全预应力后张法混凝土简支梁设计算例[1].doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流全预应力后张法混凝土简支梁设计算例1.精品文档.全预应力后张法混凝土简支梁设计算例1 全预应力混凝土简支梁设计算例 一、设计资料 1. 桥梁跨径及桥宽 标准跨径:Lk?30m(墩中心距),主梁全长:L=29.96m,计算跨径:Lf=29.16m,桥面净宽:净9+21m。 2. 设计荷载 公路级车辆荷载,人群荷载3.5KN/m,结构重要性系数?0?1.1。 2 3. 材料性能参数 (1)混凝土 强度等级为C40,主要强度指标为: 强度标准值 fck?26.8MPa,ftk?2.4MPa 强度设计值 fcd?18.4MPa,ftd?1.65MPa
2、 弹性模量 Ec?3.25?104MPa 预应力钢筋采用17标准型_15.2_1860_II_GB/T 52241995钢绞线, 其强度 指标为: 抗拉强度标准值 fpk?1860MPa 抗拉强度设计值 fpd?1260MPa 弹性模量 Ep?1.95?105MPa 相对界限受压区高度 ?b?0.4 普通钢筋采用HRB335钢筋,其强度指标为: 抗拉强度标准值 fsk?335MPa 抗拉强度设计值 fsd?280MPa 弹性模量 Es?2.0?105MPa 4.主梁纵横截面布置 各部分截面尺寸 跨中截面毛截面几何性质为:截面面积Ac=0.701810 mm;截面重心至构件上缘的距离62 - 1
3、 - ycs=475.4 mm; 截面重心至构件下缘的距离ycx=824.6 mm; 截面惯性矩Jc=0.15481012 mm4。 5.内力计算 主梁内力计算的方法将在桥梁工程中进一步学习,在此仅列出内力计算的结果。 (1)恒载内力 按预应力混凝土分阶段受力的实际情况,恒载内力按下列三种情况分别计算: 预制主梁(包括横隔梁) g1?15.3?1.35?16.66KN/m 现浇混凝土板自重 g2?2.25KN/m 后期恒载(包括桥面铺装、人行道及栏杆等) g3?6.27?0.24?6.51KN/m 恒载内力计算结果如表1所示。 表1 恒载内力计算结果 活载内力计算结果如表2所示。 表2 活载内
4、力计算结果 注:车辆荷载按密集运行状态A级车道荷载计算,冲击系数1?1.1188。活载内力以2号梁为准。 (3)内力组合 基本组合(用于承载能力极限状态计算) Md?1.2(MG1K?MG2K?MG3K)?1.4MQ1K?1.12MQ2K - 2 - Vd?1.2(VG1K?VG2K?VG3K)?1.4VQ1K?1.12VQ2K 短期组合(用于正常使用极限状态计算) Ms?(MG1K?MG2K?MG3K)?0.7 MQ1K1?u ?MQ2K 长期组合(用于正常使用极限状态计算) Ml?(MG1K?MG2K?MG3K)?0.4( 内力组合结果如表3所示。 MQ1K1?u ?MQ2K) 表3 内力
5、组合计算结果 二、预应力钢筋数量的确定及布置 首先根据跨中截面正截面抗裂要求,确定预应力钢筋数量。为满足抗裂要求,所需的有效预加力为: Npe MsW? e1p 0.85(?) AW Ms为荷载短期效应弯矩组合设计值,由表13.7.3查得Ms?3891.78KN?m,估算钢筋数量时, - 3 - 可近似采用毛截面几何性质。 ep为预应力钢筋重心至毛截面重心的距离,ep?ycx?ap 。 假设ap?150mm,则ep?824.6?150?674.6mm W?Wx?Jcycx?0.1548?1012824.6?0.1878?109mm3 3891.78?106 Npe?4.860?106N 0.8
6、5(?)0.7018?100.1878?10 拟采用?S15.2钢绞线,单根钢绞线的公称截面面积Ap1?139mm2,抗拉强度标准值 fpk?1860MPa,张拉控制应力取?con?0.75fpk?1395MPa,预应力损失按张拉控制应力的20% 估算。 所需预应力钢绞线的根数为 np? Npe (1?20%)?conAp1 4.860?106 ?31.3根,取32根。 (1?20%)?1395?139 采用4束8?S15.2预应力钢绞线束,则预应力钢筋截面面积Ap?32?139?4448mm2。采用HVM15-8型锚具,?80金属波纹管成孔,预留孔道直径为85mm。预应力筋束的布置。 预应力
7、钢筋采用抛物线形式弯起,抛物线方程、弯起点距跨中的距离及曲线水平长度如表4。 表4 预应力钢筋弯起的抛物线方程、弯起点距跨中的距离及曲线水平长度 注:表中曲线方程以截面底边为 坐标,以过弯起点的垂线为坐标。 表5 预应力钢束的位置和倾角 各计算截面预应力钢束的位置和倾角如表5所示。 - 4 - 三、截面几何性质计算 截面几何性质应根据不同受力阶段分别计算。 1. 主梁混凝土浇筑,预应力钢筋张拉(阶段I) 混凝土浇筑并达到设计强度后,进行预应力钢筋的张拉,此时管道尚未灌浆,因此,其截面几何性质应为扣除预应力筋预留孔道影响的净截面。该阶段顶板的宽度为1600mm。 2. 灌浆封锚,吊装并现浇顶板6
8、00mm的连接段(阶段2) 预应力筋束张拉完毕并进行管道灌浆,预应力筋束已经参与受力。再将主梁吊装就位,并现浇顶板600mm的连接段,该段的自重荷载由上一阶段的截面承受,此时,截面几何性质应为计入预应力钢筋的换算截面性质,但该阶段顶板的宽度仍为1600mm。 3. 桥面铺装等后期恒载及活荷载作用(阶段3) 该阶段主梁全截面参与工作,顶板的宽度为2200mm,截面几何性质为计入预应力钢筋的换算截面性质。 各阶段几何性质计算结果如表6所示。 表6 各截面几何性质汇总表 四、承载能力极限状态计算 - 5 - (一)跨中截面正截面承载力计算 跨中截面尺寸及配筋如图13.7.2所示。此时hp?h?ap?
9、1300?140?1160 mm;b?180mm;上翼缘板的平均厚度为h' f?150?2? 下列数值中的较小值: ?1?上翼缘板的有效宽度取?410?80/(2200?180)?=166mm;2? b'f?s?2200mm; b' f?Lf3?3?9720mm b'f?b?12h'f?180?12?166?2172mm 综合上述计算结果,取b'f?2172mm 首先判别T梁类型 ''6由于fcdbfhf?18.4?2172?166?6.634?10N fpdAp?1260?4448?5.604?106N 所以fcdb'f
10、h'f>fpdAp,说明该梁为第一类T梁。 由力的平衡条件求混凝土受压区高度: fcdb'fx?fpdAp 得:x?fpdAp fcdb'f?1260?4448?140.2mm?h'f?166mm 18.4?2172 且x?140.2mm?bh0?0.4?1160?464mm 说明x轴位于受压翼缘内,且不是超筋梁,满足设计要求。 预应力钢束重心取矩得构件的抗弯承载力为: Mdu?fcdbfx(ho?)?18.4?2172?140.2?(1160? ?6106.8KN?m?0Md?5744.48KN?m 说明正截面抗弯强度满足要求。 (二)斜截面抗剪强度计算
11、 由于变化点截面腹板宽度改变,并且该位置剪力、弯矩均较大,所以取变化点截面进行 计算。 1.复核主梁的截面尺寸 公路桥规规定,T形截面梁当进行斜截面抗剪强度设计时,其截面尺寸应满足 'x2140.2)?6106.8?106N?mm 2 - 6 - ?0Vd?0.051?10?3fcu,kbho 的要求。 由于ap?331.8mm,所以ho?h?ap?1130?331.8?968.2mm 代入上式得: 0.51?10?3fcu,kbho?0.51?10?340?180?968.2?562.131KN?0Vd?637.31KN 由于预应力对结构的抗剪有利,因此可考虑预应力的有利影响。即:
12、Vpb?0.75?10?3fpd?Apbsin?p?0.75?10?3?1260?4448?sin2.7302?200.1KN 所以:?0Vd?Vpb?637.31?200.1?437.21KN?0.51?10?3 说明截面尺寸满足要求。 2.验算是否需要进行斜截面抗剪强度的计算 公路桥规规定,若?0Vd?0.5?10?3?2ftdbho 则不需要进行斜截面抗剪强度计算,仅需按构造要求配置箍筋。 由于 0.5?10?3?2ftdbho?0.5?10?3?1.25?1.65?180?968.2 fcu,kbho?562.131KN ?179.73KN?0Vd?637.31KN,说明需通过计算配置
13、抗剪钢筋。 3.箍筋设计 公路桥规规定,主梁斜截面强度按下式计算: ?0Vd?Vcs?Vpb?0.45?10?3?1?2?3bh0(2?0.6p)fcu,k?sVfsd,V?0.75?10?3fpd?Apbsin?p中:p为斜截面内受拉纵筋的配筋率 p?100?100?式Ap?Apb bho?100?4448?2.552?3.5,取p=2.552 180?968.2 fsd,V为箍筋的抗拉设计强度,取fsd,V?280MPa Vpb?200.1KN 代入上式得: 637.31?0.45?10?3?1.0?1.25?1.1?180?968.2?(2?0.6?2.552)40?280?sV?200
14、.1 解得:?sV?0.0026?sVmin?0.0012,满足最小配箍率的要求。 设取?8的单箍双肢箍筋,则asV?50.3mm,n?2, 2 - 7 - 所以: sV?AsV2?50.3?215mm b?sV180?0.0026 11h?1300?650mm,且小 于 400mm,所以满足设22 取sV?200mm, 由于sV?200mm小于 计要求。 验算斜截面抗剪强度 此时?sV?AsV2?50.3?0.00279 bsV180?200 Vdu?Vcs?Vpb?0.45?10?3?1?2?3bh0(2?0.6p)fcu,ksVfsd,V?0.75?10?3fpd?Apbsin?p ?0
15、.45?10?3?1.0?1.25?1.1?180?968.2?(2?0.6?2.552)?280?0.00279?200.1 ?450.413?200.1?650.513KN?0Vd?637.31KN 说明斜截面抗剪强度满足要求。 距支点相当于一倍梁高范围内箍筋加密,取sV?100mm。 (三) 斜截面抗弯强度验算 由于钢束均锚于梁端,数量上沿梁跨没有变化,并且钢束的弯起缓和,可以不进行该项强度的验算。 五、预应力损失计算 1钢束与管道间摩擦引起的应力损失?l1 ?l1?con?1?e?(?kx)? 式中:?con按公路桥规规定,?con?0.75fpk?0.75?1860?1395MPa;
16、 ?钢束与管道间的摩擦系数,?0.25; k管道每米局部偏差对摩擦的影响系数,k?0.0015; x 张拉端至计算截面的管道长度在纵轴上的投影长,以m计; ?张拉端至计算截面间曲线管道部分的切线夹角之和,以弧度计。 各控制截面摩阻应力损失?l1的计算见表7。 - 8 - 表7 跨中(II)截面各钢束摩擦损失值?l1计算表 2 锚具变形、钢丝回缩引起的应力损失?l2 按公路桥规规定,?l2可按平均值计算,即 ?l2?LEp L ; 式中:?L锚具变形量,两端同时张拉时,?L?4mm L张拉端到锚固端之间的距离,L?14800mm。 ?l2?L4 Ep?105?52.70MPa L14800 考虑
17、反摩阻作用时钢束在各控制截面处的应力损失?l2的计算 - 9 - 要进行考虑反摩阻作用时钢束在控制截面处的应力损失?l2的计算,需首先确定反摩阻影响长度Lf。 Lf?L?E ?dp ?d? 式中:?0张拉端锚下控制张拉应力; ?0?lL ?l扣除沿途管道摩擦损失后锚固端预拉应力。 反摩阻影响长度Lf如表8所示。 表8 反摩阻影响长度计算表 当Lf?L时,离张拉端x处由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的考虑反摩阻后的预应力损失?x为:?x?Lf?x Lf ?2?dLf 当Lf?x时,表示该截面不受反摩阻的影响。 考虑反摩阻作用时钢束在各控制截面处的应力损失?l2的计算列于表9。 表9 锚具变形损
18、失计算表 - 10 - 由表9可以看出,考虑反摩阻计算的?l2其分布规律比按平均值计算的?l2更符合实际情况,因此,应力损失组合时以考虑反摩阻计算。 3 分批张拉时混凝土弹性压缩引起的应力损失?l4 设预应力钢束张拉的顺序为4321。 ?l4?Ep?pc 式中:?Ep预应力钢筋与混凝土弹性模量之比,?Ep1.95?105?6; Ec3.25?10Ep ?pc计算截面先张拉的钢筋重心处,由后张拉的各批钢筋产生的混凝土法向应力; ?pc?Npei A?Npeiepi?ep J Npei第i束钢束的有效张拉力,为张拉控制应力减去摩擦损失和锚具变形损失后的张拉力, Npei?(?con?l1i?l2i
19、)ap1,ap1为一束预应力钢束的面积; - 11 - epi第i束钢束的重心到截面重心轴的距离; ep计算钢束的重心到截面重心轴的距离; - 12 - 表10 混凝土弹性压缩损失计算表 - 13 - 4. 钢筋松驰引起的预应力损失?l5 ?l5?(0.52 式中:?超张拉系数,取?=1.0; ?pe fpk ?0.26)?pe ?钢筋松弛系数,取?=0.3; ?pe传力锚固时的钢筋应力,?pe?con?l1?l2?l4。 钢筋松弛损失的计算结果见表11。 表11 钢筋松弛损失的计算结果表 5 混凝土收缩、徐变引起的应力损失?l6 取跨中截面进行计算。计算公式为: ?l6? 0.9Ep?cs(
20、t,t0)?Ep?pc?(t,t0) 1?15?ps ?pc? NpA Npe2pJ MGkep Je2psAJ ?ps?1? e2psi ?1? 式中:?pc构件受拉区全部纵向钢筋截面重心处,由预加力Np(扣除相应的应力损 失)和结构自重MGk产生的混凝土法向应力, Np?(?con?l1?l2?l4)Ap; ?构件受拉区全部纵向钢筋配筋率,不考虑普通钢筋时, ? ApA ?cs(t,t)预应力筋传力锚固龄期为t0,计算龄期为t时的混凝土收缩应变; - 14 - ?(t,t)加载龄期为t0,计算龄期为t时混凝土徐变系数; 设预应力筋传力锚固龄期和加载龄期均为28天,计算时间为t=,该桥位于一
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