三跨预应力混凝土连续梁桥毕业设计计算书(兰州理工大学)_图文

1、摘要在本设计中,根据地形图和任务书要求,依据现行公路桥梁设计规范提出了两种预应力混凝土连续梁桥、拱桥三种桥型方案。经过对各种桥型的比选最终选择三跨预应力混凝土连续梁桥为本次的推荐设计桥型方案。本设计应用Midas软件对预应力混凝土连续梁桥进行结构分析,根据拟定的桥梁尺寸建立桥梁基本模型,对主梁恒载内力和活载内力进行计算,并进行内力组合得到内力包络图。然后进行预应力钢束估算和预应力损失的计算。最后对结构进行强度和应力验算以及行车道板的计算。经过分析验算表明该设计计算方法正确,基本满足要求。关键词:Midas软件;混凝土连续梁桥;内力;结构分析;验算ABSTRACTIn this design,

2、according to the topography, and project requirements,according to the current highway bridge design specification of prestressed concrete continuous girder bridge forward, arch bridge three schemes. structure after the bridge of various final choice of three-span prestressed concrete continuous gir

3、der bridge design for this recommendation.This design uses Midas software for prestressed concrete continuous beam bridge structural analysis, building bridges basic model developed based on the size of the bridge, and then to Internal force on the girder dead load and live load force calculated to

4、obtain a combination of internal forces and internal forces envelope. Then calculate estimates prestressed steel beams and prestressed losses. Finally, the calculation of the structure and the strength and stress checking carriageway board. After checking the analysis shows that the design calculati

5、ons correctly, basically meet the requirements.KEY WORDS:Midas software;concrete continuous girder bridge;Internal forces;Structure analysis;checking computation目录第一章概述 (11.1预应力混凝土连续梁桥概述 (11.2技术标准 (31.3地质状况 (31.4采用材料 (31.5设计依据 (3第二章方案比选 (42.1构思宗旨 (42.2比选标准及设计原则 (42.3设计方案 (42.4方案比选 (72.5方案确定 (8第三章三跨预

6、应力混凝土连续梁桥总体布置 (93.1桥型布置 (93.2桥梁截面形式 (93.3桥梁下部结构 (123.4本桥使用材料 (12第四章内力计算 (134.1全桥结构单元的划分 (134.2全桥施工节段划分 (134.3主梁恒载内力计算 (154.4主梁活载内力计算 (184.5内力组合 (21第五章预应力钢束的估算与布置 (275.1钢束估算 (275.2预应力钢束布置 (375.3预应力损失的计算 (39第六章强度和应力验算 (476.1正截面抗弯承载力验算 (476.2斜截面抗剪承载力验算 (506.3正截面抗裂验算 (536.4斜截面抗裂验算 (566.5短暂状况预应力混凝土受弯构件应力

7、验算 (59第七章行车道板的计算 (677.1主梁桥面板按单向板计算 (677.2活载内力计算 (677.3主梁悬臂板的计算 (687.4行车道板的设计内力 (697.5桥面板配筋 (69参考文献 (71外文原文 (72外文翻译 (82致谢 (99第一章概述1.1预应力混凝土连续梁桥概述预应力混凝土连续梁桥以结构受力性能好、变形小、伸缩缝少、行车平顺舒适、造型简洁美观、养护工程量小、抗震能力强等而成为最富有竞争力的主要桥型之一。本章简介其发展:由于普通钢筋混凝土结构存在不少缺点:如过早地出现裂缝,使其不能有效地采用高强度材料,结构自重必然大,从而使其跨越能力差,并且使得材料利用率低。为了解决这

8、些问题,预应力混凝土结构应运而生,所谓预应力混凝土结构,就是在结构承担荷载之前,预先对混凝土施加压力。这样就可以抵消外荷载作用下混凝土产生的拉应力。自从预应力结构产生之后,很多普通钢筋混凝土结构被预应力结构所代替。预应力混凝土桥梁是在二战前后发展起来的,当时西欧很多国家在战后缺钢的情况下,为节省钢材,各国开始竞相采用预应力结构代替部分的钢结构以尽快修复战争带来的创伤。50年代,预应力混凝土桥梁跨径开始突破了100米,到80年代则达到440米。虽然跨径太大时并不总是用预应力结构比其它结构好,但是,在实际工程中,跨径小于400米时,预应力混凝土桥梁常常为优胜方案。我国的预应力混凝土结构起步晚,但近

9、年来得到了飞速发展。现在,我国已经有了简支梁、带铰或带挂梁的T构、连续梁、桁架拱、桁架梁和斜拉桥等预应力混凝土结构体系。虽然预应力混凝土桥梁的发展还不到80年。但是,在桥梁结构中,随着预应力理论的不断成熟和实践的不断发展,预应力混凝土桥梁结构的运用必将越来越广泛。连续梁和悬臂梁作比较:在恒载作用下,连续梁在支点处有负弯矩,由于负弯矩的卸载作用,跨中正弯矩显著减小,其弯矩与同跨悬臂梁相差不大;但是,在活载作用下,因主梁连续产生支点负弯矩对跨中正弯矩仍有卸载作用,其弯矩分布优于悬臂梁。虽然连续梁有很多优点,但是刚开始它并不是预应力结构体系中的佼佼者,因为限于当时施工主要采用满堂支架法,采用连续梁费

10、工费时。到后来,由于悬臂施工方法的应用,连续梁在预应力混凝土结构中有了飞速的发展。60年代初期在中等跨预应力混凝土连续梁中,应用了逐跨架设法与顶推法;在较大跨连续梁中,则应用更完善的悬臂施工方法,这就使连续梁方案重新获得了竞争力,并逐步在40200米范围内占主要地位。无论是城市桥梁、高架道路、山谷高架栈桥,还是跨河大桥,预应力混凝土连续梁都发挥了其优势,成为优胜方案。目前,连续梁结构体系已经成为预应力混凝土桥梁的主要桥型之一。然而,当跨度很大时,连续梁所需的巨型支座无论是在设计制造方面,还是在养护方面都成为一个难题;而T型刚构在这方面具有无支座的优点。因此有人将两种结构结合起来,形成一种连续刚

11、构体系。这种综合了上述两种体系各自优点的体系是连续梁体系的一个重要发展,也是未来连续梁发展的主要方向。另外,由于连续梁体系的发展,预应力混凝土连续梁在中等跨径范围内形成了很多不同类型,无论在桥跨布置、梁、墩截面形式,或是在体系上都不断改进。在城市预应力混凝土连续梁中,为充分利用空间,改善交通的分道行驶,甚至已建成不少双层桥面形式。在我国,预应力混凝土连续梁虽然也在不断地发展,然而,想要在本世纪末赶超国际先进水平,就必须解决好下面几个课题:发展大吨位的锚固张拉体系,避免配束过多而增大箱梁构造尺寸,否则混凝土保护层难以保证,密集的预应力管道与普通钢筋层层迭置又使混凝土质量难以提高。在一切适宜的桥址

12、,设计与修建墩梁固结的连续刚构体系,尽可能不采用养护调换不易的大吨位支座。充分发挥三向预应力的优点,采用长悬臂顶板的单箱截面,既可节约材料减轻结构自重,又可充分利用悬臂施工方法的特点加快施工进度。另外,在设计预应力连续梁桥时,技术经济指针也是一个很关键的因素,它是设计方案合理性与经济性的标志。目前,各国都以每平方米桥面的三材(混凝土、预应力钢筋、普通钢筋用量与每平方米桥面造价来表示预应力混凝土桥梁的技术经济指针。但是,桥梁的技术经济指针的研究与分析是一项非常复杂的工作,三材指标和造价指标与很多因素有关,例如:桥址、水文地质、能源供给、材料供应、运输、通航、规划、建筑等地点条件;施工现代化、制品

13、工业化、劳动力和材料价格、机械工业基础等全国基建条件。同时,一座桥的设计方案完成后,造价指针不能仅仅反应了投资额的大小,而是还应该包括整个使用期限内的养护、维修等运营费用在内。通过连续梁、T型刚构、连续刚构等箱形截面上部结构的比较可见:连续刚构体系的技术经济指针较高。因此,从这个角度来看,连续刚构也是未来连续体系的发展方向。总而言之,一座桥的设计包含许多考虑因素,在具体设计中,要求设计人员综合各种因素,作分析、判断,得出可行的最佳方案。本次设计为(105+130+105m预应力混凝土连续梁,桥宽为19m,分为两幅,设计时只考虑单幅的设计。梁体采用单箱单室箱型截面,全梁共分340个单元,单元长度

14、均为1m。由于多跨连续梁桥的受力特点,支点附近承受较大的负弯矩,而跨中则承受正弯矩,则梁高采用变高度梁,按二次抛物线变化。这样不仅使梁体自重得以减轻,还增加了桥梁的美观效果。由于预应力混凝土连续梁桥为超静定结构,手算工作量比较大,且准确性难以保证,所以采用Midas设计软件进行,这样不仅提高了效率,而且准确度也得以提高。1.2技术标准1、设计桥梁的桥位地型及地质图一份。2、设计荷载:公路级3、桥面宽度:2×7.5m+2×2.0m人行道4、通航要求:级5、纵坡:2% 横坡:1.5%1.3地质状况该处地质条件较好,地面上部为粘土,往下为圆砾,再往下为石灰岩。 1.4采用材料混凝

15、土:主梁采用C55混凝土,桥台桥墩采用C40。混凝土桥面铺装材料:C50混凝土。预应力钢筋:1860级钢绞线非预应力钢筋:HRB335,R235;锚具:OVM锚具。1.5设计依据JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D63-2007 公路桥涵地基与基础设计规范第二章方案比选2.1构思宗旨(1符合城市发展规划,满足交通功能需要。(2桥梁结构造型简洁,轻巧,反映新科技成就,体现人民智慧。(3设计方案力求结构新颖,保证结构受力合理,技术可靠,施工方便。(4与高速公路的等级和周边环境相宜。(5学习变截面梁桥的设计过程。2

16、.2比选标准及设计原则在我国,安全、经济、适用、美观、环保是桥梁设计中的主要考虑因素,同时也是桥梁设计基本原则。其中以安全最为重要。具体设计原则如下:1、安全性。桥梁的设计要能满足施工及运营阶段的受力需要,能够保证其耐久性和稳定性以及在特定地区的抗震需求。2、适用性。桥梁必须实用,要有足够的承载力。能保证行车的畅通、舒适和安全。既满足当前的需要,又要考虑今后的发展。要能满足交通运输本身的需要,也要考虑到支援农业等等。3、经济性。在社会主义市场经济体制的今天,经济性是不得不考虑的重要因素。在能够满足桥两个方面需求的情况下要尽量考虑是否经济,是否以最少的投入获得最好的效果。4、美观性。在桥梁设计中

17、应尽量考虑桥梁的美观性。桥梁的外形要优美,要与周围环境相适应,合理的轮廓是美观的主要因素。5、环保性。随着经济的发展,生活水平的不断提高,人们对环境保护提出了更高的要求,在建筑领域,一个工程的建设不能以牺牲环境作代价,在保证顺利工的前提下要尽量避免对环境的破坏以实现经济的可持续发展。2.3设计方案2.3.1设计方案一三跨变截面预应力混凝土连续梁桥(1孔径布置:105m+130m+105m,全长340m,宽19m。箱梁根部梁高7m,跨中梁高3m。由桥面设有1.5%的横坡,2%的纵坡,其中中间标高高于两侧标高。(2主梁结构构造:上部结构为变截面箱梁。采用双幅分离的的单箱单室形式。主要采用高强混凝土

18、以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化。(3下部结构:桥墩基础是连成整体的,全桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩,桥墩为缘端型实体墩。(4施工方法:全桥主体采用悬臂节段浇筑施工法,边跨使用满堂支架整体现浇法。(5总体布置如图2-1所示,横断面如图2-1所示。 图2-1 三跨预应力连续梁桥总体布置图(尺寸cm 图2-2三跨预应力连续梁桥横断面图(尺寸cm2.3.2设计方案二五跨变截面预应力混凝土连续梁桥(1孔径布置:55m+70m+90m+70m+55m,全长340m,宽19m.桥面设有1.5%的横坡,2%的纵坡,其中间标高高于外侧标高。(2主梁结构构造:上部结构为变截面箱梁。采用双幅分离的单箱单室形式

19、。主要采用高强混凝土以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化。(3下部构造:全桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩,桥墩为圆端形实体墩。(4施工方案:全桥采用悬臂节段浇筑施工法,边跨使用满堂支架整体现浇法。(5总体布置如图2-3所示,横断面如图2-4所示。 图2-3五跨预应力连续梁桥总体布置图(尺寸cm 图2-4五跨预应力连续梁桥横断面图(尺寸cm2.3.3设计方案三上承式拱桥(1孔径布置:跨径95m+150m+95m,全长340m。桥面设有1.5%的横坡,护栏采用金属制桥梁护栏。(2结构构造:主桥采用劲性骨架钢筋混凝土拱桥,主跨340m,拱圈高28m,矢跨比为1/6,主梁采用单箱单室。拱肋截面形式采用三

20、角形格构型形式,这种形式纵向刚度大,横向刚度也大。钢管采用16Mn钢,即可采用成品无缝钢管,也可由钢板卷制加工而成。横撑钢管采用D60*12mm与D80*12mm钢管。(3主梁施工:主梁采用加劲骨架下的挂篮现浇施工。(4下部构造:全桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩。(5施工方案:岸跨及边跨采用有支架施工,主拱圈建成后,进行进行骨架下吊篮现浇施工。(6总体布置如图2-5所示,横断面如图2-6所示。 图2-5 上承式拱桥总体布置图(尺寸cm 附注:1.本图中尺寸均以厘米计。2.本图中单箱单室纵梁在支柱处或与支柱 等间距的实腹梁处设置横隔板(横梁,厚度为30cm。3.表示80mm厚C50混凝土垫层。表示防

21、水层。表示100mm厚C50混凝土铺装层。车道车道车道车道16500立面图1:1000平面图1:200横断面图1:200图2-6 上承式拱桥横断面图(尺寸cm 2.4方案比选 (1根据设计构思宗旨,桥型方案应满足结构新颖、受力合理、技术可靠、施工方便、造价合理的原则。以上三种方案基本都满足着一要求。 (2方案一与方案二都属于预应力混凝土梁桥,与方案三的拱桥相比,他们具有很多梁桥所有的优点:.预应力混凝土结构,由于能够充分利用高强度材料(高强度混凝土、高强度钢筋,所以构件截面小,自重弯矩占总弯矩的比例大大下降,桥梁的跨越能力得到提高。 .与钢筋混凝土梁桥相比,一般可以节省钢材3040%,跨径愈大

22、,节省愈多。 .全预应力混凝土梁在使用荷载下不出现裂缝,即使部分预应力混凝土梁在常遇荷载下也无裂缝,鉴于全截面参加工作,梁的刚度就比通常开裂的钢筋混凝土梁要大。因此,预应力梁可显著减少建筑高度,使大跨径桥梁做得轻柔美观。由于能消除裂缝,这就扩大了对多种桥型的适应性,并提高了结构的耐久性。. 预应力技术的采用,不但使钢桥采用的一些施工方法,如:悬臂拼装、顶推法(由钢桥的纵向拖拉施工方法演化而成和旋转施工法在预应力混凝土梁桥中得到新的发展与应用,而且为现代预制装配式结构提供了最有效的接合和拼装手段。根据需要可在结构纵、横和竖向任意分段,施加预应力,即可集成理想的整体。此外还发展了逐段或逐孔现浇施工

23、方法。这种分段现浇或分段预制拼装的施工方法,国外统称为节段施工法,用这种施工方法建成的预应力混凝土桥梁统称为预应力混凝土节段式桥梁。(3方案一与方案二相比,一个是三跨预应力混凝土连续梁桥,一个是五跨预应力混凝土连续梁桥。在造价方面,三跨预应力混凝土连续梁桥下部结构造价明显低于五跨预应力混凝土连续梁桥,而且下部结构施工方案一由于方案二。2.5方案确定综上所述,根据安全、经济、适用、美观、环保的设计原则,最终选定三跨变截面预应力混凝土连续梁桥为本次设计的推荐方案。第三章三跨预应力混凝土连续梁桥总体布置3.1桥型布置本设计推荐方案采用三跨预应力混凝土变截面连续梁结构,桥全长340m。3.1.1孔径布

24、置连续梁跨径布置一般以采用不等跨形式。以三跨连续梁为例,若为三孔等跨连续梁,其中孔跨中活载正弯矩与活载负弯矩的绝对值之和(即弯矩变化峰值与同跨简支梁弯矩相同。如果减小边跨长度,则边跨和中跨的跨中弯矩都将减小。一般边跨长度可取为中跨长度的(0.50.8倍,这样可使中跨跨中弯矩不致产生异号弯矩。由于某些因素的影响,连续梁的分跨问题不能够按最理想的跨长来选择,以致有些跨度过长,有些跨度过短,这时可根据不同情况灵活处理。例如,对于城市桥梁或跨线桥,有时为了增大中跨跨径,使边跨跨长与中跨跨长之比小于或等于0.3,此时边跨端支点上将出现较大的负应力,为此就要设计专门的能抵抗拉力的支座,或者在跨端部分设置巨

25、大的平衡重来消除负应力。从结构受力性能分析,等跨连续梁要比不等跨的连续梁差一些。但在某些条件下,特别由于施工工艺要求,也需要采用等跨布置,例如,当桥梁总长度很大,设计者决定采用顶推或先简支后连续梁施工方法时,则等跨结构受力性能较差所带来的欠缺完全可以从施工经济效益的提高而得到补偿。所以跨湖、过海湾的长桥多采用等跨连续梁的布置。本设计推荐方案根据任务书要求以及桥址地形、地质与水文条件,通航要求等确定为105m+130m+105m的形式。3.2桥梁截面形式(1桥梁立面如图2-1所示。从预应力混凝土连续梁桥的受力特点来分析,连续梁的立面应采取变高度的布置为宜。连续梁在恒、活载作用下,支点截面的负弯矩

26、往往大于跨中正弯矩,因此采用变高度梁能较好的符合梁的内力分布规律。同时,采用悬臂法施工的连续梁,变高度梁又与施工时的内力状况相吻合。另外,变高度梁使梁体外形和谐,节省材料并增大桥下净空。所以从已建桥梁统计资料分析,跨径大于100m的预应力混凝土连续梁桥有90%以上是选用变高度梁。再者在恒、活载作用下,支点截面将出现较大的负弯矩,从绝对值来看,支点截面的负弯矩往往大于跨中截面的正弯矩,因此,采用变高度梁能较好地符合梁的内力分布规律,另外,变高度梁使梁体外形和谐,节省材料并增大桥下净空。变高度与等高度相比较,等高度梁的缺点是:在支点上不能利用增加梁高而只能增加预应力束筋用量来抵抗较大的负弯矩,材料

27、用量多。综上所述,推荐方案采用的是变截面预应力连续梁桥,其中箱梁根部梁高7m,跨中梁高3m。梁截面采用二次抛物线形,二次抛物线的变化规律与连续梁的弯矩变化规律基本相近。(2桥梁横截面如图2-2所示。梁式桥横截面的设计主要是确定横截面布置形式,包括主梁截面形式、主梁间距、主梁各部尺寸;它与梁式桥体系在立面上布置、建筑高度、施工方法、美观要求以及经济用料等等因素都有关系。在目前已建成的大跨径预应力混凝土梁桥中,当梁桥的跨径继续增大超过60m后,箱形截面是最适宜的横截面型式。箱型截面还有如下优点:这种闭合薄壁截面抗扭刚度很大,对于采用悬臂施工的桥梁尤为有利。同时,因其顶板和底板都有较大的面积,所以能

28、有效的抵抗正、负弯矩,并满足配筋要求。箱形截面亦具有良好的动力特性。常见的箱形截面形式有:单箱单室、单箱双室、双箱单室、单箱多室、双箱多室等等。从对箱形截面的受力状态分析表明,单箱单室截面受力明确,施工方便,节省材料用量。一般常用在桥宽14m左右的范围。综上所述,根据任务书设计要求本推荐桥型方案横截面采用的是单箱单室的箱型截面。如上图:顶板厚度取45cm;跨中处底板厚40cm,支点处底板厚为90cm,中间底板板厚成二次抛物线性变化;跨中处腹板厚度采用50cm,支点处腹板采用105cm,中间腹板厚度采用二次抛物线性变化。(3梁高的选取连续梁在支点和跨中的梁估算值: 根据以上估算值,本推荐方案取得

29、支点处梁高为7m,跨中梁高为3m。3.2.1桥梁细部尺寸的选取(1顶板与底板箱形截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位。除承受竖向荷载外,还承受轴向拉、压荷载。竖向荷载是指自重、桥面活载和施工荷载。轴向荷载是指桥跨方向上,恒、活载转换过来的轴向力以及纵向和横向的预应力荷载。因此,顶板、底板除按板的构造要求决定厚度之外,还要按桥跨方向上总弯矩决定其厚度。箱梁根部底板厚度箱梁底板厚度随箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚至墩顶,以适应受压要求。底板除须符合使用阶段的受压要求外,在破坏阶段还宜使中和轴保持在底板以内,并有适当的富裕。一般约为墩顶梁高的1/101/12。箱梁跨中底板厚度一般按构造选定,

30、若不配预应力筋,厚度可取1518cm,当跨度较大,跨中正弯矩较大,需要配置一定数量的钢束或钢筋时,厚度可取2025cm。当设有横向预应力筋时,顶板厚度须足够布置预应力筋的套管并留有混凝土的注入间隙。在结构设计时,尽可能用长悬臂或利用横向坡度和弯折预应力筋以调整板中横向弯矩。本推荐设计方案底板由支点处以二次抛物线的形式向跨中变化。底板在支点处厚90cm,在跨中厚40cm.顶板厚45cm。(2腹板腹板的功能是承受截面的剪应力和主拉应力。在预应力梁中,因为弯束对外剪力的抵消作用,所以剪应力和主拉应力的值比较小,腹板不必设得太大;同时,腹板的最小厚度应考虑力筋的布置和混凝土浇筑要求,其设计经验为:(1

31、腹板内无预应力筋时,采用200mm。(2腹板内有预应力筋管道时,采用250300mm。(3腹板内有锚头时,采用250300mm。大跨度预应力混凝土箱梁桥,腹板厚度可从跨中逐步向支点加宽,以承受支点处较大的剪力,一般采用300600mm,甚至可达到1m左右。本推荐设计方案支座处腹板厚取105cm.,跨中腹板厚取50cm。中间腹板厚度采用二次抛物线性变化。3.2.2桥面铺装桥面铺装:根据公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004中3.6条规定,桥面铺装一般选用0cm7.5cm厚的防水混凝土(重度为25kN/m3作为调平层,上加6cmAC-20中粒式沥青混凝土(重度为24kN/m3,其上再加5c

32、mAC-13A型沥青混凝土抗滑表层(重度为24kN/m3。因此本方案选用8cm厚的防水混凝土作为铺装层,上加8cm厚的混凝土作为垫层。桥面横坡:根据规范规定为1.5%3.0%, 按照设计要求取1.5%,该坡度由混凝土垫层控制。桥面纵坡:根据规范规定为1.5%3.0%, 按照设计要求取2.0%,该坡度由混凝土垫层控制。3.2.3横隔梁横隔梁可以增强桥梁的整体性和良好的横向分布,同时还可以限制畸变;支承处的横隔梁还起着承担和分布支承反力的作用。由于箱形截面的抗扭刚度很大,一般可以比其它截面的桥梁少设置横隔梁,甚至不设置中间横隔梁而只在支座处设置支承横隔梁。由于中间横隔梁的尺寸及对内力的影响较小,在

33、内力计算中也可不作考虑。本设计为了偏安全起见,本设计在支点处设置横隔梁,横隔板共设2道,两支点各一道,厚度支点取50cm,板上留有人孔,尺寸为200cm×200cm。3.3桥梁下部结构全桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩,桥墩为缘端型实体墩。具体尺寸详图见CAD图纸中图05和图06。3.4本桥使用材料(1使用混凝土箱梁采用55号混凝土,墩身采用40号混凝土,承台、盖梁、耳背墙、防撞护栏、采用40号混凝土。(2使用钢材纵向预应力采用1860级钢绞线,标准强度为1860Mpa,直径为15.24mm,面积139mm2,弹性模量为1.9×105 Mpa,锚具采用OVM15-27。带肋钢筋应

34、符合钢筋混凝土用热轧带肋钢筋GB1499-91的规定、光圆钢筋应符合钢筋混凝土用热轧光圆钢筋GB1499-91的规定。非预应力钢筋:直径12mm的用级螺纹钢筋,直径<12mm 的用级光圆钢筋。(3伸缩缝伸缩缝采用HXC-80A定型产品。(4桥梁支座使用单向活动和双向活动盆式支座。第四章内力计算4.1全桥结构单元的划分4.1.1 划分单元原则划分单元应考虑梁的跨径、截面变化、施工方法、预应力布置等因素,单元分的越细计算的内力就越精确,一般遵从以下原则:1.构件的起点和终点以及变截面处;2.不同构件的交点或同一构件的折点处;3.施工分界线处;4.边界或支承处;5.所关心截面处.本方案为了设计

35、简单采用1m一个单元。4.1.2桥梁具体单元划分 图4-1梁体单元模型4.2全桥施工节段划分4.2.1桥梁划分施工分段原则有利于结构的整体性,尽量利用伸缩缝或沉降缝、在平面上有变化处以及留茬而不影响质量处。分段应尽量使各段工程量大致相等,以便于施工组织节奏流畅,使施工均衡。施工段数应与主要施工过程相协调,以主导施工为主形成工艺组合。工艺组合数应等于或小于施工段数。分段的大小要与劳动组织相适当,有足够的工作面。4.2.2施工段划分全桥分段为340个单元,对应341个节点。全桥整体采用悬臂节段浇筑施工法,两端桥台附近单元处使用整体现浇法。具体施工段的划分见下表4-1:表4-1施工段的划分 根据梁跨

36、结构纵断面的布置,并通过对移动荷载作用最不利位置,确定控制截面的内力,然后进行内力组合,画出内力包络图。 4.3.1恒载内力计算(1恒载内力主要为一期恒载内力和二期恒载内力。其中一期恒载(结构自重通过Midas 软件按截面尺寸自动计入,得到的弯矩剪力如图4-1、4-2所示。 图4-1 一期恒载效应弯矩图 图4-2 一期恒载效应剪力图一期恒载作用下主梁主要控制截面内力见表4-2。表4-2 一期恒载作用下主梁主要控制截面内力 (2二期恒载主要包括桥面铺装层,防撞栏杆的重量。其中二期荷载集度取2.8KN/m 。通过Midas 软件自动输入计算,得到的弯矩剪力如图4-3、4-4所示。 图4-3 二期恒

37、载效应弯矩图 图4-4 二期恒载效应剪力图二期恒载作用下主梁主要控制截面内力见表4-3。表4-3 二期恒载作用下主梁主要控制截面内力 4.3.2基础沉降引起的内力计算由于各个支座处的竖向支座反力和地质条件的不同引起支座的不均匀沉降,连续体系是一种对支座不均匀沉降特别敏感的结构,所以由它引起的内力是构成内力的重要组成部分.按矩阵位移法求解支座沉降次内力。在桥梁设计中,支座沉降工况的选取是应慎重考虑的问题。一般应综合考虑桥址处的地质、水文等情况,根据已建桥梁的设计经验来定。有时需选取几种沉降工况计算,这样就存在一个工况组合的问题。程序一般对每一个截面挑最不利的工况内力值作为沉降次内力。具体计算方法

38、:三跨连续梁的四个支点中的每个支点分别下沉4cm ,其余的支点不动,所得到的内力进行叠加,取最不利的内力范围。弯矩、剪力如图4-5,4-6所示。 图4-5 基础沉降效应弯矩包络图 图4-6 基础沉降效应剪力包络图基础沉降效应下主梁主要控制截面内力见表4-4。表4-4基础沉降效应下主梁主要控制截面内力 4.4主梁活载内力计算4.4.1 影响线的计算将单位荷载P=1作用在各桥面的节点上,求得结构的变形及内力,可得位移影响线和内力影响线。4.4.2 活载因子的计算 1冲击系数桥梁结构的基频反映了结构的尺寸、类型、建筑材料等动力特性内容,它直接反映了冲击系数与桥梁结构之间的关系。不管桥梁的建筑材料、结

39、构类型是否有差别,也不管结构尺寸与跨径是否有差别,只要桥梁结构的基频相同,在同样条件的汽车荷载下,就能得到基本相同的冲击系数。桥梁的自振频率(基频宜采用有限元方法计算,对于连续梁结构,当无更精确方法计算时,也可采用下列公式估算:c cm EI l 22616.13=1f ccm EI l 22651.23=2f 式中:l 结构的计算跨径(m ;E 结构材料的弹性模量(N/2m ; Ic 结构跨中截面的截面惯矩(4m ; c m 结构跨中处的单位长度质量(kg/m ;G结构跨中处延米结构重力(N/m;g重力加速度,g=9.81(m/2s计算连续梁的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应时,采用f;计算

40、连续梁的冲击力1引起的负弯矩效应时,采用f。2值可按下式计算:当<1.5Hz时,=0.05当1.5Hz14Hz时,=0.1767ln0.0157当>14Hz时,=0.452车道折减系数Msdis程序在加载车道之后会自动考虑4.4.3 汽车荷载汽车荷载是由车道荷载和车辆荷载组成的。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。公路I级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5KN/m,集中荷载标准值为Pk=360KN。公路二级车道荷载在公路一级的基础上乘以系数0.75,车道荷载的均布荷载应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上,集中荷载标准值只作用于相应影响线中最大影响线峰值处。验算荷载的影响间

41、接反映在汽车荷载中。4.4.4 横向分布系数的考虑荷载横向分布是指作用在桥上的车辆荷载如何在各主梁之间进行分配,或者说各主梁如何分担车辆荷载。因为截面采用单箱单室时,可直接按平面杆系结构进行活载内力计算,无须计算横向分布系数,所以全桥采用同一个横向分配系数。4.4.5 汽车荷载作用下的内力计算利用有限元软件计算得到在活载作用下的内力包络图见图4-7,4-8所示。 图4-7弯矩包络图 图4-8 剪力包络图主梁在汽车荷载作用下主梁主要控制截面的弯矩和剪力数值见表4-6。表4-6 汽车荷载作用下主梁主要控制截面的弯矩、剪力值 4.4.6 温度内力计算桥梁设计中通常温度分沿梁高线性变化和非线性变化,在

42、线性温差变化情况下,梁式结构将产生挠曲变形,且梁再变形后仍然服从平截面假定,在连续梁结构中,它不但引起结构的位移,且由于多余约束的影响,从而产生结构温度次内力。在成桥阶段,考虑桥梁在温度荷载作用下产生的内力。本设计中竖向日照正温差取T1=12,T2=5.5,利用Midas 计算得到的结构单元内力图如图4-9、4-10所示。 图4-9 温度效应弯矩图 图4-10 温度效应剪力图温度效应下主梁主要控制截面内力见表4-7。表4-7 温度效应下主梁主要控制截面内力 4.5 内力组合根据我国现行公路桥涵设计规范,应进行正常使用极限状态的内力组合和承载能力极限状态的内力组合。4.5.1 正常使用极限状态下

43、的内力组合按正常使用极限状态设计时,应根据不同的设计要求,采用以下两种效应组合: (1作用短期效应组合永久作用标准值与可变作用频遇值效应相组合,其效应表达式为:111mnsd Gik j Qjk i j S S S =+式中 sd S 作用短期效应组合设计值;1j 第j 个可变作用效应的频遇值系数,汽车荷载(不计冲击力1=0.7,人群荷载1=1.0,风荷载1=0.75,温度梯度作用1=0.8,其他作用1=1.0;1j Qjk S 第j 个可变作用效应的频遇值。(2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组合,其效应组合表达式为:211mnld Gik j Qjk i j S

44、S S =+式中 ld S 作用长期效应组合设计值;第j 个可变作用效应的准永久值系数,汽车荷载(不计冲击力=0.4,人群荷载=0.4,风荷载=0.75,温度梯度作用=0.8,其他作用=1.0;Gik S第j 个可变作用效应的准永久值。 正常使用极限状态下结构内力如图4-11,4-12所示。 图4-11 弯矩包络图 图4-12 剪力包络图正常使用极限状态短期效应主梁内力见表4-8所示。 4.5.2 承载能力极限状态下的内力组合 (1基本组合基本组合是永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合,其效应组合表达式为:001112(mnud Gi Gik Q Q k c Qj Qjk i j S

45、 S S S =+或 00112(mnud Gid Q d c Qjd i j S S S S =+式中 ud S 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值;0结构重要性系数,按公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004表1.0.9规定的结构设计安全等级采用,对应于设计安全等级一级、二级和三级分别取1.1、1.0和0.9;Gi 第i 个永久作用效应的分项系数,应按公路桥涵设计通用规范JTGD60-2004表4.1.6的规定采用;Gik S 、Gid S第i 个永久作用效应的标准值和设计值;1Q 汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力的分项系数,取1Q =1.4。当某个可变作用在效应组合中

46、其值超过汽车荷载效应时,则该作用取代汽车荷载,其分项系数应采用汽车荷载的分项系数;对专为承受某作用而设置的结构或装置,设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值;计算人行道板和人行道栏杆的局部荷载,其分项系数也与汽车荷载取同值;1Q kS 、1Q d S 汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力的标准值和设计值;Qj 在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力、风荷载外的其他第j 个可变作用效应的分项系数,取Qj =1.4,但风荷载的分项系数取Qj =1.1;Qjk S 、Qjd S 在作用效应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力外的其他第j 个可变作用效应的标准值和设计值;c 在作用效

47、应组合中除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力外的其他可变作用效应的组合系数,当永久作用与汽车荷载和人群荷载(或其他一种可变作用组合时,人群荷载(或其他一种可变作用的组合系数取c =0.80;当除汽车荷载效应(含汽车冲击力、离心力外尚有两种其他可变作用参与组合时,其组合系数取c =0.70;尚有三种可变作用参与组合时,其组合系数取c =0.60;尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时,取c =0.50。、(2偶然组合永久作用标准值效应与可变作用某中代表值效应,一种偶然作用的效应分项系数取1.0;与偶然作用同时出现的可变作用,可根据观测资料和工程经验取适当的代表值。承载内力极限状态下结构内力如图4

48、-11,4-12所示。 图4-11 弯矩包络图 图4-12 剪力包络图承载能力极限状态下主梁单元内力见表4-8。 第五章 预应力钢束的估算与布置5.1钢束估算根据预规(JTG D62-2004规定,预应力梁应满足弹性阶段(即使用阶段的应力要求和塑性阶段(即承载能力极限状态的正截面强度要求。 5.1.1按承载能力极限计算时满足正截面强度要求:预应力梁到达受弯的极限状态时,受压区混凝土应力达到混凝土抗压设计强度,受拉区钢筋达到抗拉设计强度。截面的安全性是通过截面抗弯安全系数来保证的。(1对于仅承受一个方向的弯矩的单筋截面梁,所需预应力筋数量按下式计算,如下图: =0N , pd p cdf nA

49、bx f N = =PM M , 2/(0x h bx f Mcd P-=解上两式得:受压区高度 bf M h h x cd P2200-= 预应力筋数 2/(0x h f A M n pd p P-=或 -=b f M h h f A bf n cd p pdP cd2200 式中 P M 截面上组合力矩。cd f 混凝土抗压设计强度;pd f 预应力筋抗拉设计强度; p A 单根预应力筋束截面积;(2若截面承受双向弯矩时,需配双筋的,可据截面上正、负弯矩按上述方法分别计算上、下缘所需预应力筋数量。这忽略实际上存在的双筋影响时(受拉区和受压区都有预应力筋会使计算结果偏大,作为力筋数量的估算是

50、允许的。(3设计中纵向预应力采用1860级钢绞线,一束27根,标准强度为1860Mpa,直径为15.24mm,弹性模量为1.9×105 Mpa,锚具采用OVM15-27。下表5-1为利用excel计算得到的各单元配筋情况。表5-1 承载能力极限状态单元截面配筋数量 5.1.2按正常使用极限状态的应力要求计算规范(JTJ D62-2004规定,截面上的预压应力应大于荷载引起的拉应力,预压应力与荷载引起的压应力之和应小于混凝土的允许压应力(为ck f 5.0,或为在任意阶段,全截面承压,截面上不出现拉应力,同时截面上最大压应力小于允许压应力。写成计算式为:对于截面上缘 0min+上上W

51、M p (1 ck p f W M5.0max +上上 (2对于截面下缘 0m a x -下下W Mp (3ck p f W M 5.0min-下下 (4 其中,p 由预应力产生的应力,W 截面抗弯模量,ck f 混凝土轴心抗压标准强度。M max 、M min 项的符号当为正弯矩时取正值,当为负弯矩时取负值,且按代数值取大小。一般情况下,由于梁截面较高,受压区面积较大,上缘和下缘的压应力不是控制因素,为简便计,可只考虑上缘和下缘的拉应力的这个限制条件(求得预应力筋束数的最小值。公式(1变为 上上W Mp m i n - (5公式(3变为 下下W Mp m a x (6由预应力钢束产生的截面上

52、缘应力上p 和截面下缘应力下p 分为三种情况讨论: 截面上下缘均配有力筋N p 上和N p 下以抵抗正负弯矩,由力筋N p 上和N p 下在截面上下缘产生的压应力分别为:上上下下下上上上上p p p p p W e N A N W e N A N =-+(7下下下下下下上上上p p p p p W e N AN W e N AN =+-(8将式(5、(6分别代入式(7、(8,解联立方程后得到(min 下上下上下上下下上e e K K e K M K e M N maz p +-= (9 (min 下上下上上上下下下e e K K e K M K e M N maz p +-+= (10令 pe

53、 p p A n N 上上= pe p p A n N 下下= 代入式(9、(10中得到pep A e e K K e K M K e M n 1(min max +-下上下上下上下下上 (11 pe p A e e K K e K M e K M n 1(min max +-+下上下上上上上下下 (12 式中 A p 每束预应力筋的面积;pe 预应力筋的永存应力(可取0.50.75pd f 估算;e 预应力力筋重心离开截面重心的距离; K 截面的核心距;A 混凝土截面面积,取有效截面计算。A WK 上下= A W K 下上=当截面只在下缘布置力筋N p 下以抵抗正弯矩时 当由上缘不出现拉应力

54、控制时: pep A K e M n 1min -下下下 (13 当由下缘不出现拉应力控制时: pep A K e M n 1max +上下下 (14 当截面中只在上缘布置力筋N 上 以抵抗负弯矩时:当由上缘不出现拉应力控制时pe p A K e M n 1min +-下上上 (15 当由下缘不出现拉应力控制时pep A K e M n 1max +-下上上 (16 当按上缘和下缘的压应力的限制条件计算时(求得预应力筋束数的最大值。可由前面的式推导得:pep cd A f e e K K e W W e K M K e M n +-+-(min max 下上下上下下上下下上下上 (17pep

55、cd A f e e K K e W W e K M e K M n +-+(max min 下上下上上下上下上上下下 (18有时需调整束数,当截面承受负弯矩时,如果截面下部多配'下n 根束,则上部束也要相应增配'上n 根,才能使上缘不出现拉应力,同理,当截面承受正弯矩时,如果截面上部多配'上n 根束,则下部束也要相应增配'下n 根。其关系为: 当承受min M 时, ''下上下下下上n e k K e n +-=当承受max M 时, ''上下上上上下n e k K e n +-=5.1.3通过软件估算实际配筋数量预应力混凝土截面配筋,是根据前两种极限状态的组合结果分别按照相应的钢筋估算公式,估算结果为截面上缘配筋和下缘配筋,此为最小配筋,此时与真实受力状态的差异由以下四方面引起:(1未考虑预加力的作用;(2未考虑预加力对徐变、收缩的影响;(3未考虑钢束孔道的影响;(4各钢束的预应力损失值只能根据经验事先拟定;因此,结合以上两种状态下的配筋,通过在Midas软件估算调整,最终的截面配筋情况参见表5-2。表5-2 实际各单元配筋数量 5.2预应力钢束布置