桥梁工程课程设计(装配式预应力混凝土箱型梁).doc
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1、精品文档,仅供学习与交流,如有侵权请联系网站删除河北工业大学土木工程学院桥梁工程课程设计设计资料及要求一、设计资料1标准跨径:40.00m2计算跨径:39.60m3桥面净空:净14.50m+20.5m4设计荷载:公路级5材料:预应力钢筋:j15mm钢绞线非预应力钢筋:、级钢筋; 混凝土:小箱梁为C50号,铰缝采用C40SCM灌浆料以加强铰缝;桥面铺装为12cm厚C40防水砼(S6)+ 10cm沥青砼;栏杆采用C25号混凝土。二设计依据:(1)交通部.公路桥涵设计通用规范 (JTG D60-2004);北京:人民交通出版社.2004(2)交通部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG
2、D622004),北京:人民交通出版社.2004三.构造形式与尺寸该桥桥面净空为“净14.50m+20.5m”,横断面设计如图1。采用后张法预应力,板块断面及构造尺寸见图1-2。图1 桥梁横断面图(单位:cm)图21 边梁截面尺寸(单位:cm)图22 中梁截面尺寸(单位:cm)四、设计内容1 主梁几何特性计算2 恒载内力计算3荷载横向分布计算(1) 跨中的荷载横向分布系数:采用刚接板法(2) 支点的荷载横向分布系数:采用杠杆法(3) 横向分布系数沿桥跨的变化4活载内力计算(1)弯矩(2)剪力5主梁内力组合(基本组合、作用短期效应组合、作用长期效应组合)6预应力钢筋的设计(1) 预应力钢筋面积的
3、估算(2)预应力钢筋的布置7换算截面几何特性计算(1)换算截面面积(2)换算截面重心位置(3) 换算截面的惯矩 (4) 截面抗弯模量8跨中正截面强度验算9预应力损失计算(1) 摩擦损失 (2) 钢筋变形、回缩损失(3) 钢筋松弛损失(4) 预应力钢筋分批张拉损失(5) 混凝土收缩徐变损失(6) 永存预应力值10、跨中截面正应力计算(一) 混凝土应力 (二) 预应力钢筋的最大应力11、支点截面主应力验算12、使用阶段变形验算五、参考文献1邵旭东,桥梁工程,北京:人民交通出版社2姚玲森,桥梁工程,北京:人民交通出版社3叶见曙,结构设计原理,北京:人民交通出版社设计部分1 主梁几何特性计算1.1 计
4、算截面几何特性本设计采用分块面积法,因为只在距支点1m处开始变截面,为简便计算,可近似按等截面计算,所以只需分别计算边主梁、中主梁预制时和使用时跨中截面的几何特性。主要计算公式如下:毛截面面积: (11)各分块面积对上缘的面积距: (12)毛截面重心至梁顶的距离: (13)毛截面惯性距计算移轴公式: (14)式中分块面积;分块面积重心至梁顶的距离;毛截面重心至梁顶的距离;各分块对上缘的的面积距;各分块面积对其自身重心的惯性距。利用以上公式,分别计算边主梁、中主梁预制时和使用时跨中截面的几何特性,将结果列入一下各表中。其中:矩形自身惯性矩 , 三角形自身惯性矩按照CAD得出,边梁的, 中梁的 ,
5、1.2 检验截面效率指标以边梁跨中截面分析:上核心距:=下核心距:=截面效率指标:以中梁跨中截面分析:上核心距:=下核心距:=截面效率指标:根据设计经验,一般截面效率指标取,且较大者较经济。上述计算表明,初拟的主梁截面是合理的。2 主梁内力计算2.1 恒载内力计算2.1.1 第一期恒载(主梁自重) 在距主梁端部1m处为过渡宽度。1)边主梁自重荷载:边主梁荷载集度:2)中主梁自重荷载:中主梁荷载集度:3)横隔梁自重荷载: 横隔梁荷载集度: 边梁部分: (这里的面积S由CAD出图得出为m) 中梁部分: 第一期恒载集度:2.1.2 第二期恒载(主梁现浇湿接缝)边主梁:中主梁:2.1.3 第三期恒载(
6、桥面铺装)桥面铺装:第三期恒集度:2.1.4 恒载集度汇总表2-1 主梁恒载汇总表荷载梁第一期荷载第二期荷载第三期荷载总和g边主梁25.90281.541829.427556.8721中主梁24.07703.083516.16543.32552.2 恒载内力 设为计算截面至支撑中心的距离,并令图 2-1 恒载内力计算图则计算公式为: (21) (22)其中: 则边主梁和中主梁的恒载内力计算如下表表2-2 恒载内力表项目/kNm/kN跨中四分点支点跨中四分点支点a(1-a) /2196.02147.0150(1-2a) )/209.919.8一期恒载边主梁5077.473808.1000256.
7、44512.8825.9028中主梁4719.573539.6800238.36476.7224.0770二期恒载边主梁302.22226.670015.2630.531.5418中主梁604.43453.320030.5361.053.0835三期恒载边主梁5768.384326.2800291.33582.6629.4275中主梁3168.662376.5000160.03320.6616.165总恒载边主梁11148.078361.0500563.031126.0756.8721中主梁8492.666369.5000428.92857.8443.32553 荷载横向分布计算3.1 支点截
8、面横向分布系数计算本设计应用杠杆法计算支点截面的横向分布系数。杠杆法忽略了主梁之间横向结构的联系作用,假设桥面板在主梁上断开,把桥面板看作沿横向支承在主梁上的简支梁或简支单悬臂梁,主要适用于双肋式梁桥或多梁式桥支点截面。本桥为多梁式桥,当桥上荷载作用在靠近支点处时,荷载的绝大部分通过相邻的主梁直接传至墩台。虽然端横隔梁连续于几根主梁之间,但是其变形极其微小,荷载主要传至两个相邻的主梁支座。因此,偏于安全的用杠杆原理法来计算荷载在支点的横向分布系数。1)对于1号梁,首先绘制1号梁反力影响线,如图3-1。并确定荷载最不利位置:图 3-1 1号梁横向分布系数图1号梁荷载横向分布系数:2)对于2号梁,
9、首先绘制2号梁反力影响线,如图3-2。并确定荷载最不利位置:图 3-2 2号梁横向分布系数图2号梁荷载横向分布系数:3)对于3号梁,首先绘制3号梁反力影响线,如图3-3。图 3-3 3号梁横向分布系数图3号梁荷载横向分布系数: 由于此公路,无人群荷载,所以根据对称性,5号梁与1号梁支点的横向分布系数相同,4号梁与2号梁的横向分布系数相同。3.2 跨中截面横向分布系数计算本设计应用修正偏心压力法计算跨中截面的横向分布系数。修正偏心压力法是当桥主梁间具有可靠连接时,在汽车荷载作用下,中间横隔梁的弹性挠曲变形与主梁的变形相比很小,因此可假定中间横隔梁像一根无穷大的刚性梁一样保持直线形状。本设计因除了
10、设置端横隔梁外,还在跨中处设置了横隔梁,并且主梁之间预留18cm后浇注,所以在本设计中,主梁之间具有可靠的连接,固选用修正偏心压力法计算跨中横向分布系数。3.2.1 计算主梁抗弯惯性矩 由前面截面几何特性计算可知3.2.2 计算主梁截面抗扭惯性矩T 对于本设计箱形截面,空室高度大于截面高度0.6倍(即0.850.6),所以属于薄壁闭合截面。对于单室箱型截面,其抗扭惯性矩可分为两部分:两边悬出的开口部分和薄壁部分。由于本设计截面采用的是变厚度,所以计算前把截面转化成两个矩形和一个闭口槽型,它们的厚度采用转换后的厚度,如图3-4: 悬出部分可按实体矩形截面计算: (31) 其中: 矩形长边长度 矩
11、形短边长度 矩形截面抗扭刚度系数n主梁截面划分为单个矩形的块数薄壁闭合部分: (32) (注:公式中具体尺寸见下图)图 3-4 截面转换图1.中梁(2、3、4号梁)1)计算悬臂部分抗扭惯性矩 悬臂换算厚度: 则: 表3-1矩形截面抗扭刚度系数表t/b10.90.80.70.60.50.40.30.20.10.10.1410.1550.1710.1890.2090.2290.2500.2700.2910.3121/3由通过查表(内插法)可得,悬臂部分抗扭刚度系数c=0.30633则:2)计算闭口薄壁部分抗扭惯性矩 薄壁箱型截面顶板换算厚度:则: 图 3-5 抗扭计算简图图 3-6边梁截面转换图2
12、.边梁(1、5号梁)1)计算悬臂部分抗扭惯性矩右侧悬臂: 由线性内插查表得:2)计算闭口薄壁部分抗扭惯性矩 薄壁箱型截面顶板换算厚度:则: 3.2.3 计算主梁截面抗扭刚度修正系数本桥中梁与边梁的近似相等横截面不相等(取中梁的惯性矩和抗扭惯矩),, 梁数,主梁的间距是3.05m,取抗扭修正系数:其中: 材料剪切模量;主梁抗弯惯性矩材料的弹性模量;主梁抗扭惯矩; 3.2.4 跨中截面横向分布系数计算1)1号梁 计算考虑抗扭修正系数的横向影响线竖标值由横向影响线的竖标值绘制各梁的横向影响线,并确定荷载的最不利位置。1梁的横向影响线和布载图式如图3-7:图3-7 1号梁的横向影响线和布载图则汽车荷载
13、横向分布系数为:2)2号梁 计算考虑抗扭修正系数的横向影响线竖标值由横向影响线的竖标值绘制各梁的横向影响线,并确定荷载的最不利位置。2梁的横向影响线和布载图式如图3-8:图3-8 2号梁的横向影响线和布载图则汽车荷载横向分布系数为:2)3号梁 计算考虑抗扭修正系数的横向影响线竖标值由横向影响线的竖标值绘制各梁的横向影响线,并确定荷载的最不利位置。3梁的横向影响线和布载图式如图3-9:图3-9 3号梁的横向影响线和布载图则汽车荷载横向分布系数为: 由于公路,无人群荷载,所以根据对称性,4号梁与2号梁支点的横向分布系数相同,5号梁与1号梁的横向分布系数相同,则得:3.3 荷载截面横向分布系数汇总由
14、以上计算将荷载横向分布系数汇总到表3-3表3-3横向分布系数汇总表梁号荷载位置公路级荷载作用横向分布系数备注1支点1.0164支点截面按“杠杆原理法”计算跨中截面按“修正偏心压力法”计算跨中1.09272支点0.9836跨中0.87173支点0.9836跨中0.80004 活载影响下主梁内力计算4.1 冲击系数和车道折减系数的确定根据桥规,简支梁桥的自振频率可采用以下公式估算: (4-1) 式中:结构计算跨径(); 结构材料的弹性模量();对于混凝土,取 N/m2 结构跨中截面的截面惯矩();结构跨中处的单位长度质量(),当换算为重力计算时其单位为(); 结构跨中处延米结构重力(); 重力加速
15、度()。即:桥规规定,冲击系数按下式计算:当时,;当时,;当时,;所以取:1+=1.05 根据桥规规定,本设计为双向四车道,考虑横向车道折减,其折减系数。4.2 活载内力计算本设计中,因为除设置端横隔梁外,跨中还设置了1根内横隔梁,所以跨中部分采用不变的,从离支点处至支点的区段内呈直线型过渡。在计算简支梁跨中最大弯矩与剪力时,由于车辆的重轴一般作用于跨中区段,而横向分布系数在跨中区段的变化不大,为了简化计算,通常采用不变的跨中横向分布系数计算。 根据桥规,公路级车道荷载的均布荷载标准值为。集中荷载标准值随计算跨径而变,当计算跨径小于或等于时,为;计算跨径等于或大于时,为;计算跨径在之间时,值采
16、用直线内插求得。当计算剪力效应时,集中荷载标准值应乘以1.2的系数,其主要用于验算下部结构或上部结构的腹板。 因此由内插求得: 求得,。 4.2.1 1号梁活载内力计算1)1号梁跨中截面弯矩和剪力计算跨中截面弯矩影响线及横向分布系数见图4-1,跨中截面弯矩计算采用不变的横向分布系数。图4-1 1号梁跨中弯矩计算图 跨中弯矩影响线的最大坐标值: 跨中弯矩影响线的面积: 集中荷载: 均布荷载:车道荷载作用下1号梁跨中弯矩:跨中截面剪力影响线及横向分布系数见图4-2,跨中截面剪力计算采用不变的横向分布系数。图4-2 1号梁跨中剪力计算图 跨中剪力影响线的最大坐标值: 跨中剪力影响线的面积: 集中荷载
17、: 均布荷载:车道荷载作用下1号梁跨中剪力:2)1号梁处截面弯矩和剪力计算处截面弯矩影响线及横向分布系数见图4-3,截面弯矩计算需考虑荷载横向分布系数沿桥纵向的变化,支点截面取,至取,支点段横向分布系数按直线变化。图4-3 1号梁处弯矩计算图处弯矩影响线的最大坐标值:三角荷载合力作用点处影响线坐标值:处弯矩影响线的面积: 集中荷载: 均布荷载:车道荷载作用下1号梁处弯矩:处截面剪力影响线及横向分布系数见图4-4,截面剪力计算需考虑荷载横向分布系数沿桥纵向的变化,支点截面取,至取,支点段横向分布系数按直线变化。图4-4 1号梁处剪力计算图 处剪力影响线的最大坐标值: 处剪力影响线的面积: 集中荷
18、载: 均布荷载:车道荷载作用下1号梁处剪力:3)1号梁支点处截面剪力计算支点处截面剪力影响线及横向分布系数见图4-5,支点截面剪力计算需考虑荷载横向分布系数沿桥纵向的变化,支点截面取,至取,支点段横向分布系数按直线变化。图4-5 1号梁支点处剪力计算图支点处剪力影响线的最大坐标值:三角荷载合力作用点处影响线坐标值:支点处剪力影响线的面积: 集中荷载:均布荷载:对于车道荷载由于支点附近横向分布系数的增大或减小所引起的支点剪力变化值车道荷载作用下1号梁支点处剪力:4.2.2 2号梁活载内力计算1) 2号梁跨中截面弯矩和剪力计算 计算方法同1号梁,得2) 2号梁处截面弯矩和剪力计算计算方法同1号梁,
19、得3) 2号梁支点处截面弯矩和剪力计算计算方法同1号梁,得4.2.3 3号梁活载内力计算1) 3号梁跨中截面弯矩和剪力计算 计算方法同1号梁,得2) 3号梁处截面弯矩和剪力计算计算方法同1号梁,得3) 3号梁支点处截面弯矩和剪力计算计算方法同1号梁,得由于高速公路,无人群荷载,所以根据对称性,1号梁与5号梁支点的横向分布系数相同,2号梁与4号梁的横向分布系数相同。4.3 荷载内力组合表4-1荷载内力组合表荷载类别弯矩/kNm剪力/kN支点恒载8492.6656369.4980428.9225857.8449汽车荷载2932.3962215.912136.769227.092387.5450不计
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