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内力计算和配筋计算。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 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以内10kpa,距梁中心2.45m以外4kpa。本桥采用的建筑材料：梁部混凝土

2、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范（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T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，中间横隔板厚度选用160mm端部 横隔板厚度米用460mm道碴槽由

3、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 长范围内设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4n,设为直坡。顶帽内设置两层钢筋网，采用10伽的20MnSi筋，间距200 mm,上 下两层钢筋网间距 3

4、20 m；顶帽顶面设置 3%的排水坡，设置两处纵宽 1500 m,横宽1000 m的支承垫石平台用于安放支座， 支承垫石内设置两层 钢筋网，钢筋直径10 m,间距100 m,上下两层钢筋网间距200m,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 m,长780m,直径10 m的竖向钢筋，在竖向钢筋的中部设置两 层间距400 m的环形构造筋，用以增强该处截面。第三节内力计算及配筋设计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

5、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 25KN/m计算，为简化计算，可取板的平均 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0.12 0.15 0.15 0.240.165mg3=25hi, hi =所以 g3=25X 0.165=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 G=(25-20) X 0.2 X 0.3 X 1=0.3KN式中“25”为挡碴墙的容重，“ 20”为道碴的容重。人行道栏杆及托架重G=0.76KN,作用在栏杆中心。活载有：列车活载，设计

6、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：qp 12501.2 2.5 2h式中：h'轨枕底至梁顶的高度，h=0.3m。列车活载冲击系数,1 + 卩=1 +630 L41 h 410.521.92m,L 0.915m11.921.3730 0.915250qp 1.3792.1 KN /m1.2 2.52 0.3人行道竖向静活载，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2.45

7、m以内的一段，按g4 10kpa计算；在距梁中心2.45m以外的一段，按g； 4kpa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I - I截面处厚150 ,n - n截面处厚245 mm,这两变截面为最薄弱点， 分别对其进行配筋设计计算。I - I截面在第一种荷载组合时的弯矩为：M 1192.1 0.365 03654.125 100.63 063 4 0.561.132 2 21.75 1.061060.630.3 0.5420.76 1.7315.73KN2I - I截面在第二种荷载组合时的弯矩为：1.130.631.060.56M124.

8、125 100.631.75 1.060.634 0.5622 20.510 2M11 M 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180MPa，C40, n=10，承受的荷载弯矩查表得K O 180 =12.86,查表得：5.35,1.7%,0.437w14设 a=0.027m, h°=h-a=0.15-0.027=0.123mM 11w bh。2114000 15.3520.12339.59KN .mAg =bh°1.7%1 0.123 209110622091mmM i 39.59 M1115.7

9、3KN .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=Ag2091 旦3830.8,因考虑到梁在运输和吊装M139.59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 100mm,用10mm20MnSi筋，供给面积 785 m 2，在受压区采用间距140 m的© 8 m筋，供给面积为359 m 2。a 0.027m, a 0.026m.截面复核:皿A- 10785 10 6359 10 60.093bho1 0.1232n Aghp Ag abh。22 10 785 10 6 °123 3

10、59 10 6 °.°260.141 0.1232A2 B Aho0.09320.014 0.0930.123 0.0361 3 'bx nAg x1 2 bx2hg xMnAg x a0.023y 0.123 0.03615.730.0230.11Ag.z785 10 6 0.11182166KPa g 180MPa,g xn h0x1821660.036100.123 0.0367538KPa7.5MPa1821660.036 0.02620939KPa20.9MPah0 x0.123 0.036均满足要求。n - u截面在第一种荷载组合时的弯矩为:0.650.

11、9150.915M 2192.1 0.654.1250.915100.9152220.30.827 1.75 1.061.060.91540.560.561.415220.762.01533.6KN .m在第一种荷载组合时的弯矩为：M 22104.1250.9150.9150.30.82710 0.5050.915224 0.560.561.4151.751.061.060.9150.762.0152220KN .mM 21 M 22 仍是第一种荷载组合控制设计。n -n截面的布筋和I - I截面是连续的，现检算n -n的强度。由上可知：h 0.245m, b 1m,a 0.027m, a0.

12、026m.受拉区钢筋间距100 mm,用10 mm 20MnSi筋，供给面积为国为785 mm 2,受压区采用钢筋 间距140 m的© 8筋，供给面积为359 m 2。截面复核如下：h0h a 0.245 0.027 0.218n Ag Agbh°10 785 10359 10 61 0.2180.0522n Ag h0 Ag abh。26 62 10 785 100.218359 100.0261 0.21820.076* o 0.2182o.A B Ah0. 0.0520.0760.052 0.218 0.05mbx3' '2nAg x a136.1 0

13、.0510 359 100.05 0.026312''1261bx叭 x a 2 1 °.°510 359 10°05 °.°260.033h0 x y 0.2180.050.0330.201m180 MPaM33.66212948 KPa 212.9MPaAgZ785 100.201且超过5%不满足要求。所以该梁上翼缘板为U -U截面控制设计，需重新 设计布筋。已知：b 1m,h 0.245m,20MnSi 筋，C40 混凝土，n 10，承受的荷载弯矩为g180000, c cK12.8，w14000查表得：5.35,0.43

14、7,1.7%a 0.027, h0 h a 0.245 0.027 0.218M 1 丄 w bh°2 14000 1 0.2182 124KN .m，远大于所承受5.35的荷载，为节约钢材，本截面宜采用低筋设计。g bh。2180000 1 0.2182厂r -254.6M33.6得：Agbh0 0.43% 1 0.218 0.0009374m2 937.4mm2基于上面I -I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 mm的10 mm的20MnSi筋，供给面积为982 mm 2,在受 压区采用间距140 m的© 8筋，供给面积为359m 2。

15、截面复核如下：h°h a 0.245 0.0270.218nAg Ag 10 982 10 6 359 10 6 0.062bh°1 0.2182n Ag h° Ag abh。20.0942 10 982 10 6 0.218 359 10 6 0.026 1A2BAh0.0.06220.0940.0620.2180.055m1 .3-bx31 . 2 -bx2h0 xnAg x anAg x a1.13130.05510 359 100.055 0.0260.036AgZ2y 0.218 0.055982n h0 x1 0.05510 359 100.0550.

16、0360.199m0.02633.610 6 0.19917193910171939 KPa 172MPa0.055180MPa5802KPa 5.8MPa0.218 0.055x a9 h0 x0.0550.02617193930590 KPa 30.6MPa0.218 0.055I - I截面和U - U截面布筋连续，U - U截面控制设计，故I - I截面 不需检算。上翼缘道碴槽板内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。上翼缘道碴槽板内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

17、处沿纵向产生的负弯矩， 在横隔板上方的板内设置间距100 m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 Hx 10KPa 1.95m 19.5KN/m,人行道重Hr1.75KPa 1.05m0.76KN /m 2.6KN /m梁自重: 梁的体积V=0.14 0.2720.30.07 0.10.03 0.030.12 0.1520.630.15 0.24520.285 20.12 0.15 门“0.15 0.3650.450.27 20.2152221.39 1.51718.60.095 23.6 20.735

18、0.161.393 0.625 0.46 1.517 2221.54m3梁自重H,21.54 2529.9KN/m18恒载总计为HzHx Hr 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、内力计算跨中L处的弯矩：2Ml M恒 M活21 2 1 2M 1 一ql- 52 18 2106KN.m恒？ 881M 汗11Ko5 1活22其中：1+130 L41 h 41 0.521.92611 1.921.2430 18查表得：换算均布荷载K).5=114.2KN/m影响线面积：-1

19、8 4.5240亦2代入M活丄得21M - 1.24 114.2 40.52868KN .m活2 2Ml M 恒 M 活 2106 28684974KN.m2L处的弯矩计算4MLM L恒LM L活L444ML2ql2 2 522181579.5 KN.m恒一43232111M、十L-1Kl. l-1.24 120.3-3.375 18活上424422ML1579.52265.53845 KN .m4跨中L处的最大剪力计算剪力影响线如图：Q L恒一2Q活上2Ql2Q L恒_2112查表得:Ko=165.5KN/mKo按上图计算影响线面积1 0.5 92.252QoQ恒oQ活o11Q恒oql52

20、18468 KN22Q活o1 1Ko11.24 133.2-1 18222Qo46874312112支座处最大剪力计算变截面距支座3.3m处最大剪力计算11.24 165.5 2.25 231KN2Q3.3Q 恒 3.3Q 活 3.3。恒 3.3q 3.3丄 52 18 52 3.3296KN22Q 活 3.311Ko查表得：Ko=141.31影响线面积丄0.817 18 3.3621Q 活 33 - 1.24 141.3 6 5262Q3.3296526822KN根据以上算得各截面的最大弯矩值和剪力值，描点连成弯矩包络图 和剪力包络图。见下图：剪力包络图弯矩包络图主梁配筋设计1、主筋截面选择

21、及配置已知 g 180MPa, w 14MPa ,n 10本梁上翼缘的平均厚度:hi0.12 30.150.24520.285 20.12 50.63 0.285 2 0.450.157m假设 a 0.075m,则 h0 h a 2 0.075 1.925m取 Z 092h00.92 1.925 1.771m主筋的截面积估计为:Agg.Z2 20.0156m156cm180000 1.771采用34根25伽的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:钢筋的形心位置距梁底边的距离4

22、 204.22 147.2 10 123.86 66.8 12 43.4a96.2mm34h0h a 2 0.096 1.9032、主筋应力复核首先假定中性轴在翼板内，按宽度为bi' 1.92m ,有效高度为ho 1.903m的矩形截面计算x值。AgIbi ho166901.92 1.9031.65%查表2-12得 0.433xh0 0.433 1.903 0.8239m hi所以中性轴在梁梗内，与原假设不符，应重新按T形截面计算x值nAg hi bi bbh°'22nAgh° hi bibh。210 16690 100.157 1.920.270.8290

23、.27 1.903b 2 10 16690 10 6 1.9030.1572 1.92 0.270.27 1.9032=0.691Ixa2 B A h0.0.82920.6910.8291.9030.657m'32bi xbi'3b x hi3bi x2 bi'2b x bi21.92 0.65731.92 0.27 0.65730.15731.92 0.65721.920.27 0.65720.1570.5417mZh0 x y 1.903 0.657 0.5417 1.788mMAZ497416690 10 6 1.788166679 KPa167MPa g最外一层

24、主筋应力验算a10.0434mg1h x 印h0 x2 0.657 0.04341.903 0.657167174MPag受压区混凝土的最大压应力为:h n h0 x g8.8MPa g均满足要求。3、剪应力计算 梁端剪应力：Q 1211bZ 0.46 1.7881472 KPa 1.472MPa Zl 12.35MPa0.65716710 1.903 0.657>Zl 20.87MPa需要按计算设置剪力钢筋。距支座3.3m处的剪应力计算，此处为变截面,腹板厚b 0.46m处3.3端bZ8220.461 .788999 KPa0.999 MPaZl 1 Zl2距支座3.3m,腹板厚b=0

25、.27m处的剪应力计算：Q8223 3中 一 1703 KPa 1.703MPabZ 0.27 1.788Zl 1Zl 2 跨中剪应力计算：Q231中478KPa 0.478MPa <bZ 0.27 1.788Zl2Zl30.43MPa4、箍筋设置及计算根据构造要求，箍筋采用20MnSi的8筋，间距ak 200mm ,肢数nk 4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200伽。故而，箍筋所能承受的主拉应力为：nkAki gbak距支座3.3m区段,梁腹板厚b=0.46m,该区段箍筋承受的在梁端部分， 剪应力为：5027 1800.393MPa4k k

26、460 200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：4 50.27 180 k k0.67MPa270 2005、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：1703 670x 5.74.807 m1703478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=WWW1999 3931472 3933.32780KN /m2W21 4.807217036702483KN /m需弯起斜筋根数%为:nc、2Wb2Agl g梁中部需弯起的钢筋数量:nc中2W4b中2

27、Ag1 g2 490.9 10 6 1800002 2483 0.275.4 （根），取 6 根。梁端需弯起的钢筋数量：10.2 （根），取 12 根。nc端2Wib端、2 2780 0.462Agi g2 490.9 10 6 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）：3.35.7注：腹板厚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

28、。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伽，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 gZ 16690 10 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，绘出材料图形。（附后）8、裂缝宽度的检算gf Kidr 80Eg8 0.4d在本梁设计中：K10.8K21 0.3 晋0.5叫0.3 遊 0.5 巡 1.385497449741.1167 MPaEg210000MPa1 n1 2n23

29、n3 Ag161 2 0.85 80.7 24490.9 102 0.096 0.70.0935将以上各值代入f得:K1K2r8080.4d0.8 1.385 1.1167210000808 0.4 25.0.09350.1346mm f0.20mm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，检算距支座2m处的剪应力bSahi S0式中： 一T形梁中性轴处的剪应力bZ 諾益 1207KPa0.12 0.150.630.15 0.2130.19翼板平均厚度hi0.63 0.190.146mSaSo0.460.1460.1460.6570.63 0.190.6

30、57 01460.070m30.63 0.19 0.19 0.45啤 0.2238m320.46 0.07准=1207hi S00.213 0.2238815KPa主拉应力:Zl其中:h为检算截面的弯曲压应力hix2hn h0 x0.6570.14610 1.903 0.657Zl78007800表示为压力）受拉区下翼缘与梁梗连接处的水平剪应力等），梁端处剪应力最大，按下式计算:bAgi式中：一支座处的剪应力。QbZhi 翼板与梁梗连接处的厚度。0.6570.1462Zl 2870KPa167 7.8MPa8152121184KPa （负号Zl 2 870KPa（与其主拉应力值相0.46 1.

31、788hi 0.27m1472 KPaAgi 翼板悬出部分纵向受拉钢筋的截面积。Agi 1963mm2A 受拉钢筋总的截面积。A 7854mm2跌 1472 627KPa °-627MPaZl 2经检算符合要求。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、支承垫石内的 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

32、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N121.54 2518.6 0.065.195 10 3.91902KN顶帽及墩身自重顶帽体积：V 3.0 5.0 0.5 7.5m32 21.31 2.61.32 2.63托盘体积V20.8 7.37m2墩身体积 V31.32 1 2.6 4 31.64m3墩底截面以上桥墩自重：N2V1 V2 V3 r砼7.5 7.37 31.64 23 1070KN2、竖向静活载孔重载、双孔重载对于各检算项目的最不利活载图式有：1孔轻载、

33、1 和双孔空车活载，分别计算如下: 活载布置如图:乓5 X 1.5 >92KN/m220KN0.3mRo根据 M。0，可求得支座反力Rio0.33mRi1220 53 0.311.11811.192 -27.50.3888KNR1对桥墩中心力矩为:M R 888 0.33 293KN.mRi31孔重载，活载布置如图:92KN/m220KNnllU支座反力:R2 220 18.6 3 0.31233KN(1)1孔轻载，R对桥墩中心力矩为:M R 1233 0.33 407KN.m根据色 ,L, L2, G G2。L1L2即：92 18.63 5 220 9218.33

34、 x 7.5从上式求得x 4.157m，此时为最不利情况，利用静力平衡方程求得支座反力:118.63R318.63 920.3858 KN18218.33 4.1577.515 2203 4.15718.33 4.1577.592R42187.5 4.157949KN桥墩所受压力：R3 4 R3 R4858 949 1807KNR3,R4对桥墩中心的力矩：Mr34 949 858 0.33 30KN.m双孔空车活载，活载布置如图:10KN/mR5 R 5桥墩所受压力：R空 2Rs 2 10 18.66186.6KNR空对桥墩中心的力矩：Mr空03、制动力(1)1孔轻载与1孔重载时的梁上竖向静活

35、载相同，故其制动力也相等, 为：R 5 220 9218.6 7.50.1212.1KNR对墩身底部截面的力矩为：Mp 212.14 0.8 0.5 0.2 0.11188KN双孔重载时的制动力左孔梁为固定支座时传递的制动力：Pt192 18.63 0.1 100%171KN右孔梁为活动支座时传递的制动力：Pt2 5 220 6.673 920.1 50% 86KN传到桥墩上的制动力：R Pt1 R2171 86 257KN Ptmax 212.1KN故双孔重载时采用制动力R Ptmax 212.1KNR对墩底截面的力矩为：M Pt 212.14 0.8 0.5 0.2 0.11188KN.m4、纵向风力根据桥规规定，查表计算风荷载强度：w K,K2K3w00.8 1 1 700 560Pa0.56KPa顶帽风力：Pw1 w.A 0.56 5.0 0.5 1.4KNPW1对墩底截面的力矩：M Pw1 1.44 0.8 0.257.1KN .m托盘风力：4.63.6Pw2 0.560.81.84KN2Pw 2对墩底截面