2×21m公路钢筋混凝土T型截面简支梁桥设计

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

桥梁是一种跨越江河湖泊、山谷深沟以及其他线路等障碍，具有承载能力的架空建筑物，是道路工程建设的关键工程。改革开放以来，我国的公路建设进入了快车道，其投资规模不断扩大，公路建设正以前所未有的速度向前发展。桥梁作为公路的重要组成部分，其纽带作用是不可代替的。如今，我国的公路桥梁数量已将超过80万座，铁路桥梁数量也已经超过20万座，成为当之无愧的桥梁大国。预计到2020年，中国还将陆续建造各类桥梁20多万座。现如今中国已不满足在河流与山谷上设计桥梁，而是向更加具有挑战性的海洋发起冲击。截至目前，中国已在多地修建了跨海大桥，港珠澳大桥、青岛海湾大桥、杭州湾跨海大桥等多个跨海大桥工程已顺利通车。

中国历史悠久，最早的桥梁可以追溯到3000多年前的周文王时期。随着人们对于桥梁结构性要求日益增多，木质结构逐渐被石质材料所去取代。战争也并未摧毁中国的桥梁历史，举世闻名的赵州桥便是历史的最好见证。修建于隋朝时期的它屹立洨河上千年，是我国石拱桥的杰出表率，更加体现了古代工匠的技艺与智慧。

如今的桥梁建设与古代存在很大的差别，当外界新鲜事物不断冲击我们的思想，我们对桥梁有了新的要求与定义，过去设计的桥梁很难符合现代人的各种要求，因而更加适合今天的桥梁不断被设计出来，这也体现我国桥梁建设“安全、适用、经济、美观”的原则。但是我国的桥梁仍然存在一些问题。首先，由于建设单位因为工程期限和相关经济效益方面的要求，桥梁并未完全按照设计规范来实施。其次，桥梁的创新技术方面相对于欧美国家还有一定的差距，这使得许多桥梁的相似性过高。然后就是我国还处在重建设轻养护的状况下，对于桥梁管理和养护是远远不够的，从而使安全隐患不能及早地排查出来，这也为国家造成了不必要的人员伤亡和财产损失。

如今的桥梁设计与建造要求更加的复杂、严格，同时会用到更多的人力、物力、财力，所以在桥梁设计初期便要做好科学合理的规划，减少安全质量问题的发生。在桥梁规划设计中应该应用现有的软件与资料进行合理的布局与计算，争取的到最大的经济效益，同时为安全施工提供必要的保障。近几十年来，随着科学技术的不断进步，计算机技术和有限元理论在桥梁工程领域得到了广泛的应用，利用有限元相关理论计算模型数据，并预测和分析桥梁结构受力状态与行为是一种高效的计算方法。随着有

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限元模型技术的不断成熟和计算机技术的高速发展，有限元分析技术将逐渐应用到大跨度桥梁、隧道等土木工程领域当中。在工程实践中可有效地减少错误的出现，对桥梁的早期的设计与桥梁的后期建设具有双重重要的意义。

1.2研究的内容

本文通过对钢筋混凝土T型截面简支梁桥设计，运用迈达斯软件建立桥梁模型，并且施加不同性质的荷载，进行上部结构的受力分析。通过有限元分析能够得到很多的桥梁参数，通过这些参数来判断桥梁设计是否满足要求，然后对桥梁进行整体性评估，为后期建设提供理论依据 。本文的主要内容包括：

(1)在查阅大量相关文献的基础之上，归纳简支梁桥在不同性质荷载作用下桥面构造的受力分析和计算方法。

(3)根据施工所使用的材料特性与确定截面几何特性来计算施加荷载值，并确定荷载组合。；

(2)通过学习迈达斯，可以应用其功能建立T型简支桥梁模型，利用有限元软件对模拟工程进行不同荷载施加；

(4)运用迈达斯软件对T型简支梁各个节点的内力和应力进行计算，得到最大的弯矩及剪力设计值；

(5)根据得到的最大弯矩值进行预应力钢筋估算及力筋布置；

1.3研究方案

(1)在满足使用功能的前提下，力求桥型结构安全、适用、经济、美观。同时根据桥所处的地形、地貌、水文情况，并结合当地实际的施工条件，确定桥梁合理的设计方案；

(2) 桥梁上部结构采用钢筋混凝土T型截面简支梁桥设计，根据道路安全等级、桥梁宽度与跨径、行车要求等条件确定桥梁的初步设计；

(3)有限元理论与软件的学习，运用迈达斯软件建立T型简支梁桥模型，根据规范要求施加静载和移动荷载，进行上部结构的受力分析，并根据二期恒载与自重进行截面的基础荷载组合，；

(4)通过对模型数据的分析，对桥梁的内部配筋进行估算、布置、调整、优化；

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1.4国内外研究现状

国内外桥梁设计人员在现有技术的基础之上不断开展新的研究与实践，努力实现桥梁的设计、建造一体化，从而提高桥梁的整体工程质量与使用寿命，让“轻质、高强、大跨”的目标得以实现。其中大跨径桥梁是国内外桥梁界比较关心的一个课题。但是要实现大跨径桥梁就必须依赖工程技术的发展、新型材料的应用与成熟的计算机辅助系统。与此同时，近年来欧美国家对于桥梁的抗风、抗灾问题越来越重视。据统计，地球平均每天会发生上万次地震，由于大多数地震震级较小而被人类忽略，但是我们不应该忽视它的存在。总所周知，在地震来临之前人类并不能有对震感的提前预知能力，而现有人类的科学技术还并不能预知地震的来临，所以提高桥梁结构的稳定性是十分有必要的。这不仅体现在设计之初的地形地貌勘察上面，更表现在桥梁的设计构造上面。目前很多国外桥梁都具有一定的抵御自然灾害的能力，这大大提高了桥梁的使用寿命。但是现有设计时远远不够满足人类对未来的要求，面对如今经常光顾的极端灾害，唯有做好更充分地准备才可以保证我们的生命安全不受威胁。

在进入21世纪以后，许多国外的专家桥梁设计更加的人性化，充分考虑到驾驶者的行车体验，因而对行车速度、行车舒适性等有更加严格的规范，这也导致一些上部结构荷载不合理的桥型被淘汰，但也激发桥梁设计者的创造性，一时间大量新的桥型得以涌现。 近年来随着交通压力的增大，对材料的耐久性和材料的防护有了越来越高的要求。新材料的开发与使用必定成为趋势，在新型建筑材料方面，日本总体出于世界领先地位。在不久的将来，纳米技术、高强度聚合物一定在桥梁工程领域得到应用。

由于桥梁工程领域起步较晚，但是在国家近些年来的支持下，我国的桥梁基础建设不断完善，施工难度较大桥梁工程不断竣工，我国目前的桥梁工程技术水平已经达到世界先进水平。与此同时，新型建筑材料的出现为桥梁工程提供了新的动力，它代替了以往自重大、强度低的传统建筑材料，新材料的应用对于一些自然环境相对较差的地区是有明显优势的。近些年设计的桥梁中，设计者更好的融入了美学理念。无论是跨海、跨江大桥还是城市内的天桥、立交桥都在设计结构上注重与环境的协调，这些桥梁充分体现了工程与艺术的结合，提高了城市的观赏性。

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1.5桥梁的未来发展

随着科学技术的进步和社会经济的发展，人们对于交通运输有了更高的要求。当面临天然障碍时，就需要桥梁在交通运输系统中发挥作用。如今的桥梁多为钢筋混凝土材料，构建自重相对较大，当面临较为集中的运动荷载时就需要更多的考虑桥梁的稳定性，满足结构力学的要求在桥梁大量建造的当代，提高技术水平、引入新型桥型已成为趋势，对桥梁结构进行更精确的数据分析，建立桥梁模型进行模拟验证，从而使桥梁的实际经济效益达到最大化。

进入21世纪以来，我国的桥梁设计与建造更多的计算机辅助软件，进行桥梁各个构件强度、刚度等数据的计算，实现数据的精准化。随着更多的信息技术应用到设计理论方面上，高度仿真的力学模型日趋广泛，各项指标更加精细化、程序化，能够桥梁从建设到使用的各个阶段逼真的描述桥梁的状态，而这些接近真实的理论数据可以有效地降低误差和失误的出现。T型简支梁桥因其结构简单、施工方便、造价低廉而成为我国应用最广泛的桥型之一，出于对桥梁的安全性与耐久性的考虑，我们需要进行桥梁受力性能的改善，将其控制在合理的范围之内，降低由于传统设计、施工思路的一些缺陷使桥梁存在安全隐患，为国家造成不必要的人员伤亡和财产损失。与此同时，未来的桥梁必将实现更大的跨度，而要实现超大跨度的目标，就必须依托高强度材料，未来桥梁的应用材料必将具备高强、耐久、轻质、经济等特点。在减少自重的同时，还应该进行桥梁结构的优化，将新型材料与力学结构进行整合，有效地解决耐久性、承载力、跨度等问题。

自进入21世纪以来，我国桥梁虽然在不同方面取得了巨大的成就，但也暴露了我们在桥梁建设当中存在的问题。这在一定程度阻碍了我国桥梁事业的发展。由于人类对于地球资源的过度使用，造成了生态环境被严重破坏，追求建设环境友好型的建筑物也逐渐进入我们的视野之中。桥梁在建设之中需要消耗大量的资源，并且对于所处位置的地形地貌具有较大的破坏性，所以未来的桥梁建设会更多考虑生态环境。如今的桥梁早已经不仅仅人类通过障碍而修建的建筑物，所以在新时代的今天，如何将美学应用于桥梁设计当中也成为桥梁是否成功的重要标志。在城市当中就要更多的注重与城市相融合，使其达到人文景观与环境完美结合。总而言之，在保证工程质量的同时，开发新型建筑材料，减少环境的破坏，做到人与自然和谐相处，最终达到双赢的目的。

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第二章 工程概况

2.1工程地质在工程建设中的作用

当人类进行大规模工程建设时，地质环境对于施工场地的选择和建筑物构造类型以及施工技术的确定起着决定性的作用，所以进行工程地质勘察是十分必要的。在了解建筑场地的地质条件后，可对不同的地质条件进行数据分析与理论论证，最终得到相应的解决方法。与此同时，根据可靠的地质资料也可分析、预测工程竣工后可能出现的地质环境问题，从而提前做好相应的防治措施，减少人员伤亡和财产损失。大量的工程案例证明，重视地质勘察工作能使后期的设计、建造工作顺利完成，保证建筑物使用的安全性；但是，如果忽视前期对地质问题的考察往往对工程带来不同程度的影响，不仅影响施工进度，提高工程造价，还可能影响建筑物的正常使用。由此可见，工程地质对于人类的工程活动起到举足轻重的作用。

2.2勘察任务及技术指标

2.2.1勘察任务

(1)查明拟建梁桥场地及附近地区的地形地貌特征，地质类型及分布情况，从而评估对建筑物的影响。

(2)查明基岩的埋深、起伏状态，地层及岩性组合，岩石的风化程度以及节理发育程度。

(3)查明拟建场地水文地质情况。

(4)对地基的稳定性、工程地质情况以及场地地震效应做出评价，对基础选型提出建议，并对施工过程中可能出现的地质问题提出改善意见。

2.2.2勘察执行的技术指标

(1)《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)； (2)《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)； (3) 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）；

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2.3桥梁所处位置的工程地质情况

2.3.1地形、地貌状况

拟建桥地区总体地势较为平缓、地貌开阔，水流相对缓慢。交通十分便利，方便材料的运输。拟建桥附近无构造断裂经过，地貌相对单一，地质稳定性较好。

2.3.2地层分布及特征

根据现场工程地质调绘、野外编录、原位测试和室内土工试验成果，桥位在勘探深度范围内揭露的覆盖层主要为第四纪上更新世冲积物（Q3al）。现将本次勘探显示的地层按其地质时代、结构特性、形成原由以及埋藏深度等，从上至下分别叙述如下：

(1)层杂填土（Q4ml）：上部0.4米为混凝土路面，中部0.7米为碎石，下部以密实状态素填土为主。分布于场地老路路基范围内，层厚3.50m，最深层底标高.81～65.15m。

(2)层粉质黏土（Q3al）：黄褐色，可塑状态，含有较多铁、锰杂质。分布于整个场地，层厚11.50～11.90m，平均层厚11.70m，层底标高53.410～53.55m。该层上部受大气降水影响，在雨季时期地基承载力的能力会有所下降。

(3)强风化泥质砂岩（K）：紫红色，岩石破碎，岩性多为泥质粉砂岩泥岩，岩体敲击易碎且不易聚力成团，干钻不容易钻进，为软岩岩体。分布于整个场地，层厚0.60～0.90m，平均层厚0.75m，层底标高52.61～53.05m。

(4)中风化泥质砂岩（K）：暗红色，岩体完整，可见原岩结构，风化裂隙不发育，岩芯呈圆柱状，敲击易碎，该层局部岩体砂质含量较大，分布不均匀。分布于整个场地，该层未钻穿。

2.3.3水文地质条件

本次勘察测得施工场地地下水位埋深在5 m以内，地下水类型为上层滞水。 依据《公路工程地质勘察规范》（JTGC20-2011）及本区域的水文资料，本区域地下水显示中性，属于优质淡水资源。根据地下水侵蚀标准判定，拟建位置地下水对混凝土结构不存在腐蚀性，但是对混凝土中的钢筋存在弱腐蚀性。

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2.3.4地震及场地评价

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），该施工场地抗震基本烈度设置为7度。

依据《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)，判定该地层上部为中软土，其余地层均为岩石地基，场地类别为Ⅰ类建筑场地，此地质对于建设抗震建筑十分有利。根据勘察结果显示，判定该地段无可液化土分布，故满足建筑施工要求。

2.4工程地质分析评价

2.4.1场地稳定性和均匀性

本次勘察结果显示，拟建场地附近未发现滑坡、溶洞等不利于施工的不良地质构造。与此同时，本场地砂质较为均匀，具有较好的基础持力层。综上所述，本场地满足施工建设的要求。

2.4.2地基土分布特点

根据本次勘察结果显示，地基土可采用拟建场地的砂质泥岩，可扩大桥梁基础的持力层范围，保证桥梁的安全。其压缩性较小，满足上部荷载的规范要求，且对施工影响较小，更加合理。

2.5结论

(1)本场地属稳定场地，适宜本工程建设。

(2)拟建桥梁场地覆盖层主要为第四纪上更新世冲积物（Q3al）。

(3)拟建场地的地震基本烈度设置为7度，且无不液化土分布。建筑场地类别为Ⅰ类，此地质对于建设抗震建筑十分有利。

(4)拟建场地附近未发现断裂、溶洞等不利于施工的不良地质构造。 (5)本场地的地下水类型为上层滞水，拟建位置地下水对混凝土结构不存在腐蚀性，但是对混凝土中的钢筋存在弱腐蚀性。

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第3章 Midas/civil建立有限元模型

3.1T型简支梁桥设计资料

3.1.1 梁桥截面尺寸

主梁指的将上部结构所受到的不同性质的荷载，通过梁体本身传递到桥梁的其它部分的梁结构。从T型简支梁桥设计的角度考虑，它是桥梁设计中最重要的部分。T型简支梁桥主要包括翼缘板、梁肋等两大部分构成，在荷载作用下，两部分共同承受弯曲，以此来保障桥梁的稳定与安全。在进行梁桥设计时，需要了解主梁的设计尺寸相关，便于应用计算机软件进行模型建立。桥梁为2×21m的T简支梁桥，其标准跨径拟定为21m,梁长为20.96m，其计算跨径为20.5m，梁高为1.3m。在主梁纵向跨径区间内设置5根横梁。设计桥梁为双向单车道，其桥面宽度为7+2×0.75m，其中人行道宽度为0.75m，分布桥面两侧。桥面横坡2%，人行道横坡0%，本次设计以一片主梁为例。

图3-1 跨径21m T型梁截面图

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3.1.2梁桥材料的选择

本桥梁的汽车荷载按公路－II级设计，受力指标采用中小型桥梁标准，人群荷

2kN/m载为3.0，结构重要性系数取0=1，每侧的栏杆及人行横道构件重量的作

用力为8kN/m。桥梁施工的各个构件均采用C30混凝土，其中桥面铺装采用C30

4E3.0010MPa，c防水混凝土。在一般环境下，桥梁施工所用C30混凝土的弹性模量

f20.1MPaf13.8MPa抗压强度标准值sk，抗压强度设计值cd，抗拉强度标准值

ftk2.01MPaf1.39MPa，抗拉强度设计值td；根据以上数据资料并结合《公路钢

筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）与其它设计规范要求共同对T型简支梁桥进行设计。

3.1.3主梁细部尺寸

(1)梁肋尺寸

主梁的合理高度与主梁的跨径、荷载的大小有直接联系，因此主梁梁高应考虑安全性、经济型等因素下进行设计。对于主梁梁肋宽度通常在160～240mm的范围内取值。设计值并不是固定的，应将考虑剪切应变等因素并结合具体的工程设计方案进行具体分析，从而得到最佳设计尺寸。

(2)翼缘板尺寸

在T型简支梁桥中，翼缘板的厚度应满足桥面承受移动荷载的要求，根据桥梁受力特点，其厚度并不是一成不变的，而是两端向中间存在由薄变厚的延伸趋势。对于翼缘板的宽度通常根据桥面总宽度进行设计，从而满足车辆通行要求。

(3)主梁综合尺寸

梁肋与翼缘板作为桥梁承载的重要组成部分，其连接处的厚度也具有一定的取值范围，通常连接处的厚度不小于主梁高度的1/10，这样不仅使桥梁构造更加完整、美观，更提高了桥梁的耐久性。

'(4)受压翼缘有效宽度bf的计算

'b《公路桥规》规定，T形截面梁受压翼缘有效宽度f采用下列三者的最小值：

① 简支梁桥的有效宽度值取桥梁计算跨径的l/3，即l/3=20500/3=683300mm； ②取相邻两梁宽度取平均值1600mm作为有效宽度；

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③ 取梁的梁肋宽度180mm加上2倍的梗腋长度0mm再加上12倍等效为工字型截面的翼缘板厚度1320mm，其有效宽度为1500mm。因此，受压区翼缘板的有效宽度取1500mm。

在进行桥梁设计时，应充分考虑强度、稳定和耐久性等因素。具体设计方案应满足两类极限状态的规范要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态两种。但是两种极限状态存在本质性的区别，承载能力极限状态是根据应力已到达结构所能承受的最大值，正常使用极限状态只是正常使用下的某项限值状态，未达到破坏强度。但是，两者对于评判所建造的桥梁是否合理都占据着重要的位置。

3.2应用迈达斯建立T型简支梁桥模型

3.2.1迈达斯基本介绍

在进行桥梁设计时，面对大量的桥梁数据，人力已无法满足工程的需求，而通过有限元软件进行梁体的受力分析不仅提高了计算的速度，更提高了数据的准确。本章节主要利用迈达斯完成桥梁模型的建立及数据分析。迈达斯作为有限元分析软件，因其操作简单，与CAD、图表具有紧密地联系，使其方便在工程中的使用。随着计算机的快速发展，迈达斯的使用也越来越普遍。其中，本文迈达斯主要通过设置模型的静力荷载与移动荷载后对弯矩、剪力、应力进行数字化分析，最终以图像和表格的形式呈现出来，为最终的混凝土配筋提供理论依据。

图3-2 MIDAS/Civil桥梁分析步骤

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3.2.2建立T型简支梁桥模型

在设计2×21mT型简支梁桥模型时，需要我们通过利用前期收集的资料在树形菜中补充步骤并添加桥梁结构来完成桥梁建立与荷载施加。在完成前期工作后，运行梁桥模型，通过得到的大量梁体数据进行分析，最后完成桥梁的配筋。其模型建立的基本步骤：

(1)定义材料：使用CIVIL数据库中内含的材料来从新定义新的材料与截面。新的材料为C30混凝土和HRB335钢筋，新的材料是依据设计要求从新设置而成T型截面和横隔板。

(2)输入节点与单元：设置所需的节点数量与位置，并应用新定义的材料使其连接成单元，完成T型截面与横隔板的布置。

(3)确定边界条件：使用一般支撑输入边界条件，然后对10个支座的自由度方向分别进行设置。

(4)设置静力荷载：完成以上步骤后开始添加荷载，静力荷载包括自重荷载与二期恒载。第一步，将自重下的荷载工况与荷载组同时设置为自重荷载，调整自重系数为X0、Y0、Z-1；第二步，将连续梁单元下的荷载工况和荷载组同时设置为二期恒载，二期恒载下的相对数值为x10、x21、w-11.728。

(5)设置移动荷载：通过在移动荷载数据分析下选择车辆、车道、移动荷载工况等工作栏完成内容的添加。

(6)运行后的数据分析：运行所设计的模型，得到所有梁单元的数据，然后通过对其进行细部分析，完成桥梁后续配筋工作。 3.2.2.1定义材料

根据《混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）选择C30混凝土和HRB335钢筋作为施工材料。

T型截面：选择PSC-T形，修改偏心为中-上部。

横隔板：选择实腹长方形截面，修改偏心为中-上部。输入尺寸H=1m,B=0.2m，完成截面特性值计算。T型简支梁桥截面数据见下图。

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图3-3 T型简支梁桥截面数据

3.2.2.2建立节点完成单元模型

通过建立、复制节点等方式共建立110个节点，然后通过连接形成125个单元，完成T型梁桥和横隔板的布置，单元布置见下图。

图3-5 单元布置图 3.2.2.3 确定边界条件

在边界条件中选择一般支承，边界组名称设置为两端永久支承，依据支撑条件类型下的平动自由度Dx、Dy、Dz，转动自由度Rx、Ry、Rz对不同节点的自由度方向进行设置。其设置如下：

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(1) 节点中Dx、Dy、Dz全开；

(2) 节点1、23、45、67、Dx, Dz 开，Dy关闭； (3) 节点110中Dy, Dz 开，Dx关闭；

(4) 节点22、44、66、88 Dz 开，Dx、Dy关闭。布置表格如下。

图3-6 自由度情况图

完成上述步骤后，T型简支梁桥的模型基本建立完成，模型如下图。

图3-7 T型梁模型图

3.2.2.4设置荷载

在模型完成后，需要添加荷载完成后续分析工作。在静力荷载工况内添加自重和二期恒载，类型均设置为恒荷载(D)。在荷载选项下选择自重，然后设立自重、梁单元荷载（连续）两个树形菜单，具体见图 其工况名称分别为自重、二期恒载。最后通过分别设置自重系数与区间添加线荷载完成数据计算与分析。

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图3-8 自重定义 图3-9梁单元荷载定义

自重情况下，梁桥的线荷载集度为截面面积A与水泥混凝土容重γ的乘积，即：

q1A0.3902259.755kNm2 (3-1)

桥面铺装材料：2cm厚度的沥青混凝土。垫层材料：C25混凝土，其平均厚度是

3KNm9cm，根据公路桥涵设计通用规范（JTG D06-2004）可得：沥青混凝土容重：24，

3素混凝土容重：25KNm[4]。

q2（240.02250.09）1.611.728kNm2 (3-2)

图3-10 二期恒载数据图

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2.2.2.5 设置移动荷载

(1)在移动荷载规范中选择China标准，由于设计桥梁为双向单车道，所以在车道名称内分别填写左侧车道、右车侧道，移动方向为分别向前向后，桥梁跨度设置为21m，将车辆荷载分布在规定的节点内，其左车道为23至44，右车道为67至88，左右两侧车道具体添加数据见下图。

图3-11 左右两侧车道数据图

(2)选择车辆下的添加标准车辆，然后定义标准车辆荷载，以公路工程技术标准为规范名称，车辆荷载的名称与类型均设置为为CH-CD,其中qk10.5kNm，当

L5m时Pk的取值为Pk180kN；当L50m时Pk的取值为Pk360kN。定义标准车

辆荷载的数据如下图。

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图3-12 标准车辆荷载

(3)在移动荷载工况中添加移动荷载工况名称为移动荷载的新工况，加载车道数的最大值为2，最小值为1。并将左右车道进行车道分配。

(4)选择分析下的移动荷载分析控制数据，将每个线单元上影响线点数量设置为3，板单元为内力（中心+节点），杆系单元为内力（最大值）。反力、位移、内力皆包含在计算选项内，桥梁等级为Ⅱ级，f[Hz]=1.2。

移动荷载分析控制数据的添加内容如下。

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图3-13 移动荷载分析

(5)车道荷载的计算。

图3-14 车道荷载图

表3-1集中荷载PK取值

计算跨径L0 Lo5

270

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5＜Lo＜50 （2L0130）Lo50

360

PKKN

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桥梁公路为Ⅱ级荷载，跨径L021m,满足第二种情况即5L050,因此 Pk2211300.75226.5KN，qk7.9KNm。

(6)模型运行。在完成荷载施加后，通过计算机对应力、剪力、内力进行计算。利用分析的数据对桥梁进行配筋。

3.2.3荷载组合

由于构件在使用过程中，除自身重力外，还会受到变化荷载的作用，因而在设计构件时应该考虑荷载的效应组合，并选取最不利的效应组合，完成构建设计，从而满足构件在日常使用中要求。桥梁结构设计中应该考虑结构上可能出现的多种作用，其中包括基本作用与偶然作用，对于大部分的工程构件来说，基本组合往往是计算荷载中频繁使用的。针对本设计只考虑基本作用组合，忽略偶然作用的存在，从而减少实验数据的分析，在完成不同荷载添加的任务后，选择结果下边的荷载组合，在混凝土设计选项下自动生成4种基本组合情况。混凝土的荷载组合并不是随意分配的，它是基于一定的理论基础以及现实情况后慎重分配完成的，详细数据见下图。

图3-15 荷载组合

依据《公路桥规》，后期研究的作用效应组合，应该根据承载能力极限状态和正常使用极限状态并考虑相应的设计状况后，形成最不利的作用效应组合。需要注意的是设计状况并不是单纯的指桥梁的结构类型，更要将桥梁的安全等级加入到考虑之中。在计算过程中，通常以结构重要性系数作为评判标准，从而对桥梁的稳定性做出全面的分析，确保设计的合理。

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第4章 T型梁桥数据分析与梁体配筋

4.1 T型梁桥运行分析

在模型设计完成后，对模型进行运行分析。在进行分析时，应通过数据图形与图表对对模型进行综合分析，从而确保所设计的模型时完全符合规范要求的。本章节介绍模型的剪力、应力、弯矩的数值分布，为后期梁体配筋提供依据。

4.1.1 支座反力

本桥梁共设置10个支座，共分为4种类型，其具体操作如下： (1)在模型运行后选择结果工作栏中的反力。 (2)选择移动荷载组合并选择反力方向为FZ。 其图像与表格如下所示。

图4-1 支座反力图

表4-1 支座反力

节点 1 22 23 44 45 66 67 88

荷载 移动荷载(全部) 移动荷载(全部) 移动荷载(全部) 移动荷载(全部) 移动荷载(全部) 移动荷载(全部) 移动荷载(全部) 移动荷载(全部)

FX (kN) 39.6 0.0 30.4 0.0 17.8 0.0 30.3 0.0

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FY (kN) 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

FZ (kN) 82.3 82.4 257.1 256.6 95.7 97.0 259.3 255.0

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移动荷载(全部) 移动荷载(全部)

39.7 0.0

9.8 9.8

85.5 81.5

4.1.2 T型梁桥的内力

显示桥梁内力的步骤如下：

(1)在结果工作栏下的内力菜单栏中选择梁单元内力图。 (2)在荷载工况内选择自重荷载。

(3)由于仅存在自重，所以仅Fz方向上存在的剪力，Fx、Fy方向的剪力值为0。以下图形和表格数据呈现各个重要位置的剪力值与弯矩值。

图4-2 剪力图

表4-2 剪力数据表

单元

荷载

位置 剪力y方向 剪力z方向

(KN)

1 1 21 21 30 30 41 41 53 53 67 67 79 79

弯矩-y (KN*m) 0.37 107.30 106.79 0.12 566.55 5.34 204.49 107.09 602.86 599.92 293.00 371.23 4. 438.13

弯矩-z (KN*m) -0.11 -0.09 0.04 0.08 -0.01 0.02 0.02 0.06 0.00 0.00 0.03 -0.01 0.01 -0.01

(KN) -111.81 -102.05 101.80 111.55 -27.67 -17.91 92.53 102.28 -1.94 7.82 -83.11 -73.35 46.88 56.

自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载 自重荷载

I[1] J[2] I[21] J[22] I[31] J[32] I[42] J[43] I[55] J[56] I[70] J[71] I[82] J[83]

-0.02 -0.02 -0.04 -0.04 -0.03 -0.03 -0.04 -0.04 0.00 0.00 0.04 0.04 0.02 0.02

20

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85 85 105 105

自重荷载 自重荷载

I[] J[90]

0.02 0.02 0.04 0.04

-111.81 -102.05 101.80 111.55

0.37 107.30 106.79 0.12

0.11 0.09 -0.04 -0.08

自重荷载 I[109] 自重荷载 J[110]

显示桥梁弯矩图步骤如下：

(1)在结果工作栏下的内力菜单栏中选择梁单元内力图。 (2)在荷载工况内选择二期恒载。

(3)在二期恒载条件下选择成分为My方向，得到My方向上的弯矩图。

图4-3 弯矩图

显示桥梁弯矩图步骤如下：

(1)在结果工作栏下的内力菜单栏中选择梁单元内力图。 (2)在荷载工况下选择CBCmax:LCB2。

(3)选择成分为My方向，其组合状态下的弯矩见下图。

图4-4组合状态弯矩图

表4-3 荷载组合弯矩表

单元 1 1 21 21 32

荷载 cLCB2(最大) cLCB2(最大)

位置 剪力-y (KN) 剪力-z (KN) 弯矩-y (KN*m) 弯矩-z (KN*m) I[1] J[2]

1.21 1.21 1.47 1.47 3.36

21

-279.92 -2.14 386.14 411.92 74.97

35.63 391.82 386.30 11.75 2334.92

6.14 5.30 4.87 6. 10.29

cLCB2(最大) I[21] cLCB2(最大) J[22] cLCB2(最大) I[33]

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32 47 47 60 60 75 75 85 85 105 105

cLCB2(最大) J[34] cLCB2(最大) I[49] cLCB2(最大) J[50] cLCB2(最大) I[62] cLCB2(最大) J[63] cLCB2(最大) I[78] cLCB2(最大) J[79] cLCB2(最大) I[] cLCB2(最大) J[90] cLCB2(最大) I[109] cLCB2(最大) J[110]

3.36 4.52 4.52 4.46 4.46 3.94 3.94 2.60 2.60 2.39 2.39

135.84 -179.70 -153.92 332.36 358.14 135.84 204.67 -279.90 -2.12 386.15 411.93

2420.57 1452.81 1752.46 1460.04 1133.40 2420.57 2440.88 35.72 391.83 386.30 11.74

7.30 1.79 5.19 3.75 2.41 9.04 5.61 10.84 8.59 3.22 4.58

4.1.3 桥梁应力

显示桥梁应力图步骤如下：

(1)在工作栏的结果选项下应力菜单栏中选择梁单元应力图。 (2)在荷载工况下选择CBCmax:cLCB2,具体如图和表

图4-5 应力图 表4-4 应力表

单元 1 1 5 5 9 9 12 12 15

荷载 cLCB2(最大) cLCB2(最大) cLCB2(最大) cLCB2(最大) cLCB2(最大)

位置 I[1] J[2] I[5] J[6] I[9]

Cb1(-y+z) (KN/m^2) -7.20e+000 -1.68e+003 -5.75e+003 -6.78e+003 -8.79e+003 -9.14e+003 -9.30e+003 -9.12e+003 -8.27e+003

22

Cb2(+y+z) (KN/m^2) -1.06e+000 -1.68e+003 -5.75e+003 -6.78e+003 -8.79e+003 -9.14e+003 -9.30e+003 -9.11e+003 -8.26e+003

Cb3(+y-z) (KN/m^2) 4.92e+000 3.62e+003 1.24e+004 1.46e+004 1.e+004 1.97e+004 2.00e+004 1.96e+004 1.78e+004

Cb4(+y-z) (KN/m^2) 4.23e+000 3.61e+003 1.24e+004 1.46e+004 1.e+004 1.97e+004 2.00e+004 1.96e+004 1.78e+004

cLCB2(最大) J[10] cLCB2(最大)

I[12]

cLCB2(最大) J[13] cLCB2(最大)

I[15]

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15 18 18 21 21

cLCB2(最大) J[16] cLCB2(最大)

I[18]

-7.60e+003 -5.74e+003 -4.55e+003 -1.68e+003 1.02e+000

-7.60e+003 -5.74e+003 -4.e+003 -1.68e+003 -3.37e+000

1.e+004 1.24e+004 9.78e+003 3.61e+003 1.37e+000

1.e+004 1.24e+004 9.78e+003 3.61e+003 1.87e+000

cLCB2(最大) J[19] cLCB2(最大)

I[21]

cLCB2(最大) J[22]

显示桥梁应力图步骤如下：

(1)在工作栏的结果选项下应力菜单栏中选择梁单元应力图。 (2)在荷载工况下选择CBCall:cLCB4，具体见图表。

图 4-6 应力图

表4-5 应力表

单元

荷载

位置

Cb1(-y+z) (KN/m^2)

1 1 5 5 9 9 12 12 15 15 18 18 21 21

cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部) cLCB4(全部)

I[1] J[2] I[5] J[6] I[9] J[10] I[12] J[13] I[15] J[16] I[18] J[19] I[21] J[22]

6.00e+000 1.40e+003 4.79e+003 5.65e+003 7.33e+003 7.62e+003 7.75e+003 7.60e+003 6.e+003 6.33e+003 4.78e+003 3.79e+003 1.40e+003 8.49e-001

Cb2(+y+z) (KN/m^2) 8.84e-001 1.40e+003 4.79e+003 5.65e+003 7.32e+003 7.61e+003 7.75e+003 7.60e+003 6.e+003 6.33e+003 4.78e+003 3.79e+003 1.40e+003 2.80e+000

Cb3(+y-z) (KN/m^2) 4.10e+000 3.01e+003 1.03e+004 1.22e+004 1.58e+004 1.e+004 1.67e+004 1.e+004 1.48e+004 1.36e+004 1.03e+004 8.15e+003 3.01e+003 1.14e+000

Cb4(+y-z) (KN/m^2) 3.52e+000 3.01e+003 1.03e+004 1.22e+004 1.58e+004 1.e+004 1.67e+004 1.e+004 1.48e+004 1.36e+004 1.03e+004 8.15e+003 3.01e+003 1.55e+000

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4.2 T形截面配筋计算

本设计的T型简支梁桥相关计算尺寸如图4-6和4-7。翼缘板宽度h=1.6m，截面高度h=130mm，设计采用C30混凝土，HRB335级钢筋，由于设计的桥梁为中小型桥梁，其安全等级为二级，I类环境[2]条件。根据迈达斯分析结果所得到的弯矩值为M=2440.88=2441KNm。由混凝土型号可得轴心抗压强度设计值fcd13.8MPa，轴心抗拉强度设计值ftd1.39MPa，由钢筋型号可得到抗拉强度设计值fsd280MPa，

b0.56，01.0[2]。则弯矩计算值为MroMd2441KNm。在进行配筋计算过程中，可根据等效工字型截面计算中hf由截面尺寸可得hf（14+8）2=11cm。收集以上数据后完成截面配筋与截面复核。

图4-7 截面尺寸 （单位：cm） 图4-8 计算截面 （单位：cm） T形截面有关数据得到后，下面进行配筋的相关计算。

4.2.1配筋中的截面计算

(1)T形截面梁受压翼板的有效宽度bf

bf1

11L205006833mm 33bf21600mm(相邻两主梁的平均间距为1600mm)

所以取受压翼板的有效宽度bf1500mm

b/f3

2bh12hf18020121101500mm/

(2)本设计采用的结构为焊接钢筋骨架，则可以确定as和h0的取值

as30mm0.07h300.071300121mm

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h013001211179mm

(3)由T形截面受压区高度差异判断截面类型

hffcdbfhfh0211013.815001101179

26 2792.01610Nmm

2792.016KNmM(2441KNm)

根据上述计算可判断出设计的T形截面类型为第一类T型截面。 (4)压力区高度的确定

x由0MdMufcdbfxh0可得

2244110613.81500x(1179x2)

方程整理后可得 x223582358450

解得 x105mmhf(110mm)(5)受拉钢筋面积的确定

根据上述结果，已知x105mm，根据公式fcdbfxfsdAs可得

ASfcdbfx13.815001057763mm2 fsd280根据上述公式结果对T型截面做出配筋选择，其选择结果如下：8Φ28+6Φ25,

7，布置如图4-8。AS7871mm2。钢筋叠高层数为

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图4-8 钢筋布置图（尺寸单位：cm）

根据混凝土保护层厚度的规范要求，可取c35mmd32mm,钢筋间横向净距Sn180235231.646.8mm35mm 及1.25d1.252835mm，故钢筋间配置满足构造要求。

4.2.2截面复核

已知本次设计的桥梁的受拉钢筋为下层8Φ28，其总面积为4926mm2，上层8Φ25，其总面积为2945mm2，fsd280MPa。由上述数据与已知资料可知

as4926(35231.6)2945(35431.61.528.4)138mm

49262945并且其实际有效高度ho13001381162mm。 (1)判定T形截面类型

依次计算fcdbfhf与fsdAs，然后进行两者的比较，判断上述分析是否正确。

fcdbfhf13.81500110

2.277106N

2277KN fsdAs(49262945)280

2.203106N

2203KN

由上述计算结果可知fcdbfhffsdAs，故可确认为第一类T形截面。 (2)计算受压区高度x的数值

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由于fcdbfxfsdAs，故可以得到

xfsdAs2807871(110mm) 107mmhffcdbf13.81500(3)计算正截面抗弯承载力的数值

x因为0MdMu=fcdbfxh0，所以

2xMu=fcdbfxh0

2 

13.81500107(1162

6 2455.2110Nmm

107) 2

因为2455.21KNmM(2441KNm)

Sbho78713.76%min0.2%，所以最终截面复核满足设计

1801162要求。

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第5章 T型桥梁预制施工工艺

目前，在我国的桥梁设计中普遍采用的构造形式为T型简支梁，作为主体结构的T梁，其构件的质量直接关系到桥梁的稳定性与安全性。因此，对T型梁桥预制施工工艺研究与分析具有十分重要的意义。

5.1 主梁预制工艺

主梁预制的施工工艺流程如下：施工前准备→配置安装钢筋→安装梁体模板→浇筑混凝土及养护→拆除模板并继续养护→在混凝土达到预期龄期及强度后开始张拉钢绞线→孔道压浆→进行桥梁体封端→在水泥浆达到预期强度并完成梁体检验合格后可吊装使用。 (1)预制场的布置

预制场应选择在梁体运输方便，场地开阔的地方布置。同时，预制场地应由重型机械将原土层压实，保证土基密实度符合规范要求，避免产生不均匀沉降，然后用水泥石屑铺设路面，稳定底层路面，最后用标号为C30混凝土浇筑路面，使预制场地符合设计要求。 (2)主梁预制施工

①模板制作、安装和拆卸。模板采用4mm钢板制作，模板的制作与安装应根据设计尺寸要求制作。模板不宜过长，以横隔板为一单元较好。当梁体符合规范要求后由专业人员拆卸模板，拆除模板时不得损坏梁体表面影响梁体美观。

②刚筋的定制与安装。钢筋由专业工厂制作，在制作完成后将其运输到预制场地进行现场绑扎成型，绑扎前应反复核实钢筋型号与数量，保证其结构的抗拉能力应满足设计规范要求。

③主梁混凝土的浇筑。混凝土搅拌可加入适量外加剂，并且在浇筑前应该检查混凝土是否满足浇筑要求。对于单一完整梁体结构应一次浇筑完成，避免影响梁体强度。

④主梁混凝土的后期养护。在混凝土梁体浇筑完成后，在梁体端部标注相关信息，在混凝土初凝3天后，用麻布覆盖梁体表面，避免梁体受到阳光暴晒，并洒水养护7天。在养护期间应保证梁体表面一直出于潮湿状态。 (3)梁体预应力施工

①张拉设备及锚具。在进行预应力施工前需要提前准备施工机械，锚具采

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用有专业厂商配套制作，从而保证质量的可靠性，减少不必要因素对梁体预制的影响。

②张拉前的准备。其主要的目的是对机械设备进行安全检查，从而保障施工进度。

③查看梁体状态。当梁体混凝土龄期大于5d且混凝土强度达到设计70～90%时，可进行张拉钢绞线。如果桥梁跨径大于或等于25m时，建议采用两端同时进行张拉。 (4)孔道压浆

在张拉钢绞线完成后，应立即用水泥砂浆封闭预应力钢筋间空隙，防止过多的空气进入梁体的钢筋内，造成内部钢筋锈蚀。压浆之前应用压力水冲洗孔道，从而使孔道压浆通畅。与此同时，压浆前应该全面检查机械设备，并对压浆设备进行安装检验。 (5)主梁存放与安装

当混凝土强度符合设计规范要求后，且预应力混凝土达到一定龄期方可进行存放。并且做好梁体的记录工作，方便后期梁体信息的查询。在进行T梁安装时，必须对支座所处位置、支座标高数值、梁板轴线与顶板预留孔数量及位置进行严格检查，从而保证现浇段的钢筋、管道连接与预应力张拉等施工工序的顺利进行。

5.2 桥面铺装与装饰

在桥梁主体架设完成后，可以进行桥面装饰施工。其施工方法应该根据施工规范要求，严格检查每一步施工，保证桥梁的稳定。本部分主要简单介绍在桥梁架设完毕后进行的后续工作，包括桥面铺装、桥面装饰等。 (1) 桥面铺装

在桥梁进行铺装前应该清除桥面的杂物，并用高压水冲洗桥面去除表面的浮浆，然后方可进行桥面铺装钢筋的绑扎。与此同时，桥面板应该根据实际情况设置防水层，防止桥梁表面水渗入梁体，影响梁体的使用寿命。在混凝土铺装前应对绑扎钢筋进行检查，合格后挑选适合混凝土铺设的天气进行施工。在施工时应注意避免堵塞下水管施工，并按照设计预留施工槽，为桥梁伸缩缝设置提供位置。在施工完成后可以进行桥面养护，在强度未达到设计要求时不允许通行。 (2) 桥面系施工

在桥面混凝土施工达到设计要求的强度后，可进行护栏的安装。在安装时应根据桥面中心线进行对称布置。桥面装饰应根据前期测量数据进行定制模板，要求准确无

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误，然后通过桥梁预留出的钢筋与护栏进行焊接，并按照要求预留排水设施。在安装完成后应仔细检查标高与稳定性，保证施工符合设计要求与相关规定。

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