公路桥涵设计规范及设计技术学习总结.doc

公路桥涵设计规范及设计技术学习总结一、 我国公路桥梁设计标准和设计理论的基本演变1. 我国公路桥梁设计标准的演变20世纪50年代：公路工程设计准则 60年代：公路桥梁设计规范（试行）（1961年9月） 70年代：公路桥涵设计规范（1975年） 公路预应力混凝土桥梁设计规范 （1978年） 80年代：公路桥涵设计通用规范JTJ021-85 公路砖石及混凝土桥涵设计规范JTJ022-85 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTJ023-85 公路桥涵钢结构及木结构设计规范JTJ023-86 公路桥涵地基与基础设计规范JTJ024-86 等进入21世纪：公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004 公路圬工桥涵设计规范JTG D61-2005公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004 等2.设计理论的基本演变（1） 容许应力法（构件抗力指标上的代表平均水平） （2） 破损阶段设计法 （定值极限状态设计方法） （荷载强度指标上的同样代表平均水平） （3） 以可靠性理论为基础的概率极限状态设计方法 （显示了结构的可靠程度与拟承担的风险之间的直接关系）标准规范设计理论变化的目的： 寻找更为合理、科学的工程结构安全度、耐久性的评价指标。采用概率极限状态设计方法可明显地体现如下方面的优点： 1 可使工程结构设计规范引入先进的可靠性理论； 2 可更全面地考虑影响结构可靠性诸因素的变异性，使结构设计规范所采用的有关参、系数更趋于反映客观实际，使所设计的结构更趋合理； 3 可变作用按随机过程进行分析，随机过程的时间域可取为结构的设计基准期，从而使结构设计的可靠概率有了一个统一的时间概念； 4 有了具体结构的目标可靠指标，可根据工程结构的不同要求和特点恰当地划分和选择安全等级，以便处理好结构可靠性与经济性之间的矛盾；实用的极限状态设计表达式中的各分项系数，使所设计的同类结构和结构构件在不同的承载情况下具有较佳的可靠度的一致性，使工程结构的极限状态设计方法更加科学、合理； 5 结构的可靠度往往与质量控制联系在一起，为了保证结构设计达到预定的可靠度，可以进一步强调质量控制的重要性，从而使设计规范与施工、验收等标准在结构可靠度上得以互相衔接和配套。二、施加在桥梁上的几种作用及效应组合1.施加在桥涵上的各种作用按照随时间的变化情况可以归纳为永久作用、可变作用和偶然作用。作用分类如下表：编号作用分类作用名称1永久作用结构重力（包括结构附加重力）2预加应力3土的重力4土侧压力5混凝土收缩及徐变作用6水的浮力7基础变位作用8可变作用汽车荷载9汽车冲击力10汽车离心力11汽车引起的土侧压力12人群荷载13汽车制动力14风荷载15流水压力16冰压力17温度（均匀温度和梯度温度作用）18支座摩阻力19偶然作用地震作用20船只或漂流物撞击作用21汽车撞击作用（1）.永久作用采用标准值作为代表值。（2）.可变作用应根据不同的极限状态分别采用标准值、频遇值或准永久值作为代表值。承载能力极限状态设计按弹性计算结构强度时应采用标准值作为可变作用的代表值。正常使用极限状态按短期效应（频遇）组合设计时，应采用频遇值作为可变作用的代表值；按长期效应（准永久）组合设计时，应采用准永久值作为可变作用的代表值。 汽车荷载标准汽车荷载等级（97标准） 新标准汽车超20级、挂车120 -相当于- 公路级 汽车20级、挂车100 -相当于- 公路级 汽车15级、挂车80 汽车10级、履带50公路等级高速公路、一级公路二、三、四级公路汽车荷载等级 公路级公路级二级公路为干线公路且重型车辆多时，其桥涵的设计可采用公路级汽车荷载。四级公路上重型车辆少时，其桥涵设计采用的公路级车道荷载的效应可乘以0.8的折减系数，车辆荷载的效应可乘以0.7的折减系数。标准汽车荷载模式 97标准： 计算荷载（车队荷载） +验算荷载（履带车和挂车）新标准： 车道荷载(均布荷载+集中荷载） +车辆荷载桥涵结构的整体计算采用车道荷载，局部加载、横向桥面板、涵洞、桥台台后汽车引起的土压力和挡土墙上汽车引起的土压力等的计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。车道荷载的均布荷载标准值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于相应影响线中一个最大影响线峰值处。-T梁结构和箱梁结构的横隔梁以及拱桥的横梁等均应采用车辆荷载计算其效应。-取消验算荷载的概念，并不表明同时也允许各类超载超限车辆可以不受限制地在公路上通行。超载、特载车辆在公路上行驶时，仍要对桥涵构造物进行必要的验算，并按有关管理程序取得道路通行证。 设计车道数、横向分布系数的计算、汽车荷载纵向和多车道折减的规定维持97标准的规定。.汽车冲击力汽车的冲击力即为汽车荷载标准值乘以冲击系数。冲击系数的计算采用以结构基频为指标的方法。按结构不同的基频，汽车引起的冲击系数在0.050.45之间变化，其计算方法为当 时，=0.05 当 时，当 时， =0.45 .人群荷载 人群荷载在横向应分布置在人行道的净宽度内，在纵向施加于使结构产生最不利荷载效应的区段内。1 标准值 97标准： 3.5千牛/平方米 新标准： 3.0千牛/平方米2 纵向折减 L=50米： 3.0千牛/平方米 L=150米： 2.5千牛/平方米 L=50150米： 线性内插.风荷载1 基本风压基本风速 基本风压图基本风速图2 定义：离地20m高离地10m高3 风荷载计算： 基本风压阵风风速（时距1-3s） 结果：风荷载比原规范大2-3倍 风荷载分项系数取为1.1影响：高墩桥梁.温度作用温度作用包括均匀温度和梯度温度两种影响，均匀温度的温变导致桥梁纵向长度的变化，当这种变化受到约束时就会引起温度次内力；梯度温度使结构沿高度方向形成非线性的温度变化，导致截面产生自应力，当这种变化受到约束时同样会引起次内力。温度梯度标准 T1（）T2（）混凝土铺装256.750mm沥青混凝土铺装层206.7100mm沥青混凝土铺装层145.5如严格按规范执行，则一半以上的混凝土结构中的梯度温度应力的效应将达到与汽车荷载效应相同的级别，而按以往的规范，温度梯度的影响有限，或故意不考虑。混凝土梁 A=H-100(H400mm) A=300 (H400mm)组合结构 A=300mm.其他作用a.汽车离心力汽车离心力是弯桥横向受力与抗扭设计计算所要考虑的主要因素，弯道桥梁的曲线半径等于或小于250m时，需考虑汽车荷载的离心力作用。离心力标准值为汽车荷载（不计冲击力）标准值乘以离心力系数C。离心力系数按下式计算： C=v2/127Rb.汽车引起的土侧压力汽车引起的土压力采用车辆荷载加载。车辆荷载作用在桥台台背或路堤挡土墙上，将引起台背填土或挡土墙后填土的破坏棱体对桥台或挡土墙的土侧压力，此类土侧压力可按下式换算成等代均布土层厚度h计算 h=G/Bl0rc.汽车制动力汽车制动力作用于桥跨结构上的方向与行车方向一致。汽车制动时，车辆与路面的摩檫系数可达0.5以上，但是刹车常常只限于车队的一部分车辆，所以制动力并不等于摩檫系数乘以全部车辆荷载。一个设计车道上的汽车制动力标准值，为布置在加载长度上计算的总重力的10%，但公路-I级汽车制动力标准值不得小于165KN，公路-级不得小于90KN。d.流水压力和流冰压力流水压力和流冰压力的大小均与桥墩的形状相关，桥墩的迎水（冰）面宜做成圆弧形或尖端形，以减小流水压力和流冰压力。e.支座摩阻力支座摩阻力标准值可按下式计算 F=uW支座摩檫系数支座种类支摩檫系数滚动支座或摆动支座0.05 板式橡胶支座支座与混凝土面接触0.30 支座与钢板接触0.20 聚四氟乙烯板与不锈钢板接触0.06（加硅脂；温度低于-25时为0.078）0.12（不加硅脂；温度低于-25时为0.1560（3）.偶然作用取其标准值为代表值。a.地震作用地震的水平运动是导致结构破坏的主要因素，在抗震验算中，一般主要考虑水平地震作用。抗震设防要求以地震动峰值加速度确定，地震动峰值加速度为0.10g以上地区的公路桥涵，应进行抗震设计。大于或等于0.40g地区的公路桥涵，应进行专门的抗震研究和设计。b.船只或漂流物撞击力 船舶或漂流物与桥梁结构的碰撞过程十分复杂，其与碰撞时的环境因素（风浪、气候、水流等）、船舶特性（船舶类型、船舶尺寸、行进速度、装载情况以及船首、船壳和甲板室的强度和刚度等）、桥梁结构因素（桥梁构件的尺寸、形状、材料、质量和抗力特性等）及驾驶员的反应时间等因素有关，因此，精确确定船舶或漂流物与桥梁的相互作用力十分困难。 根据通航航道的特点及其通行的船舶的特性，我们可以将需要考虑船舶与桥梁相互作用的河流分为内河和通行海轮的河流（包括海湾）两大类。前者的代表船型主要为内河驳船货船队，通行海轮的航道的代表船型为海轮。两者与桥梁结构发生撞击的机理有所区别，结果也大不一样。 （能量守恒和动量守恒）c.汽车撞击作用 汽车撞击力标准值在行驶方向取1000KN，与之垂直方向取500KN，两个方向不同时考虑。对于设有防撞设施的结构构件，可视设施的防撞能力予以折减，但折减不应低于上述取值的1/6。2.作用效应组合 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适用性和耐久性，它们共同反映出设计的基本原则。根据桥涵在施工和使用过程中面临的不同情况，桥涵结构设计分为持久状态、短暂状态和偶然状态三种设计状况。持久状况必须进行承载能力和正常使用两种极限状态设计；短暂状况一般只作承载能力极限状态设计，必要时才做正常使用极限状态设计；偶然状态要求做承载能力极限状态设计，不考虑正常使用极限状态设计。（1）. 按承载能力极限状态设计时的作用效应组合： 基本组合 偶然组合。永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。（2）. 按正常使用极限状态设计时的作用效应组合： 作用短期效应组合 作用长期效应组合 三、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计1. 预应力混凝土结构设计计算的关键点（1）.预应力混凝土构件可根据桥梁使用和所处环境的要求，进行下列构件设计： 1 全预应力混凝土构件。此类构件在作用（或荷载）短期效应组合下控制的正截面的受拉边缘不允许出现拉应力（不得消压）； 2 部分预应力混凝土构件。此类构件在作用（或荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘可出现拉应力：当拉应力加以限制时，为A类预应力混凝土构件；当拉应力超过限值时，为B类预应力混凝土构件。 跨径大于100m桥梁的主要受力构件，不宜进行部分预应力混凝土设计。（2）. 计算内容：1 持久状况承载能力极限状态 （受压区高度系数x限制、正截面和斜截面承载能力） 2 持久状况正常使用极限状态 抗裂（正截面-正应力；斜截面-主拉应力） 裂缝计算 变形（挠度）计算 3 持久状况应力计算（弹性阶段） （法向压应力、钢筋拉应力和斜截面上混凝土的主压应力） -构件强度的补充计算4 短暂状况应力计算（3）.抗裂验算预应力混凝土受弯构件应按下列规定进行正截面和斜截面抗裂验算：1 正截面抗裂应对构件正截面混凝土的拉应力进行验算，并应符合下列要求：1) 全预应力混凝土构件，在作用（或荷载）短期效应组合下 预制构件 分段浇筑或砂浆接缝的纵向分块构件 作用短期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力小于扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力。2) A类预应力混凝土构件，在作用（或荷载）短期效应组合下 但在荷载长期效应组合下作用长期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力小于扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力。2 斜截面抗裂应对构件斜截面混凝土的主拉应力进行验算，并应符合下列要求： 1) 全预应力混凝土构件，在作用（或荷载）短期效应组合下 预制构件 现场浇筑（包括预制拼装）构件 （对工地现浇的全预应力混凝土桥梁，基本目标是将主拉应力控制在1MPa左右。）2) A类和B类预应力混凝土构件，在作用（或荷载）短期效应组合下 预制构件 现场浇筑（包括预制拼装）构件 近年来大量修建的T形截面预应力混凝土预制梁，并未发现有规律的斜裂缝。因此，这些构件的主拉应力限值仍可维持较高的水平。 2.材料混凝土标准试件尺寸由原规范以边长为200mm的立方体改为以边长为150mm的立方体。其标准值前者称为“混凝土标号”,保证率为85%；后者称为“混凝土强度等级，保证率为95%。表明在同一批混凝土中，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004混凝土强度标准值比原规范的低（C2830号）。所以作这样的变化，目的在于与国际标准接轨，也与国内规范统一。此外，混凝土强度等级增加到C80，C50以下为普通强度混凝土，C50及以上为高强度混凝土。 材料分项系数： 新规范 1.45（国标1.4） 旧规范 约1.5 （设计强度为标准强度的0.83，安全系数为1.25） 预应力混凝土构件： 新规范 不小于C40旧规范 不小于30号3. 翼缘有效宽度（1）.预应力混凝土梁在计算预加力引起的混凝土应力时，预加力作为轴向力产生的应力可按实际翼缘全宽计算；由预加力偏心引起的弯矩产生的应力可按翼缘有效宽度计算。 -正常使用极限状态对超静定结构进行作用（或荷载）效应分析时，T形、箱形截面梁的翼缘宽度可取实际全宽。 -承载能力极限状态（2）.T形及箱形截面梁受压翼缘有效宽度的应用T形截面梁受压翼缘的有效宽度 T形截面梁承受荷载产生弯曲变形时，在翼缘宽度方向纵向压应力的分布是不均匀的，离腹板越远压应力越小。在实际工程中，对现浇的T形梁有时翼缘很宽，考虑到远离腹板处翼缘的压应力很小，故在设计中把翼缘的工作宽度限制在一定范围内，一般称为翼缘的有效宽度bf，并假定在bf范围内压应力是均匀分布的。应该指出，上面给出的T形梁和箱梁的翼缘有效宽度，都是针对受弯工作状态得出，对于承受轴力的构件是不适用的。为此公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004又进一步明确规定：预应力混凝土梁在计算预加力引起的混凝土应力时，预加力作为轴向力产生的应力可按翼缘全宽计算；由预加力偏心引起的弯矩产生的应力可按翼缘有效宽度计算。对超静定结构进行作用（或荷载）效应分析时，梁的翼缘宽度可取全宽。4. 抗剪承载能力计算（1）.受弯构件斜截面抗剪强度计算，将原两项和（混凝土和箍筋分别抗剪）公式改为两项积（混凝土和箍筋共同抗剪）公式，以便与钢筋混凝土的计算公式统一：a.考虑纵向钢筋的抗剪作用但适当降低，将公式中的(2+p)改为（2+0.6p）； b.采用提高系数考虑梁受压翼缘对抗剪承载力的有利因素； c. 增加了连续梁正负弯矩区段的抗剪计算规定； d.考虑预应力对抗剪承载力的提高，按原苏联建筑法规取1.25; e.考虑了竖向预应力钢筋应力不均匀分布影响系数0.75 。（2）. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）5.2.11规定了钢筋混凝土简支梁、等高度和变高度（承托）连续梁的抗剪配筋设计方法。基本思路与原规范相同。但在梁的最大设计剪力分配上，对原规范作了修改。原规范规定混凝土和箍筋共同承担最大设计剪力的60%，弯起钢筋则承担40%；公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004改为前者承担不少于60%，后者承担不超过40%。 钢筋混凝土梁的斜截面剪切破坏主要模式：斜拉破坏、剪压破坏、斜压破坏矩形、T形和I形截面的受弯构件，其抗剪截面应符合下列要求：对变高度（承托）连续梁，除验算近边支点梁段的截面尺寸外，尚应验算截面急剧变化处的截面尺寸。 -抗剪上限值矩形、T形和I形截面的受弯构件，当符合下列条件时可不进行斜截面抗剪承载力的验算，仅需按本规范第9.3.13条构造要求配置箍筋。 -抗剪下限值5.最小配筋率钢筋混凝土构件中纵向受力钢筋的最小配筋百分率应符合下列要求： 1 轴心受压构件、偏心受压构件全部纵向钢筋的配筋百分率不应小于0.5，当混凝土强度等级C50及以上时不应小于0.6； 2 受弯构件、偏心受拉构件及轴心受拉构件的一侧受拉钢筋的配筋百分率不应小于45倍混凝土抗拉强度设计值/钢筋抗拉强度设计值，同时不应小于0.20。 3 预应力混凝土受弯构件最小配筋率应满足受弯构件正截面抗弯承载力设计值大于等于受弯构件正截面开裂弯矩值。4 部分预应力混凝土受弯构件中普通受拉钢筋的截面面积，不宜小于 0.003bh0。6.受压区界限系数受弯构件的纵向受拉钢筋和截面受压区混凝土同时达到其强度设计值时，构件的正截面相对界限受压区高度（为纵向受拉钢筋和受压区混凝土同时达到其强度设计值时的受压区高度）应按表5.2.1采用。 表5.2.1 相对界限受压区高度 混凝土强度等级 钢筋种类C50及以下C55 C66C65 C70C75 C80R2350.62 0.60 0.58 HRB3350.56 0.54 0.52 HRB400、KL4000.53 0.51 0.49 钢绞线、钢丝0.40 0.38 0.36 0.35 精扎螺纹钢筋0.40 0.38 0.36 截面受压区高度应符合下列要求：为防止受弯构件的超筋设计，规范规定了截面受压区高度的限制条件，其中相对界限受压区高度，通过计算已于公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004表5.2.1中列出。当给定钢筋种类和混凝土强度等级，根据可求得相应的受拉钢筋配筋率，这个即为受弯构件界限（最大）配筋率。因此，截面受压区高度的限制条件也就是限制受弯构件的配筋率。超过这个限制条件，受弯构件有可能出现超筋，也有可能出现脆性破坏。一般地说，当设计计算的受压区高度不能满足上述要求时，表明受拉区纵向钢筋配置过多或构件高度不足，需要进行调整；当构件受拉区配置不同种类钢筋时，应选用相应于各种钢筋较小的，以使构件维持更多的延性。但是，这个限制条件只是从理论上得到保证，当接近或相等时，受弯构件仍有可能发生具有明显脆性破坏特征的界限破坏。因此，在实际工程中应尽量避免出现两者接近或相等的情况。（适筋梁与超筋梁的界限） -连续刚构桥的设计7.裂缝宽度验算裂缝宽度限值规定与原规范基本持平，但实际因混凝土保护层厚度增加，要求严了。 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004所列矩形、T形和I形截面钢筋混凝土构件的裂缝宽度计算公式，将原规范受弯构件的计算公式，扩展用于轴心受拉、偏心受拉和大偏心受压构件；同时也用于预应力混凝土受弯构件，只是此时式中的钢筋应力取用截面消压后钢筋的应力增量，统一了原规范钢筋混凝土与预应力混凝土受弯构件的计算模式。 矩形、T形和I形截面钢筋混凝土构件及B类预应力混凝土受弯构件，其特征裂缝宽度可按下列公式计算： 8.构造配筋预应力混凝土梁当设置竖向预应力钢筋时，其纵向间距宜为5001000mm。 预应力混凝土T形、I形截面梁和箱形截面梁腹板内应分别设置直径不小于10mm和12mm的箍筋，且应采用带肋钢筋，间距不应大于250mm；自支座中心起长度不小于一倍梁高范围内，应采用闭合式箍筋，间距不应大于100mm。在T形、I形截面梁下部的马蹄内，应另设直径不小于8mm的闭合式箍筋，间距不应大于200mm。此外，马蹄内尚应设直径不小于12mm的定位钢筋。（标准提高了）预制构件的吊环必须采用R235钢筋制作，严禁使用冷加工钢筋。每个吊环按两肢截面计算，在构件自重标准值作用下，吊环的拉应力不应大于50MPa。当一个构件设有四个吊环时，设计时仅考虑三个吊环同时发挥作用。吊环埋入混凝土的深度不应小于35倍吊环直径，端部应做成180弯钩，且应与构件内钢筋焊接或绑扎。吊环内直径不应小于三倍钢筋直径，且不应小于60mm。四、混凝土结构耐久性设计 1.混凝土结构损伤与耐久性环境作用引起的混凝土结构换损伤包括: 混凝土的碳化 氯离子的侵蚀 碱骨料反应 冻融循环破坏 钢筋腐蚀 从短期效果而言，这些问题影响结构的外观和使用功能；从长远看，则会降低结构安全度，成为发生事故的隐患，影响结构的使用寿命。（1）.混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳和其它酸性气体发生化学反应的过程。一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀，起到了“钝化”保护作用。碳化的实质是混凝土的中性化，使混凝土的碱性降低，钝化膜破坏，在水分和其它有害介质侵入的情况下，钢筋就会发生锈蚀。 （2）.氯离子的侵蚀 氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的。海水是氯离子的主要来源，北方寒冷地区向道路、桥面洒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中。氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀，氯离子是一种极强的去钝化剂，氯离子进入混凝土，到达钢筋表面，并吸附于局部钝化膜处时，可使该处的PH值迅速降低，破坏钢筋表面的钝化膜，引起钢筋腐蚀。 氯离子侵蚀引起的钢筋腐蚀是威胁混凝土结构耐久性的最主要和最普遍的病害，造成了巨大的损失，应引起设计、施工及养护管理部门的重视。 （3）.碱骨料反应 碱骨料反应一般指水泥中的碱和骨料中的活性硅发生反应，生成碱硅酸盐凝胶，并吸水产生膨胀压力，造成混凝土开裂。碱骨料反应引起的混凝土结构破坏程度，比其他耐久性破坏发展更快，后果更为严重。碱骨料反应一旦发生，很难加以控制，一般不到两年就会使结构出现明显开裂，所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的“癌症”。对付碱骨料反应重在预防，因为混凝土结构一旦发生碱骨料反应破坏，目前还没有更可靠的修补措施。防止混凝土碱骨料反应的主要措施是：选用含碱量低的水泥；不使用碱活性大的骨料；选用不含碱或含碱低的化学外加剂；通过各种措施，控制混凝土的总含碱量不大于3kg/m3。（4）.冻融循环破坏