桥梁工程课程设计--30m预应力钢筋混凝土简支T型梁设计..pdf

1 桥梁工程课程设计 第 1 章 设计资料及构造布置 1.1 设计资料 1.1.1 桥梁跨径及桥宽 标准跨径：30m；主梁全长：29.96m；计算跨径：29.16m；桥面净空：净15+2 0.75m（人行道）+2 0.25m（栏杆）；桥面坡度：不设纵坡，车行道双向横坡为2%，人行道单向坡为1.5%。1.1.2 设计荷载：公路级 1.1.3 材料及施工工艺 混凝土：主梁C50，人行道、栏杆、桥面铺装及混凝土三角垫层用C30；预应力钢筋：采用 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范（JTG D62 2004）的2.15s钢绞线，每束7 根，全梁配6 束，pkf=1860MPa。按后张法工艺制作主梁，采用70mm 金属波纹管成孔，预留孔道直径为75mm和 OVM 锚。1.1.4 设计依据 （1）公路桥涵设计通用规范（JTG D60 2004）简称桥规（2）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62 2004）（3）桥梁工程 （人民交通出版社，姚铃森编）图 1.1.1 1.2 横截面布置 1.2.1 主梁间距与主梁片数 2 主梁间距通常应随着梁高与跨径的增加而加宽为经济，由此可提高主梁截面效率指标值，采用主梁间距2.3m，考虑人行道可以适当挑出，考虑设计资料给定的桥面净宽选用7 片主梁，其横截面布置形式图1.2.1。图 1.2.1 1.2.2 主梁尺寸拟定 1.2.2.1 主梁高度 预应力混凝土简支梁桥的主梁高度与其跨径之比在1/15 1/25 之间，标准设计中一般取为1/16 1/18。所以梁高取用175cm。1.2.2.2 主梁腹板的厚度 在预应力混凝土梁中，梁中腹板内主拉应力较小，腹板厚度翼板由布置预制孔管的构造决定，同时从腹板本身的稳定要求出发，腹板厚度一般不宜小于其高度的1/15。本设计采用16cm.在跨中区段梁腹板下部设置马蹄，设计实践表明马蹄面积与截面面积以10%-20%为宜，马蹄宽：36cm，高：30cm。1.2.3 翼板尺寸拟定 在接近梁的两端的区段内，为满足预应力束筋布置锚具的需要，肋厚应逐渐扩展加厚，其过渡段长度不宜小于12 倍肋板的增加厚度。预应力混凝土T 梁的下缘，为了满足布置预应力束筋的要求，要扩大成马蹄形，马蹄的尺寸应该满足预应力各个阶段的强度要求。由于马蹄形部分承受预应力锚具的局部荷载作用，其尺寸不宜过小，否则在施工中易形成水平纵向裂缝，3 因此马蹄面积一般应占截面总面积的10%-20%。拟定马蹄宽度为40cm，高度为26cm。第 2 章 行车道板的计算 2.1 行车道板内力计算 荷载为公路-级。桥面铺装为8cm 沥青混凝土（重度为233/mkN）和9cm厚的C30 混凝土垫层（重度为243/mkN），T 梁翼板材料的重度为253/mkN。（一）恒载及其内力（以纵向1m 宽的板条进行计算）1.、每一米板上的恒载g：沥青混凝土面层1g：mkN/84.1230.108.0 C30 混凝土垫层2g：mkN/16.2240.109.0 T 梁翼板自重3g：mkN/875.3250.1223.008.0 合计：mkNggi/875.7 2、每米宽板条的荷载内力 弯矩 mkNglMAg70.397.0875.72121220 剪力 kNlgQAg64.797.0875.70（二）车辆荷载产生的内力 将后轮作用于铰缝轴线上，后轴作用力为kNP140。对于车轮荷载中后轮的着地长度为ma20.02，宽度为mb60.02由 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）查得，则得：mHbbmHaa94.017.0260.0254.017.0220.022121 荷载对于悬臂根部的有效分布宽度：mdlaa36.34.171.0254.0201 冲击系数：3.11 作用于每米宽板条上的弯矩为：mkNblaPMAp91.19)494.097.0)(36.3414023.1()4(42)1(10 作用于每米宽板条上的剪力为：4 kNaPQAp08.2736.3414023.142)1(（三）荷载组合 恒+汽：kNQQQmkNMMMApAgAApAgA87.3108.2779.461.20)91.19(70.1 所以，行车道板的设计内力为：kNQmkNMAA87.3161.20 2.2 截面设计、配筋与强度验算 悬臂根部高度mmh80，净保护层厚度为mma20 设选用HRB335,12钢筋，则有效高度：)(5.6225.13208020mmdahh 按桥规第5.2.2 条规定：)2(100dxhbxfMcd 则 )20625.0(108.1325.1151.213xx 即 00039.0125.02xx 解得 )(03.0mx 验算：mmhig03.0)(034.00625.055.00，满足要求。按桥规第5.2.2条规定：bxfAfcdssd 所以 )mm103528030108.1323（sA 当选用HRB12钢筋，每米宽板内需要钢筋间距为100mm 时，可提供的钢筋面积为 22s1035)(11311.1131001000mmmmA，符合要求 按 桥规第 5.2.9 条规定，矩形截面受弯构件的截面尺寸应符合下列要求：KNKNbhfQkcu00.44)(59.17425.610030051.0051.00,j 满足要求。根据桥规第5.2.10 条规定 KNKNbhfQtdj00.44)(59.475.62100039.10.11050.01050.03023 5 故不需要进行斜截面抗剪强度验算，仅按构造要求配置箍筋。板内分布钢筋采用R235,8钢筋，间距为200mm。强度验算：bxfAfcdssd )(023.00.18.13001131.0280mbfAfxtdSsd)(57.31023.00.1)2023.0625.0(108.13)2(30mKNbxxhRMap mKNmKNMp51.21)(26.2525.157.3125.1 满足要求。第 3 章 主梁的作用效应计算 3.1 主梁恒载内力计算 3.1.1 恒载集度(1)主梁：17.43KN/m25.00.6971g)1(横隔梁：对于边主梁：mkNg/0453.016.295.2517.0)218.014.1()223.008.0(45.1 2 对于中主梁：mkNg/0906.00453.0212 桥面铺装层：mkNg/76.850.2400.15)12.006.0(210.2300.1508.03 栏杆和人行道：mkNg/092.25223.54 作用于边主梁的全部恒载g 为：mkNggi/33.28092.276.80453.043.17 作用于中主梁的恒载强度为：mkNg/37.28092.276.80906.043.171 6 3.1.2 恒载内力 计算边主梁的弯矩和剪力，计算图示如图3.1.2 所示，则：图 3.1.2)(222xlgxxgxxglMx)2(22xlggxglQx 各计算截面的剪力和弯矩值，列于下表 边主梁恒载内力 截面位置x 内力 剪力Q（kN）弯矩M(mkN)0 x Q=413.1 M=0 4lx 5.206)416.29216.29(233.28Q 4.2258)416.2916.29(416.29233.28M 2lx Q=0 1.301116.2933.28812M 7 3.2 用偏心压力法计算横向荷载分布系数 跨中的荷载横向分布系数，本设计内设三道横隔梁，具有可靠的横向联系，且承重结构的长宽比为：l/B=29.16/7 2.3=1.83 2，按修正的刚性横梁法来绘制影响线。并计算横向分布系数。各根主梁的横截面均相等，梁数n=7，梁间距2.3m，则：22222222726252423222171212.148)30.23()30.22()30.2(030.2)30.22()30.23(maaaaaaaaii 由式2-5-28,1 号梁横向影响线的竖标值为：179.012.148)30.23(711464.012.148)30.23(71121221172122111niiniiaanaan 由1711和绘制1 号梁横向影响线，如图3.2.1 所示，图中按公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）规定确定了汽车荷载的最不利荷载位置。图 3.2.1 进而由1711和计算横向影响线的零点位置，设零点至1 号梁位的距离为x，则：8 mxxx96.9179.030.26464.0解得：零点位置已知后，就可以求出各类荷载相应于各个荷载位置的横向影响线竖标值r和q。设人行道缘石至1 号梁轴线的距离为m6.0,于是，1 号梁的何在横向分布系数可计算如下（以rqixx 和分别表示影响线零点至汽车车轮和人群荷载集度的横坐标距离）：车辆荷载：709.0)16.596.626.806.10(96.9464.021)(21)(21214321114321qqqqqqqqqcqxxxxxm 人群荷载：可查得为513.0crm 用杠杆原理法求横向分布系数 首先绘制 1 号梁和 2 号梁的荷载横向影响线，如图3.2.2所示 图 3.2.2 9 1 号梁 车辆荷载：702.0oqm 人群荷载：478.1orm 2 号梁 车辆荷载 5.0oqm 人群荷载 0orm 3.3 计算公路-级荷载的跨中弯矩 3.3.1 荷载横向分布系数汇总 梁号 荷载位置 公路-级 人群荷载 边主梁 跨中cm 0.709 0.513 支点0m 0.702 1.478 3.3.2 简支梁桥的基频：2233310221/10888.281.91033.28436.310888.22899276916.01045.316.29214.32mNsmHzmEIlfccc 10 根据 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）中第4.3.2 条之5，当 1.5Hz f 14Hz 时，0157.0ln176.0f，则可得：202.1)0157.0ln176.0(1)1(f 67.0，四车道考虑折减 kNPmkNqkk64.296;/5.10 22229.10616.298181ml；29.7416.294ly 故得：mkNyPqmMkkcqql01.1872)29.764.29629.1065.10(709.067.0202.1)()1(,2 3.3.3 计算人群荷载的跨中弯矩：mkNpmMrcrrl69.12229.106)75.00.3(513.0,2 3.3.4 计算跨中截面车道活载最大剪力 鉴于跨中剪力2lQ影响线的较大坐标位于跨中部分故也采用全跨统一的荷载横向分布系数cqm来计算。m65.35.016.292121 故得：kNQql51.123)50.064.2962.165.35.10(709.067.0202.1,2 3.3.5 计算跨中截面人群荷载最大剪力 kNQrl21.465.3)75.00.3(513.0,2 3.3.6 计算支点截面车道荷载最大剪力 作荷载横向分布系数沿桥跨方向的变化图形和支点剪力影响线，如图所示 横向分布系数变化区段长度：ma29.729.716.2921 对应于支点剪力影响线的荷载布置，如图3.3.6 所示。11 图 3.3.6 影响线面积为 m58.14116.2921。因此，得：qqqkkcqQkNQQyPqmQ,0,0,0,067.290)164.2962.158.145.10(709.067.0202.1)2.1()1(附加三角形荷载重心处的影响线坐标为：cmmy0,917.016.29)29.73116.29(1且 因此，得：kNQq2.2 164.2962.1)709.0702.0(917.05.10)709.0702.0(229.767.0202.1,0 故公路-级荷载的支点剪力为：kNQq47.288)2.2(67.290,0 3.3.7 计算支点截面人群荷载最大剪力 人群荷载的横向分布系数，如图所示3.3.6，得：12 kNypmmapmQrcrcor09.24917.0)75.00.3()513.0478.1(29.72158.14)75.00.3(513.0)(20 3.4 偏压法计算横隔梁内力 3.4.1 确定作用在中横隔梁上的计算荷载 对于跨中横隔梁的最不利荷载布置，如图3.4.1 所示。图 3.4.1 纵向一行车轮荷载对中横隔梁的计算荷载为：kNyPPiioq77.119)711.01401140(2121 3.4.2 绘制中横隔梁的内力影响线 已知1 号梁的横向影响线竖坐标值为：179.0,464.011 同理可算得2 号梁和3 号梁的横向影响线竖坐标值为：04.0,25.007.0,36.037312721（1）绘制弯矩影响线 对于2 号和3 号主梁之间截面的弯矩32M影响线可计算如下：P=1 作用在1 号梁轴上时：44.13.25.13.25.036.03.25.1464.05.115.05.121111)32(dddM 13 P=1 作用在7 号梁轴上时：70.03.25.0)07.0(3.25.1)179.0(5.05.127177)32(ddM P=1 作用在3 号梁轴上时：91.03.25.004.03.25.125.05.05.123133)32(ddM 绘制32M影响线，如图（2）绘制剪力影响线 对于1 号主梁处截面的右1Q影响线可计算如下：P=1 作用在计算截面以右时：iQiRQ1111,右右即 P=1 作用在计算截面以左时：11R111iQilQ右右，即 绘成的右1Q影响线，如图3.4.2 所示。图 3.4.2 14 3.4.3 截面内力计算 将求得的计算荷载oqP在相应的影响线上按最不利荷载位置加载，对于汽车荷载并计入冲击影响)1(，则得：弯矩32M：mkNPMoq44.239)87.050.1(77.11967.0259.1)1(32 剪力右1Q：kNQoq84.82)02.009.029.046.0(77.11967.0259.1P11）（右 鉴于横隔梁的恒载内力甚小，计算中可略去不计，则按极限状态设计的计算内力为：kNQmkNMe8.91154.882.41022.33544.2394.10max,)32(max,右 15 3.5 主梁作用效应组合 由桥规4.1.6 4.1.8 条规定，根据可能同时出现的作用效应选择三种最不利效应组合：短期效应组合，长期组合，标准效应组合，承载能力极限状态基本组合。组合情况见下表：序号 荷载类别 跨中 梁端 M Q Q 结构自重 3011.1 0 413.1 汽车荷载 1872.01 123.51 288.47 人群荷载 122.69 4.21 24.09 1.2 3613.32 0 408.672 1.4 2620.81 177.814 247.94 0.8 1.4 137.41 6.597 23.16 +6371.54 184.411 633.284 +0.7/1.26+4173.8 76.45 418.56 +0.4/1.26+3728.1 46.211 436.92 16 第 4 章 主梁预应力钢束估算和布置 4.1 预应力钢束的估算及布置 4.1.1 跨中截面钢束的估算与确定 1、确定核心距 AyIK mKs368.0131.16972.02899.0 mKs672.0619.06972.02899.0 2、按使用阶段的应力要求估算钢束数)(1ysbyyekRACMn M-使用荷载产生的跨中弯矩 1C-与荷载有关的经验系数，取0.51 byR钢束的抗拉设计强度，1260Mpa yA-一根钢束截面积，取为1396=834mm2 sk=36.8cm，ye=113.1-13.1=100cm 故63.5)00.1368.0(12608430.51104173.83n根，取为6 根 按承载能力极限状态估算钢束数 根据极限状态的的应力计算图式，受压区混凝土达到极限强度，应力图示呈矩形，同时预应力钢束数也达到标准强度，则钢束数的计算公式为：20jbyyMnCA R h 式中：jM极限状态效应组合 2C估计钢束群中心到混凝土合力作用点力臂长度的经验系数，取为 0.78 0h 主梁有效高度，mahhy619.1131.075.10 故，75.4619.112608430.78106371.543n根 对全预应力梁，希望在弹性阶段工作，同时，边主梁与中间主梁所需的钢 17 束数相差不多，为方便钢束布置和施工，各主梁统一定为6 根 采用6 束 62.15s钢绞线，单根钢绞线的公称截面面积pA=139mm2，抗拉 强度标准值pkf=1860MPa，张拉控制应力取con=0.75pkf=0.75 1860=1395Mpa。4.2 预应力钢束布置 4.2.1 跨中截面及锚固截面的钢束布置 对于跨中截面，在保证布置预留管道构造要求的前提下，尽可能使钢束群重心的偏心距大些。采用70mm 金属波纹管成孔，预留孔道直径为75mm，根据公预规9.1.1 条规定，管道至梁底和梁侧净距不应小于3cm 及管道直径的1/2。根据公预规9.4.9 条规定，水平净距不应小于4cm 及管道直径的0.6 倍，在竖直方向可叠置。本设计采用70mm 金属波纹管成孔，预留孔道直径为75mm。根据以上规定，跨中截面的细部构造如图4.2.1：图 4.2.1 由此可直接得出钢束群重心至梁底距离为：cmay14620383 4.2.2 钢束起弯角和线形的确定 确定钢束起弯角时，既要照顾到由其弯起产生足够的竖向预剪力，又要考虑到所引起的摩擦预应力损失不宜过大。为此，将端部锚固端截面分为上、下两部分，上部钢束的弯起角定为150，下部钢束弯起角定为o7，相应的钢束竖向间距为 25cm。为简化计算和施工，所有钢束布置的线形均为直线加圆弧，并且整根钢束都在同一竖直平面内。4.2.3 钢束计算 3.2.3.1 计算钢束起弯点及其半径计算 锚固点到支座中线的水平距离xia，由下图几何关系，可求得一根钢束的长度为曲线长度、直线长度与两端张拉的工作长度（cm702）之和，其中钢束的 18 曲线长度可按圆弧半径与弯起角进行计算，计算结果如下表：钢束计算长度表（cm）钢束号 R（cm）弯起角 曲线长度s=/180 直线长度 x2 钢束有效长度2(s+x2)钢束预留长度 钢束长度 =+N1（N2)3648.65 7 445.54 1033.93 2958.94 140 3098.94 N3(N4)7162.16 7 874.58 601.33 2951.82 140 3091.82 N5 3284.46 15 859.43 624.38 2967.62 140 3107.62 N6 4046.92 15 1058.94 420.96 2959.80 140 3099.80 18588.94 4.3 钢束预应力损失计算 根据公预规的规定，当计算主梁截面应力和确定钢束的控制应力时，应计算预应力损失值。后张法梁的预应力损失包括：前期应力损失（钢束与管道壁的摩擦损失，锚具变形、钢束回缩引起的损失，分批张拉混凝土弹性压缩引起的损失）；后期预应力损失（钢绞线应力松弛引起的应力损失，混凝土收缩和徐变引起的应力损失），而梁内钢束的锚固应力和有效应力（永存应力）分别等于张拉应力扣除相应阶段的预应力损失。4.3.1 预应力钢筋与管道壁间摩擦引起的应力损失1l 按公预规6.2.2 计算公式：1)(1kxconle 式中：con预应力钢筋锚下的张拉控制应力（MPa）0.7 5c o np kf=1 3 9 5 M P a 预 应 力 钢 束 与 管 道 摩 擦 系 数，取=0.20 k管道每米局部偏差对摩擦的影响系数，取0.0015 从张拉端到计算截面曲线管道部分切线夹角之和（rad）x从张拉端到计算截面的管道长度(m)各控制截面的1l计算结果见下表。19 管道摩擦损失1l计算表 截面 钢束号 x kx()1kxe 1l（）（rad)(m)（MPa）跨中截面 N1（N2）7 0.1221 14.787 0.0466 0.0455 63.52 N3(N4)7 0.1221 14.744 0.04654 0.0455 63.44 N5 15 0.2617 14.7764 0.0745 0.07179 100.15 N6 15 0.2617 14.683 0.0744 0.07170 100.021 4.3.2 由锚具变形、钢束回缩引起的摩擦损失2l 按公预规第5.2.7 条规定，计算公式为：锥形锚具压密值6mm，采用两端同时张拉，mml12，钢束的有效平均长度2958.2cm，代入公式得：)(1.81100.22.29582.152MPas 4.3.3 混凝土弹性压缩引起的损失4s 按公预规第5.2.9 条规定，计算公式为：hlysn4 采用逐根张拉钢束，张拉顺序按钢束编号次序进行，计算时应从最后张拉的一束逐步向前推算。4.3.4 由钢束应力松弛引起的损失5s 按公预规第6.2.6 条规定，计算公式为：pepkpelf)26.052.0(5 式中：张拉系数，采用一次张拉=1.0 钢筋松弛系数，对低松弛钢筋，取=0.3 pe传力锚固时钢应力 pkf预应力钢筋的抗拉强度标准值 Eylls2 20 4.3.5 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失6l 按公预规第5.2.11 条按附录九规定，考虑非预应力钢筋的影响由混凝土收缩和徐变引起的应力损失按下式计算：AtythysEn101),(),(6 考虑混凝土收缩和徐变大部分在浇筑桥面之前完成，hA和均采用预制梁的数据。考虑混凝土收缩和徐变在野外一般条件（相对湿度为75%）下完成，受荷载时混凝土加载龄期为28 天。按照上述条件，查桥规附表4.2 得到 2.2),(t 3),(1023.0t 第 5 章 主梁截面承载力及应力验算 预应力混凝土梁从预加力开始到受荷载破坏，需经受预加应力，使用荷载作用，裂缝出现和破坏等四个受力阶段。为保证主梁受力可靠并予以控制，应对控制截面进行各个阶段的强度验算。先进行破坏阶段的截面强度验算，再分别验算使用阶段和施工阶段的截面应力至于裂缝出现阶段,公预规根据公路简支梁标准设计的经验，对于全预应力梁在使用荷载作用下，只要截面不出现拉应力就不必进行抗裂性验算。5.1 截面强度验算 在承载能力极限状态下，预应力混凝土梁正截面和斜截面都有可能破坏，下面验算这两类截面的强度。5.1.1 正截面强度验算 按公预规第5.2.3 条，对于简支梁取跨中截面进行验算。(1)对于T 形截面受压区翼缘计算宽度b1，应取用下列三者中的最小值：1/3bl 2916/3=972cm 1b220cm(主梁间距)1bb+2c+12h1220cm 故取1b=220cm。(2)确定混凝土受压区高度 按公预规第5.2.3 条，对于带承托翼缘板的T 形截面，21 当pdcdffff b h成立时，中性轴载翼缘部分内，否则在腹板内。左边=pdf=1260 1.39 6 6=6305.04 kN 右边=cdfff b h=22.4 2200 150=7392 kN 左边dM0=3272.928kN m 即主梁跨中正截面满足强度要求。(4)验算最小配筋率 由 公预规第 9.1.12 条，预应力混凝土受弯构件最小配筋率应满足下列条件：0.1crudMM 式中：udM 受弯构件正截面抗弯承载力设计值 crM受弯构件正截面开裂弯矩值，按下式计算：0(1 0.5)1260 1396 6(1750125)0.8udysMf A h =8196.6(KN)30()(38 1.652.65)252701 10crpctkMfW=8180.56（kN m）22 22 208163.441.65252701ooSW 式中：So全截面换算截面重心轴以上（或以下）部分截面对重心轴的面积矩 Wo换算截面抗裂边缘的弹性抵抗矩 pc扣除全部预应力损失预应力钢筋在构件抗裂边缘产生的混凝土预压应力 显然0.1crudMM，故无需配置普通钢筋来满足配筋率要求。