30m钢板组合梁计算书.doc
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1、30m钢板组合梁计算书 钢与组合结构桥梁课程设计30m钢板组合梁桥课程设计计算书 姓 名:吕博学 号:1150671 任课教师:吴 冲 联系方式:18817598741 1150671二一五年一月目录1、总体设计11.1设计原则11.2技术标准11.3 设计规范11.4主要材料21.5总体布置22、桥面板设计42.1桥面板尺寸拟定42.2桥面板作用与组合43、主梁设计53.1设计原则与方法53.2主梁尺寸拟定53.3加劲肋尺寸拟定63.4联结系64、主梁截面特性及内力计算74.1结构参数74.2计算模型与方法74.3主梁截面特性计算74.4主梁内力计算105、主梁应力验算155.1 一、二期恒
2、载效应155.2徐变效应165.3收缩效应175.4梯度温度效应175.5车辆荷载效应185.6 承载能力极限状态验算185.7 承载能力极限状态验算195.8 承正常使用极限状态抗裂验算196. 次结构验算206.1混凝土桥面板206.2剪力连接件216.3加劲肋验算247.稳定性验算267.1整体稳定性验算267.2倾覆稳定计算278.刚度验算278.1刚度与变形验算278.2预拱度的设置289.疲劳破坏极限状态验算281、总体设计1.1设计原则 满足安全、功能、经济、美观等要求,还要便于施工、维修和养护。1.2技术标准参照公路工程技术标准(JTG B01-2003),确定此30m简支钢板
3、组合梁桥的主要技术标准如下:(1)公路等级:二级四车道公路(2)结构设计安全等级:二级(3)结构重要性系数:1.0(4)设计速度:80km/h(5)桥梁跨径:计算跨径30.0m,标准跨径(含接缝)31.2m(6)桥面宽度:两行车道宽4*3.75m;两侧分别设2.5m硬路肩(含安全距离)以及0.50m防撞护栏,中央分隔带2m,桥面宽:0.50+2.5+2*3.75+2+2*3.75+2.5+0.50=23.0m(7)桥梁结构设计基准期:100年(8)汽车荷载等级:公路-级(9)桥面净空:二级公路至少5.0m(10)桥面坡度:设置2%横坡;不设置纵坡。1.3 设计规范(1)公路工程技术标准(JTG
4、 B01-2003)(2)公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)(3)公路钢结构桥梁设计规范(报批稿20130419修改版)(JTG D64-201X)(4)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)(5)公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50-2011)(6)公路桥梁抗风设计规范(JTG/T D60-01-2004 )(7)公路桥梁抗震设计规范(JTJ 004-89)(8)公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)(9)桥梁用结构钢(GB/T 714-2000)(10)公路工程结构可靠度设计统一标准(GB/T50283-1999)(11)
5、公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程(JTG F80.1-2004)(12)公路工程质量检验评定标准 第二册 机电工程(JTG F80.1-2004)(13)日本道路桥示方书1.4主要材料主梁及联结系:Q345钢材,。根据钢桥设计规范第3.2.1条,钢材强度设计值(MPa)如下:桥面板:20cm钢筋混凝土桥面板,取自重为26kN/m3桥面铺装:8cm沥青混凝土铺装,取自重为25kN/m3普通钢筋:直径大于或等于12mm的用HRB335,直径小于12mm的用R235施工工艺:分段预制主梁,施工现场临时支墩连接。考虑到主梁截面的变化以及运输安装条件的需要,主梁节段工地连接处均设置在截面变化处
6、1.5总体布置1.5.1立面图布置本桥取伸缩缝半宽30mm,梁端到支座中心线距离600mm。设本桥位于6度区,根据公路桥梁抗震设计细则(JTG.T B02-01-2008)11.2.1简支梁梁端至墩、台帽或盖梁边缘应有一定的距离,其最小值a(cm)按下式计算: ,式中:L梁的计算跨径(m)。本桥取a=147 cm,满足此项要求。 依据公路钢结构桥梁设计规范报批稿7.4.2条:“应设置横向联结系,并满足以下要求:1. 宜与梁的上、下翼缘连接,间距不宜大于受压翼缘宽度的30倍。2. 支承处必须设置端横梁。” 由于本桥桥宽较大, 为了加强桥梁整体横向联系,宜取较小的横联间距。拟定横联等间距5.0m;
7、采用实腹式。 综上,本桥拟得立面图如下图。1.5.2横断面布置本桥拟定主梁间距2.6 m;桥面板两边悬挑长度1.1m;主梁根数9。横断面布置图如下图。1.5.3平面图布置1.5.4横截面沿梁长的变化 为了减少用钢量,主梁应根据弯矩的大小调整主梁截面。在本例中,由于跨径较小,考虑到制作安装和运输的方便,采用全桥等梁高布置,翼板宽度不变。2、桥面板设计2.1桥面板尺寸拟定 桥面板跨内厚度取200mm,悬臂板根部板厚为250mm以上,悬臂板端部板厚为220mm。由于采用承托找横坡,因而承托高宽不等,高宽比接近1:3以减小局部应力。边梁处承托宽度300mm,高度100mm。2.2桥面板作用与组合桥面板
8、主要承受桥面板自重、二期恒载(桥面铺装)、活载(汽车荷载与人群荷载)等。采用承载能力极限状态基本组合验算,取结构安全系数1.1,恒载分项系数1.2,活载分项系数1.4,冲击系数1.3。3、主梁设计3.1设计原则与方法 本桥主梁设计主要依据经验跨高比拟定梁高,依据抗剪稳定性选定腹板高厚比(此处假定只需设置腹板横向加劲肋),依据受压翼板稳定性选定翼板宽厚比,同时兼顾截面的经济性。3.2 主梁尺寸拟定 主梁跨中截面主要尺寸拟定如下: 简支梁跨径30.0m,按照一般高跨比,取梁高h =1.90m,h/L=1/15.8。根据钢桥设计规范第7.2.1条规定,焊接板梁受压翼缘的伸出肢宽不宜大于40cm,也不
9、应大于其厚度的倍,受拉翼缘的伸出肢宽不应大于其厚度的倍。考虑到本桥梁跨度为30m,并且一般翼缘厚度不小于腹板厚度1.1倍。取上下翼缘宽度为400(600)mm,上(下)翼缘厚度取20(32)mm,腹板厚度取9mm。 依据公路钢结构桥梁设计规范报批稿5.3.3 条,腹板和腹板加劲肋设置应满足以下要求: 腹板最小厚度应满足表5.3.3的要求。表5.3.3 腹板最小厚度构造形式钢材品种备注Q235Q345不设横向加劲肋及纵向加劲肋时仅设横向加劲肋,但不设纵向加劲肋时设横向加劲肋和1段纵向加劲肋时纵向加劲肋位于距受压翼缘0.2hw附近,见图5.3.3设横向加劲肋和2段纵向加劲肋时纵向加劲肋位于距受压翼
10、缘0.14hw和0.36hw附近,见图5.3.3 本桥拟采用仅设腹板横向加劲肋的形式,因此拟定腹板厚度9mm,腹板净高1900mm,高厚比为211,设横向加劲肋和1段纵向加劲肋,纵向加劲肋位于距受压翼缘0.2hw附近。3.3加劲肋尺寸拟定 本桥加劲肋布置与尺寸如下表:腹板高度mm1900腹板宽厚比211厚度mm9设横向加劲肋,一道纵向加劲肋横向加劲肋双侧布置肢宽mm150加劲肋宽厚比10肢厚mm15支承加劲肋设一对支承加劲肋肢宽mm150加劲肋宽厚比10肢厚mm103.4 联结系横向联结系采用实腹式结构,横梁间距定为5.00m,尺寸如下:横梁统一采用实腹式工字形。翼缘宽度均为300mm,上(下
11、)翼缘厚度为10mm;腹板厚度8mm;端横梁腹板高度1525mm,中横梁腹板高度1300mm。纵向联结系采用桁架式连接结构。构件截面采用L140x140x10。横联的格子刚度为:,端部横联符合要求。4、主梁截面特性及内力计算4.1主梁结构参数内力计算考虑一期恒载(桥面板重量+钢梁重量)、二期恒载(铺装+栏杆)和汽车活载和人群荷载。内力按照公路桥涵设计通用规范第4.1.6条规定的承载能力极限状态下的基本组合进行组合。主梁结构参数计算跨径(m)30桥面板混凝土容重(kN/m3)26桥宽(m)23主梁间距(m)2.6铺装沥青容重(kN/m3)25主梁根数9计算车道数4人行道宽(m)04.2计算模型与
12、方法采用平面杆系分析方法,将桥梁的空间作用效应用荷载横向分布系数考虑。4.3主梁截面特性计算 4.3.1.组合梁翼缘有效宽度计算 (1)上翼缘板(跨中)组合梁混凝土翼缘板有效宽度计算按照报批稿附录F 进行计算:F.0.1组合梁各跨跨中及中间支座处的混凝土板有效宽度按下式计算,且不应大于混凝土板实际宽度:(F.0.1-1)(F.0.1-2)式中:钢梁腹板上方最外侧剪力件的中心间距;钢梁腹板一侧的混凝土板有效宽度。其中为最外侧剪力件中心至相邻钢梁腹板上方的最外侧剪力件中心距离的一半或最外侧剪力件中心至混凝土板自由边的距离;为等效跨径,简支梁应取计算跨径。组合梁截面尺寸在本例中:Le=30m,Le/
13、6=5mb=2.6m/2,故跨中全截面有效。(2)上翼缘板(支点)根据报批稿F.0.2,简支梁支点和连续梁边支点处的混凝土板有效宽度按下式计算:(F.0.2-1)(F.0.2-2)式中,取为边跨的等效跨径(mm),如图F.0.1 a)所示。,因此=1,即支点处混凝土也是全截面有效。(3)下翼缘板根据公路钢结构桥梁设计规范报批稿中5.1.8中第2条“I形、形和箱形梁桥的翼缘有效宽度按式(5.1.8-3)和(5.1.8-4)计算,其适用条件见表5.1.8。(5.1.8-3)(5.1.8-4)式中:翼缘有效宽度;bi 腹板间距的1/2,或翼缘外伸肢为伸臂部分的宽度,如图5.1.8所示; 等效跨径,见
14、表5.1.8。类别梁段号腹板单侧翼缘有效宽度计算计算图式符号适用公式等效跨径简支梁(5.1.8-3)L表5.1.8 翼缘有效宽度计算的等效跨径经计算,b/l=(2.6/2)/30=0.0430.050,钢梁下翼缘在跨中均全宽有效,不需进行折减。4.3.2.组合梁截面特性计算 计算工字梁截面特性时,钢梁上下翼缘宽度本例全宽有效。计算荷载效应时,在钢与混凝土连续牢固结合的前提下,组合截面采用等效截面法,将混凝土截面转化为钢截面。 不考虑材料非线性(收缩、徐变)影响时,钢与混凝土弹性模量之比:计算混凝土徐变影响时,根据报批稿11.1.3 条规定,考虑徐变影响的钢材与混凝土的有效弹性模量比为:弹性阶段
15、,不计收缩徐变时,n=7;计算徐变时,n=14;计算混凝土收缩时,n=21。截面特性计算结果汇总如下:钢梁截面As(cm2)0.20Es210000.00s(cm)5.68Is(m4)0.07ysu(cm)90.18ysb(cm)80.02组合截面(弹性阶段)单位cmn=7.00Aoc857.14A01256.74063.26Ac5720.00I05440307.65y0cu47.84a0c37.84y0cb27.84a0s88.73y0su20.84a0126.58y0sb148.96组合截面(徐变阶段)单位cmn=14.00Aoc428.57043.31A0828.17I04553219.
16、38y0cu67.79a0c57.79y0cb47.79a0s68.79y0su40.79a0126.58y0sb129.01组合截面(收缩阶段)单位cmn=21.00Aoc285.71030.68A0685.31I03996050.55y0cu80.42a0c70.42y0cb60.42a0s56.16y0su53.42a0126.58y0sb116.384.4主梁内力计算主梁内力分为永久作用引起的内力、可变作用引起的内力以及偶然作用引起的内力,具体包括:一期恒载、二期恒载引起的内力,混凝土收缩徐变作用引起的次内力;汽车荷载、汽车冲击力引起的内力以及混凝土和钢材之间的梯度温度作用引起的温度次
17、内力。对于简支梁这样的静定结构,均匀温度作用及支座不均匀沉降都不会引起结构次内力。本例中暂不计算偶然作用引起的结构内力。下面就分别对上述作用产生的主梁内力进行计算。4.4.1恒载内力一期恒载厚度(m)宽度(m)平方米重量(kN/m2)荷载集度(kN/m)钢梁2.625.2混凝土桥面板0.22.65.213.530.2712.77.0一期恒载总集度25.74二期恒载厚度(m)宽度(m)面积(m2)荷载集度(kN/m)人行栏杆0.34沥青土铺装层0.092.60.235.85防撞栏杆2.22二期恒载总集度8.414.4.2活载内力本桥不设人行道,因此活载内力即汽车活载内力。计算过程和结果如下:汽车
18、活载内力计算车道折减系数0.56荷载(车)横向分布系数(未折减)1.076冲击系数1.222车道荷载均布力(kN/m)10.5荷载(人)横向分布系数(影响线坐标)0.280车道荷载集中力-弯矩效应(kN)280车道荷载集中力-剪力效应(kN)3364.4.3收缩、徐变次内力对于简支梁,收缩徐变效应可以按照现代钢桥(上)中的简化方法进行近似计算。以跨中截面为例进行计算: 组合截面上徐变引起的轴力: (压力)组合截面上徐变引起的弯矩:同样原理可以计算混凝土收缩引起的截面内力,仍旧以跨中截面为例进行计算: 收缩产生的收缩应变终极值依照预应力混凝土桥梁设计规范表6.2.7 取值,设定环境条件,混凝土加
19、载龄期28天,查得收缩应变终极值。RH=70%,e - = 组合截面上收缩引起的轴力:组合截面上收缩引起的弯矩:徐变、收缩效应内力计算结果汇总如下:徐变效应下的次内力收缩效应下的次内力p(MN)1环境条件RH0.7Nc(MN)0.74收缩应变终极值0.000211p(MN)0.74Pcs(MN)(压力)1.266M(MNm)0.43Mcs(MNm)0.8914694.4.4混凝土与钢结构之间的温差引起的次内力对于简支梁,梯度温差效应可以按照现代钢桥(上)中的简化方法进行近似计算。徐变计算原理如图3-6。按照设计环境条件,混凝土板与钢梁之间的温差为10C.以跨中截面为例进行计算,混凝土升温引起的
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