、系鄂尔多斯学院土木工程系
专业名称土木工程
年级2008
学生姓名韩志东
指导教师
年月日
装配式预应力混凝土箱型梁桥
摘要：装配式箱型梁桥设计本着“安全、经济、美观、实用”的八字原则，根据设计任务书的要求和《公桥规》的规定,对Y河大桥进行方案比选和设计的。本论文提出三种不同的桥型方案进行比较和选择：方案一为预应力混凝土连续箱型梁桥，方案二为预应力混凝土简支T型梁桥，方案三为钢筋混凝土拱桥。经由以上的八字原则以及设计施工等多方面考虑、比较确定预应力混凝土连续箱型梁桥为推荐方案。
在设计中，桥梁上部结构的计算着重分析了桥梁在使用工程中恒载以及活载的作用力，采用整体的体积以及自重系数，荷载集度进行恒载内力的计算。运用杠杆原理法、修正偏心压力法求出活载横向分布系数，并运用最大荷载法进行活载的加载。
根据所得内力，进行了梁的预应力钢筋估算，估算了钢绞线的各种预应力损失，并进行预应力阶段和使用阶段主梁截面的强度和变形验算、挠度的计算。下部结构采用以钻孔灌注桩为基础的双柱式桥墩，并简要介绍了施工方案。
关键词：预应力连续箱梁桥、内力、体系转换、预应力损失、验算、钻孔灌注桩、双柱式桥墩、预应力混凝土
Assembly type prestressed concrete box girder bridge Abstract:Prefabricated Box Beam Bridge Design in the "safe, economy, beautiful, practical" eight-character principle, according to the requirements of the design task and" the bridge" provisions, on the Y River Bridge for scheme selection and design. This paper presents three different bridge type scheme comparison and selection: scheme for the prestressed concrete continuous box girder bridge, scheme for the prestressed concrete simply supported T beam bridge, scheme three is a reinforced concrete arch bridge. Based on the character and the principle of design construction and other aspects to consider, the comparison to determine the prestressed concrete continuous box girder bridge as the recommended scheme.
In the design, the bridge upper structure calculation analyzes bridge in use of dead load and live load force, the overall volume and weight coefficient, load collection degree of constant load internal force calculation. Using the lever principle method, modified excentral pressure method for live load transverse distribution coefficient, and the maximum load live load.
According to the internal force of the beam, the prestressed steel strand estimation, estimation of loss of prestress, and prestressed phase and use phase of the main beam section of the strength and deformation calculation, the calculation of deflection. The substructure adopts to bored pile based on double column pier, and briefly introduces the construction scheme.
Keywords: prestressed continuous box beam bridge internal force, system, conversion, prestress loss, checking, bored pile, double column pier, prestressed concrete
目录
总论 ............................................................................................................................................ - 1 -
1 概述.................................................................................................................................. - 1 -
1.1 预应力混凝土梁桥概述 ............................................................................................ - 1 -
1.2 我国预应力混凝土梁桥的发展.................................................................................. - 2 - 第一章方案比选.................................................................................................................... - 3 - 1具体方案比选..................................................................................................................... - 3 -
1.1 预应力混凝土箱型梁桥方案 ..................................................................................... - 3 -
1.2 部分预应力混凝土斜拉桥方案.................................................................................. - 3 -
1.3 上承式刚架拱桥方案................................................................................................ - 3 -
2 方案比选........................................................................................................................... - 4 - 第二章Y河水文设计原始资料及计算........................................................................................... - 5 -
1 设计原始资料.................................................................................................................... - 5 -
2 河段类型判断.................................................................................................................... - 5 -
2.1 稳定性及变化特点 ................................................................................................... - 5 -
2.2 河段平面图形 .......................................................................................................... - 5 -
2.3 断面及地址特征....................................................................................................... - 5 -
3 设计流量和设计流速的复核............................................................................................... - 5 -
3.1 根据地质纵剖面图绘出的河床桩号，绘制河流横断面图。........................................ - 5 -
4 桥孔长度计算.................................................................................................................... - 8 -
5 桥面设计高程计算............................................................................................................. - 8 -
............................................................................................ - 9 -
5.1 计算桥下雍水高度'Z
6 冲刷计算........................................................................................................................... - 9 -
6.1 一般冲刷 ................................................................................................................. - 9 -
6.2 局部冲刷计算 ........................................................................................................ - 10 - 第三章上部结构 ....................................................................................................................... - 11 -
1 设计基本资料.................................................................................................................. - 11 -
1.1 桥梁跨径及桥宽..................................................................................................... - 11 -
1.2 设计荷载 ............................................................................................................... - 11 -
1.3 材料及工艺............................................................................................................ - 11 -
1.4 设计依据与设计规范.............................................................................................. - 12 -
2 箱型梁构造形式及相关设计参数...................................................................................... - 12 -
3 主梁作用效应计算........................................................................................................... - 1
4 -
3.1 永久作用效应计算（按边主梁计算） ..................................................................... - 14 -
3.2 可变作用效应计算 ................................................................................................. - 16 -
3.3 主梁的效应组合..................................................................................................... - 24 -
4 预应力钢束的估算及其布置............................................................................................. - 2
5 -
4.1 预应力钢束数量的估算 .......................................................................................... - 25 -
4.2 预应力钢束布置..................................................................................................... - 26 -
5计算主梁截面几何特性..................................................................................................... - 31 -
5.1 截面面积及惯性矩计算 .......................................................................................... - 31 -
5.2 截面静矩计算 ........................................................................................................ - 33 -
5.3 截面几何特性总表 ................................................................................................. - 38 -
6 钢束预应力损失计算 ....................................................................................................... - 38 -
总论
1 概述
1.1 预应力混凝土梁桥概述
预应力混凝土梁桥以结构受力性能好、变形小、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争里的主要桥型之一。本章主要简介其发展：由于普通混凝土存在不少缺点，如过早的出现裂缝，并且使得材料利用率低。为了解决这些问题混凝土结构应运而生，所谓预应力混凝土结构，解释在结构承担荷载之前预先对混凝土施加压力这样就可以抵消外荷载作用下混凝土产生的拉应力，自从混凝土结构产生之后，很多混凝土结构被预应力结构取代。预应力混凝土桥梁是二战前后发展起来的，当时西欧很多国家在战后缺钢的情况下，为节省材料各国开始竞相采用预应力结构代替部分的钢结构以尽快修复战争带来的创伤。
50年代，预应力混凝土桥梁跨径开始突破100米，到80年代则达到440米。虽然跨径时并不总是用预应力结构比其他结构好，但是在实际工程中跨径小于400米时，预应力混凝土桥梁常常为优胜方案。我国预应力混凝土结构起步较晚，但近年来得到了飞速发展。现在，我国已经有了简支梁、带铰或带挂篮的T够、连续梁桁架拱、桁架梁和斜拉桥等预应力混凝土结构体系。虽然预应力混凝土桥梁发展不到80年。但是，在桥梁结构中随着预应力理论不断成熟和实践的不断发展，预应力混凝土结构的运用必将越来越广泛。连续梁和悬臂梁比较：在恒载作用下，连续梁支点处有负弯矩，由于负弯矩的卸载作用跨中正弯矩显著减小，其弯矩与同跨悬臂梁相差不大，但是在活载作用下因主梁连续产生支点负弯矩对跨中整弯矩仍有卸载作用其弯矩分布由于悬臂梁虽然连续梁有很多优点。但是刚开始它不是预应力结构中佼佼者，因为限于当时施工主要采用满堂支架法采用连续梁费工费时。到后来悬臂施工方法的应用，连续梁在预应力混凝土结构中的应用得到了飞速发展。60年代在中等跨预应力混凝土连续梁中，应用了主跨架设法与顶推法；在较大跨径梁中则应用更完善的悬臂施工方法，这使得连续梁法案重新获得竞争力，并逐步在40—200米范围内占主要地位。无论是城市桥梁、高架道路，还是跨河大桥，预应力混凝土连续梁都发挥了其优势，成为优胜方案。目前，连续梁结构体系已经
成为预应力混凝土桥梁的主要桥型之一。
1.2 我国预应力混凝土梁桥的发展
1 桥梁施工技术
（1）在我国中小跨径的预应力混凝土梁桥施工中，除了最古老的支架现浇方法外，还采用了先简支后连续、顶推法、移动模架逐孔浇筑法、移动导梁逐孔拼装法和梁体预制浮吊安装法等施工技术。
（2）平衡悬臂拼装施工法和平衡悬臂浇筑施工法的采用促进了预应力混凝土连续梁桥的发展。大跨径预应力混凝土连续梁桥大多采用悬臂浇筑法施工。大跨径预应力混凝土连续箱梁广泛采用挂篮进行悬臂浇筑施工。常用的挂篮形式有偏架式和斜拉式。随着施工技术的进步，挂篮结构向着轻型化的方向发展，尽可能采用构造合理、受力明确、自重轻、利用系数高、使用安全方便，具有良好技术经济指标的挂篮。
（3）高强度预应力钢材、高标号混凝土和大吨位预应力锚固体系的研制开发和应用，促进了大跨径预应力混凝土连续梁桥的发展。
在80年代后期，国内开始生产1860MPa的低松弛预应力钢绞线，加上与其配套的大吨位预应力锚具和张拉设备的研制成功．C50与C60混凝土的应用，使得预应力连续梁桥结构轻型化，跨越能力得到很大提高。
相信在不久的将来，通过我国的桥梁和公路建设者的不懈努力，我国预应力混凝土连续梁桥技术一定会遥遥领先全世界的。
第一章方案比选
1具体方案比选
初步设计阶段，对桥型提出三种方案，分别是：预应力混凝土箱型梁桥、部分预应力混凝土斜拉桥、上承式桁架拱桥。
1.1 预应力混凝土箱型梁桥方案
30
9 m九跨预应力混凝土箱型梁桥。主梁采用箱形截面，桥墩均采用双柱式桥墩，桥台为肋式桥台，基础为钻孔灌注桩基础。
简图如图1.1所示：
图1.1 预应力混凝土箱型梁桥
1.2 部分预应力混凝土斜拉桥方案
（30+40+100+40+30）m三跨部分预应力混凝土斜拉桥, 桥梁全长240m。采用双索面形式，塔、梁固结，主梁采用变高度预应力混凝土箱梁，单箱多室截面，主塔采用实心混凝土矩形截面。下部采用钢筋混凝土空心墩，灌注桩基础。
简图如图1.2所示：
图1.2 部分预应力混凝土斜拉桥
1.3 上承式刚架拱桥方案
简图如图1.3所示：
图1.3 上承式刚架拱桥
三种方案比较详见表1.1。
2 方案比选
方案比较表1.1
因本地段为非通航河流地段，且地质条件复杂，经综合比较后最终以适用最广、材料用量最少、施工方便的预应力混凝土箱型梁桥作为最佳设计方案。
第二章Y河水文设计原始资料及计算
1 设计原始资料
(1).该河属于平原区河流，河床底的坡降i=4‰，河床粗糙系数m=35。
(2).该河设计流量2630m3/s ，设计流速为4.5m/s，设计水位为98.35m，标准冻深为1.4m，含沙量为5kg/m3，浪程为D=500m，d95=300mm。
(3).该地区基本风压为W0=180Pa。
(4).该地区标准冻深为1.4m。
(5).该河道无流水无道航要求，无抗震要求。
(6)每年雨季为7月到9月。
2 河段类型判断
2.1 稳定性及变化特点
（1）岸线不太稳定（2）槽内天然冲刷较明显，主流易摆动
2.2 河段平面图形
（1）分汊河段（2）河流弯曲且有沙洲（3）滩槽不分明
2.3 断面及地址特征
（1）河床宽浅（2）河床为砾石组成
综上所述，本河段属于次稳定性问题。
3 设计流量和设计流速的复核
3.1 根据地质纵剖面图绘出的河床桩号，绘制河流横断面图。（见下表2.1 、2.2图2-1）
表2.1 河床桩号
表2.2 水位数据
98.35
96.08
95.2195.1795.41
95.6196.2
95.7695.6295.795.56
95.795.96
95.45
95.62
95.52
95.07
95.75
95.3995.595.53
95.76
95.73
97.17
98.1198.35
K2+183.03
K2+140
K2+150
K2+155K2+165
K2+168K2+180
K2+185K2+200
K2+210
K2+220
K2+227K2+240
K2+250
K2+260
K2+270
K2+280
K2+294
K2+300K2+310
K2+320
K2+330
K2+340
K2+350K2+351K2+385.59
图 2-1 河流纵断面图示
4 桥孔长度计算
由于滩槽不易划分,故河床全部改为河槽
40
31.221.249/3.57656.2473.5762
======c c c c c m m
R m
B m
χωω
s m i R m V c
c c /42.4004
.031.2402
13
2
2
132
=??=??=
s
m V Q c c c /69.254742.43.5763
=?=?=ω
由于
s
m Q s m Q Q s
m V V S c s c s /2630/69.2547/42.43
3
==>=≈取流量
因此偏安全考虑取较大
Y 河属分汊、弯曲河段，查规范《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2002），采用8-3式计算
m B s
m Q Q K c c p 56.247/263087.0n 95.03
3q =====
桥孔最小净长度为：m
B Q
Q K L C C
P
18.23556.2471
95.087
.0n q j 3
=??=????
?
???=
综合分析Y 河上拟定的桥型方案为：m 309?米预应力箱型型梁桥，双柱式桥墩，A 型框架桥台，钻孔灌桩基础，实际桥孔净长为19.2305.256)5.130(9≥=-?=j l
5 桥面设计高程计算
按设计水位计算的桥面最低高程，根据《公路工程水文计规范》
0min h h
h H H j
s ?++?+
=∑∑
式中：min H --桥面设计高程
∑?h --考虑雍水，浪高，波浪雍高
j h ?--桥下净空高度
0h ?--桥梁上部结构建筑高度应包括桥面铺装高度
5.1 计算桥下雍水高度'Z ?
△Z=
g
Ky K N 2·（v M 2-v 0M 2） Z Z ?=
?2
1'
1 桥下雍水高度
因该河流属平原易冲刷河段，故02
1'=?=?Z Z
2 桥位处波浪高度
w
w w w L v g
v h g th v D g th v h g th h ??
??
?????
????????????????????? ????????? ????????????????? ??????=
7.0245.027
.027.013.00018.07.03.142.2
V w ——风速。V w =16m/s D ——浪程。D=500m
H ——平均水深。H =2.58m
所以H L =0.48
m h h
h H H j
s 33.10125.048.035.980min =+++=?++?+
=∑∑
6 冲刷计算 6.1 一般冲刷
()cm cq c
c d p h B
B Q Q A h ????
?
????-?????
?
??=66
.090
.02104.1μλ
式中：cq h ---桥下河槽平均水深（m ）；
2Q ---桥下河槽部分通过的设计流量（s m /3
）
； c Q ---天然状态下河槽部分设计流量（s m /3
）
； cq B ---桥长范围河槽宽度；
μ---桥墩水流侧向压缩系数，见表9-1；
cm
h ---桥下河槽最大水深（m ） d
A ---单宽流量集中系数
27.128.356.24715
.015
.0=??
?
?
??
=???
?
?
?=Z Z
d H
B A s m Q Q c /263032==
m
B cq 56.24795
.0==μ
()47.4104.166
.090
.02=????
?
?
???-?????
?
??=cm cq c c d p h B
B Q Q A h μλm
6.2 局部冲刷计算
()
s m d v /73.07
.028.03
05
.0=+?=
()s m h h B B Q Q A
c c cm
cq c c
d
/75.3104.133
2
34
.01
.02
1
.0=???
? ?????
?
????-???
? ??=
νλμν 0νν>，所以采用2
0'
15
.06.012n p b v
v v h B K K h ???
? ?
?-=ηξ进行计算。
河床颗粒影响系数：57.02=ηK
墩前泥沙始冲流速：()
s m d v /34.07.012.03
'
055
.0=+=
动床冲刷（0νν>）时的指数2n
463
.0lg 19.023.002=?
?
?
??=+d
v v n
墩柱为双柱式，墩宽1.5m ，不带系梁，ξK 查墩形系数表知为1.00，桥墩计算宽度m d B 6.11==。
m
v
v v h B K K h n p b 63.373.034.075.347
.46
.157.000.1533
.015
.06
.00'
15
.06.0122
=?
?
? ??-???=???
?
?
?-=ηξ
第三章 上部结构
1 设计基本资料 1.1 桥梁跨径及桥宽
(1)标准跨径：30 m (2)主梁全长：29.96m (3)计算跨径：29.16m
(4)桥面净空：净11 m （行车道）+2×0.5 m （防撞栏）
1.2 设计荷载
(1)设计荷载：公路―Ⅱ级。 (2)环境标准：Ⅰ类环境。 (3)设计安全等级：二级。
1.3 材料及工艺
（1）混凝土：预制主梁、端横梁、跨中横隔板、中横梁、现浇接头、湿接缝、封锚、桥面现浇层混凝土均为C50；桥面铺装采沥青混凝土。
（2）钢绞线：采用符合GB/T 5224-2003技术标准的低松弛高强度钢绞线，抗拉强度标准值Mpa f pk 1860=、公称直径mm
d
2.15=。
（3）非预应力钢筋：采用符合新规范的R235,HRB335钢筋。凡钢筋直径≥12毫米者，采用HRB335(20MnSi)热轧螺纹钢；凡钢筋直径<12毫米者，采用R235钢。 （4）钢板应符合GB700－1988规定的Q235B 钢板。
（5）材料容重：钢筋混凝土γ=26kN/m 3
,沥青混凝土γ=23kN/m 3
,钢板容重γ=78.5kN/m 3
。 （6）锚具：GVM15-3、GVM15-4和GVM15-5。
以上各种材料特性参数值参见《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)。
1.4 设计依据与设计规范
(1)《公路工程技术标准》（JTG B01—2003） (2)《公路桥涵设计通用规范》（JIG D60—2004）
(3)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JIG D62—2004） (4)《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041—2000） (5)《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2006）
2 箱型梁构造形式及相关设计参数
(1)本箱梁按全预应力混凝土构件设计，施工工艺为后张法。 (2)桥上横坡为2%（计算时按照简化的中梁截面特性进行计算）。
(3)箱型梁截面尺寸：梁高为1.6m ；为了便于模板制作和外形美观，主梁沿纵向外轮廓尺寸保持不变，端部设置横隔梁，高1.25m ，宽0.5m ；横向共计4片箱梁，采用湿接缝进行连接，湿接缝宽度0.5m 厚度为0.18m ，预制箱型梁顶板宽2.4m ，跨中腹板厚0.18m ；顶板、底板均厚0.18m ；端部腹板厚0.25m ；顶板厚0.18m ，底板厚0.25m ，腹板和顶板之间设有承托。底板厚度、腹板厚度在距支座1.78米处开始渐变为距支座中心线0.1m 处的0.25m 和0.25m （即端部的截面尺寸），如图3-1所示。
(4)预应力管道采用金属波纹管成形，波纹管内径为60mm ，外径70mm ，管道摩擦系数25.0=μ，管道偏差系数0015.0=κ，锚具变形和钢束回缩量为6mm （一端）。
(5)沥青混凝土重度按3/25m KN 计，预应力混凝土结构重度按3/0.26m KN 计，混凝土重度按3/25m KN 计，单侧防撞栏线荷载为m KN /0.7。
(6)根据以上拟定的各部件尺寸，绘制箱型梁的跨中及端部截面图，见图3-2。计算跨中截面几何特性，见表3-1。
图3-1 箱型梁的跨中及端部截面图（单位尺寸mm ）
1600
500
500
11000
1600
表3-1 跨中截面几何特性计算表
大毛截面形心到上缘距离y s1=59.02cm
小毛截面形心到上缘距离y s2=63.14cm 检验截面效率指标(希望＞0.5) 上核心距=31.39cm 下核心距=53.71cm 截面效率指标=0.53＞0.5
说明以上初步拟定主梁跨中截面尺寸是合理的。
1600
1343
77180
图3-2 端部及跨中截面尺寸图（尺寸单位mm ）
3 主梁作用效应计算
主梁的作用效应计算包括永久作用效应和可变作用效应。根据梁跨结构纵横截面的布置，计算可变作用下荷载横向分布系数，求出个主梁控制截面（取跨中、四分点、变化点截面及支点截面）的永久作用和最大可变作用效应，在进行主梁作用效应组合（标准组合、短期组合和极限组合）。
3.1 永久作用效应计算（按边主梁计算）
（1） 永久作用集度
1）主梁自重
①跨中截面段主梁自重（底板宽度变化处截面至跨中截面，长12.8m ）
kN kN q 9.3638.122609345.11=??=
②底板加厚与腹板变宽段梁的自重近似计算（长1.68m ） 主梁端部截面面积为226166.1m A =
2q ≈kN kN 3.552/9.126)97843.026166.1(=??+
③支点段梁的自重（长0.5m ）
kN
kN q 4.16265.026166.13=??=
④主梁的横隔梁（只在端部设置横隔梁）
端横隔梁体积为3
4785.05.0957.0m =?
故半跨内横隔梁重量为
kN kN q 963.11254785.04=?=
⑤主梁永久作用集度
m kN m kN q /998.29/92.14/)963.114.163.559.363(=+++=I
2）二期永久作用 ①顶板中间湿接缝集度
m
kN m kN q /25.2/2518.05.05=??=
②边梁现浇部分横隔梁
一片端横隔梁（现浇部分）体积：3065.0)25.022.025.03.0(5.0m =?+??
所以m kN q /108.096.29252065.06=÷??=
③桥面铺装层
10cm 厚沥青混凝土铺装
m
kN m kN /8.28/24121.0=??
6cm 厚C50混凝土铺装
m
kN m kN /24/251208.0=??
将桥面铺装均分给我四片主梁，则
m
kN m kN q /2.134/)248.28(7=+=
④防撞栏：单侧防撞栏线荷载为7m kN / 将两侧防撞栏均分给四片主梁，则
m
kN m kN q /5.34/278=?=
⑤边梁二期永久作用集度
m
kN m kN q /058.19/5.32.13108.025.2Ⅱ=+++=）（
（2） 永久作用效应
按图3-3进行永久作用效应计算，设α为计算截面离左侧支座的距离，并令l a c /=。