桥梁工程毕业设计预应力混凝土空心板桥.docx

1、桥梁工程毕业设计预应力混凝土空心板桥1 方案拟订与比选1。1 设计资料(1）技术指标:汽车荷载:公路级桥面宽度:净7.0+21.0m（人行道）(2）设计洪水频率：百年一遇 ;（3）通航等级：无 ；(4）地震动参数：地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s，相当于原地震基本烈度VI度。1.2 设计方案鉴于展架桥地质地形情况，该处地势平缓，桥全长较短,故比选方案主要采用简支梁桥和连续梁桥形式.根据安全、适用、经济、美观的设计原则,我初步拟定了两个方案。1.2.1 方案一：预应力混凝土空心板桥本桥上部构造为616m的预应力混凝土空心板，结构简单,施工容易。 本桥采用预制安装(先张法

2、）的施工方法：先张法预制构件的制作工艺是在浇筑混凝土之前先进行预应力筋的张拉，并将其临时固定在张拉台座上，然后按照支立模板-钢筋骨架成型-浇筑及振捣混凝土养护及拆除模板的基本施工工艺，待混凝土达到规定强度，逐渐将预应力筋松弛，利用力筋回缩和与混凝土之间的黏结作用,使构件获得预应力。 优点： 预应力结构通过高强钢筋对混凝土预压，不仅充分发挥了高强材料的特性，而且提高了混凝土的抗裂性，促使结构轻型化，因而预应力混凝土结构具有比钢筋混凝土结构大得多的跨越能力。 采用空心板截面,减轻了自重，而且能充分利用材料,构件外形简单，制作方便，方便施工，施工工期短,而且桥型流畅美观。缺点：行车不顺,同时桥梁的运

3、营养护成本在后期较高. 图1-1 空心板桥布置图1。2。2 方案二：预应力混凝土连续箱型梁桥跨径分布：332m 箱形截面整体性好，结构刚度大，变形小，抗震性能好，主梁变形挠曲线平缓,桥面伸缩缝少，行车舒适。 施工采用预制安装的施工方法，设计施工较成熟，施工质量和工期能得到有效控制，该种桥型传力明确，计算简洁。 箱形截面有较大的抗扭刚度，整体性好。同时主桥线条明确，结构稳定，梁的等截面外形和谐,各比例协调，造型朴实。 图12 连续箱梁布置图1.3 方案比选表11 各方案主要优缺点比较表预应力混凝土空心板桥预应力混凝土连续箱型梁桥 跨径 616m 332m 安全性自重轻，跨径合适，施工安全。整体性

4、好，结构刚度大，变形小，抗震性能好.适用性建筑高度小，外形简单，制作方便，构件质量小，方便架设。能适用各种适用条件,因为嵌固在箱梁上的悬臂板,其长度可以较大幅度变化，并且腹板间距也能放大，箱梁有较大抗扭刚度。美观性桥型流畅美观，与周围环境和谐。主桥线条简明，结构稳定，梁的等截面布置外形和谐，个比例协调，造型朴实.经济性空心板截面可以充分利用材料，经济合理。箱型截面充分利用材料，节约材料。施工难易程度采用预制拼装的施工方法,工期缩短。采用预制装配的施工方法，施工周期短。通过对比，从受力合理,安全适用,经济美观的角度综合考虑，方案一：预应力混凝土空心板桥为最佳推荐方案。此方案，采用预应力混凝土空心

5、板，结构简单，节省材料，经济合理；采用预制装配的施工方法，施工方便,周期短;而且桥型流畅美观. 2 毛截面几何特性计算2。1 基本资料2。1.1 主要技术指标桥跨布置：616 m 。标准跨径：16。00 m 。计算跨径：15.56 m 。桥面总宽：9m=7+21。0 m（人行道)。设计荷载:公路-级2。1.2 材料规格预应力钢筋钢绞线，直径mm,截面面积139。0mm2 ，弹性摸量=1。95105 MPa ,抗拉强度标准值= 1860 MPa， 抗拉强度设计值=1260 MPa；普通钢筋抗拉强度标准值= 335 MPa, 抗拉强度设计值=280 MPa=2。0105 MPa;空心板块混凝土采用

6、C40, 弹性模量取3。25104 MPa， 抗拉强度标准值=18。4 MPa, 抗拉强度设计值=2。40 MPa;2.1.3 设计规范(1）JTJ011997.公路工程技术标准S.北京：人民交通出版社,1997 简称标准（2）JTG D602004。公路桥涵设计通用规范S。北京:人民交通出版社,2004。简称桥规（3)JTG D62-2004。公路钢筋混凝土及预应力桥梁设计规范S。北京：人民交通出版 社,2004。简称公预规（4）JTG D60-1985.公路桥涵地基与基础设计规范S. 北京:人民交通出版社,1985.(5)邵旭东。桥梁工程（上、下册）M。北京：人民交通出版社，2004。2.

7、2 截面几何尺寸图 本桥主梁采用124cm空心板，桥宽9m，选用5片主梁和两片边梁。2。2。1桥面横断面布置图图2。1 横断面图2。2.2板块结构几何尺寸 (a) 中板跨中截面 (b) 边板跨中截面图2。2 截面几何尺寸图2。3 毛截面几何特性计算2。3.1毛截面面积2.3.2毛截面重心位置全截面对1/2板高的静矩:铰缝的面积：毛截面重心离1/2板高处的距离：铰缝重心对1/2板高处的距离:2.3。3空心板毛截面对其重心轴的惯矩空心板的抗扭刚度可简化为图23的单箱截面近似计算:图2。3 计算的空心板简化图（尺寸单位：cm)3 主梁内力计算及作用效应组合3.1永久作用效应计算3.1.1 空心板自重

8、(一期恒载） =A=55391025=13。8475 (kN/m) 3.1.2 桥面系自重（二期恒载)桥面铺装采用:5cm的砼防水铺装层:0.05725=8.75 (kN/m）10cm沥青混凝土： 0.1723=16.1（kN/m)人行道采用混凝土,则单侧人行道自重： 10。424=9.6(kN/m)单侧栏杆：1。52(kN/m）为计算方便近似各板平均分担考虑，则每块空心板分摊到的每延米桥面系重力为: 3.1.3 铰缝自重（第二阶段结构自重）因为铰缝自重采用C40混凝土，因此其自重为：=(529+175） 1024=1。4496（kN/m)由此得空心板每延米总重力为：=13。8475（kN/m

9、)=6.7271.4496=8.1767（kN/m）=13.84758.1767=22.0242(kN/m）由此可计算出简支空心板的恒载（自重效应)，计算结果见表31。 表31 永久作用效应汇总表 项目 作用种类作用gi(kN/m）计算跨径（m）作用效应(kN/m)作用效应（kN）跨中(）1/4跨()支点（)1/4跨（）跨中13。847515.56419。08314.31107.7353.865022.024215。56666。54499.91171.3585.67503.2可变作用效应计算本桥汽车荷载采用公路-级荷载，它由车道荷载和车辆荷载组成.桥规规定桥梁结构整体计算采用车道荷载。公路级车

10、道荷载由=0.7510。5=7.875（kN/m）的平均荷载和集中荷载两部分组成。而在计算剪力效应时，集中荷载标准值应乘以1.2的系数,即计算剪力=1.2=1。2166.68=200。016（kN/m） 按桥规车道荷载的均布荷载应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上，集中荷载标准值只作用在相应影响线中一个最大影响线峰值处。本桥采用双车道，应考虑折减，。1.汽车荷载横向分布系数计算跨中和四分点的横向分布系数按铰接板法计算。支点按杠杆法计算荷载横向分布系数；支点到四分点间按直线内插求得。（1）跨中和四分点的荷载横向分布系数：首先计算空心板的刚度系数:由前面计算得到：I=3。9883 IT =7

11、。173b=125mm l=1556mm将以上数据代入：r=0。02115 求得刚度系数后，即可查公路桥涵设计手册-梁桥（上册）（徐光辉，胡明义，主编，人民交通出版社，1996年3月)中7块板铰接板桥荷载横向分布影响线表，由r=0.02及r=0。03内插得到r=0。02115时1号至4号板在车道荷载作用下荷载横向分布系影响线，计算结果列表32中，由表3-2画出各板横向分布影响线图31，并按横向最不利位置布载图3-2，求得两车道情况下各板的横向分布系数.由于桥梁横断面结构对称，所以只需计算1号至4号板的横向分布影响线坐标值。表3-2 各板的横向分配影响线竖标值表荷载作用板号节点号1#2#3410

12、。2480.2040.1570.12420.2040。2000.1710。13530.1570.1710.1770。15740。1240.1350。1570.17050.1010。1100。1270.15760.0860。0940。1100。13570。0800。0860.1010.124根据表3-2作出影响线： （a） 1号板横向分布影响线(b) 2号板横向分布影响线 （d） 4号板横向分布影响线 图31影响线图及布载位置根据各板的横向分布影响线图，在上加载求得各种作用下的横向分布系数如下:汽车荷载作用下：m3=1/2i汽,m=i人板号1:二列汽车：m2汽=1/2（0。2210.1570。1

13、220。090)=0.295m=0。262+0。078=0.340板号2：二列汽车：m2汽=1/2（0.1990。1710.1310.100）=0。301m=0.210+0.079=0。289板号3:二列汽车：m2汽=1/2(0。1700。1730.1500.115）=0。304m=0.151+0.098=0.249板号4：二列汽车：m2汽=1/2（0.1420。1620.1620。142）=0。304m=0。119+0.119=0.238见表3-3：表3-3 车道荷载作用下的横向分布系数表板号1#234#m2汽0.2950.3010。3040。304m0。3400.2890。2490.238

14、由上表可知3,4#板在荷载作用下最为不利，考虑到人群荷载与汽车效应相组合，因此跨中和四分点的荷载横向分布系数偏安全地取下列数据：m2汽=0。304, m=0.249（2）支点的荷载横向分布系数，则按杠杆法计算,由图14得3-4板的支点荷载横向分布系数如下： 图3.3 支点处荷载横向分布影响线及最不利布载图 m汽=0。51.00=0。50m=0(3）支点到四分点处的荷载横向分布系数按内插法求得.故由以上计算可知，取3号板作为设计板，其荷载横向分布系数如下。表3-4 3板的荷载横向分布系数 作用位置跨中至L/4处支点汽车荷载0.3040.5人群荷载0。24903。2。2 汽车荷载冲击系数计算桥规规

15、定汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数。按结构基频的不同而不同，对于简支板桥: （3-1）当时， =0.05;当时， =0。45；当时,。 (3-2)其中：，I=3。988310m，=代入得： 所以， =0.17670。0157=0.17674。96920。0157=0。2676 1+=1。26763。2.3 可变作用效应计算（1）车道荷载效应跨中截面(见图3。4)弯矩: （不计冲击时） （33）两车道荷载：不计冲击 kNm 计入冲击 kNm剪力： （不计冲击时） (34)两车道荷载：不计冲击 (kN)计入冲击 (kN）图3.4简支空心板跨中截面内力影响线及加载图 l/4截面(参

16、照图3.5）弯矩: (不计冲击时） (33)两车道荷载：不计冲击 kNm 计入冲击 kNm剪力： （不计冲击时） 两车道荷载:不计冲击 = 56.08（kN）计入冲击 = =71.09(kN) 图3.5简支空心板l/4截面内力影响线及加载图支点截面剪力计算支点截面由于车道荷载产生的效应时,考虑横向分布系数沿空心板跨长的变化，同样均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利的同号影响线上，集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线的峰值处，见图3。6。两车道荷载：不计冲 (3-4）代入数据有： =121.64(kN）计入冲击 (3-5)代入数据有： =154.19( kN) 图3。6 简支空心板

17、支点截面内力影响线及加载图(2)人群荷载效应 人群荷载是一个均布荷载,当桥梁计算跨径小于或等于50m时，人群荷载标准值为3.0 kN/ m，人行道板宽为净宽1m,因此q=13=3kN/m。跨中截面：弯矩：m=0.249330.2642=22。61 kN/m 剪力：V=0。24931.945=1.45 kN/m四分点截面:弯矩:m=0。249322.698=16。96 kN/m 剪力:V=0.24934。376=3.27 kN/m支点截面:剪力：V=0.24937.78-(0。249-0）3（+）=4.36KN可变作用效应汇总表35中：表3-5 可变作用效应汇总表 跨中弯矩M(）剪力V（kN）跨

18、中L/4处跨中L/4处支点车道荷载两行汽车不计冲击系数269.56202。3035.0656。08121.64计入冲击系数341。70256.4344。4471.09154。19人群荷载22.6116。961。453.274.363。3作用效应组合按桥规公路桥涵结构设计应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行效应组合,并用不同的计算项目。3.3.1 承载能力极限状态按承载能力极限状态设计时的基本组合表达式为: (36）式中: -结构重要性系数，本桥属大桥，=1。0; 效应组合设计值；永久作用效应标准值； 汽车荷载效应（含汽车冲击力）的标准值. 人群荷载效应的标准值3。3。2 正常使用极限状态

19、 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：作用短期效应组合表达式： （37）式中： -作用短期效应组合设计值；永久作用效应标准值； 不计冲击的汽车荷载效应标准值. -人群荷载效应的标准值作用长期效应组合表达式： （3-8）式中：各符号意义见上面说明.桥规还规定结构构件当需要弹性阶段截面应力计算时，应采用标准值效应组合，即此时效应组合表达式为： （39）式中： -标准值效应组合设计值; ，-永久作用效应，汽车荷载效应（含汽车冲击力）的标准值。根据计算得到的作用效应，按桥规各种组合表达式可求得各效应组合设计值，现将计算汇总于表3-6中。表3-6 空心板作用效应组合计算

20、汇总表序号作用种类弯矩M(kNm）剪力V(kN）跨中L/4跨中L/4支点作用效应标准值永久作用效应419。08314。31053.865107。73666.54499.91085.68171.35可变作用效应车道荷载不计冲击269。56202。3035.0656.08121。64341.70256.4344.4471.09154。19人群荷载S22.6116。961.453。274.36承载能力极限状态基本组合 (1）799.85599。890102.81205。62 （2）478.38359。0062.2299.53215。870.81.4 S （3）25。3219。001.623。664.

21、88=（1)+ (2)+（3）1303.55977.8963。84206426.37正常使用极限状态作用短期效应组合 (4)666。54499.91085。68171。35 （5)188.69141。6124.5439。2685.15S (6）22。6116.961.453.274。36=（4）+ (5）+(6）877.84658.4825。99128.21260.86使用长期效应组合 (7）6 6.54499。91085。68171。35 （8)107.8280。9214。0222。4348.660。4S (9)9。046.780.581。311.74=(7）+ （8)+（9）783。458

22、7。6114.60109。42221。75弹性阶段截面应力计算标准值效应组合 (10）666.54499。91085。68171。35 （11）341.70256.4344。4471.09154.19S (12）22.6116.961.453.274。36=（10）+ （11)+（12）1030。85773.345。89160。04329.94 预应力钢束的估算及布置4。1预应力钢筋数量的估算 本桥设计时它应满足不同设计状况下规范规定的控制条件要求，例如承载力、抗裂性、裂缝宽度、变形及应力等要求.在这些控制条件中，最重要的是满足结构在正常使用极限状态下的使用性能要求和保证结构在达到承载能力极限

23、状态时具有一定的安全储备。因此，预应力混凝土桥梁设计时，一般情况下，首先根据结构在正常使用极限状态正截面抗裂性或裂缝宽度限值确定预应力钢筋的数量，在由构件的承载能力极限状态要求确定普通纲纪的数量。本桥以部分预应力A类构件设计，首先按正常使用极限状态正截面抗裂性确定有效预加力Npe。按公预规6。3。1条，A类预应力混凝土构件正截面抗裂性是控制混凝土的法向拉应力，并符合以下条件：在作用短期效应组合下，应满足要求。式中: 在作用短期效应组合作用下,构件抗裂性验算边缘混凝土的法向拉应力;在初步设计时,和可按公式近似计算： (41) （4-2）式中: A，W构件毛截面面积及对毛截面受拉边缘的弹性抵抗矩;

24、 预应力钢筋重心对毛截面重心轴的偏心矩，,可预先假定。代入即可求得满足部分预应力A类构件正截面抗裂性要求所需的有效预加力为: （4-3）式中：混凝土抗拉强度标准值。本预应力空心板桥采用C40，=2.4Mpa,由表36得,空心板的毛截面换算面积 假设，则代入得： 则所需的预应力钢筋截面面积Ap为： (44）式中: 预应力钢筋的张拉控制应力； 全部预应力损失值,按张拉控制应力的20估算。本桥采用17股钢绞线作为预应力钢筋，直径15.2mm，公称截面面积139mm,=1860Mpa，=1260Mpa,=Mpa。按公预规，现取=0.70，预应力损失总和近似假定为20%张拉控制应力来估算,则采用1015

25、。2钢绞线，单根钢绞线公称面积139mm2，则=10139=1390mm2满足要求。4。2预应力钢筋的布置预应力空心板选用1015。2钢绞线布置在空心板下缘, =40mm，沿空心板跨长直线布置 ，即沿跨长=40mm保持不变，见图4.1.预应力钢筋布置应满足公预规的要求，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。 图4。1 空心板中板跨中截面预应力钢筋的布置4.3普通钢筋数量的估算及布置在预应力钢筋数量已经确定的情况下，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钢筋，也暂不考虑普通钢筋的影响.空心板截面根据惯性矩相等和面积相等可换

26、算成等效工字形截面来考虑：由 cm2 bh=1655+239+2346+2346（)=226331。1111求得cm，=39.4cm则得到等效工字形截面的上翼缘板厚度：=cm等效工字形截面的下翼缘板厚度：=cm等效工字形截面的肋板厚度b: b=b-2b=124-239。4=45。2cm等效工字形截面尺寸见图4。2：图4.2 空心板换算等效工字形截面（尺寸单位：cm)估算普通钢筋时，计算简图见图 4.3图4。3 普通钢筋计算简图可先假定，则由下列可求得受压区的高度，设 由公预规，, .由表36,跨中，代入上式得: 整理得: ，且说明中和轴在翼缘板内,可用下式求得普通钢筋面积： 0说明按受力计算不

27、需要配置纵向普通钢筋，现按照构造要求配置。普通钢筋选用HRB335, .由公预规，普通钢筋选用普通钢筋布置在空心板下缘一带（截面受拉边缘）,沿空心板跨长直线布置。钢筋重心至板下缘40mm处,即，见图 4.3.图4。4 普通钢筋布置图5 换算截面几何特性计算由前面计算已知空心板毛截面的几何特性，毛截面面积,毛截面重心轴至1/2板高的距离,毛截面对其重心轴惯性5.1 换算截面面积A0 (51) (5-2) （53)代入得5。2 换算截面重心位置所有钢筋换算截面对毛截面重心的静矩为：换算截面重心至空心板毛截面重心的距离为：（向下移）则换算截面重心至空心板毛截面下缘的距离为:则换算截面重心至空心板毛截

28、面上缘的距离为：换算截面重心至预应力钢筋重心的距离为：换算截面重心至普通钢筋重心的距离为：5.3 换算截面惯性矩5.4 换算截面弹性抵抗矩 下缘： 上缘: 6 承载能力极限状态计算6.1 跨中截面正截面抗弯承载力计算预应力钢绞线合力作用点到截面底边的距离，普通钢筋离截面底边的距离，则预应力钢筋和普通钢筋的合理作用点到截面底边的距离为。采用换算等效工字形截面来计算,上翼缘厚度，上翼缘工作宽度，肋宽b=452mm。首先按公式来判断截面类型：所以属于第一类T型,应按宽度的矩形截面来计算其抗弯承载力。由计算混泥土受压区高度x： （61） 将代入下式计算出跨中截面的抗弯承载力 =计算结果表明，跨中截面抗弯承载力满足要求。 6.2 斜截面抗剪承载力计算6。2.1 截面抗剪强度上.下限复核 选取距支点处截面进行斜截面抗剪承载力计算。截面构造尺寸及配筋见