毕业设计（论文）-30m预应力混凝土简支梁设计.doc

分类号：U442.5+2 密级： 毕业论文（本 科 生） 论文题目（中文） 预应力混凝土简支梁桥设计 论文题目（外文） Prestressed concrete beam bridge design 学 生 姓 名 徐创泽 导师姓名、职称 王亚军 、讲师 学生所属学院 土木工程与力学学院 专 业 土木工程 年 级 2009 兰州大学教务处诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日 期： 关于毕业论文（设计）使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用毕业论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。本人离校后发表、使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。本毕业论文研究内容：可以公开不易公开，已在学位办公室办理保密申请，解密后适用本授权书。（请在以上选项内选择其中一项打“”）论文作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 预应力混凝土简支梁桥设计摘 要 本设计依据所给的设计资料及公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD-2004）与公路桥涵设计通用规范（JTGD-2004）进行了30m简支预应力空心板梁桥的总体布置及上部构造的设计与计算。桥梁标准跨径30m；计算跨径29.26m；预制板长29.96m。桥面宽度为21.7m，结构重要系数1.0，环境条件类，计算收缩徐变时，存梁期为100天。本桥跨横截面采用10根预应力空心板梁。下部结构左岸桥台采用U型重力式桥台，刚性扩大基础；右岸桥台采用肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。关键词：预应力混凝土；简支梁；空心板IPrestressed concrete beam bridge designAbstract This design according to the design data and the highway reinforced concrete and prestressed concrete bridge and culvert design specifications(JTGD - 2004) andhighway bridge design general specification(JTGD - 2004) of 30 m prestressed slabs simply supported bridge overall layout and the upper structure design and calculation. Standard 30 m span Bridges; Calculation span 29.26 m; Precast slab length 29.96 m. Structure of bridge deck width is 21.7 m, important coefficient of 1.0, class environmental conditions, creep, shrinkage of computing to save liang period for 100 days. The bridge across the cross section adopts prestressed slabs was 10. Infrastructure on the left bank abutment adopts U gravity abutment, rigid enlarge basis; The right bank abutment adopts the abutment rib plate, drill hole filling pile foundation. Key words: Prestressed concrete; Simply supported beam; Hollow slabII目 录摘 要IAbstractII引 言11 材料设计21.1 标准及规范21.1.1 标准21.1.2 规范21.2 主要材料21.3 设计要点22 截面尺寸设计32.1 横断面布置图32.2 预制板截面尺寸33 汽车冲击系数、横向分布系数计算53.1 汽车横向分布系数计算53.1.1 跨中横向分布系数53.1.2 支点横向分布系数63.1.3 车道折减系数63.2 汽车荷载冲击系数计算63.2.1 汽车荷载纵向整体冲击系数63.2.2 汽车荷载的局部加载冲击系数64 作用效应组合74.1 作用的标准值74.1.1 永久作用标准值74.1.2 汽车荷载效应标准值84.2 作用效应组合104.2.1 基本组合（用于结构承载能力极限状态设计）104.2.2 作用短期效应组合（用于正常使用极限状态设计）124.2.3 作用长期效应组合（用于正常使用极限状态设计）124.3 截面积和特性计算145 持久状态承载能力极限状态计算165.1 正截面抗弯承载能力165.2 斜截面抗剪承载力验算166 持久状况正常使用极限状态计算196.1 预应力钢束应力损失计算196.1.1 张拉控制应力196.1.2 各项预应力损失196.2 抗裂验算256.2.1 正截面抗裂验算256.2.2 斜截面抗裂计算276.3 挠度验算286.3.1 汽车荷载引起的跨中挠度296.3.2 预制板是否设置预拱值的计算297 持久状态和短暂状况构件应力计算327.1 使用阶段正截面法向应力计算327.1.1 受压区混凝土的最大压应力327.1.2 受拉区预应力钢筋的最大拉应力327.2 使用阶段混凝土主压应力、主拉应力计算337.3 施工阶段应力验算35致 谢37论文（设计）成绩38兰州大学本科生毕业论文 预应力混凝土简支梁桥设计引 言 在漫长的古代和中世纪，从事建筑营造活动的工匠，既是建筑师，又是结构工程师。后来，随着建筑功能的大大增加及结构的复杂化，才出现了建筑师与结构工程师的分工。但是，桥梁就有所不同，直到现在，一位桥梁设计师既是建筑师，又是结构工程师。依笔者之见，究其原因大概有三条：桥梁的功能并不复杂，其建筑设计可由结构工程师代替;桥梁所受荷载较房屋建筑特别大，因而，其造型大多以结构受力合理为重心进行选择，也就是说，桥梁建筑设计与结构设计联系非常紧密;桥梁建筑设计与施工方法紧密相连，而施工方法与结构受力分析息息相关，这是桥梁工程的显著特点之一。当今世界桥梁飞速发展，越来越多的桥梁需要我们去建造，尤其是正在酝酿的跨海峡大桥，其迫切需要超大跨径，于是，人们开始不满足于现有的桥式，而是正积极探索其它崭新的桥式，这就需要对桥梁建筑学进行研究。笔者根据多年桥梁设计的实践经验，结合工程力学原理及建筑美学法则，总结出合理桥式应遵循的若干条规律，初步形成了桥式最优设计理论。11 材料设计1.1 标准及规范1.1.1 标准 跨径：桥梁标准跨径30m；计算跨径29.26m；预制板长29.96 计算荷载：公路-级 桥面宽度：21.7m 结构形式：预应力混凝土空心板 结构重要性系数：1.0 环境条件类，计算收缩徐变时，存梁期为100天1.1.2 规范 公路工程技术标准JTG B01-2003 公路桥梁设计通用规范JTG D60-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004 1.2 主要材料 混凝土：预制板及铰缝为C50、现浇铺装层为C40 预应力钢绞线：采用钢绞线15.2，=1860Mpa， 普通钢筋：采用HRB400 1.3 设计要点 本计算按后张法部分预应力混凝土A类构件设计，偏安全的，桥面板及铺装层混凝土不参与截面组合作用； 预应力张拉控制应力值； 环境平均相对湿度RH=80%； 计算混凝土收缩、徐变引起的预应力损失时传力锚固龄期为7d； 存梁时间为100d。2 截面尺寸设计2.1 横断面布置图（单位：mm）2.2 预制板截面尺寸（单位：cm）表2-1 边、中板毛截面几何特性 板号边板中板几何特性面积抗弯惯性矩截面重心到顶板距离面积抗弯惯性矩截面重心到顶板距离0.13020.05240.3230.13020.05240.3233 汽车冲击系数、横向分布系数计算3.1 汽车横向分布系数计算3.1.1 跨中横向分布系数本桥虽然有100mm现浇桥面整体化混凝土，但基本结构仍是横向铰接受力，因此，汽车荷载横向分布系数按截面10块板铰接计算。由于边中板的抗弯、抗扭刚度稍有差别，为简化计算，参考已有资料，取中板的几何特性，板宽=2.08，计算跨径=29.26，毛截面的面积=0.1302，抗弯惯矩I=0.0524，抗扭惯矩=0.103。计算刚度参数参见桥梁工程高等教育出版社。由附录 铰接板荷载横向分布影响线竖标表，依板块数10，及所计算板号按=0.0149值查取各块板轴线处的影响线求出边板、中板汽车荷载横向分布系数：表3-1 影响线坐标表 影响线坐标10-10.2070.1750.1380.1110.0890.0730.0610.0530.0480.04510-20.1750.1710.1470.1170.0940.0770.0640.0560.0500.04810-30.1390.1470.1490.1300.1050.0860.0710.0600.0550.05310-40.1100.1170.1300.1370.1220.1000.0830.0710.0640.06110-50.0890.0940.1050.1220.1320.1200.1000.0860.0770.073在影响线上布置车轮，相应位置处的竖标总和即为荷载分布系数，边板（对轮重）中板（对轮重） 3.1.2 支点横向分布系数按杠杆法布载分别计算边、中板的横向分布系数。指点界面汽车荷载横向分布系数，因一列车辆的轮距为1.8m，1号、2号两块板上只能布一排汽车轮载，所以支点横向分布系数=0.5。 3.1.3 车道折减系数 双车道车道折减系数为1。3.2 汽车荷载冲击系数计算3.2.1 汽车荷载纵向整体冲击系数剪支板结构基频 通规条文说明4C50混凝土板跨中处单位长度质量 ，其中G一跨中延米结构自重（N/m),g一重力加速度g=9.81（m/） 按照通规第4.3.2条，冲击系数可按下式计算：当时， 3.2.2 汽车荷载的局部加载冲击系数 采用=0.3，4 作用效应组合4.1 作用的标准值4.1.1 永久作用标准值 一期恒载：预制板重力密度取= 26边板 =26*0.1302=3.385中板 =26*0.1302=3.385 二期恒载： 100mmC40混凝土和100mm沥青混凝土铺装重力密度取=24 铰缝混凝土0.1144，重力密度取=25 护栏（单侧）0.35，重力密度取= 25，近似按横向分布系数分配重量，边板取0.207，中板取0.175。边板：=2*24*0.1*2.13+25*0.1144/2+2*25*0.35*0.207=15.28（KN/m）中板：=2*24*0.1*2.18+25*0.1144/2+2*25*0.35*0.175=16.38（KN/m） 端部横隔板及加厚段重量：端部有1.0m的横隔板及加厚段，用于校核的截面受该部分重量增加的影响很小，故仅在支座选型时考虑其压重。单块板一端的压重为20 表4-1 恒载效应标准值计算 截面板号弯矩剪力计算式计算式跨中边板362.261635.2中板362.261752.9边板271.691226.424.76111.77中板271.691314.724.76119.82支点边板49.52223.55中板49.52239.64距支点h(h为梁高)边板66.01298.0044.78202.16中板66.01247.2044.78216.71 4.1.2 汽车荷载效应标准值 公路I级车道荷载计算根据通规第4.3条，公路I级车道荷载均布标准值为=10.5，集中荷载标准值：当计算跨径小于5m时，=180；当计算跨径等于或大于50m时，=360。本例计算跨径为29.26m。计算剪力时，=1.2*277.04=332.45KN 计算跨中，截面荷载效应标准值 两列车布载控制设计，横向折减系数=1，A为内力影响线面积，y为内力影响线竖标值。表4-2 跨中、L/4、支点截面公路I级荷载产生的内力 截面板号荷载横向分布系数弯矩影响线不计冲击力计冲击力剪力影响线不计冲击力计冲击力AyAy跨中边板0.305107.027.32961.251224.637.320.574.1494.45中板0.287904.521152.3669.7688.88边板0.30580.265.49709.90904.428.230.75102.46130.46中板0.287678.37864.2596.36122.76距支点h边板0.3058.670164.79209.948.230198.11252.390.3785.2605.0000.4730.7000.950.45200.9中板0.2878.670163.26207.998.230193.56246.590.3755.2605.0000.4720.7000.950.45300.9支点边板0.3058.230219.29279.250.3966.4000.501中板0.2878.230217.43277.010.3936.4000.501 支点剪力横向分布系数在本端支点处为0.5，处与跨中横向分布系数一致，支点与之间线性变化，为计算方便，采用与影响线面积相应的横向分布系数平均值。 跨中、支点及距支点h截面汽车荷载内力影响线跨中截面1/4截面支点截面距支点h截面4.2 作用效应组合4.2.1 基本组合（用于结构承载能力极限状态设计） 通规4.1.6-1式 1）其中各分项系数的取值如下 结构重要性系数，=1.0； 结构自重分项系数，=1.2； 汽车荷载（含冲击力）的分项系数，=1.4 2）基本组合计算表4-3-1 永久作用的设计值与可变作用设计值组合表（边板）板号作用分类组合计算表达式跨中距支点h支点弯矩剪力弯矩剪力弯矩剪力剪力边板永久作用一期恒载362.260271.6924.7666.0144.7849.52二期恒载1635.201226.4111.77298.00202.16223.551997.501498.1136.53364.01246.94273.072397.001788.7163.84436.81296.32327.68可变作用（计冲击力）1224.694.45904.42130.46209.94252.39279.251714.5132.231226.2182.64293.91353.34390.953222.194.452402.5266.99573.95499.33552.324111.5132.233064.9346.48730.72649.66718.63 表4-3-2 永久作用的设计值与可变作用设计值组合表 （中板）板号作用分类组合计算表达式跨中距支点h支点弯矩剪力弯矩剪力弯矩剪力剪力边板永久作用一期恒载362.260271.6924.7666.0144.7849.52二期恒载1752.901314.7119.82247.20216.71239.642115.201586.4144.58313.21261.49289.162538.301903.7173.50375.85313.78346.99可变作用（计冲击力）1152.488.88864.25122.76207.99246.59277.011613.3124.431209.9171.86291.18345.22387.813267.688.882450.7267.34521.20508.08566.174151.6124.433113.6345.36667.03659.00734.804.2.2 作用短期效应组合（用于正常使用极限状态设计）永久荷载作用为标准值效应与可变作用频遇值效应组合，其效应组合表达式为： 通规4.1.7-1式 式中可变作用效应的频遇值系数，汽车荷载（汽车荷载不计冲击力）=0.7，温度梯度作用=0.8。 4.2.3 作用长期效应组合（用于正常使用极限状态设计） 永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应组合，其效应组合表达式为： 通规4.1.7-2式 式中第j个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.4，温度梯度作用=0.8。 作用长期效应组合设计值，结构抗裂验算时，其中可变作用仅考虑汽车等直接作用于构件的荷载效应。 表4-4 作用短期和长期效应组合计算 作用分类组合计算表达式跨中距支点h支点弯矩剪力弯矩剪力弯矩剪力剪力边板永久作用1997.501498.1136.53364.01246.94273.07可变作用（不计冲击力）961.2574.14709.90102.40164.79198.11219.19672.8751.89496.9371.68115.35138.67153.43384.5029.65283.9640.9665.9179.2487.672670.451.891995.1208.21519.36385.61426.502382.029.651782.1177.49429.92326.18360.74中板中板永久作用2115.201586.4144.58313.21261.49289.16可变作用（不计冲击力）904.5269.76678.3796.36163.26193.56217.43633.1648.83474.8567.45114.28135.49152.20361.8027.90271.3438.5465.3077.4286.972748.448.832061.3212.03427.49396.98441.362477.027.901857.8183.12378.51338.91376.13 4.3 截面积和特性计算 截面预应力筋设置及编号如图： 表4-5 板内截面配筋截面配筋如下表 跨中板号mmmm1/4L板号mmmm边板55601401260边板55601401260中板55601401260中板55601401260距支点h板号mm表中：预应力钢筋截面积；预应力钢筋合力点到受拉边缘的距离；截面有效高度，为承载能力极限状态下的对应参数值。mm边板55603211079中板55603211079 表4-6 换算截面几何特性 板号截面换算截面边板跨中0.16130.05150.50350.7561/4L0.16130.05150.50350.756距支点h0.16130.05030.4750.467中板跨中0.16130.05150.50350.7561/4L0.16130.05150.50350.756距支点h0.16130.05030.4750.467 表4-7 净截面几何特性 板号截面净截面边板跨中0.12070.04940.2491.0111/4L0.12070.04940.2491.011距支点h0.12070.05030.2550.874中板跨中0.12070.04940.2491.0111/4L0.12070.04940.2491.011距支点h0.12070.05030.2550.874 注： 分别为换算截面和净截面中心轴到板顶面距离 预应力钢筋、普通钢筋截面重心到截面重心的距离 净截面面积和抗弯惯矩 换算截面面积和抗弯惯矩、面积矩5 持久状态承载能力极限状态计算5.1 正截面抗弯承载能力荷载基本组合表达式 通规4.1.6-1式受压区高度位于腹板中时，计算中应考虑截面腹板受压作用。其正截面抗弯承载力应符合： 预规5.2.3-2式 预规5.2.3-3式 预应力钢筋采用钢绞线，混凝土标准强度为C50查预规第5.2.1相对界限受压区高度=0.4。 表5-1 截面极限承载能力计算 板号截面配筋x(mm)边板跨中4111.4855601260504153.410397.2满足要求中板跨中3971.5655601260504153.410397.2满足要求5.2 斜截面抗剪承载力验算 5.2.1 验算受弯构件抗剪截面尺寸是否需进行抗剪强度计算计算受弯构件斜截面抗剪承载力时，其计算位置按预规第5.2.6条规定采用距支座中心h/2截面位置，斜截面水平投影长度C=0.6m*h0 ，经试算，斜截面受压端正截面取距支点h位置处的剪力组合设计值和相应的弯矩组合设计值，计算广义剪跨比，剪跨比计算如表5-2所示为： 表5-2 剪跨比计算 板号(m)mC(m)边板730.72649.661.0791.70.85中板667.03659.001.0791.70.85 斜截面顶点距支座中心位置 ，符合假定。受弯构件抗剪截面应符合预规第5.2.9条要求： 预规5.2.9式式中混凝土C50的，b偏安全的取近支点h处肋宽，计算结果如表5-3所示：表5-3板号b（m）边板500.41.0791556.45649.66中板500.321.0791556.45659.00根据预规第5.2.10条，当时可不进行抗剪承载力计算，箍筋按构造配筋。式中混凝土C50的，预应力提高系数。对于板式结构，公式5.2.10右边计算值可乘以1.25的提高系数，计算结果如表5-4所示：表5-4板号b（m）边板1.830.41.0791.25611.90649.66中板1.830.321.0791.25493.64659.00由结果知不满足预规第5.2.10条要求，需进行斜截面抗剪计算，根据预规，斜截面抗剪需满足： 预规5.2.7-1式其中 预规5.2.7-2式 预规5.2.7-3式 预规5.2.7-4式计算如表5-5所示：表5-5板号b(mm)(mm)(mm)P(mm)边板11.251.1400107955601.10503141000.007852801717中板11.251.1320107955601.37503141000.007852801373 计算如表5-6所示：表5-6板号边板280000中板280000 计算如表5-7所示：表5-7板号边板126027803.327809562中板126027803.327809562剪力结果如表5-8所示：表5-8板号边66中66 斜截面抗剪承载力满足预规5.2.7-1要求。6 持久状况正常使用极限状态计算根据预规6.2.1，当计算主梁截面应力和确定钢束控制应力时，应该计算预应力损失值。后张法梁的预应力损失包括前期的预应力损失（摩擦损失、锚具变形损失、混凝土弹性变形损失）和后期损失（钢绞线应力松弛、混凝土收缩徐变引起的损失），而梁內钢束的锚固应力和有效应力分别等于张拉应力扣除相应阶段的预应力损失。6.1 预应力钢束应力损失计算6.1.1 张拉控制应力按预规第6.1.3条，采用钢绞线的张拉控制值：= 0.75*1860 = 1395 Mpa6.1.2 各项预应力损失 1）根据预规第6.2.2后张法构件张拉时，预应力钢筋与管道壁之间的摩擦产生的应力损失，按照下式计算 其中预应力钢筋与管道壁的摩擦系数，取=0.225 k管道每米的局部偏差对摩擦的影响系数，取k=0.0015 表6-1 计算表 述号跨中1/4Lh（距支点）N135.8920.908.65N235.8920.908.65N345.5530.665.37N445.5530.665.37 2）锚具变形及钢筋回缩产生的应力损失由预规6.2.3后张法构件预应力曲线钢筋由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失，应考虑锚固后反相摩擦的影响。反摩擦影响长度： 预规D.0.2-1式 式中张拉端锚具变形、钢筋回缩值（mm），查预规表6.2.3，对于夹片锚具（无顶压时）=6mm；本例为两端张拉，=12mm，1取半。试算后有， 表6-2 计算表 钢束号跨中1/4Lh（距支座）35.890.0024921676.7130.8858.094.4123.945.550.0031719211.5163.1670.4116.7154.3 3）混凝土的弹性压缩引起的应力损失根据预规第6.2.5条，后张法混凝土构件当采用分批张拉时，先张拉的钢筋张拉后批钢筋所引起的混凝土弹性压缩的预应力损失可按下式计算： 式中在计算截面先张拉的钢筋重心处，由后张拉各批钢筋产生的混凝土法向应力（Mpa） 式中 分别为钢束锚固时预加的纵向轴力和弯矩 计算截面上钢束重心到截面重心的距离 预应力钢筋弹性模量与混凝弹性模量的比值 =5.65 本例中采用逐根张拉钢束，预制时张拉N1N4，张拉顺序为N1,N4,N2,N3，计算时从最后张拉的一束逐步向前推进，以边板跨中截面为例：边板中跨截面计算表格 表6-3钢束号N3N2N4N1A=0.1207mA=8.34cmA=6.95 cmI=0.04841my=0.249m=5.65锚固时预加纵向轴力锚固应力1279.21281.91279.21281.9889.01069.1889.01069.11.001.001.001.00889.01069.1889.01069.1889.01958.12847.13916.232.150.332.150.3285.4537.3285.4537.3285.4822.71108.11645.4计算应力损失钢束号N2N4N1-50.332.150.3-3.365.657.48-2.965.4511.51-合计6.3211.9018.99-35.767.2107.2-其它界面照此计算，结果列于下表： 表6-4 计算表 束号边板中板跨中1/4Lh（距支点）跨中1/4Lh（距支点）N1107.2104.653.5107.2104.653.5N235.733.410.235.733.410.2N3000000N467.265.820.767.265.820.7 4）预应力钢筋的松弛引起的应力损失 根据预规第6.2.6-1有： 式中张拉系数，一次张拉取=1； 钢筋松弛系数，本例采用级松弛（低松弛）钢绞线，取=0.3； 传力锚固时的钢筋应力，查预规表6.2.8，对后张法构件， 表6-5 计算表 束号边板中板跨中1/4Lh（距支点）跨中1/4Lh（距支点）N126.424.228.326.424.228.3N235.633.133.835.633.133.8N337.433.231.637.433.231.6N428.624.928.928.624.928.9 5）混凝土收缩和徐变引起的应力损失按预规第6.2.7条计算： 预规6.2.7-1式式中混凝土收缩和徐变系数终极值假定环境年平均相对湿度RH=80%，预应力筋传力锚固龄期为7d，加载龄期为100d。理论厚度 边板 h=175mm 中板 h=175mm查预规表6.2.7直线内插得，中板=0.28 、= 2.22 ；边板=0.27 、= 2.19 。表值对C50及以上混凝土，表列值应乘以 ，式中C50的=32.4Mpa。 计算纵向钢筋截面重心处由预应力产生的混凝土法向压应力，按计算，此时预应力损失，考虑锚固钢筋时（第一批）的损失，根据施工情况考虑自重影响。 表6-6 计算表 板号截面边板跨中362.261254.61792.31.38.710.01/4L271.691249.51785.01.39.410.7距支点h66.01784.71680.31.26.77.7中板跨中362.261254.61792.31.38.710.01/4L271.691249.51785.01.39.410.7距支点h66.01784.71680.31.26.77.7 表6-7 计算表 板号截面（Mpa）边板跨中10.00.0342.7867.01/4L10.70.0342.7870.3距支点h7.70.0341.6973.1中板跨中10.00.0342.7867.01/4L10.70.0342.7870.3距支点h7.70.0341.6973.1 6）各阶段应力损失及有效预应力汇总 表6-8 各阶段应力损失及有效预应力汇总表（单位：MPa） 板号截面钢束号预加应力阶段使用荷载阶段锚固前损失锚固时应力锚固后损失有效预应力边板跨中N135.8958.0107.21193.926.467.01100.5N235.8958.035.71265.435.667.01162.8N345.5570.401279.137.467.01174.7N4