桥梁工程课程设计分离式立交桥结构设计计算.docx

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桥梁工程课程设计分离式立交桥结构设计计算

<<桥梁工程>>结构计算课程设计任务书

题目:

（分离式）立交桥结构设计计算

1桥梁概况

K45+024.627县道011分离式立交桥上跨011县道，与被交路成28°38′55″夹角。

全桥由双向六车道分离的两座桥构成，全长86.12m，左幅桥中心桩号为K45+039.627，右幅桥中心桩号为K45+015.373。

2设计标准及桥型结构

设计荷载:

公路I级。

地震作用：

按8度设防。

桥面布置：

双幅26m=0.5m墙式护栏+11.5m行车道+2m中央分隔带+11.5m行车道+0.5m墙式护栏；

桥孔布置：

（1）预应力钢筋混凝土连续箱梁建议桥孔布置

20+24+20m三孔一联预应力钢筋混凝土连续箱梁。

桥平面位于直线内，桥面横坡为双向1.50％，由墩台身高度不同来调整。

箱梁为等截面，高度为1.60m。

（2）拱桥或其它桥型自定

3预应力钢筋混凝土连续箱梁上构预应力体系

箱梁采用纵向预应力体系。

预应力钢束采用平弯、竖弯相结合的方式布置，两端张拉，Rby=1860MPa；预应力钢绞线用OVM型锚具，张拉控制应力为1395MPa。

预应力体系的建立应严格按《公路桥涵施工技术规范》的要求，同时应严格执行张拉过程。

4预应力钢筋混凝土连续箱梁下部构造

本桥采用独柱墩，桥台采用肋板式桥台，基础均采用钻孔灌注桩。

独柱墩基础为2根150cm钻孔灌注桩，桩长为34～35.5米，承台边长750280cm，厚200cm。

桥台基础为4根120cm钻

孔灌注桩，桩长为32.5～33米。

独柱墩墩身采用φ180cm的圆截面墩柱，墩身高为6m～6.8m，1号墩支座采用GPZ15000GD盆式支座，2号墩支座采用GPZ15000GX盆式支座。

5设计计算基本资料

5.1主要技术标准

（1）桥面净宽：

行车道净宽11.5m×2；

（2）荷载标准：

公路I级；

（3）温度：

年平均气温6.2℃，一月平均气温-13.1℃，七月平均气温22℃，冬季最低气温-32.8℃，夏季最高气温38.4℃。

（4）地震基本烈度：

按8度设防

5.2主要材料的物理力学指标和设计参数

（1）箱梁采用50号混凝土，按预应力结构设计。

A．混凝土轴心抗压设计强度：

28.5MPa；

B．混凝土抗拉设计强度：

2.45MPa；

C．混凝土轴心抗压标准强度：

35MPa；

D．混凝土抗拉标准强度：

3.0MPa；

E．混凝土容重：

26kN/m3；

F．混凝土的弹性模量：

MPa；

G．混凝土线膨胀系数：

0.00001；

H．混凝土徐变收缩参数

依周围环境而定的徐变系数：

2.0；

收缩速度系数：

0.00625；

收缩终极值：

0.00015；

（2）预应力钢材

采用高强度低松弛钢绞线，具体要求如下：

规格：

采用

规格钢绞线；

破断强度：

1860MPa（ASTMA416－90a标准）；

松驰率：

＜2.5%（1000小时持荷，70％张拉强度时）

＜3.5%（1000小时持荷，80％张拉强度时）

预应力钢束锚下控制应力

MPa

计算弹性模量：

MPa；

（3）预应力锚具

设计按两端张拉计算预应力损失；

预应力管道采用波纹管，管道摩阻系数为：

0.55；

预应力管道偏差系数：

0.0015；

锚具变形与钢束回缩值（一端）：

0.006；

钢束松弛终极值与控制应力比值：

0.045。

6要求完成的主要任务:

（1）建模

（2）恒载内力

（3）活载内力

（4）内力组合

（5）配筋（束）设计、校核

7说明书发送邮箱：

hxjwhut@

8时间安排：

学年学期第周～第周

指导教师签名：

年月日

系主任签名：

年月日

计算说明书

1.桥梁结构主要尺寸拟定

1.1桥孔布置

采用预应力钢筋混凝土连续箱梁，19.4m+23.4m+19.4m三孔一联。

1.2横截面布置

桥平面位于直线内，桥面横坡为双向1.50％，由墩台身高度不同来调整。

箱梁为等截面，高度为1.60m。

已知全桥由双向六车道分离的两座桥构成，桥面布置为：

双幅26m=0.5m

墙式护栏+11.5m行车道+2m中央分隔带+11.5m行车道+0.5m墙式护栏。

设计横断面为双幅单箱双室截面，横截面布置如图1-1所示。

箱梁顶板宽取13m，底板宽9m，顶板厚0.3m，腹板厚0.6m，底板厚0.3m；箱梁悬臂部分长2m，箱梁顶板翼缘端部厚度为0.4m，翼缘根部厚度为0.7m。

腹板与顶板相接处及腹板与底板相接处均做成20cm

20cm承托，以利脱模并减弱转角处的应力集中。

图1.1半幅横断面布置图（单位：

m）

1.3材料规格

主梁：

采用50号混凝土，容重为26KN/m3,弹性模量取3.5×104MPa；

桥面铺装：

采用9cm沥青混凝土（重度为23KN/m3）和10cm厚的C50混凝土垫层（重度为26KN/m3）；

防撞护栏：

采用20号混凝土，容重为25KN/m3，断面形状为0.5m×0.6m；

2.模型建立

2.1结构单元划分

2.1.1划分原则

由于选用的箱梁为等截面，理论上只有各支撑点位置划分节点，但考虑对上部箱梁进行施工分段，且保证计算软件的精准性，宜将其细分，由于本模型中三跨的跨度均不长（最长的为24.45m），因此可以将每跨的1/4和1/2处再划分节点，由此形成单元划分。

2.1.2划分结果

根据以上原则采用有限元分析软件Midas建模，计算模型中上部结构划分为17个节点，共16个单元，节点坐标如表2-1，模型如图2-2。

表2.1节点坐标

图2.2模型图

2.2毛截面几何特性计算

由Midas自动生成梁截面特性

表2.2毛截面几何特性值

单元

位置

面积（

）

Izz（

）

Czp（m）

Czm（m）

1-16

I

9.86

126.860

0.684

0.916

注：

上表中Czp:

表示单元截面中和轴到截面上边缘的距离；Czm:

表示单元截面中和轴到截面下边缘的距离；Izz：

表示对Z轴的抗弯惯性矩。

3.内力计算

3.1计算参数

3.1.1主要材料技术指标

主梁采用C50混凝土：

抗压强度标准值fck=35MPa,抗拉强度标准值ftk=3MPa；抗压强度设计值

=28.5MPa，抗拉强度设计值

=2.45MPa；线膨胀系

=1.0

，弹性模量EC=3.5×

MPa，容重

=26kN/

。

3.1.2可变荷载信息

可变作用主要考虑汽车荷载。

汽车荷载为公路-I级，3车道布置,不考虑横向折减。

3.2恒载内力

3.2.1自重作用下的内力计算

表3.1自重作用下梁的内力

图3.1自重作用下的弯矩图（单位:

）

图3.2自重作用下的剪力图（单位:

kN）

3.2.2二期恒载作用下的内力计算

9cm沥青路面g1=0.09*11.5*23=23.8kN/m

10cmC50混凝土g2=0.09*11.5*26=26.9kN/m

栏杆和人行道g3=5.0*2=10.0kN/m

合计g=g1+g2+g3=23.8+29.9+10.0=60.7kN/m

将桥面系荷载作为二期恒载以均布荷载的形式加在主梁上,结果见表3-2,

表3.2二期恒载作用下梁产生的内力

图3.3二期恒载作下的弯矩图（单位:

）

图3.4二期恒载作下的剪力图（单位:

kN）

3.2.3桥台不均匀沉降引起的次内力计算

支座的均匀沉降不会产生次内力，但是不均匀沉降却会产生对结构不利的次内力。

在考虑墩台和支座不均匀沉降时，采用Midas软件提供的功能来进行计算，本设计根据《公路桥涵地基与基础设计规范》第3.3.3条规定：

相邻墩台沉降差（不包括施工中的沉降）小于

（mm）（L为相邻墩台间的最小跨径长度，以m计）。

本设计假定边跨支座或中间墩支座下沉5mm，来考虑这部分的影响。

由于墩台的不均匀沉降产生的梁单元弯矩如表3-3。

表3.3：

桥台不均匀沉降产生的弯矩

图3.6桥台不均匀沉降产生的弯矩图（单位:

）

图3.7桥台不均匀沉降产生的剪力图（单位:

kN）

4.活载内力计算

图4.1汽车荷载作用下的弯矩包络图（单位:

）

图4.2汽车荷载作用下的剪力包络图（单位:

kN）

表4.1汽车荷载作用下的弯矩、剪力值

5作用效应组合

5.1作用

作用的种类、形式和大小与桥梁结构的安全及建设费用密切相关。

我国现行公路桥梁设计规范将作用分为永久作用、可变作用和偶然作用。

对于预应力混凝土连续刚构桥的上部结构设计，各类作用又有各自的具体内容。

永久作用是指在结构使用期内，其值随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的作用，具体包括结构重力、预加应力、土的重力、土侧压力、混凝土收缩及徐变作用、水的浮力和基础变位作用七种。

可变作用是指在结构使用期间，其量值随时间变化，或其变化值与平均值相比不可忽略的作用。

这些作用包括有汽车荷载的冲击力、离心力、制动力及其引起的土侧压力，人群荷载，风荷载，流水压力，冰压力，温度作用和支座摩阻力十一种。

偶然作用是指在结构使用期内不一定出现，一旦出现，其值很大，且持续时间很短的荷载，具体可包括地震作用、船舶或漂流物的撞击作用、汽车撞击作用。

5.2组合原理及规律

公路桥涵结构采用以可靠度理论为基础的概率极限状态设计法设计。

该设计体系规定了桥涵结构的两种极限状态：

承载能力极限状态和正常使用极限状态。

承载能力极限状态设计体现着重体现桥涵结构的安全性，正常使用极限状态设计则体现实用性和耐久性。

对于这两种极限状态，应按相应的作用效应组合规律进行组合：

1）只有在结构上可能同时出现的作用，才进行其效应组合，当结构或结构构件需做不同受力方向的验算时，则应以不同方向的最不利的作用效应进行组合；2）当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利影响时，该作用不应参与组合；3）施工阶段作用效应的组合，应按计算需要及结构所处条件而定，结构上的施工人员和施工机具设备均应作为临时荷载加以考虑；4）多个偶然作用不同时参与组合。

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD62——2004）第4.1.6、4.1.7条规定组合如下：

5.3基本组合

5.3.1承载能力极限状设计时作用效应的基本组合

基本组合是承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用标准值效应的组合，其基本表达式为：

（4-10）

式中：

——桥梁结构重要性系数，取1.1；

——作用效应（其中汽车计入冲击系数）基本组合设计值；

——第i个永久作用效应的分项系数，取1.2；

——第i个永久作用效应的标准值；

——汽车荷载效应（含冲击系数、离心力）的分项系数，取1.4；

——汽车荷载效应（含冲击系数、离心力）的标准值；

——在作用组合中，除汽车荷载效应（含冲击系数、离心力）、风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数，取1.4；

——在作用组合中，除汽车荷载效应（含冲击系数、离心力）外的其他可变作用效应的组合项系数，取0.5；

基本组合结果如下：

组合1：

Sud=1.2恒载+0.5支座沉降+1.4车道荷载

表5.1承载能力极限状态下的剪力、弯矩包络数据

将以上组合进行包络可得承载能力极限状态下的内力包络，部分弯矩包络数据如表5.1所示。

图5.1承载能力极限状态下的弯矩包络图（单位：

）

图5.2承载能力极限状态下的剪力包络图（单位：

kN）

5.3.2正常使用极限状态设计时作用短期效应组合

作用短期效应组合是永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合,其基本表达式为:

（4-11）

式中：

——作用短期效应组合设计值；

——第j个可变作用效应的频遇值，汽车荷载取0.7，其他作用取1.0；

——第j个可变作用效应的频遇值；

短期效应组合结果如下：

组合2：

Sud=1.0恒载+1.0支座沉降+0.7车道荷载

表5.2作用短期效应组合剪力、弯矩包络数据

图5.3作用短期效应组合弯矩包络图（单位：

）

图5.4作用短期效应组合剪力包络图（单位：

kN）

5.3.3正常使用极限状态设计时作用长期效应组合

作用长期效应组合是永久作用标准值效应与可变作用准永久遇值效应的组合,其基本表达式为:

（4-12）

式中：

——作用长期效应组合设计值；

——第j个可变作用效应的频遇值，汽车荷载取0.4，其他作用取1.0；

长期效应组合结果如下：

组合3：

Sud=1.0恒载+1.0支座沉降+0.4车道荷载

表5.3正常使用极限状态下短期效应组合的弯矩包络数据

图5.5正常使用极限状态下的弯矩包络图（单位：

）

图5.6正常使用极限状态下的剪力包络图（单位：

kN）