1. 研究目的与意义（文献综述）

1.设计目的和意义（研究现状）

桥梁是用于跨越江河湖泊、山谷深沟等道路障碍的重要人工构筑物，是道路路线的延伸，主要起着跨越、承载、传力的作用。桥梁工程在规模上占道路总造价的10%～20%，它同时也是保证道路全线通车的咽喉，是交通工程的关键性枢纽，有着举足轻重的地位^［1］[2]。

根据历史发展的不同阶段，桥梁工程中先后发展有木桥、石桥、钢筋混凝土桥梁等。不同时代桥梁的制造不仅受到了材料的约束，还受到了技术条件和理论方法的限制。随着时代的进步，桥梁主体的材料工艺和结构工艺都有了极大的改变和优化。在近现代工艺中，钢材的大量产生和钢筋混凝土的使用使得桥梁的跨越能力和承载能力得到了飞跃式的提升；而各类桥梁理论的产生和使用，使得桥梁的样式和跨、承能力都发生了翻天覆地式的变化。

2. 研究的基本内容与方案

2．设计基本内容及其理论、方法

2.1桥面组成与布置

桥面组成是桥梁上部构承重构件以外的桥面部分，通常包括桥面铺装、防水和排水设备、伸缩装置、人行道（或安全带）、栏杆和灯柱等构造。

由于主梁截面是I型梁，而I型梁的截面特征为，有较高的肋梁，而其翼缘板则较为短小，故在设计截面时，可加宽I型梁的肋梁截面，并将预制桥面板铺装在上翼缘板上，并将桥面板端部搭在肋梁上，板间的横向连接方式可采用企口混凝土铰接连接。为加强梁板结构的整体性，在主梁上设置横隔梁作为其横向连结。

成果：纵横断面图（结构图） 大样图（包括伸缩缝、栏杆、主梁以及桥面板）

2.2主梁内力计算

2.2.1恒载内力计算

①.自重内力SG1：由主梁自重引起的内力

②.后期恒载内力SG2：由桥面铺装及附属设备重产生的内力

为了简化，习惯上往往将沿桥跨各点作用的横隔梁重量、沿桥跨横向不等分布的铺装层重量、以及作用于的两侧人行道、栏杆等的重量，均匀地分摊给各主梁承受。

对于简支梁桥来说，任意一个横截面上的弯矩M（x）和剪力Q（x）：

^［8］

^［8］

2.2.2活载内力计算

（1）横向分布系数

I.支点截面——杠杆原理法

按杠杆原理法进行荷载横向分布的基本假定是忽略主梁之间横向结构的连系作用，即假设桥面板在主梁上断开，把桥面板当作沿着横向支撑在主梁上的简支梁或者悬臂梁^［1］。本设计视作简支梁。根据上述假设，按照结构力学中的机动法或静力法可作出梁的横向分布影响线，以此求出每一根梁的荷载横向分布系数。

II.跨中截面——偏心压力法

把横隔梁视作刚度无穷大的梁。

偏心距为e的单位荷载P=1对主梁的总作用下，任意i号主梁荷载分布的一般公式:

^[1]

按上式求得横向分布影响线的竖标后，如要作某梁的横向分布影响线，求出相应竖标值后，连线即得影响线。有了每一根主梁的荷载横向分布影响线，就可以将荷载沿横向在影响线上进行最不利布载，求出每一根主梁的荷载横向分布系数

III.荷载横向分布系数沿桥跨的变化

支点处到L/4点处线性过渡，L/4到3L/4点处不变，3L/4到L点处线性过渡。

（2）主梁活载内力计算

当求得了活载的横向分布系数后，就可以确定作用在一根主梁上的最大荷载值p_max= m×p，纵向按主梁内力影响线布置p_max，主梁纵向各截面的内力：^[1]

2.2.3内力组合

(1）按桥梁结构承载能力极限状态设计时：

I.基本作用——永久作用的设计值效应与可变作用的设计值效应的相组合。表达式为：

^[1][2][3][6]

或者

^[1][2][3][6]

II.偶然组合——永久作用标准值效应与可变作用某种代表制效应、一种偶然作用标准值效应相组合。^[6]

（2）按桥梁结构正常使用极限状态设计时：

I.作用短期效应组合——永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合。表达式为：

^[6]

II.作用长期效应组合——永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相结合。表达式为：

^[6]

I

2.3主梁截面设计

2.3.1主梁强度验算以及截面设计

（1）跨中截面受弯钢筋计算

本设计主梁截面要求做出I型截面，可简化为T形截面计算^[9]。

I.当符合下列条件时，

^[9]

或

^[9]

此时中和轴在翼缘内，即x≤h_f′，属于第一类T形截面^[9]。应以宽度b=b_f的矩形截面，按

^[9]

计算截面抗弯承载能力。并注意截应满足以下要求：

^[9]

^[9]

当受压区配有纵向普通钢筋时和预应力钢筋，且预应力钢筋受压时:

^[11]

当受压区配有纵向普通钢筋时和预应力钢筋，且预应力钢筋受拉时:

^[11]

II.当不符合上述2.3.1-I条件时，计算中应考虑截面腹板受压的作用，可将截面简化为第二类T形截面。其正截面抗弯承载能力应按下列规定计算：

^[9]

^[9]

适用条件：

^[9]

^[9]

(2)支点截面受剪钢筋计算

I.当仅配置箍筋时，受弯构件的受剪承载力应符合下列规定：

^[9]

^[9]

II.当配置箍筋和弯起钢筋时，受剪承载力应符合下式：

^[9]

为了防止斜压破坏和斜拉破坏，还应规定上下限制：

i.上限值——最小截面尺寸

当h_w/b≤时

^[9]

当h_w/b≥时

^[9]

当4＜h_w/b＜6时，按线性内插法取用或者按下式计算：

^[9]

ii.下限值——最小配箍率和箍筋最大间距

当V＞0.7f_tbh₀时，配箍率尚应满足最小配箍率要求，即

^[9]

III.当剪力设计值满足

^[9]

时，可以考虑采用弯起钢筋和箍筋共同承受剪力的方案，弯起钢筋配筋面积可按下式计算：

^[9]

（3）构造要求

主梁受力钢筋（包括主筋、斜筋和箍筋）以及分布钢筋（包括水平

分布钢筋以及架立钢筋）应当满足规范要求。

成果：主梁横纵断面配筋图及大样图

2.4挠度验算

2.4.1活载挠度验算

活载挠度是临时出现的，在最不利的荷载作用下，挠度最大值随荷载的移动发生变化，最后消除。活载挠度的变化，使梁反复变形

^[1][2][3][6]

钢筋混凝土梁式桥最大竖向挠度的限值规定为：

^{[1][2][3][6][11]}

2.4.2预拱度计算

恒载长期作用在桥梁上，恒载产生的挠度较大、且持久存在。恒载挠度通常可以通过施工时预设的反向挠度（称预拱度）来加以消除。

I.当恒载挠度

^[1][2][3][6]

时，应设置预拱度。

II.当恒载挠度

^[1][2][3][6]

时，可不设预拱度。

III.预拱度大小的确定

^[1][2][3][6]

预拱度应做成平顺曲线，一般为二次抛物线，或平顺的曲线^[1][2][3][6]。

2.5裂缝计算

构件正截面最大裂缝宽度统一计算公式：

^［9］

其中

^［3］[9]

^[3][9]

裂缝宽度容许值按规范依据荷载组合的不同，可取0.1mm、0.2mm和0.25mm

2.6行车道板设计

本设计桥面板为单向板 。

2.6.1车轮荷载在板上的分布

车轮压力在铺装层中的扩散，可简单地按应力扩散原理计算，

扩散角对于混凝土或沥青层，θ=45°，故桥面板上轮压作用面积

a₁×b₁为：

a₁=a₂ 2H ^[1]

b₁=b₂ 2H ^[1]

a₂、b₂：车轮的着地长度（行车方向）和宽度（垂直于行车方向）

则汽车一个车轮引起的行车道板

上的局部分布荷载p为：

^[1]

P：车辆荷载的后轴重

2.6.2板的有效工作宽度

I车轮位于板的跨中。单个车轮在板的跨径中部时

a=a₁ L/3 =a₂ 2H L/3≥2L/3 ^[1]

多个车轮在板的跨中时，

a=a₁ d L/3 =a₂ 2H d L/3 ≥(2L/3) d ^[1]

II车轮位于板的支承处

a＇=a1 t =a₂ 2H t≥2L/3 ^[1]

III车轮位于板的支承附近，距支点为x时，

a_x=a＇ 2x，^[1]

当ax=a时，有：

a₁ t 2x= a₁ L/3 ^[1]

2.6.3行车道板的内力计算

跨中截面汽车荷载弯矩：

^[1]

恒载弯矩：

^[1]

简支板1m宽板条跨中弯矩M_o计算

M_o=k₁M_og k₂M_op^[1][2][3][6]

k1、k2：内力组合系数；M_og：

1m宽板条跨中恒载弯矩；

M_op：1m宽板条跨中活载弯矩.

单向板支点剪力计算

1）恒载产生的剪力Q_sg

^[1]

2）活载产生的剪力Q_sp

活载分布荷载可分解成均布荷载和三角形分布荷载， Q_sp为两部分分布荷载产生的剪力之和。

2.6.4行车道板配筋计算

按单向板进行配筋计算，按短边方向额单向板配筋计算时，应沿长边方向布置足够数量的构造钢筋。单向板可简化为简支梁计算，可采用具有较高安全储备的弹性理论进行计算。

I.正截面抗弯计算

计算抵抗矩系数：

^[9][10]

当抵抗矩系数小于截面最大抵抗矩系数αsb，即:

^[9][10]

时，可按下列式子计算配筋面积：

^[9][10]

^[9][10]

并应该注意，当配筋面积A_s应当满足最下配筋率的要求，否则应按最小配筋率配置钢筋。若截面抵抗矩系数不满足要求，则应重新调整截面。

II.斜截面抗剪计算

可以参考主梁的抗剪计算进行配筋，并注意满足单向板配筋的构造要求。

成果：行车道板的构造图

2.7横隔梁计算

本题由于跨径为20m，可以设置两个端横隔梁，1个中横隔梁。

横梁尺寸：通常可取为主梁高度的3/4左右。^[1]

2.7.1作用在横隔梁上的计算荷载

作用在横隔梁上的计算荷载可按杠杆原理法分布，因此公路-II级荷载作用下分布该横隔梁的计算荷载为：

^[1]

2.7.2横隔梁的内力影响线

当桥梁在跨中有单位荷载P=1作用时，各主梁承受的荷载R_i.由力的平衡条件，可求出横隔梁任意截面r的计算公式，由R_i就可以绘出横隔梁的内力影响线^[1]。

I.荷载位于截面r的左侧：

^[1]

^[1]

II.荷载位于截面r的右侧：

^[1]

^[1]

2.7.3横隔梁的内力计算公式

用上述的计算荷载在横隔梁某截面的内力影响线上最不利位置加载，即可求得横隔梁在该截面上的最大（最小）内力值

^[1]

横隔梁的配筋计算可参考主梁的配筋计算^[1].

2.9支座设计

选用弧形钢板支座

2.9.1确定平面尺寸

主梁的恒载和活载反力N通过平面钢板向下传递，钢板的平面尺寸既要满足钢板承压要求，又要满足与钢板接触的梁肋和墩台混凝土局部承压的要求.

支座顶部的计算反力为：

N_cj=r_soψ∑r_slN^[2]

N_cj：支座的计算反力

r_so：结构的重要性系数，与跨径有关

Ψ：荷载组合系数

rsl：荷载安全系数

N：各种组合中，按不同荷载计算得到的支座反力

局部承压的强度条件：

N_cj≤abβR_aj/rm^[2]

a、b：钢板平面尺寸。b横桥向，取等于或略小于支承处的梁肋宽

度；a顺桥向，取a/b=0.7-1.0

rm：混凝土材料安全系数

R_aj：混凝土的抗压极限强度

β：混凝土局部承压标准强度的提高系数

A_d：局部承压时按规范采用的计算面积

A_c：局部承压面积

2.9.2确定钢板厚度h

忽略梁的转动影响并考虑钢板的足够刚性，将上部钢板与弧形钢板视为线接触，则截面mnop的弯矩为：

钢板的厚度h应满足强度条件：

：铸钢材料的容许弯曲应力

2.9.3确定圆弧形曲面半径r

两块钢板接触面传力时，弧面半径由接触应力的强度条件来确定。r越大，则接触应力较小，r越小，则接触面上应力越集中。接触应力按Hertz公式计算：

当上板是平板时，R≈∞，则：

E：钢材的弹性模量

b1：上下垫板的实际接触长度

［σc］：铸钢自由接触时的容许局部承压应力

2.9.4穿钉或齿板的抗剪强度验算

H：水平荷载

A：齿板或销钉的有效剪切面积

［τg］：齿板或销钉钢材的容许直接剪应力

2.10墩台设计

本设计选用重力式桥墩。

2.10.1桥墩结构设计

（1）墩帽

材料采用C20以上的混凝土，并加配构造钢筋。对于支座摆放的位置，为满足抗剪承载力的要求，应当在此处设置钢筋加密区。构造钢筋直径一般为8～16mm,间距15～25cm.加密区平面分布尺寸为支座支撑垫板的2倍，直径8～12mm,间距5～10cm.

平面尺寸：应满足支座摆放的要求等，可按下式粗估。

I.顺桥向：

^[1]

II.横桥向：

^[1]

厚度：中小跨径桥梁不应小于40cm.

（2）墩身

墩身是桥墩主体，用混凝土浇筑而成。墩身顶面尺寸可根据墩帽尺寸及其挑檐来确定，侧坡采用20：1～30：1进行放坡，进而确定底面尺寸。

成果：桥墩的三视图

2.10.2截面验算

(1)选取验算截面

①墩台的底部

②墩台身截面突变处

③墩台较高时，需沿墩台身每隔2-3m选取一个验算截面

（2）截面的内力计算

I.恒载

包括上部结构传来的荷载（上部结构自重），墩身墩帽自重，水的浮力

II.活载

包括汽车荷载、汽车制动力、流水压力和支座摩阻力。

III.活载组合

i. 第一种组合。按在桥墩各个截面上可能产生的最大竖向力的情况进行

合。它是用来验算桥墩强度和基底最大应力的。活载应双跨满布。

ii. 第二种组合。按桥墩各截面在顺桥方向可能产生的最大偏心距和最大弯矩的情况进行组合。它是用来验算墩身强度、基底应力、偏心距及桥墩的稳定性的。活载单跨满布。

iii.第三种组合。按桥墩的各截面在横桥的方向上可能产生的最大偏心距和最大弯矩的情况进行组合。它是用来验算横桥方向上的墩身强度、基底应力、偏心距以及桥墩的稳定性的。活载单侧布置。

作用在每个截面上的外力应按顺桥向和横桥向分别进行荷载组合，以求得相应截面上的竖向力、水平力、弯矩。

（3）强度验算

按轴心或偏心受压构件验算各截面的强度 S_d≤R_d

^[1][2][3][8]

（4）截面偏心验算

^[1][2][3]

各截面在各种荷载组合下的偏心矩e_o均不应超过容许值

注：当混凝土结构截面受拉，边布设有不小于截面0.05%的纵向钢筋时，容许偏心距可增加0.1y

y：截面重心至偏心方向截面边缘的距离

（5）墩台顶水平位移验算

^[1][2][3]

△y：墩台顶水平位移值，包括：

①墩台水平方向的弹性位移量△y₁

②由于地基不均匀沉降而产生的水平位移量△y₂

（1）弹性位移量△y₁

把墩台视为一固定在基础顶面的悬臂梁，不考虑上部结构对墩

台顶位移的约束

（2）地基不均匀沉降所产生的水平位移量△y₂

可通过计算不均匀沉降引起的倾斜角求得

2.10.3桥墩墩底基础设计

本设计，土力学条件为密实粗沙，可选择浅基础，采用钢筋混凝土独立基础。

（1）确定埋置深度以及基础尺寸

基础应埋置于河床地表以下，最小埋置深度不应小于0.5m.

I.地基承载力计算:

^[4][12]

II.基底尺寸的确定

^[4][12]

可将基础设计为矩形基础：

A=bL=nb² (n=L/B)

（2）地基承载力验算

本设计无软弱下卧层，只需进行持力层承载力验算。

I.中心荷载作用下

^[12]

II.偏心荷载作用下

^[12]

要求： P_{k max}≤1.2f_a ^[12] ， P_{k min}＞0 ^[12].

（3）地基变形验算

地基变形特征一般分为：沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。

规范要求： S≤〔s〕.

当墩台建筑在地质情况复杂、地基土承载能力差或者土质不均匀，以及相邻桥跨相差悬殊等情况时时需要进行地基变形验算。本设计可不用进行沉降验算。

（4）基础设计

对于矩形截面基础，应验算墩身与基础交接处以及基础变阶处的冲切承载力，按下式验算：

^[12]

配筋计算时，可按正截面受弯承载力计算配筋，也可以用下式进行简化计算：

^[12]

偏心荷载情况下采用，只需要将弯矩调整为偏心受压时柱边处（或变阶面处）基底设计弯矩即可。

（5）地基稳定性验算

抗倾覆稳定性验算：

^[12]

. 抗滑移稳定性验算：

^[12]

成果：地基基础的结构构造图。

3. 研究计划与安排

3.进度安排

查阅资料（1周） （1）

外文翻译（1周） （2）

4. 参考文献（12篇以上）

[13]

4.参考文献

［1］李自林.《桥梁工程》［m］.北京：机械工业出版社，2016