预应力混凝土连续箱梁形桥设计.doc
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1、预应力混凝土连续箱梁形桥设计摘要第一章 桥型方案比选1.1 构思宗旨(1)(1)符合市发展规划,满足当地快速发展经济交通需要,分孔分跨及原桥位错开。(2)桥梁结构造型简洁、轻巧,不及原桥型相似,形成当地一道新风景线,以表达当地经济发展实力,与现代建桥风格,国家建桥水平。(3)设计方案力求结构新颖,尽量采用新式桥型,既要满足美观要求,又要是受力合理,结构力线鲜明,轻盈可靠且施工方便。1.2、比选标准:主要依据安全、功能、经济与美观。其中以安全与经济为重。至于桥梁美观,要视经济及环境条件而定。本设计桥梁形式可考虑斜拉桥、简支梁桥、连续梁桥三种形式。从实用、安全、经济、美观、环保以及占地及工期多方面
2、比选,最终确定桥梁形式。桥梁设计原则:(1)实用性。桥梁必须实用,要有足够承载力。能保证行车畅通、舒适与安全。既满足当前需要,又要考虑今后发展。要能满足交通运输本身需要,也要考虑到支援农业等等。(2)安全性。桥梁设计要能满足施工及运营阶段受力需要,能够保证其耐久性与稳定性以及在特定地区抗震需求。(3)经济性。在社会主义市场经济体制今天,经济性是不得不考虑重要因素。在能够满足桥两个方面需求情况下要尽量考虑是否经济,是否以最少投入获得最好效果。(4)美观性。在桥梁设计中应尽量考虑桥梁美观性。桥梁外形要优美,要及周围环境相适应,合理轮廓是美观主要因素。(5)环保性。随着经济发展,生活水平不断提高,人
3、们对环境保护提出了更高要求,在建筑领域,一个工程建设不能以牺牲环境作代价,在保证顺利工前提下要尽量避免对环境破坏以实现经济可持续发展。 桥面根据通行要求布置3车道,上部结构采用单箱单室结构形式,箱宽12.75m。因基础底面土质较差,采用桩柱式桥墩,桥台采用桩柱式桥台,墩台均采用嵌岩桩基础。顺桥向主梁尺寸拟定(1) 梁高:根据桥下通车线路情况,支点处梁高取2.126m(高跨比为1/37.16);跨中梁高取2.00m(高跨比为1/39.5)。(2) 梁底曲线:选用二次抛物线。以跨中梁底为原点,曲线方程为:;以支点梁底为原点,曲线方程为。横桥向尺寸拟定上部结构根据通行要求布置3个车道,两侧各有1.5
4、m宽人行道,采用单箱单室结构形式,主梁截面细部尺寸见图1-2所示。桥面铺装与线性选定(1) 桥面铺装:选用8cm厚C50防水混凝土作为铺装层,上加6cmAC-20I中粒式沥青混凝土,其上再加4cmAK-13A型沥青混凝土抗滑表层。(2) 桥面横坡:去1.5%,该坡度由箱梁顶板双向横坡来设置。(3) 竖曲线:考虑两岸引桥坡度与桥面标高,具体拟定如下:左边自0号桥台起至主跨跨中为直线。其坡度为2%,右边自3号桥台起自主跨跨中亦为直线,其坡度为2%。技术标准及设计参数1、 设计荷载车道荷载为公路-I级;人群荷载为3.5KN/m2。2、 主要设计参数(1) 混凝土:预应力混凝土连续梁采用C50混凝土。
5、(2) 钢筋:预应力钢筋采用15.245钢绞线(极限抗拉强度1860Mpa);非预应力钢筋采用符合新规范R235,HRB335钢筋。凡钢筋直径12毫米者,采用HRB335(20MnSi)热轧螺纹钢;凡钢筋直径12毫米者,采用R235钢。(3) 预应力钢束特性:预应力管道为钢波纹管,管道偏差系数k=0.0015/m;摩擦系数u=0.23;钢筋回缩与锚具变形为每侧6mm,两端张拉,张拉控制应力。63 桥面板计算 6.3.1 主梁桥面板按单向板计算 根据公桥规4.1.1条规定,因长边及短边之比为33.4/8=4.1752,故按照单向板计算,人行道及栏杆重量为5.83KN/m。1 恒载内力以纵向取1m
6、板条计算 每延米板上恒载g 沥青混凝土找平层及抗滑层:钢筋混凝土面层:将承托面积平摊于桥面板上,则:主梁自重:合计:(1) 计算 计算跨径:m,取(2)计算=5.25于每米宽板条上剪力为: 2.活载内力公路I级车辆荷载后轮轴重为P=140KN,着地长度为,宽度为。板上荷载分布为:有效分布宽度计算:两后轮有效分布宽度发生重叠,应一起计算其有效分布宽度。纵向2个车轮对于单向板跨中及支点有效分布宽度分别为: 所以:a=5.153,说明支点处有效分布宽度无重叠。可得板有效分布宽度图,在影响线上进行最不利情况加载,利用结构力学计算得出简支单向板内力。作用于每米宽板条上弯矩为(见图2):作用于每米宽板条上
7、剪力为:内力组合:由于,所以:跨中弯矩支点弯矩2.主梁桥面板悬臂板计算(悬臂板长度按长悬臂计算)根据公桥规条文说明第4.1.5条规定:当悬臂板长度时,悬臂根部负弯矩约为按规范计算方法1.151.30倍。通过计算,对长悬臂版,取1.2倍。1.恒载内力以纵向梁宽为1m板梁计算每延米板上恒载g沥青混凝土找平及抗滑层:钢筋混凝土面层:人行道及栏杆:主梁自重:合计:每米宽板条恒载内力弯矩 剪力 2活载产生内力一个车轮荷载对于悬臂根部有效分布宽度:后轮有效分布宽度发生重叠,应一起计算其有效分布宽度。车辆荷载纵向2个车轮对于悬臂板根部有效分布宽度为:有效分布宽度见图3。.作用于每米宽板条上弯矩为:考虑到长悬
8、臂对结构影响,需乘以1.2系数,即:作用于每米宽板条上剪力为:3行车道板设计内力故箱形梁腹板顶板处设计弯矩为:箱形梁顶板中间截面设计弯矩为:支点处设计剪力为:3桥面板配筋 1支点处配筋,沿纵向取1m宽板条计算 混凝土强度等级为C50,钢筋采用HPB335,则。截面计算高度:将各参数代人数值: 整理后得到: 取。2跨中处配筋,沿纵向取1m宽板条计算 将各参数代人数值: 整理后得到: 取。 3抗剪验算故无需再进行专门配筋设计。6.4 建立计算模型1、 使用软件:Dr.Bridge3.02、 外部环境特性计算相对湿度80%;不均匀沉降考虑为1/3000;桥面板及其它部分温差为。3、 单元划分根据该桥
9、梁构造特点,共划分64个单元,如图4、 施工阶段划分按照该桥梁实际施工工序,首先交租1号墩与2号墩0号块并设置临时固定支座安装挂篮并分别对称浇筑1号墩与2号墩1号块分别对称浇筑1号墩与2号墩2号块分别对称浇筑1号墩与2号墩3号块分别对称浇筑1号墩与2号墩7号块分别支架现浇两边跨10号块分别合拢两边跨9号块并拆除临时固定支座合拢主跨跨中8号块铺装桥面及设备安装完工使用阶段。根据各施工阶段施工顺序,由桥梁博士软件建立桥梁计算模型()。5、 荷载信息桥梁模型在建立过程中,需输入施工荷载与使用荷载,以模拟实际桥梁受力状况。(1)施工荷载 永久荷载:永久性作用于结构上荷载,如结构横梁重量、二期铺装等;
10、临时荷载:一般为施工机具等荷载,下阶段将自动去除; 施工荷载:一般在需要验算某阶段几种加载情况下,结构安全性是否满足要求,一般只在特殊阶段需要验算; 临时荷载及施工活载:临时荷载将计入本阶段累计效应中(本阶段结束是结构效应);施工活载则不计入到本阶段累计效应中,仅在本阶段施工阶段验算中计入到本阶段组合效应中;升温及降温:是作为施工活载处理;平均温度:是作为永久荷载处理。平均温度效应是指前一阶段平均温度及本阶段平均温度差值作为本阶段温度荷载来计算;施工阶段温度荷载一般在设计阶段不予考虑,因为设计阶段对结构温度场还不明确,一般在施工控制中才需计算。(2)使用荷载 结构在使用阶段车道荷载为公路-I级
11、、人群荷载、升温与降温温差、非线性温度、收缩徐变、支座不均匀沉降等。 根据建立模型,利用桥梁博士软件对结构进行计算,可得到个截面内力值。恒载内力计算 恒载内力主要包括结构自重内力与二期恒载内力内力叠加。一期恒载与二期恒载由所建立有限元计算模型输出但愿结果信息中引用。 一期恒载:程序按截面尺寸信息自动计入; 二期恒载:含铺装层与栏杆中,按78KN/m计入。 结构重力作用效应见表1及图6。表1 结构重力作用效应活载内力计算活载内力计算主要通过有限元软件计算模型,输入使用阶段活载所加载相关参数得到。1 横向分布系数计算对于整体箱梁、整体板梁等结构,其横向分布系数就是其所承受汽车总列数,考虑横向折减及
12、偏载后修正值。根据桥规4.3.1条规定,当桥涵设计车道数大于2时,由汽车荷载产生效应应进行折减,但折减后效应不得小于设计车道数为2荷载效应。大跨径桥梁上汽车荷载还应考虑纵向折减。箱梁计算得到偏载系数为1.15,对于本桥桥面为3车道整体箱梁计算时,横向分布系数应为:在桥梁博士有限元计算程序中,对于整体箱梁、整体板梁等结构,若如实填写人行道宽(或满人宽度),则人群荷载横向分布系数填1.2 活载内力计算(1) 冲击系数计算 桥规4.3.2条条文说明对连续梁桥正弯矩段及负弯矩段基频及计算有:因此,根据桥规4.3.2条有:正弯矩段:负弯矩段:(2) 活载作用内力 汽车荷载作用下内力计算公式为:人群荷载作
13、用下内力计算公式为:3.计算结果 表2表5给出了汽车使用阶段加载结果。表2 汽车使用阶段内力表3 汽车使用阶段内力表4 汽车使用阶段内力表5 汽车使用阶段内力相应人群荷载所产生荷载效应,可以查看有限元模型计算结果。66 温度及支座沉降次内力计算2. 温度引起内力计算由于连续梁只有一个横向支座,所以整体温变对梁体内力没有影响,在这里只考虑桥面板由于日照等因素产生梯度稳定效应,根据桥规4.3.10条规定,桥面板表面竖向日照正温差计算基数取14,取5.5,竖向日照反温差乘以-0.5。按以上规定有桥梁博士有限元软件程序可算出不均匀温度引起内力。3. 支座位移引起内力计算由于各个支座出竖向支座反力与地质
14、条件不同引起支座不均匀变位,连续梁是一种超静定结构,对支座不均匀沉降特别敏感,所以由它引起内力是构成内力重要组成部分。其计算方法是:三跨连续梁四个支点中每个支点分别下沉2cm,其余支点不动,所得到内力进行叠加,取最不利内力范围。内力组合根据桥规4.1.6条与4.1.7条规定,进行承载能力极限状态内力组合与正常使用极限状态内力组合。1. 承载能力极限状态内力组合组合1:基本组合考虑永久作用:结构重力、基础沉降;考虑可变作用:汽车荷载、温度梯度作用。则基本组合作用效应表达式见式(4-3)或式(4-4)。2. 正常使用极限状态内力组合1. 短期组合考虑永久作用:结构重力、基础沉降;考虑可变作用:汽车
15、荷载、温度梯度作用。则短期组合作用效应表达式见式(4-5)。2.长期组合 考虑永久作用:结构重力、基础沉降; 考虑可变作用:汽车荷载、温度 梯度作用。 则长期组合作用效应表达式见式(4-6)。3. 内力组合按照桥规要求与以上计算结果,可进行承载能力极限状态组合与正常使用极限状态组合。组合结果用来按承载能力及按应力估算钢束,这里只简要给出承载能力极限状态及正常使用极限状态组合弯矩与剪力包络图, 弯矩包络图 剪力包络图6-7 承载能力极限状态内力包络图 弯矩包络图 剪力包络图6-8 正常使用极限状态内力包络图68预应力钢束数量确定及布置预应力混凝土截面配筋,是根据前面两种极限状态组合结果,确定截面
16、受力性质,分为轴拉、轴压、上缘受拉偏压、下缘受拉偏压、上缘受拉偏拉、下缘受拉偏拉、上缘受拉受弯与下缘受拉受弯8种受力类型,分别按照相应钢筋估算公式进行计算。估算结果为截面上缘配筋与截面下缘配筋,此为截面最小配筋,为安全起见可根据经验适当放宽。 需要说明是,之所以称为钢束“估算”,是因为计算中使用组合结果并不是桥梁真实受力。确定钢束需要知道个截面计算内力,而布置好钢束钱又不可能求得桥梁真实受力状态,故只能称为“估算”。此时及真实受力状态差异由以下四方面引起:未考虑预加力作用;未考虑预加力对徐变、收缩影响;未考虑(钢束)孔道影响;各钢束预应力损失值只能根据经验事先拟定。1. 预应力钢束数量确定根据
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