1. 研究目的与意义（文献综述）

桥梁在土木工程中属于土木工程的分支，使人类在生活和生产活动中，为了克服天然障碍而建造的建筑物，它不仅体现了一个国家或地区的经济实力，科学技术和生产力发展的综合水平，还反映了一个国家或地区历史，文化和文明等社会发展的进步程度。如果说一座现代化高层建筑具有高耸挺拔的雄姿，则一座大跨度桥梁具有凌空宏伟的魅力。

随着我国国民经济的迅速发展和经济的全球化，大力发展交通运输事业，对于发展国民经济，促进文化交流，巩固国防等方面，都具有非常重要的作用，特别是在改革开放以后，路桥的建设得到了飞速的发展。桥梁是陆路交通线中的重要组成部分，从经济上来说，桥梁工程在工程规模上占道路总造价的10%~20%，同时他也是保证全线通车的咽喉。

目前，无论是公路，铁路或城市桥梁，简支梁桥由于受力明确，构造简单，施工方便，整体性好等优点，近年来在国内外对于中小跨径的桥梁，绝大部分采用装配式的钢筋混凝土简支梁桥或预应力混凝土简支梁桥。

2. 研究的基本内容与方案

2.1主梁设计

条件：计算跨径L0=25米，公路-Ι级荷载，桥面净宽：净9.0附2×1.0人行道

桥跨组成：主梁，横隔梁，铺装，人行道，灯柱，泄水管，伸缩缝等

2.1.1结构布置

主梁布置：主梁间距一般在1.6～2.2米之间，因加设横隔梁，可取2米，确定主梁数目为5片

横隔梁布置：T形梁的端横隔梁是必须设置的，中横隔梁每隔5～8米设置一道，跨径为25米，可设3道中横隔梁

2.1.2构件尺寸及材料

1.主梁尺寸及材料：

确定主梁高度，主梁肋宽度，翼缘板根部厚度，翼缘板边缘厚度

主梁材料：钢筋混凝土（25KN/msup3;）

2.横隔梁尺寸及材料：

确定横隔梁高度及肋宽

横隔梁材料：钢筋混凝土（25KN/msup3;）

3.主梁的连接构造：

主梁采用横隔梁连接

主梁翼缘板采用企口连接，属于铰接

2.1.3桥面设计

桥面是指桥梁上部构造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

1. 桥面铺装

   铺装层材料：沥青混凝土5～8cm（23.0～24.0kN/msup3;）

   防水层：复合防水涂料

   混凝土三角垫层（24kN/msup3;）

2. 桥面纵横坡

   桥面纵坡：一般做成双向纵坡，纵坡坡度不宜超过4%

桥面横坡：采用设置三角垫层，先铺设一层厚度变化的混凝土三角垫层，形成双向倾斜，然后再铺设等厚的混凝土铺装层

1. 桥面排水系统

   桥面纵坡大于2%，而桥长小于50米时，雨水可流至桥头从引道上排出，不必设置专门的泄水空道，在桥头引道两侧设置流水槽

2. 人行道

人行道采用整体预制装配式，高出行车道0.25～0.35m，顶面应做成倾向桥面（1%，1.5%）的排水横坡，上面敷设2～3cm砂浆面层或沥青砂，人行道内缘设置缘石

1. 栏杆和灯柱

   桥梁栏杆设置在人行道上，高度不应小于1.1m，靠近桥面伸缩缝处所有栏杆均应断开

照明灯柱可以设在扶手栏杆的位置，也可设置在靠近缘石处。照明用灯一般高出车道8～12m，钢筋混凝土灯柱的柱脚可以就地浇筑并将钢筋锚固于桥面中

1. 伸缩装置

   因跨度较大，梁端变形量会较大，因此采用跨搭钢板式伸缩缝，以钢板为跨缝材料的伸缩缝构造

2.1.4成果

桥跨结构设计完成，绘制桥跨结构横断面图，纵断面图，大样图（主梁连接，栏杆，伸缩缝）

2.2主梁结构内力计算

2.2.1主梁恒载内力计算

主梁恒载集度g=主梁恒载集度（钢筋混凝土25KN/msup3;） 后期恒载集度

分中主梁与边主梁计算

简支梁边主梁和中主梁的任意截面弯矩和剪力

最不利内力：跨中截面弯矩，支点截面剪力

2.2.2主梁活载内力计算

公路Ι级车辆荷载，两个后轴重各为p=140KN

1. 求横向分布影响系数

①支点截面使用杠杆原理

假设桥面板在主梁上断开，把桥面板当做沿横向支承在主梁上的简支梁或悬臂梁

主梁在靠近支点处时，由于墩（台）顶支承刚度大于横向连接刚度，故荷载绝大部分通过主梁直接传至墩台，而较少横向传递，故在实践中，偏于安全地用杠杆原理计算荷载位于主梁支点附近的横向分布系数

②跨中截面使用偏心压力法

在具有可靠横向联接（横隔梁联接）的桥上，当桥的宽跨比B/L小于或接近0.5

设荷载位于k号梁轴上（）,便可得出任意i号主梁上荷载分布的一般公式为：

主梁截面相同，因此k号主梁的荷载横向影响线在各梁位处的竖标值，通常写为η_ki

得到荷载横向分布影响线，就可以根据荷载沿横向的最不利位置来计算相应地横向分布系数，计算公路一Ι级横向分布系数，人群荷载横向分布系数

③荷载横向分布系数沿桥跨的变化

由前面的分析可知，杠杆原理法适用于计算荷载位于支点截面处的横向分布系数m0，其他方法均适用于计算荷载位于跨中截面处的横向分布系数mc

对于具多根内横隔梁，在第一根内横隔梁处，由mc线性过渡为m0

（2）汽车荷载，人群荷载内力计算

①汽车荷载，人群荷载作用下跨中截面内力计算公式

Sq.Sr：汽车和人群荷载作用下，所求截面的弯矩或剪力

1 μ：汽车冲击系数

ξ：多车道桥涵的汽车荷载横向折减系数，由《桥梁工程》^[4]：

mcq.mcr：汽车和人群荷载跨中截面横向分布系数

pk.qk：汽车荷载的集中荷载、均布荷载标准值

yk：与汽车荷载的集中荷载相对应的主梁内力影响线的纵标

qr：人群荷载标准值

Ω：弯矩或剪力影响线的面积

在计算跨中截面弯矩与剪力时，qk，qr应分别采用全跨与半跨加载

②汽车荷载，人群荷载作用下支点截面剪力计算公式

式中yk=1，Ω为荷载分布影响系数图中三角形的面积；

对于汽车荷载：

而对于人群荷载：

（3）内力组合

按《桥规》^[5]进行恒载、活载内力组合,一米板宽最大组合内力为表所列

注：—承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值（弯矩或剪力）

1. —永久作用中结构重力效应的标准值（弯矩或剪力）

1. —汽车荷载作用（含汽车冲击力，离心力）标准值（弯矩或剪力）

1. —人群荷载作用标准值（弯矩或剪力）

1. —正常使用极限状态下作用短期效应组合设计值（弯矩或剪力）

2.3主梁配筋

按《混凝土结构设计原理》^[6]

主梁跨内截面按T形截面计算，翼缘宽度为，高度为

判断T形截面类型

T形截面受弯构件按受压区的高度不同，可分为下述两种类型：

第一类T形截面，中和轴在翼缘内，即x≤；第二类T形截面，中和轴在梁肋内，即x≥

（1）钢筋混凝土受弯构件正截面配筋计算

①第一类T形截面配筋计算

在计算截面的正截面承载力时，不考虑受拉区混凝土参加受力，因此可用代替b按矩形截面公式计算

使用条件：

其中，第一个式子一般均能满足，可不必验算，最小配筋率按腹板面积验算

注：—混凝土轴心抗压强度标准值

As—受拉区纵向受力钢筋截面面积

M—荷载在该截面上产生的弯矩设计值

—截面的有效高度，按式

h为截面高度，a_s为受拉区边缘到受拉钢筋合力作用点的距离

—最小配筋率，于《混凝土结构设计原理》^[6]按表取值

b，h—分别为截面的高度和宽度，注意此处用h不用h₀

—相对界限受压区高度，查表取值

②第二类T形截面

计算公式：

适用条件：

后面一个条件一般都可以满足，不必验算。

（2）普通梁的构造要求

①确定纵向受力钢筋，符合其构造要求

②确定纵向构造钢筋

（3）钢筋混凝土受弯构件斜截面配筋计算

①确定计算截面和剪力设计值

计算位置：

支座边缘处截面，该截面承受的剪力值最大，跨度取净跨长Ln

受拉区弯起钢筋弯起点处截面

箍筋截面面积或间距改变处截面

腹板宽度改变处截面

确定计算截面后，计算剪力设计值

由活荷载为主的荷载组合控制时：

由恒载为主的荷载组合控制时：

取最大值

②复核梁截面尺寸

其中：V—构件斜截面上的最大剪力设计值

βc—混凝土强度不超过C50时，取1.0；当混凝土强度为C80时，取0.8，期间线性内插

b—T形截面的腹板宽度

hw—T形截面取有效高度减去翼缘高度，即

③验算可否按构造配筋

V≤，按《混凝土结构设计原理》^[6]表选择箍筋

Vgt;，按计算配置腹筋，且应验算

④所需腹筋计算

仅配箍筋：

由，求出，选择满足表要求的箍筋

配置箍筋和弯起钢筋：

选择满足表及的箍筋，求出Vcs，，按求A_sb并选择A_sb

⑤确定箍筋及弯起钢筋的构造要求，满足斜截面受剪承载力要求

2.4挠度及预拱度计算

2.4.1活载挠度验算

由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》^[7]：

活载挠度：

钢筋混凝土梁式桥：

如不满足，应调整材料，T形梁的形状尺寸

2.4.2预拱度计算

（1）是否设置预拱度：

根据《桥规》^[5]要求，当由荷载短期效应组合并考虑荷载长期效应影响产生的长期挠度超过计算跨径的l/1600，应设置预拱度，即

时，设置预拱度

其中：M_静活：不考虑冲击力的车辆荷载

1. 预拱度大小确定

   根据《桥规》^[6]要求，预拱度值等于结构自重和1/2可变荷载频遇值所产生的长期挠度

   应做成平顺曲线

   2.5裂缝计算

   ：按荷载效应准永久组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度

   ：由《混凝土结构设计原理》^[6］，最大裂缝宽度限值为0.2mm

   （1）平均裂缝宽度

   ，=0.85

   Lcr：平均裂缝间距

   有效配筋率

   对轴心受拉构件，Ate取构件截面面积

   对受弯，偏心受压，偏心受拉构件，取

   式中：β-系数，对轴心受拉构件取1.1，对受弯，偏心受压构件取1.0，对偏心受拉构件取1.05

   Cs—最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，当cslt;20mm时，取cs=20mm，当csgt;65mm时，取cs=65mm

   deq—受拉区纵向钢筋的等效直径

   （2）裂缝截面钢筋应力σsq的计算

   受弯构件：

   （3）钢筋应变不均匀系数Ψ的计算

   当Ψlt;0.2时，取0.2；当Ψgt;1时，取1

   （4）最大裂缝宽度

   αcr—构件受力特征系数，轴心受拉构件取2.7；偏心受拉构件2.4，受弯和偏心受压取1.9

   2.6横隔梁设计

   对于具有多根横隔梁的桥梁，由于位于跨中的横隔梁受力最大，通常就只要计算跨中横隔梁的内力，其他横隔梁可按此设计

   2.6.1确定作用在中横隔梁上的计算荷载

   Pk，qk—公路-Ι级车道荷载的集中力与均布荷载

   yk：Pk对应的按杠杆原理计算的纵向影响线竖坐标值

   Ωk：qk荷载范围的影响线面积

   qor：一侧人行道每米的人群荷载

   Ωr：人群荷载范围内影响线面积

   2.6.2横隔梁的内力计算

   由《桥梁工程》^[8]

   （1）内力影响线

   作用单位荷载P=1，由力的平衡条件可写出横隔梁任意截面r的内力计算公式

   当荷载p=1位于截面r的左侧：

   当荷载p=1位于截面r的右侧：

   式中：Mr,Qr—横隔梁任意截面r的弯矩和剪力

   e—荷载p=1至所求截面的距离

   b_i—支承反力R_i至所求截面的距离

   —表示涉及所求截面以左的全部支承反力的作用

   通常横隔梁的弯矩在靠近桥中线的截面较大，剪力则在靠近桥两侧边缘处的截面较大

   按偏心压力法计算并绘制横隔梁支承反力R，弯矩M，剪力Q的影响线

   （2）横隔梁内力计算：

   将求得的中横隔梁上的计算荷载，在相应的中横隔梁内力影响线上按最不利位置布置，即可求得该面上的内力值

   式中：η—横隔梁内力影响线竖标

   ，—通常可近似的取用主梁的冲击系数值

   进行内力组合，确定设计内力

   (3)横隔梁配筋

   配筋同主梁配筋

   2.7桥面板设计

   T形梁桥面板为T形梁的翼缘板

   活载内力：公路Ι级车辆荷载

   两个后轴重各为p=140KN，车轮着地长度a2=0.2m，宽度b2=0.6m

   作用在板上的压力面长度：a1=a2 2H b1=b2 2H

   （1）桥面板内力计算

   因翼缘板之间按企口连接，因此按绞接悬臂板计算

   荷载最不利位置是把车轮荷载对中布置在绞结处，此时，绞内剪力为零，最大弯矩在悬臂根部

   悬臂板根部的有效分布宽度：a=a1 d 2b'(b':承重板上荷载压力面外侧至根部的距离)

   每米宽板上活载在根部产生的弯矩Msp与剪力Qap

   每米宽板上恒载在根部产生的弯矩Msg与剪力Qag

   （2）桥面板内力组合

1. 桥面板配筋

   因跨度较大，按双向板配筋，计算钢筋截面面积

   并符合构造要求。

   2.8支座设计

   2.8.1确定支座反力

   竖向力：结构自重，汽车荷载的支点反力及其影响力，在计算汽车荷载的支点反力时，应按最不利状态布置荷载计算，计入汽车荷载冲击力

   水平力：汽车荷载的制动力

   因跨度较大，选择弧形钢板支座

   2.8.2弧形钢板支座设计

   ①确定支座的平面尺寸a和b

   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：支座的计算反力

   r_s0：结构的重要性系数，与跨径有关

   Ψ：荷载组合系数

   r_sl：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：

   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

   γm：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支座垫板的厚度h

   [σw]：铸钢材料的容许弯曲应力

   ③弧形钢板的弧面半径r

   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

   ④对于固定支座，验算齿板或穿钉的抗剪强度

   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

   2.9桥墩设计

   拟采用重力式桥墩

   2.9.1墩帽尺寸设计

   据《桥梁工程》^[9][10]

   采用C20以上混凝土

   顺桥向墩帽最小宽度b：双排支座：

   其中：f—相邻两跨支座间的中心距

   e0—伸缩缝宽，中小桥为2~5cm

   横桥向墩帽最小宽度B：

   平面形状为矩形：B=B1 a1 2c1 2c2

   B1—桥跨结构两外侧主梁中心距

   a1—支座底板横向宽度

   平面形状为圆端形：B=B1 a b

   由《公路桥涵设计手册—墩台和基础》^[11]

   墩帽高度：视受力和钢筋排列的需要而定，墩帽厚度不小于40cm

   墩帽钢筋配置：

   支座局部范围内设置1～2层钢筋网，平面分布尺寸约为支承垫板尺寸的两倍，钢筋直径8～12mm，网格间距为70～100mm，其余部分应设置构造钢筋

   支撑垫石：

   墩帽上设置钢筋混凝土支撑垫石，其上安放支座，使用C25以上混凝土

   支撑垫石的平面尺寸，配筋数量，根据桥跨结构压力大小，支座底板尺寸大小，混凝土设计强度等确定，一般垫石较支座底板每边大15～20cm

   2.9.2墩身尺寸设计

   墩身材料选用块石建造

   重力式桥墩墩身顶宽，小跨径桥不小于0.8mm，中跨径桥不小于1mm，由墩帽长度减去c2得到墩顶尺寸，侧坡一般采用20:1～30:1，墩身高度28m,得到墩底尺寸

   2.9.3重力式桥墩验算

   ①桥墩荷载计算

   恒载：

   上部结构的恒载传给墩台的计算数值，由桥梁的支座反力的计算确定，以上计算已给出

   桥墩自重：要考虑水上水下的部分。水下部分：地基土为弱风化软岩，透水性强，验算稳定时，应考虑浮力；验算地基应力时，可不考虑水的浮力。

   活载：

   汽车荷载，人群荷载

   汽车荷载的冲击力：对于重力式桥墩不计冲击力

   汽车制动力：作用方向与车辆行驶方向相同，计算梁式桥墩时，取值按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）^[12]规定，着力点在桥面以上1.2m以上，制动力可移至支座中心

   ②荷载组合

   纵桥向布载及作用效应组合

   最大竖向力布载方式：用于验算墩身截面承载力和基底最大压力

   永久荷载及可变荷载双跨满布

   纵桥向最大弯矩布载：用于验算桥墩纵桥向的稳定性，基底应力，最大偏心距和墩身截面承载力

   永久荷载及可变荷载单跨布置

   横桥向布载及作用效应组合

   用于验算横桥向桥墩的稳定性，基底应力和偏心距

   横桥向汽车荷载为车辆荷载，靠桥面一侧布载，人群荷载也只在与车辆荷载同侧的人行道上进行布载

   ③重力式桥墩验算

   选取验算截面，一般选择：墩的底部，桥墩身截面突变处，桥墩较高时，需沿桥墩每隔2～3m选取一个截面验算

   按照各种组合分别对各验算截面进行竖向力，水平力和弯矩（顺桥向和横桥向）的计算

   按轴心或偏心受压构件验算墩身各截面承载能力

   墩身截面强度验算：

   截面偏心验算：

   各验算截面在各种组合作用下的偏心距均不允许超过允许值

   墩顶水平位移验算：

   2.10基础设计

   对于弱风化软岩，选择钢筋混凝土独立基础

   2.10.1确定基础埋置深度

   岩石地基承载力特征值：

   fa—岩石地基承载力特征值

   frk—演示饱和单轴抗压强度标准值，按《建筑地基基础设计规范》^[13]取

   软岩5Mpalt;frk≤15Mpa

   —折减系数，可取0.5

   确定基础埋置深度

   2.10.2基础底面尺寸设计

   据《土力学与基础工程》^[14]

   （1）先按中心荷载作用下公式计算基础底面积A

   γG—基础及回填土的平均重度，一般取20KN/msup3;

   对于单独基础，计算出A后，先选定b或l，使A=b*l，一般取

   （2）考虑偏心影响，加大A0，，一般可根据偏心距的大小增大10%~40%，对矩形底面的基础

   按A初步选择相应的基础底面长度l和宽度b，一般l/b=1.2~2.0

2. 承载力验算

   不满足时，应适当调整l和b

   其中：Mk—相当于荷载效应标准组合时，上部结构传递至基础底面的弯矩

   —偏心距：

   a—偏心荷载作用点至最大压力pk，max作用边缘的距离，a=l/2-ek

3. 沉降验算

   地基土为弱风化软岩，地质均匀，承载力较好，按《公路与桥涵地基基础设计规范》^[15]，可不进行沉降验算

   2.10.3基础设计

   （1）基础高度

   可按《混凝土结构设计》^[16]初步拟定

   若不符合基底承载力要求，应及时调整其基底高度

   （2）基础底板配筋

   轴心受压基础：

   d—受力钢筋直径

   基础底板两个方向的配筋应取计算所得较大值

   偏心受压基础：

   所需钢筋截面面积：

   还应按照《混凝土结构设计》^[14]，符合基础配筋构造要求

   2.10.4稳定性验算

   合力偏心距容许值满足要求：

   基底以上外力作用点对基底重心轴的偏心距e₀：

   稳定性验算：

   抗倾覆验算：

   抗滑移稳定性验算：

   2.10.5成果

   桥墩三视图，包括配筋图和结构构造图，基础三视图

3. 研究计划与安排

1.查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，完成英文文 献翻译（1～2周）

2.编写研究大纲和开题报告（2～3周）

3.桥跨结构设计（第4周）

4. 参考文献（12篇以上）

[1] aysegul ozgenc aksoy, gokcen bombar, tan#305;l arkis1, mehmet sukru guney

“study of the time-dependent clear water scour around circular bridge piers

”[m] 2017, 1, 26–34