附件小偏心压柱式张拉台设计与验算

附件17小偏心压柱式张拉台设计与验算附件17工程概况：高唐至邢台公路高唐至临清段工程第一合同段共有先张法预应力空心预制板646片，其中10m板226片（板高50cm），13m板264片（板高60cm），16m板84片（板高75cm），20m板72片（板高90cm）。设计资料2.1设计依据：《高唐至邢台公路高唐至临清段两阶段施工图设计》图纸；《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）2.2根据设计图纸“第六册第一分册”第1页设计说明可知：钢绞线公称直径15.2mm，公称面积140mm2，标准强度锚下张拉控制应力2.3根据设计图纸可知各种长度预制板中以20m预制板边板所用的钢绞线根数最多，为16根，为此20m边板作为张拉台座的验算荷载。即2.4张拉台材料选用C30混凝土、纵向钢筋选用II级钢筋。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）中表3.1.4和表3.2.3-1分别查得C25混凝土强度设计值，普通II级钢筋抗拉、抗压强度设计值为台座设计3.1台座结构形式的选择张拉台座可分为：墩式、槽式、构架式、换埋式等，本设计选择槽式台座进行设计，其优点为传力性能好、稳定性好、其形式有利于模板安装及混凝土浇筑施工、造价相对较低、易于拆除复耕等。根据预制板生产周期的需要，张拉台设共2座，每座张拉台为3槽。两座张拉台间距3米，并进行硬化以作为相关施工机具和材料运输的通道。3.2台座长度的拟定（见图1）本工程以10m、13m的梁板居多约占总量的75%，因此台座的长度以13m板为参考进行计算，按每槽一次生产6片，每片板间预留1m施工空间，台座两端张拉、锚固各留5m施工空间，则台座总长L=5+13*6+1*5+5=93m，台座两端设置2m张拉工作区。3.3传力柱及底板结构尺寸3.3.1根据设计图纸“第六册第一分册”第8~27页可知：中板（20m）最大宽度为99.5cm，边板（10m）的最大宽度为144.5cm。以边板的最大宽度做为传力柱间距的计算参考，考虑装摸施工作业要求每侧再增加25cm的作业空间，则净距=25+144.5+25=194.5cm，取整后拟定传力柱间净距B=2m。3.3.2传力柱采用矩形截面（见图2），拟定尺寸为宽0.5米，高0.8米，埋于地下0.4米，外漏0.4米。3.3.3传力柱间设10cm厚底板，用与传力柱相同标号的混凝土浇筑，底板形心与传力柱形心对齐，底板上设2cm厚水磨石作为底模。3.3.4根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）表9.1.1，钢筋保护层厚度取4cm。图2台座设计断面图图2台座设计断面图图3空心板断面图图1台座设计断面图图3空心板断面图图1台座设计断面图3.4传力柱受力计算（见图4）3.4.1因传力柱的刚度比地基要大，因此按传力柱独立抗压、抗弯的情况来图4截面受力图进行传力柱受力计算。图4截面受力图3.4.2根据上面拟定的传力柱尺寸及梁板钢绞线位置可计算出偏心距=形心以上台面+底模+钢绞线形心至底模=5cm+2cm+4.5cm=11.5cm3.4.3由第3.4.2条≠0可知传力柱属于偏心受压构件，根据经验公式，初步判定为小偏心受压（由于地基的约束作用，柱的挠度将很小，因此不考虑偏心距增大系数）。由纵向外力之和为零得：（1）式中：—受拉钢筋截面积—受压钢筋截面积—截面宽度—受压区高度—钢筋应力，正值表示拉应力，负值表示压应力由截面上所有力对合力点力矩为零得：（2）式中：—轴向受力点至截面受拉钢筋合力点距离—轴向力对截面重心轴的偏心距—截面受压较大边缘至受拉边纵向钢筋合力点的距离、—钢筋保护层厚度3.4.4因为和均为未知，所以必须补充条件，对于小偏心受压受拉区钢筋得到屈服强度的可能性很小，所以暂以取最小配筋率0.2%计算，则（3）3.4.5小偏心受压构件纵向钢筋的应力的按下式计算：（4）式中：—截面受压区高度—钢筋的弹性模量—截面受压区矩形应力图高度与实际受压区高度的比值，当混凝土强度等级为C50及以下时，=0.8—混凝土的极限压应变，混凝土强度等级为C50及以下时，=0.0033、—同前3.4.6由式（1）、式（2）、式（3）和式（4），可得到以混凝土受压区高度为未知数的方程：（5）其中：3.4.7根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）表5.2.1，查得C50以下混凝土、II级钢筋混凝土构件的相对界限受压区高度=0.56。3.4.8根据以上参数及计算公式先求出受压区高度，然后将带入式（1）求得，整个过程列表计算如下（其中式（5）的一元三次方程利用Excel的单变量求解功能求出）：传力柱偏心受压受力计算表3.4.9通过以上计算，，可确定为小偏心受压构件，因此第3.3.2条所拟定的截面尺寸：较合理。受拉钢筋满足要求。3.5配筋设计（见图5）根据上面计算可知受拉区钢筋截面积=800mm2，选取3根φ20的II级钢筋，截面积为942mm2。受压区钢筋截面积=119mm2，选取3根φ12的II级钢筋，截面积为339mm2。为满足构造要求，每30cm设I级φ8箍筋一道，在传力柱两端4m范围内间距加密为15cm。传力柱端头位置受压区范围内预埋12mm钢板以使其受力均匀。图5传力柱及底板配筋断面图为加强台座的整体性，在每道箍筋处设置φ8横向构造钢筋，同时作为台面板受力钢筋。图5传力柱及底板配筋断面图3.6稳定性验算3.6.1虽然传力柱有93米长，但由于传力柱埋于地下40cm，延传力柱断面在水平方向上均受到了地基的约束，且传力柱与底板用钢筋混凝土连接，从而使所有传力柱和底板形成一个整体共同受力，因此传力柱水平方向的稳定性不需进行验算。图6纵向受力简图3.6.2在竖直方向台座的最不利状态为，在偏心张拉压力的作用下，产生倾覆力矩，因此需进行验算。取台座中心位置验算，可将其看作固定端（见图6）。图6纵向受力简图混凝土传力柱每延米重力g=0.5m×0.8m×1m×2450kg/m3×9.8N=9604N由此可得自重力矩M重=g×L/2×L/4=（9604N/m×93m/2）×93m/4=10383125N.m=10383KN.m张拉力产生的倾覆力矩M张=Nj×e0=3124.8KN×0.115m=359KN.m因为M重>M张所以传力柱的自重足以保证其抗倾覆稳定性。4、端横梁设计4.1端横梁为受弯及局部受压构件（千斤顶作用部位）构件，由于钢结构具有制作快、自重小而不易倾覆、可循环再用等优点，对于公路临时设施是非常有力的，故此端横梁采用型钢材料来制作。图7端横梁断面布置图4.2端横梁采用两个I63C工字钢并排用壁厚12mm钢板焊接制作，两工字钢间预留40mm空间用于穿放传力杆，在与传力柱接触部位预埋钢板，以使传力柱受力均匀（见图7）。图7端横梁断面布置图4.3端横梁为整个台座连续布置，长度与台座总宽度相同为8米，根据其受力结构特点分别求出其最大弯矩和最大剪力，端横梁所受荷载按钢绞线张拉力Nj在钢绞线布线范围内（按1m宽）的均布荷载考虑即为简化计算，本设计采用《结构力学求解器》软件来计算弯矩和剪力，并绘制弯矩图（图8）和剪力图（图9）如下：图8弯矩图图8弯矩图图9剪力图图9剪力图4.4横梁截面复核：根据《路桥施工计算手册》附表3-20查得16Mn钢I63C工字钢容许弯曲应力，容许剪应力。根据附表3-31查得I63C工字钢截面抵抗矩，截面惯性矩，半截面面积矩，腹板厚度。4.4.1端横梁弯应力验算：通过第4.3条计算可知端横梁所受弯矩最大值=803.732KN，则每根工字钢横梁所受弯应力：所以端横梁弯应力满足强度要求。4.4.2端横梁剪应力验算：通过第4.3条计算可知端横梁所受剪力最大值=1964.366KN，则每根工字钢横梁所受剪应力：所以端横梁剪应力满足强度要求。4.4.3端横梁变形验算：端横梁变形最大位置在两传力柱中间处，该处钢梁在张拉均布荷载的作用下每根工