新建铁路简支梁桥设计

1、新建铁路简支梁桥设计第一节概述本桥为单线铁路桥，位于城市的郊区，桥上线路为平坡、直线。采用双片肋式 T 形截面，道碴桥面，设双侧带栏杆的人行道，桥下净空 5m，本桥设计采用多跨简支梁桥方案，计算跨度采用 18m。本设计重点研究的问题是力计算和配筋计算。本桥所承受的荷载分恒载和活载两种。恒载：人行道板重 1.75kpa ；人行道栏杆及托架重 （集中作用于栏杆中心）0.76KN/m(顺桥 ) ；道碴及线路设备重 10kpa；道碴槽板及梁体自重，按3容重 25KN/m计算。活载：中 - 活载，按换算均布活载计算；人行道活载，距梁中心2.45m以 10kpa, 距梁中心 2.45m 以外 4kpa。本

2、桥采用的建筑材料：梁部混凝土标号不低于 C40，墩柱不低于 C30，梁体上主筋、箍筋采用 T20MnSi钢筋，构造钢筋采用 A3 筋。第二节尺寸选定一、 上部结构梁体尺寸选定根据铁路桥涵设计基本规 （以下简称桥规）的规定，本桥每孔梁沿纵向分成两片， 每片梁的截面型式为形， 道碴槽宽度为 3.9m, 每片梁的上翼缘宽度为 1.92m。梁的计算跨度采用 18m，梁全长 18.6m，梁缝 0.06m。本桥主梁高度采用 2.0m，两片梁的中心距为 1.8m。跨中腹板厚 270mm，靠近梁端部分腹板厚增大到 460mm，下翼缘宽度采用 700mm。在梁端及距梁端 4.3m 和跨中处，共设置 5 块横隔板

3、，中间横隔板厚度选用 160mm，端部横隔板厚度采用 460mm。道碴槽由桥面板和挡碴墙围成，桥面板为悬臂结构，厚度是变化的，端部采用桥规规定的最小厚度120mm，在板与梗相交处设置底坡为1：3 的梗胁，板厚增至 245mm。挡碴墙设在桥面板的两侧，高 300mm，沿梁长围设 5 处断缝，每隔 3m设置一个泄水孔。二、 下部结构桥墩尺寸拟定采用圆端形桥墩，托盘式矩形顶帽，顶帽厚度采用 0.5m，纵宽采用 3.0m, 横宽采用 5.0m, 托盘高 0.8m, 形状和墩身相同为圆端形 , 顶帽和托盘连接处设 0.2m 的飞檐。墩顶纵宽 2.6m，横宽 3.6m，两端半圆的半径为 1.3m，墩身高

4、4m，设为直坡。顶帽设置两层钢筋网，采用 10 的 20MnSi 筋，间距 200 ，上下两层钢筋网间距 320 ；顶帽顶面设置 3%的排水坡，设置两处纵宽 1500 ，横宽 1000 的支承垫石平台用于安放支座， 支承垫石设置两层钢筋网，钢筋直径 10 ，间距 100 ，上下两层钢筋网间距 200 ，支承垫石顶面高出排水坡的上棱 0.2m；在托盘与墩身的连接处沿周边布置一圈间距 200 ，长 780 ，直径 10 的竖向钢筋，在竖向钢筋的中部设置两层间距 400 的环形构造筋，用以增强该处截面。第三节力计算及配筋设计三、桥面板计算及配筋设计1、计算荷载道碴槽板系支承在主梁梁梗上，按固结在梁梗

5、上的悬臂梁计算，作用在其上的荷载分恒载和活载。恒载有：已知道碴及线路设备重为 10kpa，取顺桥方向 1m宽时，沿板跨度其值为 g1=10KN/m。钢筋混凝土人行道板重g2=1.75KN/m。道碴槽板的自重按容重3计算，为简化计算，可取板的平均25KN/m厚度 hi 按均布荷载考虑。当顺桥方向取1m 宽时，沿板跨度方向其值为0.120.150.150.24g3=25hi ，hi =2220.165m所以 g3=250.165=4.125KN/m。挡碴墙重可作为一集中荷载计算，该力作用在距挡碴墙外侧面0.1m处 ,G1=(25-20) 0.2 0.3 1=0.3KN式中“ 25”为挡碴墙的容重，

6、 “20”为道碴的容重。人行道栏杆及托架重G2=0.76KN,作用在栏杆中心。活载有：列车活载，设计中采用“中 - 活载”的特种荷载，假定特种轴重 250KN由轨底边缘向下通过道碴均匀分布在道碴槽板上，顺桥方向取1.2m，横向按比 1： 1 分布，轨枕长为2.5m，顺桥方向取 1m时，沿板跨度方向的竖向均布活载为：250q p 11.2 2.5 2h式中： h 轨枕底至梁顶的高度，h =0.3m。1列车活载冲击系数，61+=1+30 L4 1h 4 10.52 1.92 m, L 0.915m111.9261.37300.915250q p1.3792.1KN / m1.2 2.520.3人行

7、道竖向静活载，指行人及维修线路时可能堆积在人行道上的线路设备及道碴重梁。根据桥规规定，在距梁中心 2.45m 以的一段 , 按g 410kpa 计算；在距梁中心2.45m 以外的一段 , 按 g44kpa 计算。2、选定截面尺寸及配筋设计根据构造要求道碴槽板在“梁上翼缘板受力组合示意图”（附后）的 - 截面处厚 150 ， - 截面处厚 245 ，这两变截面为最薄弱点，分别对其进行配筋设计计算。 - 截面在第一种荷载组合时的弯矩为：M 1192.10.3650.3654.125100.630.6340.560.561.132221.751.061.060.30.5420.761.7315.73

8、KN20.63- 截面在第二种荷载组合时的弯矩为：M 124.125100.630.631.751.061.060.6340.560.561.13222100.50.50.63 0.3 0.5420.76 1.73 13.9KN .m2M 11M 12 ，第一种荷载组合控制设计。按长 1m的板进行设计， b=1.0m,h=0.15m,20MnSi 筋，混凝土标号采用C40， n=10，承 受的 荷载弯矩 M=15.73KN.m。 查表得g180MPa ，。w =14Mpag 180=12.86,查表得 :5.35,1.7%,0.437 。Kw 14设 a=0.027m，ho=h-a=0.15-

9、0.027=0.123mM 11w bho21 1400010.123239.59 KN .m5.35Ag1 =bh01.7%1 0.123209110 62091mm2M 139.59M 1115.73KN .m所以该处按受力要求只需设单层钢筋，按比例关系所需单层钢筋的最小截面积为：Ag=Ag1 M 11209115.73830.8 , 因考虑到梁在运输和吊装M 139.59中的受力，上翼缘板常受到反向弯矩的作用，为增强板的受力性能，采用双筋布置，受拉区钢筋的间距采用100 ，用 10mm20MnSi 筋，供给面积785 2，在受压区采用间距140 的 8 筋，供给面积为359 2。a 0.

10、027m,a 0.026m. .截面复核：An AgAg 10 78510 6359106bh01 0.1230.093B2n Agh0Ag a 210 785 1060.123 3591060.026bh0210.12320.14xA2BA h00.09320.0140.093 0.1230.03613nAgxa2bxy30.0231bx 2nAg ax2Z h0 xy 0.1230.036 0.023 0.11M15.73g785 10 6182166KPaAg.z0.11g 180MPa ,不超过 5%，满足要求。hgx1821660.0367538KPa7.5MPawnh0x100.1

11、230.036gg . xa182166 0.0360.02620939 KPa20.9MPagh0x0.1230.036均满足要求。- 截面在第一种荷载组合时的弯矩为：M 2192.10.650.650.9150.915100.9154.12520.915220.30.8271.751.060.91540.560.561.061.415220.762.01533.6KN .m在第二种荷载组合时的弯矩为：M 22104.1250.9150.9150.30.827100.50.50.9152240.560.561.4151.751.061.060.9150.762.0152220KN .mM 2

12、1M 22仍是第一种荷载组合控制设计。 - 截面的布筋和 - 截面是连续的，现检算 - 的强度。由上可知： h 0.245m,b 1m, a 0.027m, a 0.026m. 受拉区钢筋间距100 ，用 10 20 MnSi 筋，供给面积为国为 785 2，受压区采用钢筋间距 140 的 8 筋，供给面积为 359 2。截面复核如下：h0ha0.2450.0270.218An AgAg 10 78510 6359 10 60.052bh01 0.2182n Ag h0210 785 10 60.21835910 60.026BAg a0.076bh021 0.2182xA2BA h00.05

13、220.0760.0520.2180.05m13xa210.05310 3591060.050.0262bxnAg.1y330.0331 bx 2nAg a1 10.052359 10 6x100.050.02622Zh0xy0.2180.05 0.033 0.201mgM33.6212948KPa212.9MPag 180MPaAg Z785 10 60.201且超过 5%，不满足要求。 所以该梁上翼缘板为 - 截面控制设计， 需重新设计布筋。已知： b1m, h0.245m,20MnSi 筋， C40 混凝土， n10 ，承受的荷载弯矩为 M=33.6KN.m。gK/p>

14、12.8，查表得：5.35,0.437,1.7%a0.027, h0ha0.245 0.027 0.218M 11wbh021140001 0.2182124KN .m ，远大于所承受5.35的荷载 M33.6KN .m ，为节约钢材，本截面宜采用低筋设计。rgbh021800001 0.2182M33.6254.6查表得：0.43%,0.253,0.916得： Ag bh0 0.43% 1 0.218 0.0009374 m2937.4mm2基于上面 - 截面相同的理由， 本板在受压区也设置少量钢筋， 受拉区采用钢筋间距 80 的 10 的 20 MnSi 筋，供给面积为 982 2，在受压

15、区采用间距 140 的 8 筋，供给面积为 359 2。截面复核如下：h0ha0.2450.0270.218An AgAg 10 98210 6359 10 60.062bh01 0.218B2n Agh0Ag a210 98210 60.218359 1060.026bh021 0.21820.094xA2BA h00.06220.0940.0620.2180.055m1 bx3xa 21.1 0.05531035910 6 0.0552nAg0.026y330.0361 bx2nAg a 1 10.0552359 10 6x100.0550.02622Zh0xy0.2180.055 0.0

16、36 0.199mgM33.6171939 KPa172MPag180MPaAg Z98210 60.199hgx1719390.0555802 KPa5.8MPanh0x100.2180.055g gxa 171939 0.0550.02630590 KPa30.6MPah0x0.2180.055wg - 截面和 - 截面布筋连续， - 截面控制设计，故 - 截面不需检算。上翼缘道碴槽板边板受力较外边板小，无人行道，且跨度小，截面尺寸相同，为便于施工采用和外边板相同的布筋，故不需检算。上翼缘道碴槽板的主筋按以上设计布置，为确保主筋受力的连续性，按桥规要求设置部分分配钢筋，为承受横隔板处沿纵向

17、产生的负弯矩，在横隔板上方的板设置间距 100 的 8 筋，详见设计图。四、主梁计算及配筋设计主梁受力计算1、计算荷载：梁的计算跨度为18m。恒载： 线路设备及道碴重 H x10KPa1.95m19.5KN / m, 人行道重 H R 1.75KPa 1.05m0.76KN / m2.6KN / m 梁自重：梁的体积V=0.140.270.30.070.10.030.030.120.150.630.150.2450.28522220.120.150.450.2720.1520.3650.2152218.61.391.5170.09523.620.7350.161.3930.6250.461.5

18、172221.54m3梁自重 HL21.542529.9KN / m18恒载总计为 H ZH XHR HL19.52.629.952KN / m活载是指计入冲积力的列车活载，人行道的竖向静活载因不与列车活载同时计算，且数值较小，不控制设计，设计中可不考虑此荷载。2、力计算跨中 L 处的弯矩：2MLM恒M活MM2恒11ql 2152 1822106KN .m288活111K05 122其中： 1+6130L4 1h 4 10.52 1.921161.241.923018查表得：换算均布荷载 K0.5 =114.2KN/m影响线面积 :1118 4.540.5m2 代入 M1 得2活2M111.2

19、4114.240.52868KN .m活22M LM 恒M 活210628684974KN .m2 L 处的弯矩计算4M LMLML4恒4活4ML3 ql 23521821579.5KN .m恒43232ML1 1K L .L11.24 120.3 1 3.375 18 2265.5KN .m活424422M L1579.52265.53845KN .m4跨中 L 处的最大剪力计算2剪力影响线如图 :18m0.5跨中剪力影响线0.5LXL变截面距支座 3.3m 处3.31.0支座处剪力影响线0.817QLQ恒 LQ活 L222Q恒 L02QL1 1K 0活22查表得 :K 0=165.5KN/

20、m按上图计算影响线面积192.250.52QL1 1.24 165.52.25231KN活22支座处最大剪力计算Q0Q恒 0Q活 0Q恒 01118 468KNql5222Q活 01 1K 01 1.24133.211 18 743222Q0468743 1211变截面距支座3.3m 处最大剪力计算Q3.3Q恒 3.3Q活 3.3Q恒3.31 qlq 3.3152 18 52 3.3 296KN22Q活 3.31 1K 02查表得 :K 0 =141.31影响线面积0.817183.362Q活 3.31141.3 6 5261.242Q3.3296 526822KN根据以上算得各截面的最大弯矩

21、值和剪力值 , 描点连成弯矩包络图和剪力包络图。见下图：18m1211822231剪力包络图2318221211弯矩包络图384538454974主梁配筋设计1、主筋截面选择及配置已知g180MPa ,w14MPa , n10本梁上翼缘的平均厚度：0.120.15 .0.630.150.245 0.28520.1220.15 .0.45220.157mhi0.630.28520.45假设 a0.075m,则 h0 h a2 0.0751.925m取 Z092h00.92 1.925 1.771m主筋的截面积估计为：AgM49740.0156m 2156cm2g .Z180000 1.771采用

22、 34 根 25的 20MnSi 筋，供给面积 Ag 16690mm2 ，布置为三层，三根一束的为8束，两根一束的 9 束，单根的为 2 根，布置如图所示：5723.45796.223.443.458 129 110 106 110 129 58700钢筋的形心位置距梁底边的距离:4204.22147.210123.8666.81243.4a3496.2mmh0 ha 20.096 1.9032、主筋应力复核首先假定中性轴在翼板， 按宽度为 bi1.92m ，有效高度为 h01.903m的矩形截面计算 x 值。Ag166901.65%bi h01.921.903查表 2-12 得0.433x

23、h00.4331.903 0.8239m hi 所以中性轴在梁梗，与原假设不符，应重新按T 形截面计算 x 值。nAghi bi b101669010 60.157 1.92 0.270.829Abh00.271.9032nAg h0hi 2bi b2 101669010 61.903 0.15721.92 0.27Bbh020.271.9032=0.691xA2BA h00.829 20.6910.8291.9030.657my2 bi x 3bi b x hi 33 bi x 2bi b x bi 22 1.920.65731.920.270.6570.157 30.5417m31.920

24、.65721.920.270.65720.157Zh0xy 1.903 0.6570.54171.788mgM4974166679KPa167MPag Ag Z16690 10 61.788最外一层主筋应力验算a10.0434mhxa120.6570.0434174MPag g1h0xg1.9030.657167受压区混凝土的最大压应力为：hxg0.657167 8.8MPa g n h010 1.903 0.657x均满足要求。3、剪应力计算梁端剪应力 :Q1211Zl 1 2.35MPabZ1472 KPa 1.472MPa 0.46 1.788Zl 2 0.87MPa需要按计算设置剪力钢

25、筋。距支座 3.3m 处的剪应力计算 , 此处为变截面 , 腹板厚 b0.46m处Q822 Zl 1 3.3端999 KPa0 .999 MPabZ0 .46 1.788 Zl 2 距支座 3.3m, 腹板厚 b=0.27m 处的剪应力计算 :Q8221.703MPa1 3.3中1703KPaZlbZ0.27 1.788Zl 2 跨中剪应力计算 :Q2312 中478KPa 0.478MPa Zl 3 0.43MPa4、箍筋设置及计算根据构造要求，箍筋采用20MnSi 的 8 筋，间距 ak200mm ，肢数nk4 肢的设置方法，为施工的方便以及增强钢筋骨架的整体刚度，箍筋间距沿梁全长均是20

26、0 。故而，箍筋所能承受的主拉应力为：nk Ak1 g kkbak在梁端部分， 距支座 3.3m 区段 , 梁腹板厚 b=0.46m, 该区段箍筋承受的剪应力为 :450.27180kk4600.393MPa200在梁中部 , 梁腹板厚 b=0.27m,该区段箍筋所能承受的剪应力为:450.27180kk2700.67MPa2005、斜筋的计算与设置根据以上剪应力计算的结果，绘出剪应力分配图如下：计算需设置斜筋的梁段长度C，按比例关系求得：x5.717036704.807m1703478需设置斜筋的梁段长度 C=3.3m+4.807m=8.107m 由斜筋承受的剪应力图面积 W=W1+W2W1

27、99939314723933.32780 KN / m2W2117036702483KN / m4.8072需弯起斜筋根数 nc 为： nc2Wb2 Ag1 g 梁中部需弯起的钢筋数量：nc中2W2b中22483 0.272Ag1 g2490.9 10 65.4（根），取 6 根。180000梁端需弯起的钢筋数量：nc端2W1b端227800.462Ag1 g2490.910610.2（根），取 12 根。180000共弯起 18 根主筋作为斜筋， 分 9 批弯起，每批弯起 2 根，弯起位置由图解法确定，见图（附后） ：38454974170314723936704783.35.7注: 腹板厚

28、度变化处的过度段长0.39m, 本图忽略从中间计算。6、架立钢筋和分配钢筋的设置架立钢筋用以架立箍筋，本梁在箍筋的上端设 4 根 16 的架立筋。分配钢筋的作用是把荷载传递给主筋，同时承受温度变化及混凝土收缩引起的拉应力，又起到固定主筋的作用。根据构造要求，在箍筋的外侧设置 8 的分配钢筋， 腹板处间距 100 ，其余处所设在主筋转弯处和较大空档处。7、材料图形首先根据以上计算的数值画出弯矩包络图。计算跨中截面全部纵向主筋容许承受的弯矩：M Ag g Z 1669010 6 180000 1.788 5372KN .m将M=5372KN.m 按主筋根数分成34 等分，再按图解法确定的斜筋位置，

29、绘出材料图形。（附后）8、裂缝宽度的检算fK 1K 2 rg 8080.4dEgz在本梁设计中：K10.8K 21M1M210.3286821060.30.50.51.385MM49744974r1.1g 167MPaEg 210000MPa1 n12n23n3 Ag1120.8580.724 490.9 10 6zAh120.0960.70.0935将以上各值代入f 得：fK 1K 2 rg808 0.4dEgz0.81.3851.116780.425800.09352100000.1346mmf 0.20mm符合要求。9、翼板与梁梗连接处的剪应力检算上翼缘板与梁梗连接处的剪应力根据试验，检

30、算距支座2m处的剪应力。 bSahhi S0式中：T 形梁中性轴处的剪应力Q9931207 KPabZ0.46 1.7880.120.150.630.150.2130.19翼板平均厚度 hi20.630.1920.146mSa0.1460.630.190.6570.1460.070m 32S00.1460.630.190.190.450.1460.65720.460.6570.6570.2238m32bSa=12070.460.07815KPa870KPahhi S00.2130.2238Zl 2主拉应力：2 2hhZl22h其中：h 为检算截面的弯曲压应力xhi0.6570.14622167

31、7.8MPahn h0g10 1.9030.657x278002hh 27800815284KPa（负号表Zl2h222示为压力） Zl 2 870KPa受拉区下翼缘与梁梗连接处的水平剪应力h （与其主拉应力值相等），梁端处剪应力最大，按下式计算：bAgihhi Ag式中： 支座处的剪应力。Q1211bZ0.461472 KPa1.788hi 翼板与梁梗连接处的厚度。hi0.27mAgi 翼板悬出部分纵向受拉钢筋的截面积。Agi1963mm2Ag 受拉钢筋总的截面积。Ag7854mm2bAgi0.461963h14720.27627KPa 0.627MPahi Ag7854经检算符合要求。Zl2五、墩计算及配筋设计本桥桥墩的各部尺寸已按构造要求拟定完毕，墩顶帽、支承垫石的钢筋网也按构造要求设置完毕，见第二节：尺寸拟定。根据已有的资料，对拟定的桥墩进行检算如下：本桥有关资料1、桥跨结构：等跨L=18m道碴桥面钢筋砼梁，梁全长18.6m，梁缝 0.06m ，轨底到梁底的高度为 2.52m ，轨底至桥墩支承垫石顶面高度为 2.72m 。弧形支座，支座高 0.2m 。2、 桥上线路情况：平坡、直线、单线铁路。3、 水文地质情况：该桥位于城市郊区，无水，旱桥。4、桥墩所用材料：墩身、托盘、顶帽均采用C30砼。荷载计算1、恒载由桥跨结构传来的恒载压力N121.542518.60.065.1