跨径16m预应力混凝土简支空心板桥设计书.doc
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1、 跨径16m预应力混凝土简支空心板桥设计一 设计资料1.道路等级 三级公路(远离城镇)2.设计荷载本桥设计荷载等级确定为汽车荷载(道路级)3. 桥面跨径及桥宽标准跨径:计算跨径:桥面宽度:(栏杆)+(行车道)+(栏杆)主梁全长:桥面坡度:不设纵坡,车行道双向横坡为2%桥轴平面线形:直线4. 主要材料1) 混凝土 采用C50混凝土浇注预制主梁,栏杆和人行道板采用C30混凝土,C30防水混凝土和沥青混凝土磨耗层;铰缝采用C40混凝土浇注,封锚混凝土也采用C40;桥面连续采用C30混凝土。2) 钢筋主要采用HRB335钢筋。预应力筋为股钢绞线,直径,截面面积1390,抗拉标准强度,弹性模量。采用先张
2、法施工工艺,预应力钢绞线沿板跨长直线布置。3) 板式橡胶支座 采用三元乙丙橡胶,耐寒型,尺寸根据计算确定。5. 施工工艺采用先张法施工,预应力钢绞线两端同时对称张拉。6. 计算方法及理论 极限状态法设计。7. 设计依据 通用规范公预规。二 构造类型及尺寸全桥宽采用7块C50预应力混凝土空心板,每块,板厚。采用后张法施工,预应力混凝土钢筋采用股钢绞线,直径15.2mm,截面面积,抗拉强度标准值,抗拉设计值,弹性模量。C50混凝土空心板的抗压强度设计值,抗拉强度的标准值 抗拉强度设计值。全桥空心板横断面图如图所示,每块空心板截面以及构造尺寸如图所示。图2-1桥梁横断面图(单位:cm ) 图2-2跨
3、中中板断面图(单位:cm) 图2-3跨中边板断面图(单位:cm)三 空心板毛截面几何特性计算 本设计预制空心板的毛截面的几何特性,采用分块面积累加法计算。先按长和宽分别为版轮廓的长和宽的矩形计算,然后与挖空面积累计,累加时候挖空部分按负面积计算,计算结果以中板为例。表3-1 预制空心板的毛截面的几何特性计算表分块号各分块面积重心距上缘面积矩个分块重心距截面重心各分块惯性矩1-25 1.67-41.7542.79-45774.6-17.362-70035.00-245009.46-62644.1-142916.73-35046.67-16334.5-2.21-1709.4-364.124-507
4、1.67-3583.5-27.21-37109.2-48.425-282640.00-1130404.46-56213.7-6358506841542.50393762.51.9635592.455783027531444.46236262.75-167768.64799105预制中板挖空部分以后得到的截面积,其几何特性按以下公式计算。毛截面面积对截面上缘面积矩 毛截面重心至截面上缘距离毛截面对自身重心轴的惯性矩 1) 毛截面积2) 毛截面重心至截面上边缘距离3) 毛截面对重心轴的惯性矩 四 作用效应计算1. 永久作用效应计算1) 空心板自重(一期恒载) 2) 桥面系自重g2(二期恒载)人行道
5、及栏杆重力参照其他梁桥设计资料,单侧按取2kN/m计算。桥面铺装采用等厚度10cm厚C40防水混凝土,和5cm厚沥青混凝土,则全桥宽铺装每延米总重为 上述自重效应是在各空心板铰接形成整体后,再加在板桥上的,精确地说由于桥梁横向弯曲变形,各板分配到的自重效应是不相同的,本例为计算方便设桥面系二期恒载重力近似按各板平均分担来考虑,则将以上重力均分给11块板,得每块空心板分摊的每延米桥面系重力为: 3) 恒载内力计算 简支梁恒载内力计算结果见表4-1 表4-1 载内力计算表 荷载支点一期恒载13.28515.5399.12299.34103.0051.50二期恒载4.1415.5124.0393.0
6、232.0116.01合计+17.42515.5523.15392.36135.0167.512. 可变作用效应计算本例中汽车荷载采用公路级荷载,它由车道荷载和车辆荷载组成。通用规范规定桥梁结构整体计算采用车道荷载。1) 汽车荷载横向分布系数计算空心板跨中处的荷载横向分布系数按铰接板法计算,支点处按杠杆原理法计算,支点到点之间按直线内插求得。(1) 跨中和点的荷载横向分布系数计算空心板的刚度参数 式中:为空心板截面的抗扭刚度。可简化成图4-1所示单箱截面。按单箱近似计算。 图 4-1 计算的空心板简化图代入刚度参数计算公式的刚度参数按查姚玲森桥梁工程(1985年)附录中7块板的铰接板桥荷载横向
7、分布影响线表。由=0.017时1号至4号板在车道荷载作用下的荷载横向分布影响线值,计算结果列于表4-2中,据表4-2中画出各板的何在横向分布影响线,在其上布载。如下图所示。 表3-9 各板荷载横向分布影响线坐标值表板号r123456710.0170.2310.1950.1560.1270.1070.0950.09020.0170.1950.1910.1660.1360.1150.1020.09530.0170.1560.1660.1720.1540.1300.1150.10740.0170.1270.1360.1540.1650.1540.1360.127各板的荷载横向分布系数计算式为。图4-
8、2 各板横向分布影响线及横向最不利加载图1号板:汽车2号板:汽车3号板:汽车4号板:汽车(2) 支点处的何在横向分布系数计算支点处的荷载横向分布系数按照杠杆原理法计算,如图4-3所示图4-3支点处荷载横向分布影响线及最不利加载图支点处荷载横向分布系数如下。汽车 2) 横向分布系数沿桥跨的变化支点到四分点的荷载分布按照直线内插进行,见下表表 4-3 空心板的荷载横向分布系数荷载跨中至处支点公路级0.3030.5002) 汽车荷载内力计算 在计算跨中及截面的汽车荷载内力时,采用计算公式为式中S所示截面的弯矩或剪力 汽车荷载的冲击系数 汽车荷载横向折减系数,8m桥宽采用双车道,横向分布不折减,故=1
9、.0; 汽车荷载跨中横向分布系数 汽车车道荷载中,每延米均布荷载标准值 弯矩、剪力影响线的面积 沿桥跨纵向与集中荷载位置时对应的横向分布系数 车道荷载中的集中荷载标准值,计算剪力事乘以系数1.2 沿桥跨纵向与集中荷载位置时对应的内力影响线坐标值(1) 内力影响线面积计算表4-4 内力影响线面积计算表 类型截面影响线面积(或m)影响线图式 l/4 1/2 1/2 3l/16 3/4 l/4 1(2) 公路II级荷载计算 均布荷载 7.875 kN/m集中荷载:计算弯矩效应时 计算剪力效应时3) 计算冲击系数空心板梁:C50混凝土E取。则 4) 计算,(表3-12,3-13)汽车荷载内力计算公式
10、计算结果如图4-5至图4-6所示。 表4-5 汽车荷载 计算表截面荷载公路II级7.875166.51.3300.30330.031355.3093.87522.523266.4642.906199.81.93846.4090.54.35974.2220.75 图4-5 汽车荷载下计算跨中弯矩,剪力布载图 图4-6 汽车荷载下计算L/4处弯矩布载图5)计算支点截面汽车荷载最大剪力 计算支点剪力时,考虑荷载横向分布系数沿桥长的变化,总线最不利布载及相应的剪力影响线及横向分布系数值如图图4-7 计算支点处剪力布载图3作用效应组合 依据通用规范,公路桥涵结构设计应按承载能力极限状态设计和正常使用极限
11、状态进行效应组合。按承载能力极限状态设计时的基本组合为1.2恒载作用效应+1.4汽车荷载作用效应按正常使用极限状态设计时,应根据不同的设计要求,采用以下两种效应组合。作用短期效应组合为:恒载作用效应标准值+0.7汽车荷载作用效应标准值(不考虑冲击)作用长期效应组合为:恒载作用效应标准值+0.4汽车荷载作用效应标准值(不考虑冲击)通用规范规定,架构构件当需进行弹性阶段截面应力计算时,应采用标准值效应组合。各作用效应额分项系数及组合系数取1.0个作用效应组合计算如下表表4-6 空心板作用效应组合计算汇总表作用类别序号作用种类弯矩剪力四分点跨中支点跨中四分点作用标准值1结构自重392.36523.1
12、5135.01067.512汽车荷载266.464355.309161.1346.40974.222S=1+2658.824878.459296.1446.409141.732基本组合3470.832627.78162.01081.014373.050497.433255.58264.973103.911S=3+4843.8821125.213387.59264.973184.921短期效应组合5结构自重392.36523.15135.01067.516140.244187.00584.80524.42639.064S=5+6532.604710.155219.81524.426106.574
13、长期效应组合7结构自重392.36523.15135.01067.51880.140103.86048.46013.95822.322S=7+8472.50630.01183.4713.95889.832五 预应力钢筋设计1. 预应力钢筋截面积的估算先张法预应力混凝土空心板桥的预应力钢筋采用钢绞线,沿空心板跨径方向(桥梁纵向)采用曲线布置(在靠近支座处向上弯起)。设预应力钢筋的截面积为,一般由空心板的跨中截面内力控制。预应力钢筋布置在空心板下缘,假设,则预应力钢筋重心至毛截面重心的距离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式中:A=5314;W=;为
14、荷载短期效应弯矩作用设计值,。 钢绞线的公称截面面积为,张拉控制应力取,预应力损失按张拉控制应力的20%估算,则需要的钢绞线根数根,现选用8根作为预应力筋,。2. 预应力钢筋的布置先张法预应力钢筋布置在空心板下缘,沿空心板跨长直线布置。钢绞线的布置应满足公预规要求,即钢绞线净距不小于25mm,端部设置长度不小于150mm的螺旋钢筋等。空心板跨中截面钢筋布置如图所示。 图5-1 空心板跨中截面普通钢筋和预应力钢筋布置图(单位:cm)3. 普通钢筋数量的估算及布置在预应力钢筋已经确定的情况下,可由正截面承载能力极限状态要求的条件确定普通钢筋的数量,暂不考虑在受压区配置预应力筋。先按构造要求配置普通
15、钢筋。非预应力钢筋采用HRB335,。按公预规受拉区配筋。该钢筋布置在空心板受拉边缘下缘一排40mm处,即。六 换算截面几何特征计算毛截面面积A=5314cm2。毛截面重心距截面上缘距离44.46cm,距截面下缘距离85-44.46=40.54cm。毛截面对重心的惯性矩为 1. 换算截面面积 A0=Ah+(ny-1)Ay+(ng-1)Ag =5314+(5.49-1)11.12+(5.633-1)14.077 =5429.12 Ag受拉区普通钢筋面积,Ag=14.077cm2 ny预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比,ny=5.49 ng非预应力钢筋弹性模量与混凝图弹性模量之比,ng=5.6
16、332. 换算截面重心位置 钢筋换算截面对毛截面重心的静距为 Sg=(5.49-1)11.12(40.54-5)+(5.633-1)14.077(40.54-4) =4156.38cm2 换算截面重心对毛截面重心的偏离 dh0=cm 换算截面重心至截面下缘距离 y0下=40.54-0.766=39.774cm 换算截面重心至上缘距离 y0上=44.46+0.766=45.226cm 预应力钢筋重心至换算截面重心的距离 ey=39.774-5=34.774cm 普通钢筋重心至换算截面重心的距离 eg=39.774-4=35.774cm 全部预应力钢筋和非预应力钢筋换算界面中心至构件换算截面重心轴
17、的距离为 截面有效工作高度为 h0=35.34+0.766+44.46=80.566cm3. 换算截面的惯性矩 I0=Ih+Ah+(ny-1)Aye+(ng-1)Age =4780113.096cm44. 截面抗弯模量七 承载能力极限状态计算1. 跨中正截面承载能力计算将空心板截面换成等效工字型截面,其方法是,在保持截面面积、惯性矩、型心位置不变的条件下,将空心板的圆孔换算为边长为b h的矩形空(如图所示)。图7-1 空心板截面抗弯等效换算图(单位:cm)按面积相等 按惯性矩相等 联立求解得 等效工字型截面尺寸:上下翼缘厚度 腹板宽度 首先按公式 判断截面类型:所以属于第一类 T型截面,计算时
18、候应按宽度= 1090mm 的矩形截面来计算抗弯承载能力,按以下公式进行跨中正截面强度验算: 此时,受压区高度x的计算公式为x=()=80.87 mm 解得x=80.87 mm将x=80.87带入跨中正截面强度验算公式计算该截面的抗弯承载能力计算结果表明,跨中截面抗弯承载能力满足要求。2 .斜截面抗剪承载能力计算(1) 主梁截面尺寸验算根据公预规,矩形 T型 I型截面的受弯构件,其抗剪强度应符合下列要求 公式中-验算界面处的剪力组合设计值,有前表可查V=387.592 kN-边长为150mm混凝土立方抗压强度,空心板为C50,f=50MPab-等效工字截面腹板宽度,b=546mm =80.56
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