桥梁工程说明书

摘要

本题为C市N河大桥设计，是根据设计任务书的要求和相关规定，对该桥进行方案比选和设计的。内容包括桥型方案设计、基本资料、设计图纸、承载力验算。根据设计资料和技术条件，本着“安全、经济、美观、实用、环保”的十字原则，提出三种方案——预应力空心板简支梁桥、上承式拱桥和斜拉桥，选定预应力空心板简支梁桥为最优的设计方案。结构设计的目的为满足使用要求、达到结构可靠性标准、合理控制工程造价。本设计按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应的组合，取其最不利效应组合进行设计。本桥计算内容有恒载计算、活载计算、汽车冲击影响、内力效应组合、预应力钢筋数量的估算及配置、承载能力极限状态计算，并绘制了钢筋配置图。

本设计依据工程情况和现场情况，采用预应力先张法施工，在施工平面上布局做到合理，以求得高质量完成工程施工。

关键词：空心板简支梁桥，预应力，结构设计计算，设计图纸

Abstract

C City N River Bridge design is based on the design requirements of the mission statement and the relevant provisions of the scheme selection of the bridge and design. Include bridge design, basic information, design drawings, Bearing Capacity. According to design information and technical conditions, in the "security, economic, aesthetic, practical, environmental protection, "the cross principle, put forward three options - simply supported prestressed hollow slab bridge, the arch bridge and the bridge, the selected Prestressed hollow bridge beams for the optimal design. Structure designed to meet the requirements to achieve structural reliability standards, the reasonable control of project cost. The design at ultimate limit state and serviceability limit state action effect of the combination, whichever is the most unfavorable combination of design effects. The calculation of the contents of exercise and the bridge set computing, live load calculations, car shocks, internal force effect combination, and estimate the number of prestressed configuration, ultimate limit state calculations and draw the steel configuration chart.

The design based on project situation and site conditions, the use of prestressed tensioned construction, the layout of the plane to do the construction is reasonable, in order to achieve high-quality finished construction.

Key words: hollow bridge beams, prestressed, structure design calculations, design drawings

目录

第一章设计基本资料 (1)

第一节桥位工程地质条件 (1)

第二节主要技术指标 (1)

第二章桥型方案比选 (2)

第一节设计原则 (2)

第二节桥梁结构的总体布置 (3)

第三节初步方案拟定 (4)

第三章结构设计计算 (10)

第一节设计依据和基础资料 (10)

第二节设计要点 (11)

第三节空心板毛截面几何特性计算 (12)

第四节作用效应计算 (13)

第五节预应力钢筋数量估算及布置 (23)

第六节换算截面几何特性计算 (28)

第七节承载能力极限状态计算 (29)

第八节主梁变形验算 (33)

第九节桥梁博士电算结果与分析 (33)

第四章施工方法 (37)

第一节下部结构施工 (37)

第二节上部结构施工 (39)

参考文献 (43)

第一章设计基本资料

第一节桥位工程地质条件

该工程地形图里程起始桩号AK6+037.5，终点桩号AK6+102.5，总长度为65m。地面高程由1621.971至1640.779，总高度18.808m。工程土质以泥岩为主，黄土状粉质粘土为辅。在里程桩号AK6+037.5至AK6+060之间，由泥岩组成，在里程桩号AK6+060至AK6+080之间有厚约为6.433m黄土状粉质粘土和厚约为26.7m的泥岩组成，在里程桩号AK6+080至AK6+102.5之间有厚约7.8m的黄土状粉质岩和厚约为22.4m的泥岩组成。

地势呈U型，较为陡峭。

第二节主要技术指标

1、桥面宽度：净7m+2×0.5m（防撞护栏）；

2、桥面横坡：单向 i=2%；

3、桥面纵坡：双向 i=1%

4、设计荷载：公路—Ⅱ级；

5、桥下净空：无要求；

6、地震烈度：8度；

7、气温：年最高月平均气温15℃，最低温度-2℃。

第二章桥型方案比选

第一节设计原则

一、使用上的要求

桥梁设计要求能保证行车的畅通、舒适和安全；既满足当前的需要，又考虑今后的发展；既满足交通运输本身的需要，也要考虑到支援农业、满足农田排灌的需要；通航河流上的桥梁，应满足航运的要求；桥梁还应考虑战备，适应国防的要求。

二、安全上的要求

安全是最基本的要求，桥没有安全性就失去了它建造的价值，城市交通运输的不断发展，桥梁结构不光要求结构自身的受力安全，而且要求桥梁构造的安全。所设计的桥梁结构在强度、稳定和耐久性方面应有足够的安全储备，防撞栏也应有足够的高度和强度，对于修建在正地震区的桥梁，应按抗震要求采取防震措施。

三、经济上的要求

桥梁设计方案必须进行技术经济比较，一般地说，应使桥梁的造价最低，材料消耗最少。所选的桥位应是地质、水文条件好。还要考虑到桥梁的使用年限、养护和维修费用等因素。

四、设计上的要求

整个结构及各部分构件在制造、运输安装和使用过程中应具有足够强度、刚度、稳定性和耐久性，积极采用新结构、新材料、新工艺、，认真学习国外的先进技术，充分利用国际最新科学技术成就，把学习外国和自己独创集合起来。五、美观上的要求

桥梁应具有优美的外形，应与周围的景观相协调。美，主要表现在结构选型和谐与良好的比例，并具有秩序感和韵律感，过多的重复会导致单调。合理的结构布局和轮廓是美观的主要因素，绝不应把美观片面地理解为豪华的细部装饰。

六、环境保护和可持续发展

桥梁设计必须考虑环境保护和可持续发展的要求，环保包括生态、水、空气、噪音等几方面，设计时应从桥位选择、桥跨布置、基础方案、墩身外形、上部结构施工方法、施工组织设计等多方面全面考虑环境要求，采取必要的工程控制措施，并建立环境监测保护体系，桥梁建设完成后要在周边修建绿化带，清理建筑

垃圾，把对环境的影响降到最低。也就是说，要从根本上防止污染，节约资源和能源，关键在于设计与制造，不能等产品产生了不良的环境后果再采取防治措施，要预先设法防止产品及工艺对环境产生的负作用然后再制造。施工完成后，遭受施工破坏的植被应进行恢复或对桥梁周边景观进一步美化。

第二节桥梁结构的总体布置

一、平面设计

特大桥、大桥、中桥桥位原则上应服从路线走向，一般应桥、路综合考虑，尽量选择在河道顺直，水流稳定、地质良好的河段上。桥梁纵轴线应尽量与洪水主流流向正交。对通航河流上的桥梁，桥墩（台）沿水流方向的轴线应与通航水位的主流方向一致，必须斜交时，交角不宜大于5°。对于一般小桥，为了改善路线线形，或城市桥梁受原有街道的制约时，也允许修建斜交桥，斜交角度通常不宜大于45°。

二、立面布置

确定桥梁总跨径、桥梁分孔、桥面高程、桥上和桥头引道的纵坡以及基础的埋置深度等

1、桥梁总跨径：桥涵孔径的设计必须保证设计洪水及流冰、泥石流、漂流物等安全通过，并应考虑壅水、冲刷对上下游的影响，确保桥涵附近路堤的稳定。桥梁的总跨径一般根据水文计算确定。如当桥梁墩台基础埋置较浅时，桥梁的总跨径应大一些，可接近于洪水泛滥宽度，以避免河床过多的冲刷而引起桥梁破坏；对于深基础，允许较大冲刷，可适当压缩河床。

2、桥梁分孔：分孔后的孔径必须保证设计洪水频率和水流中夹带着的泥石、冰块、木材及其他漂浮物能安全通过桥孔。最经济的分孔方式是使上下部结构的总造价趋于最低。桥梁分孔以奇数为美，尽可能的采用等跨径。分孔要考虑使用任务、地形与环境、河床地质、水文等情况，经技术经济比较确定。

3、桥面高程：桥面高程根据路线的纵断面设计和设计洪水位、桥下通航需要的净空来确定。

4、纵坡设置：对于大、中桥梁，为了利用桥面做成从桥的中央向桥头两端纵坡为1%~2%的双面坡。桥上不大于4% ，桥头引道不大于5%。

5、基础埋深：为防止墩台基础四周和基底下土层被冲刷掏空，造成墩台失稳，桥梁基础必须埋置在设计洪水最大冲刷线以下一定深度，以确保基础稳定性。规范有各种基础埋深的最小值的规定。 三、横截面设计

确定桥面宽度、桥跨结构横断面布置等。

1、桥面宽度：取决于行车和行人的交通需要。桥面净宽包括行车道、人行道和自行车道的宽度。

2、横断面布置：按不同结构类型，视具体情况而定。

3、横坡设置：从桥面中央倾向两侧1.5%-3%的横向坡度。

第三节 初步方案拟定

一、桥型比选

1、方案一：简支梁桥（见图2.3.1）

1641

1636

1631

1626

1621

1616

1611

1606

1601

50

图2.3.1 方案一总体布置图

（1）孔径布置：5×13=65（m）；

（2）上部结构：采用预应力空心板简支梁，跨径为13m，伸缩缝为0.05，截面见图2.3.2；

（3）下部结构：采用钻孔灌注桩，桩高分别为15m、25m、25m、15m，桥台采用扩大基础，高为5m。

图2.3.2 方案一横截面

2、方案二：上承式拱桥（见图2.3.3）

1641

1636

1631

1626

1621

1616

1611

1606

1601

图2.3.3 方案二总体布置

（1）孔径布置：15+7+7+7+7+7+15=65m；

（2）上部结构：采用预应力空心板梁，主跨长32m，截面见图2.3.4；（3）下部结构：采用重力式墩，桥台采用扩大基础，高5m。

1

4

6

200180

图2.3.4 方案二横截面图

3、方案三：斜拉桥（见图2.3.5）

1641

1636

1631

1626

1621

1616

1611

1606

1601

图2.3.5 方案三总体布置图

（1）孔径布置：38+26=64(m)；

（2）上部结构：采用立柱式钢筋混凝土索塔，预应力混凝土箱型梁为主梁跨径为38m，索塔高12m，截面见图2.3.6；

（3）下部结构：采用钻孔灌注桩，桩高25m，桥台采用扩大基础，高5m。

图2.3.6方案三横截面

二、方案评价

1、方案一：预应力空心板简支梁桥

简支梁桥是梁式桥中应用最早，使用最广泛的一种桥型。它结构简单，最易设计为各种标准跨径的装配式结构；施工工序少，架设方便；在多孔简支梁桥中，由于各跨构造和尺寸划一，简化施工管理工作，降低施工费用；因相邻桥孔各自单独受力，桥墩上需设置相邻简支梁的两个支座；简支梁的构造较易处理。

缺点：梁式桥由于外力的作用方向与承重结构的轴线接近垂直，截面形状不稳定，构件正好在桥面板的跨中接头，对板的受力有不利影响，所以与同样跨径的其他结构体系比，梁内产生的弯矩最大，通常需要抗弯能力强的材料，这样就增加了运输和安装的困难性。

2、方案二：上承式拱桥

优点：（1）跨越能力较大；（2）能充分做到就地取材，与钢桥和钢筋混凝

土梁式桥相比可以节省大量的钢材和水泥；（3）耐久性好，养护费用少；（4）外型美观；（5）构造简单，工艺纯熟，尤其是圬工拱桥技术容易被掌握，有利于被广泛采用。

缺点：（1）自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部结构的工程量，当采用无铰拱时，对地基条件要求较高；(2)圬工拱桥一般都采用在支架上施工的方法修建，随着跨径和桥高的的增大，支架或其他辅助设备的费用大大增加，从而增加了拱桥的施工难度，提高了拱桥的造价；（3）由于拱桥的水平推力较大，在连续多孔的的大、中桥梁中。为防止一孔破坏影响全桥的安全，需要采用较复杂的技术措施；（4）与梁式桥相比，上承式拱桥的建筑高度较高，当用于城市立交及平原地区的桥梁时，因桥面高度提高，而使两岸接线工程量增大，既增加造价又对行车不利，因此也使拱桥的使用受到一定的限制。

3、方案三：斜拉桥

优点：（1）斜拉桥就塔墩距来说，是大跨径，可以做到一般型式的桥都难做到的特大跨径，但对梁来说，由于拉索支撑，尤其在密索时，却是小跨径，因此梁高可以做的很小，为了减少梁身的挠度和改善梁身的受力，必须保证和尽可能的加强拉索的刚度。（2）由于拉索是弹性支承，因而支承刚度（主要决定于拉索面积）是可变的，另外还可以对拉索施加预应力，可以适当调整拉索刚度（面积）和预应力以使梁、塔各主要部位的位移和内力达到比较理想的程度（主要在恒载情况下），试算和调试初张力是斜拉桥设计施工的重要特点之一；（3）拉索的水平分力对混凝土梁身是十分有利的免费预压应力；（4）塔两边拉索的水平分力产生的弯矩应当尽可能的做到平衡，使塔身尽量不受或少受到恒载不均衡弯矩，这是保证塔身稳定的关键，同时也减轻了徐变应力；（5）由于缆索直接锚固在梁上组成三角形构造，斜拉桥的动力稳定性比吊桥好得多；（6）斜拉桥也是重要的景观建筑，可以体现一个城市甚至一个国家的建筑技术和艺术品位。

缺点：斜拉桥桥墩少节省空间，但遇不可抗拒力易发生位移。运输和安装复杂，对施工技术要求比较高，施工比较困难，钢的用量相对其他两种桥要高出很多，造价相对较高，工期相对也较长。

综上所述：C市N河大桥决定采用预应力空心板简支梁桥作为设计方案。因为它是一种既经济又实用，且具有高稳定性的一款桥型，非常适合在该地形使

用，在技术方面具有纯熟的施工工艺，对施工技术要求不高，安全性和可靠性能够得到较好的保证。

第三章 结构设计计算

第一节 设计依据和基础资料

1、标准

1）标准跨径：13m ；

计算跨径：12.56m ； 主梁全长：12.96m ；

2）桥面宽度：净7m+2×0.5m （防撞护栏）； 3）设计荷载：公路—Ⅱ级； 4）环境标准：Ⅰ类环境。 2、规范

1）公路桥涵设计规范（JTGD60-2004）；

2）公路砖石及混凝土桥涵设计规范(JTGD61-2005)；

3）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)； 4）公路桥涵地基及基础设计规范(JTGD63-2007)； 5）公路桥涵施工技术规范(JTJ041-2000)。 3、参考资料

1）范立础主编， 桥梁工程，北京：人民出版社； 2）姚玲森主编， 桥梁工程，北京：人民出版社；

3）黄绳武，胡安邦主编， 桥梁施工与组织管理（上、下册）北京通出版社； 4）凌治平，易经武主编， 基础工程，北京：人民交通出版社；

5）闫志刚主编， 钢筋混凝土及预应力混凝土简支梁桥结构设计，北京：机

械工业出版社。

4、主要材料

1）混凝土空心板采用C50混凝土，铰缝采用C40混凝土；桥面铺装采用C30沥青混凝土和C40防水混凝土。

2）钢筋：预应力钢筋采用高强度低松弛7丝捻制的预应力钢绞线，公称直径为15.20mm ，公称面积140mm 2，标准强度1860pk f Mpa =，设计强度

1260pd pa f M =，弹性模量51.9510p E Mpa =?。

第二节 设计要点

1、结构设计

1）本空心板按部分预应力混凝土A 类构件设计。

2）桥面板横坡为2%单向横坡，各板均斜置，横坡由下部结构调整。 3）空心板断面：空心板高度0.6m ，宽度0.99m ，各板之间留有0.01m 的缝隙。

4）桥面铺装：上层为0.06m 的C30沥青混凝土，下层为0.10m 的C40防水混凝土，两者之间加设SBS 防水层。

5）施工工艺：预制预应力空心板采用先张法施工工艺。

6）桥梁横断面与构造及空心板截面尺寸如图3.2.1、图3.2.2所示。

沥青混凝土0.06m 横断面中心线

图3.2.1 桥梁横断面及构造图（单位：cm ）

图3.2.2 空心板截面细部尺寸图（单位：cm ）

2、设计参数

1）相对湿度为80%。

2）体系整体均匀升温25℃，均匀降温25℃。

3）C50混凝土的材料特性，32.4ck f MPa =，22.4cd f MPa =， 2.65tk f MPa =，

1.83td f MPa =。

4）沥青混凝土重度按23kN/m 3计，预应力混凝土结构重度按26 kN/m 3计，混凝土重度按25 kN/m 3计。

第三节 空心板毛截面几何特性计算

1、截面面积

空心板截面面积为：

()2

2237819960215277439822A cm cm π??+?????=?-??-?+??=??????????

2、截面重心位置

全截面对1／2板高的距离为：

()()

33

12

27820.57730883300.5483083001.017323h S cm cm ???

?=????--+??-+???-?= ??????? 铰缝的面积为：

()2=20.577+83+0.548A cm ??????铰=129cm 2

则毛截面重心离1／2板高的距离为：

123001.017

0.684398

h

S d cm A

=

=

=

铰缝重心与1／2板高处的距离为：

1

2

3001.017

=

=

=23.264129

h

S d cm A 铰铰

3、空心板毛截面对其重心轴的惯矩计算

铰缝对自身重心轴的惯性矩为：4422779.771559.54I cm cm =?=。

空心板毛截面对其重心轴的惯性矩为：

()()32

2224464

996013099600.6823050.6812923.2640.682779.97 1.5841012644I cm cm ππ????????=+??-??+?+-?+-?=???????????

空心板截面的抗扭刚度可简化为如图3.3.1所示的箱型截面来近似计算；

图3.3.1 截面抗扭刚度简化计算图式(单位：cm)

根据公式，抗扭刚度可按下式计算：

()()()()()()2

22

64

1249910601060204 2.8353102260106020119910102010T b h I cm h b t t ?-?-?-===?-+-??+-?++

???

第四节 作用效应计算

一、永久作用效应计算

1、空心板自重（一期结构自重）1G

414398102611.435/G kN m -=??= 2、桥面系自重（二期结构自重）2G

由于是高速公路，没有人行道及栏杆，只有防撞护栏，本设计采用混凝土防撞护栏，按单侧7.5kN/m 线荷载计算。

桥面铺装上层为6cm 厚C30沥青混凝土，下层为10cm 厚C40防水混凝土，则全桥宽铺装层每延长米重力为：

（0.06×23+0.1×25）×7kN/m=27.16kN/m

上述自重效应是在各空心板形成整体后再加至桥上的，由于桥梁横向弯曲变

形，各板分配到的自重效应是不相同的。为了计算方便，近似按各板平均分配桥面铺装重量来考虑，则每块空心板分配到的每延长米桥面系重力为：

27.5227.16

5.278

G kN m kN m ?+=

=

3、铰缝自重计算（二期结构自重）3G

()4312916010250.4725G kN m kN m -=+???=

由上述计算得空心板每延长米总重力为：

I G =11.435kN/m(一期结构自重)

II G =2g +3g =(5.27+0.4725)kN/m=5.7425 kN/m

G =I G +II G =(11.435+5.7425)kN/m=17.18 kN/m

由此可计算出简支空心板永久作用效应，计算结果见表3.4.1。 永久作用效应汇总表

表3.4.1

二、可变作用效应计算

公路—Ⅱ级车道荷载的均布荷载标准值为k q 和集中荷载标准值P k 为：

k q =10.5×0.75=7.875kN/m

计算弯矩时，()36018012.565180210.24505k P kN kN -??

=?-+=??-??

计算剪力时，210.24 1.2252.29k P kN =?=

1、冲击系数和车道折减系数计算：结构的冲击系数μ与结构的基频f有关，故应先计算结构的基频，根据公式，可计算简支梁桥的基频：

22

5.559

2212.56

f Hz

l

ππ

===

?

其中：

3

17.1810

/1751.27/

9.81

c

G

m kg m kg m

g

?

===

由于1.514

Hz f Hz

≤≤，故可由下式计算出汽车荷载的冲击系数：

0.1767ln0.01570.287

f

μ=-=

当车道大于两车道时，应进行车道折减，四车道折减33%，但折减后不得小于用两车道汽车荷载布载的计算结果。为简化计算，本算例仅按两车道布载，进行计算，取最不利情况进行设计。

2、汽车荷载横向分布系数：本算例空心板跨中和l/4处的荷载横向分布系数按铰接板法计算，支点按杠杆原理法计算，支点至l/4点之间截面的荷载横向分布系数通过直线内插求得。

1）跨中及l/4处的荷载横向分布系数计算

首先计算空心板的刚度参数γ，根据公式得：

2

5.8

T

I b

I l

γ??

= ?

??

由前面计算知：64

1.58410

I cm

=?，64

2.835310

T

I cm

=?，单板宽b=100cm，计算跨度l=12.56cm=1256cm，代入上式得：

2

6

6

1.58410100

5.80.02054

2.8353101256

γ

???

=??=

?

???

在求得刚度参数γ后，即可依板块个数及所计算板号按γ值查表得各板块轴线处的影响线坐标。由γ=0.02~γ=0.03内插得到γ=0.02054时1~4号板在车道荷载作用下的荷载横向分布影响线值，内插计算结果见表3.4.2。由表3.4.2的数据画出各板的横向分布影响线，并按横向最不利位置布载，求得两车道的各板横向分布系数。各板的横向分布影响线及横向最不利布载见图 3.4.1，由于桥梁横断