钢混凝土组合梁结构计算.docx

1、钢混凝土组合梁结构计算钢混凝土组合梁结构计算书编 制 单 位： 计 算：复 核：审 查：2009年3月钢混凝土组合梁结构计算1. 设计资料钢混凝土组合梁桥，桥长m，桥面宽；钢主梁高m(梁端高)，桥面板厚；钢材采用Q345D级，桥面板采用C50混凝土；车辆荷载采用公路-I级车道荷载计算。图 1 横向布置 (cm)图 2 桥梁立面 (cm)表 1 材料力学指标表材 料弹性模量Ec(MPa)剪切模量(MPa)泊松比轴心抗压强度标准值fck(MPa)轴心抗压强度设计值fcd(MPa)容许压应力(MPa)线膨胀系数容重(kN/m3)C50混凝土3450013800表 2材料力学指标表材 料弹性模量Es(

2、MPa)剪切模量G(MPa)泊松比1635mm厚钢材屈服点强度fy(MPa)抗拉、抗压和抗弯强度设计值f(MPa)弯曲基本容许应力(MPa)剪切基本容许应力(MPa)线膨胀系数容重(kN/m3)Q345D钢材20600079000325295210120钢主梁沿纵向分3个制作段加工，节段长度为13.6+13.64+，边段与中段主要结构尺寸图 3见下表，其余尺寸详见设计图纸表 3 钢主梁主要尺寸表梁高H(mm)下翼板下翼板腹板厚tw(mm)宽(mm)厚tf1(mm)宽(mm)厚tf2(mm)边制作段16004001820842424中制作段16004001820843224图 3 钢梁标准构造

3、(mm)2. 计算方法2.1 标准标准现行钢结构设计标准(GB 50017-2003)第11章钢与混凝土组合梁针对不直接承受动力荷载的一般简支组合梁及连续组合梁而确定，对于直接承受动力荷载的组合梁，则应采用弹性分析法计算。铁路桥梁钢结构设计标准(TB 10002.2-2005)第条也规定：结构构件的内力应按弹性受力阶段确定。尽管弹性分析法(容许应力法)不能充分组合梁的承载能力极限状态，但对于承受动力荷载的桥梁钢结构的强度计算是基本符合结构的实际受力状况的。 计算依据： 1.钢结构设计标准(GB 50017-2003) 2.铁路桥梁钢结构设计标准(TB 10002.2-2005) 3.公路钢筋混

4、凝土及预应力混凝土桥涵设计标准(JTG D62-2004)4.钢混凝土组合梁设计原理(第二版).朱聘儒.北京:中国建筑工业出版社,20065.公路桥涵钢结构及木结构设计标准(JTJ 025-86)2.2 换算原理根据总力不变及应变相同的等效条件，将混凝土翼板换算成与钢等效的换算截面；换算过程中要求混凝土翼板截面形心在换算前后保持不变，翼板面积换算转化为翼板宽度的换算。公路桥涵钢结构及木结构设计标准(JTJ 025-86)第条，组合梁混凝土桥面板有效计算宽度be取两梁轴线间的距离，即be=材料弹性模量比，则等效换算宽度beq971=。图 4 换算原理 (cm)结构计算软件Midas分析时，徐变及

5、收缩效应采用换算弹性模量法计算，徐变长期：n1=n(1+t/2)= (1+2/2)=，收缩：n2=n(1+t/2)= (1+4/2)=；徐变系数t在计算徐变及收缩时分别取2及4。2.3 计算方法计算采用手工结合软件两种方式计算，其中初步计算时采用手工计算，施工阶段未布设临时支撑；Midas有限元软件建模时，在被交主路吐乌大中央分隔带位置设置临时支撑。3. 不设临时支撑_计算结果 施工阶段两端简支，不设临时支撑计算过程附后 图 5 计算简图 不设临时支撑图 6 强度验算位置3.1 组合梁法向应力及剪应力结果表 4 截面正应力荷 载钢梁应力(MPa)混凝土应力(MPa)C50混凝土轴心抗压(Mpa

6、)C50混凝土容许压应力(Mpa)Q345D钢材弯曲应力基本容许应力(Mpa)suslcucl(1)一期恒载(钢梁自重+桥面板砼湿重)-207.652 105.889 -210(2)二期恒载(铺装)-4.635 8.849 -0.635 -0.423 (3)活载-11.219 42.246 -3.838 -0.544 (4)温差(钢梁高10)-10.968 1.657 -0.784 1.613 (5)温差(钢梁低10)10.968 -1.657 0.784 -1.613 (6)混凝土收缩7.022 -1.694 0.801 -1.649 注：1.公路桥涵钢结构及木结构设计标准(JTJ 025-

7、86第条：联合梁的钢筋混凝土桥面板的容许压应力为0.63fck，fck为混凝土轴心抗压标准强度。2.容许应力提高系数，参考铁路桥梁钢结构设计标准(TB 10002.2-2005)第表 5 剪应力荷 载钢梁应力(MPa)混凝土应力(MPa)Q345D钢材剪应力基本容许应力(Mpa)C50抗拉强度设计值ftd(Mpa)td(Mpa)suslcucl(1)一期恒载(钢梁自重+桥面板砼湿重)2.762 3.241 -1201.098 (2)二期恒载(铺装)0.326 0.215 -0.007 (3)活载1.859 1.126 -0.047 注：1.钢材容许应力提高系数，参考铁路桥梁钢结构设计标准(TB

8、 10002.2-2005)第2.桥面板混凝土剪应力容许值参照钢混凝土组合梁设计原理(第二版).朱聘儒 第四章建议取值c=0.6ftd 且在任何情况下fcd为混凝土轴心抗压强度设计值3.2 施工阶段钢梁竖向挠度结果施工阶段在混凝土未到达设计强度之前，桥面板只能作为湿重荷载，此阶段仅有钢梁作为承重构件l=cm3.3 结论初步计算结果说明，由于施工阶段及成桥后截面刚度存在差异，Ieq/Is=/倍换算截面惯性矩/钢梁净截面惯性矩表 6 钢梁与组合梁截面特性比照惯性矩I(m4)y(m)抗弯模量(m3)y上y下W上W下钢梁0.02721132 1.06 0.54 0.025680 0.050359 组合

9、梁0.09844054 0.69 1.26 0.143553 0.077864 提高(%)361.76%-559.01%154.62%施工阶段桥面板未参与共同受力，因此该阶段钢梁截面应力及挠度值均很大，可采取两种方式解决：方案一，增大钢梁截面刚度，其中加大梁高是增加截面惯性矩的一种非常有效方式；然而钢梁作为薄壁构件，梁高过大容易造成结构失稳。方案二，施工时，在被交线吐乌大中央分隔带附近设置临时竖向支撑，该方式在施工阶段可以非常有效地减小主梁跨度，减小截面内力弯矩、剪力，从而相应减小施工阶段钢梁截面应力。综上述，推荐在施工阶段设置临时竖向支承的方案。3.4 计算过程附件详细计算过程，见附件。4.

10、1 有限于建模有限元数值分析采用Midas商业结构计算软件，在被交线吐乌大中央分隔带附近位置设临时支撑，利用施工阶段联合截面的功能建模。图 7计算简图 施工阶段设置临时支架模型沿桥纵向共划分为84个单元，施工阶段联合截面输入时，混凝土桥面板厚度取用平均厚度32cm，板托厚度假定3cm，保证组合截面梁高不变图 8 单元划分图 9 组合截面图 10 组合截面特性4.2 施工及使用阶段结构内力图 11梁单元局部坐标系中内力(或应力)正负号的约定 施工阶段结构内力图 12施工阶段恒载弯矩图 (kN.m)图 13施工阶段恒载剪力图 (kN)表 7 施工阶段钢主梁截面弯矩截面位置荷载阶段弯矩My(kN.m

11、)支点恒荷载CS1浇注桥面板砼1/8恒荷载CS1浇注桥面板砼1/4恒荷载CS1浇注桥面板砼3/8恒荷载CS1浇注桥面板砼临时支承恒荷载CS1浇注桥面板砼1/2恒荷载CS1浇注桥面板砼5/8恒荷载CS1浇注桥面板砼3/4恒荷载CS1浇注桥面板砼7/8恒荷载CS1浇注桥面板砼支点恒荷载CS1浇注桥面板砼注：支点截面距梁端 使用阶段结构内力图 14 成桥阶段恒载弯矩图 (kN.m)图 15成桥阶段恒载剪力图 (kN)表 8 使用阶段组合梁截面内力截面荷载阶段轴向 (kN)弯矩My(kN.m)支点恒荷载CS4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板1/8恒荷载CS4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板1/4恒荷载CS

12、4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板3/8恒荷载CS4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板临时支承恒荷载CS4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板1/2恒荷载CS4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板5/8恒荷载CS4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板3/4恒荷载CS4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板7/8恒荷载CS4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板支点恒荷载CS4成桥钢梁恒荷载CS4成桥桥面板图 16 活载弯矩图 (kN.m)表 9 车辆荷载作用截面弯矩最大值单元荷载剪力Qz(kN)弯矩My(kN.m)支点车辆荷载001/8车辆荷载1/4车辆荷载3/8车辆荷载临时支承车辆荷载1/2车辆荷载5/8车辆荷载3/4车辆荷载7/

13、8车辆荷载支点车辆荷载0注：上表剪力值为弯矩最大时同时发生的内力值图 17 活载剪力图 (kN)表 10车辆荷载作用截面剪力最大值单元荷载剪力Qz(kN)弯矩My(kN.m)支点车辆荷载1/8车辆荷载1/4车辆荷载3/8车辆荷载临时支承车辆荷载1/2车辆荷载5/8车辆荷载3/4车辆荷载7/8车辆荷载支点车辆荷载注：上表弯矩值为剪力最大时同时发生的内力值4.3 组合梁截面应力 截面应力汇总表 11 截面应力截面构件一期恒载二期恒载活载徐变收缩温差(钢梁高10)温差(钢梁低10)上(MPa)下(MPa)上(MPa)下(MPa)上(MPa)下(MPa)上(MPa)下(MPa)上(MPa)下(MPa)

14、上(MPa)下(MPa)上(MPa)下(MPa)支点钢梁桥面板1/8钢梁桥面板1/4钢梁桥面板3/8钢梁桥面板临时支承钢梁桥面板1/2钢梁桥面板5/8钢梁桥面板3/4钢梁桥面板7/8钢梁桥面板支点钢梁桥面板 截面应力组合表 12截面应力组合截面构件组合组合组合组合上(MPa)下(MPa)上(MPa)下(MPa)上(MPa)下(MPa)上(MPa)下(MPa)支点钢梁桥面板1/8钢梁桥面板1/4钢梁桥面板3/8钢梁桥面板临时支承钢梁桥面板1/2钢梁桥面板5/8钢梁桥面板3/4钢梁桥面板7/8钢梁桥面板支点钢梁桥面板注：组合：恒载活载 组合：恒载活载徐变收缩 组合：恒载活载徐变收缩温差10 组合：恒载活载徐变收缩温差-10 恒载作用竖向挠度 施工阶段竖向挠度l=cm 使用阶段恒载作用竖向挠度拆除临时支承后，组合梁恒载竖向挠度l=4.5 结论施工阶段恒载应力在组合梁各阶段应力当中占很大比例，设置临时支承可明显减小该阶段产生的应力。因此，有必要在施工时合理协调被交主路吐乌大车辆交通，尽可能多地设置临时支承。