毕业设计计算书_to.pdf

长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 1 页 1 设计基本资料 1 1 设计资料 1 1 1 设计标准 1 桥梁布置 4 25m 施工方法为移动支架现浇施工 2 荷载等级 公路 级 3 设计速度 80 公里 小时 4 桥面宽度 桥梁宽度 0 5m 防撞护栏 1 5 人行道 15 行车道 1 5m 人 行道 0 5m 防撞护栏 19m 桥面横坡 双向 2 结构重要性系数 1 1 5 地震烈度 基本烈度为六级 桥梁设计按七级设防 6 设计最大风速 11 7m s 7 温度 本桥区最高气温为 32 5 度 最低气温为 5 8 度 年平均气温 16 4 度 设计合拢温度 10 20 度 1 1 2 桥梁线形设计 平曲线半径 无平曲线 竖曲线半径 无竖曲线 桥面纵坡为 3 1 1 3 主要材料 1 混凝土 板梁 墩身 支座垫石的混凝土采用 C50 混凝土 混凝土弹 性计算模量 E 3 5 104Mpa 防撞护栏采用 C30 混凝土 2 预应力钢材 预应力锚具的技术标准必须符合国标 预应力筋用锚具 夹具和联结器 GB T14370 1993 产品均须抽样检测 检验标准应符合国标 及国际预应力协会 后张法预应力体系验收和应用建议 FIB 1991 要求 预 应力钢绞线采用 15 2 低松驰预应力钢绞线 其抗拉标准强度MPaRb y 1860 弹 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 2 页 性模量 Ey 1 9 105 MPa 技术标准必须符合 GB T5224 1995 3 普通钢筋 普通钢筋必须符合 GB1499 98 和 GB13013 91 标准的 规定 其中钢筋直径 D 12mm 全部采用 级钢筋 抗拉标准强度 b g R 340MPa 钢筋直径 D 12mm 全部采用 级钢筋 抗拉标准强度 b g R 240MPa 4 预应力锚具 所使用的预应力锚具可采用 HVM 或 OVM 符合国家 GB T14370 2000D 预应力筋用锚具 夹具和连接器 的锚具及其相应的配套设 备 施工时可采用其他厂家的产品 且外形尺寸与 OVM 锚具相同 5 预应力管道 纵向预应力钢束管道采用 SBG 塑料波纹管 横向预应力 钢束管道则采用镀锌金属波纹管 竖向预应力管道采用镀锌金属波纹管 6 伸缩缝及支座 伸缩缝及支座都必须符合国家有关标准 并要求伸缩 缝供货商在边跨现浇段施工时提供图纸 以便进行调整 1 1 4 采用规范 1 公路工程技术标准 JTJ001 88 2 公路桥涵设计通用规范 JTG D60 2004 3 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D60 2004 4 公路桥涵地基与基础设计规范 JTJ024 85 5 公路砖石及混凝土桥涵设计规范 JTG D61 2005 6 公路桥涵施工技术规范 JTG041 89 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 3 页 2 方案设计与比选 2 1 工程概况 本桥全长 100 可采用梁桥 拱桥 斜拉桥 悬索桥 但是由于桥位置处在 市内 考虑经济适用以及合理性等方面的原因 梁桥是最合适的选择 梁桥结构 简单 施工方便 对地基的承载能力也不是很高 而连续梁桥以其结构刚度大 变形小 伸缩缝少和行车平稳舒适等突出优点而得到了迅速发展 所以在近年来 的中小跨径桥型设计中 连续梁桥备受欢迎 2 2 方案设计 通过查阅大量资料 综合各方因素 初步拟定如下三个方案 1 4 25m 四跨预应力混凝土空心板梁桥方案 板桥在建成后再外形上像 一块薄板 并且它的建筑高度小 使用于桥下净空受限制的桥梁 它外形简单 制作方便 既便于现场的整体浇筑又便于工厂成批生产 板桥构件质量小 架设 方便 图 2 1 方案一桥跨立面图 高程单位 m 其它单位 cm 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 4 页 图 2 2 方案一主梁截面图 单位尺寸 cm 2 4 25m 四跨预应力混凝土 T 梁桥方案 此桥型因其建设速度快 工期 短 模板支架少等优点 在桥梁发展史上得到了广泛的应用 是国内外高等级公 路上常见的桥型 T 形截面的主梁形式受力明确 构造简单 等跨布置使得大规 模的预置成为可能 减少了模板的费用及施工难度 从而直接降低了工程造价 同时 预应力的发展及 T 梁桥设计施工技术以及后期病害防治技术的成熟 让桥 梁的耐久性得到了保证 另外 先简支后连续的体系转换在施工上相对易于完成 同时也提供了行车的舒适性 而相对于简支梁来说 减小了跨中弯矩 提高了结 构的承载能力 减少了梁部的伸缩缝 并控制桥面横向裂缝额的产生 相对于传 统意义上的连续梁桥而言 却拥有地基要求不苛刻的优势 因此先简支后连续梁 桥是一种经济合理的具有较强竞争力的好桥型 兼备了简支体系及连续体系的优 点 下图为此方案桥型布置图及主梁截面图 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 5 页 图2 3 方案二桥跨立面图 高程单位 m 其它单位 cm 图 2 4 方案二主梁截面图 单位尺寸 cm 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 6 页 3 3 35m三跨预应力混凝土等截面连续梁桥 全桥连续 只有在桥台两端 各设一伸缩缝 有助于行车舒适 由于支点负弯矩的存在 使跨中正弯矩值明显 减少 从而减少材料用量及结构自重 降低成本 其内力状态比较均匀合理 整 体性好 刚度较大 抗震能力强 当采用移动模架法施工时 不妨碍桥下通航 通车 且模架可重复利用 建桥周期短 而且主梁的线条简洁 与周围环境协调 较好 桥型美观 下图为此方案桥型布置图及主梁截面图 图 2 5 方案三桥型布置立面 高程单位 m 其它单位 cm 图 2 6 方案三主梁截面 单位尺寸 cm 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 7 页 2 3 方案比较 如上桥型设计方案 均满足设计要求 现分别从经济 适用 美观 耐用 施工等方面进行比较 结果见下表 表 2 3 1 方案比较表 方案序方案一方案二方案三 桥型预应力空心板梁桥预应力混凝土简支 T 梁桥预应力等截面连续箱梁桥 孔径布置4 25m4 25m3 35m 实用性 1 受力明确 结 构构造简单设计 施 工技术成熟 变形小 跨径较小 模板支架 少 2 施工方便 空 心截面自重减少 充 分利用了材料 3 全桥伸缩缝较 少 1 受力明确 结构构造简 单设计 施工技术成熟 变 形小 跨径较小 模板支架 少 2 施工方便 采用预制 方案 大量节省支架模板 工期短 且不受季节性影响 3 全桥伸缩缝较多 1 全桥连续 行车舒 适 整体性好 利于抗震 2 全桥只在两岸桥台处 各有一伸缩缝 3 由于支点负弯矩的 存在 使跨中正弯矩值明显 减少 从而减少材料用量及 结构自重 安全性 1 全 桥 跨 度 适 中 质量可靠 2 自重轻 减轻 了主体竖向构件的荷 载和地基基础荷载 3 施 工 技 术 娴 熟 建设过程安全性 1 全桥跨度适中 预制 T 梁 质量可靠 2 整体性较差 结构刚 度小 抗风抗震能力相对较 弱 桥墩对地基要求较低 对地形的适应性很强 3 后期营运养护费用 1 采用移动模架法 施工 施工技术成熟 且 不需要支架 模版可重复 利用 2 行车平顺舒适 3 3 后期运行成本和 维护成本要高 在使用和 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 8 页 分析结论 通过对比 从受力分析 安全适用 经济美观环保的角度综合考 虑 方案一 预应力混凝土空心板梁桥为最佳推荐方案 此方案 采用预应力混 凝土空心板 结构简单 节省材料 经济合理 并且采用移动支架施工方法 施 工方便 周期短 而且桥型流畅美观 高 后期运行和维修 比较方便 较高 我们在后期的工作比 较麻烦 后期的工作比较麻烦 检 查也要频繁仔细 经济性造价低造价较高造价最高 美观性 跨径一般 线条 明晰 但比较单调 主梁线条简洁 与周 围环境协调较好 桥型美 观 主梁线性流畅 与周 围环境协调好 桥型美观 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 9 页 3 截面尺寸拟定 3 1 设计特点及受力特点 3 1 1 设计特点 本桥上部结构为四跨等截面预应力混凝土空心板连续梁桥 采用移动支架现 浇的方法施工 预应力混凝土连续梁桥采用移动支架现浇法不需要在施工中进行 体系转换 易于操作 且便于软件对其施工过程进行模拟 因其结构体系相对简 单 模拟过程精确度较高 但由于预应力束的布置根据施工方法宜选择通束 且 其布置在纵桥向各截面不一 同时 考虑桥梁的墩台沉降 温度变化 收缩徐变 等因素对桥梁受力的影响 其受力变得相当复杂 故设计时必须借助计算机辅助 计算才能完成 本设计采用 MIDAS CIVIL 软件进行计算 3 1 2 受力特点 本桥上部结构为四跨等截面预应力混凝土连续梁桥 采用移动支架现浇的方 法施工 预应力混凝土连续梁桥采用移动支架现浇法不需要在施工中进行体系转 换 易于操作 且便于软件对其施工过程进行模拟 因其结构体系相对简单 模 拟过程精确度较高 但由于预应力束的布置根据施工方法宜选择通束 且其布置 在纵桥向各截面不一 同时 考虑桥梁的墩台沉降 温度变化 收缩徐变等因素 对桥梁受力的影响 其受力变得相当复杂 故设计时必须借助计算机辅助计算才 能完成 本设计采用 MIDAS CIVIL 软件进行计算 3 2 结构尺寸拟定 3 2 1 主梁箱梁构造 主梁采用等截整体式空心板梁 梁高为 1 2m 该桥为 4 25m 预应力连续梁 桥 施工方法为移动支架法 全桥无伸缩缝装置 主梁立面一般构造图详见附图 计算跨径均为 25m 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 10 页 3 3 毛截面几何特性计算 结构内力 配筋及变形计算需要依靠截面的几何特征 本设计采用 MIDAS 软件 数据输入如下图 3 2 所示 得到主梁截面几何特性如下表 3 1 所示 表 3 1 主梁截面的毛截面几何特征 节点号截面高度 m 截面面积 m2 截面抗弯惯距 m4 截面中性轴高度 m 1 1011 215 658521 28860 5379 主梁截面尺寸 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 11 页 图 3 2MIDAS截面特性值窗口 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 12 页 4 主梁作用效应计算 4 1 结构自重作用效应计算 4 1 1 结构单元划分 结构自重效应应采用 MIDAS 计算 单元的划分应尽量考虑关键截面 全桥 一共划分为 101 个节点和 100 个单元 如下图所示 其中支点节点从左至右分别 为 1 26 51 76 101 图 4 1 MIDAS 单元划分图 4 1 2 施工阶段的模拟 1 施工方法 只考虑移动支架现浇施工 具体的施工周期应按施工时间确定 一般 第一 阶段浇筑第一跨混凝土与第二跨 1 5 的混凝土并张拉预应力束 时间取 20 天 第二阶段浇筑余下第二跨的混凝土与第三跨 1 5 的混凝土并张拉预应力束 时间 仍取 20 天 第三阶段浇筑第 3 跨混凝土和第四跨 1 5 并张拉预应力束 时间还 是 20 天 第四阶段浇筑剩下的第四跨 时间为 20 天 第五阶段为规范 10 年的 徐变时间 在这 10 年之内浇筑沥青铺装 人行道以及防撞栏杆 MIDAS 施工过 程输入窗口见图 4 2 图 4 4 2 施工阶段过程 1 由于采用移动支架施工 施工相对简单 混凝土达到 0 8 倍强度即可进 行预应力束的张拉 2 施加二期恒载 采用均布恒载的形式施加 大小为 43 5kN m 其中 二期恒载的计算为 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 13 页 拟采用 10cm 沥青混凝土 C40 混凝土防撞栏杆 截面横坡为人字坡 两侧 各 2 C40 混凝土重度为 25 kN m3 沥青混凝土重度为 24kN m3 故 防撞栏杆重 q21 7 5kN m 换算重度 桥面铺装重 q22 15 0 1 24 36kN m 合计 q2 q21 q2 2 7 5 36 43 5 kN m 总集度 Q q2 43 5kN m 结构自重和二期恒载的输入 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 14 页 施工步骤的模拟 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 15 页 内力计算结果如下图 4 6 4 7 所示 图 4 6 结构恒载效应弯矩图 图 4 7 结构恒载效应剪力图 4 2 活载作用效应计算 4 2 1 汽车荷载标准值 车荷载由车道荷载和车辆荷载两部分组成 车道荷载由均布荷载qk和集中荷 载Pk组成 公路 级车道荷载的均布荷载标准值qk为10 5kN m 集中荷载标准值 随计算跨径而变 当计算跨径小于或等于5m时 Pk为180kN 计算跨径等于或大 于50m时 Pk为360kN 计算跨径在5m 50m之间时 Pk值采用直线内插求得 对 于多跨连续结构 Pk按照最大跨径为基准取值 当计算剪力效应时 集中荷载标 准值Pk应乘以1 2的系数 其主要用于验算下部结构或上部结构的腹板 公路 级车道荷载的均布荷载标准值qk和集中荷载标准值Pk按公路 级车道荷载的 0 75倍采用 本次设计采用荷载标准为公路 I级 计算跨径为25米 因此 车道 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 16 页 荷载的均布荷载qk 10 5kN m 集中荷载Pk 260kN 4 2 2 汽车冲击系数和箱梁横向分布系数 1 汽车冲击系数 根据 通规 4 3 2 中的规定 适用于连续梁的结构基频计算公式如下 正弯矩结构基频计算公式 c c m EI l f 2 1 2 616 13 4 1 负弯矩结构基频计算公式 2 2 23 651 2 c c EI f lm 4 2 现取边跨跨中截面计算 全桥偏安全考虑采用边跨跨中截面的汽车冲击系 数 Ec为混凝土弹性模量 C50 混凝土为 3 45x1010MPa Ic为边跨中跨截面的惯性矩 为 21 2886m 4 mc为 结 构 跨 中 处 的 单 位 长 度 质 量 mc G g 11 583 x 25 x 1000 9 81 29518 35kg m 计算得到 Hz m EI l f c c 571 4 35 29518 2886 211045 3 252 616 13 2 616 13 10 22 1 Hz m EI l f c c 941 7 35 29518 2886 211045 3 252 651 23 2 651 23 10 22 2 冲击系数计算公式为0157 0ln1767 0 f 适用于HzfHz145 1 则 253 00157 0571 4ln1767 0 1 350 00157 0941 7ln1767 0 2 用于正弯矩效应和剪力效应的冲击系数 253 1253 011 用于负弯矩效应的冲击系数 350 1350 011 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 17 页 2 横向分布效应系数 在 MIDAS 中 不能通过简单的计算得到其分布调整系数 在 MIDAS 中设 置为其所承受的汽车总列数 考虑纵横向折减 偏载后的修正值 偏载系数是个经验值 在单梁分析中 MIDAS 无法考虑约束扭转产生的正 应力 但根据经验 约束扭转产生的正应力一般占竖向扰曲正应力的 15 这 就是 1 15 系数的由来 具体计算这个系数 可以通过建立梁格模型 实体模型 等方法来分析 本设计采用 1 15 的偏载系数 则横向分布调整系数为 m 4 x 0 67 四车道的横向折减系数 1 15 偏载系数取经验值 1 0 大 跨径的纵向折减系数 3 082 4 2 3 人群荷载标准值 当桥梁计算跨径小于或等于 50m 时 人群荷载标准值为 3 0kN m2 当桥梁 计算跨径等于或大于 150m 时 人群荷载标准值为 2 5kN m2 当桥梁计算跨径在 50 150m 之间时 可由线性内插得到人群荷载标准值 对跨径不等的连续结构 以最大计算跨径为准 本设计采用人群荷载标准值为 3 0kN m 2 MIDAS 中定义以上数据的输入窗口如下图 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 18 页 移动荷载输入界面 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 19 页 根据最不利布载原则 在各个截面的内力影响线上按 通规 第 4 3 1 条的 布载要求布载 可求得汽车和人群在各个截面上的弯矩和剪力 再考虑冲击系数 和车道折减系数后 可得到活载内力 计算结果见下面图 4 11 图 4 14 所示 图 4 11 汽车荷载弯矩包络图 图 4 12 汽车荷载剪力包络图 图 4 13 人群荷载弯矩包络 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 20 页 图 4 14 人群荷载剪力包络图 4 2 4 温度应力及基础沉降内力计算 1 温度应力计算 1 年平均温差 结构年平均升温与降温均为 20 2 梯度温差 按 通规 4 3 10 条规定 桥面采用 10cm 沥青混凝土的温差梯度基数 T1 14 T2 5 5 T3 0 竖向日照温差反温差为正 温差乘以 0 5 温差应力按 公预规 附录 B 计算 ty ycc NA tE 4 3 0 ty yccy MA tE e 4 4 式中 y A 截面内的单元面积 y t 单元面积 y A内温差梯度平均值 均以正值代入 c 混凝土线膨胀系数 00001 0 c a 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 21 页 c E 混凝土弹性模量 MPaEc 4 106 3 c E 单元面积 y A重心至截面重心轴的距离 重心轴以上取正值 以 下取负值 在 MIDAS 中得到竖向日照正 负温差以及结构整体升 降温的计算次内力结 果下图 日照正温差弯矩图 日照正温差剪力图 2 基础沉降内力计算 在每一个支点处均考虑沉降 2cm 并将其组合 MIDAS 输入窗口见下图 4 23 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 22 页 由 MIDAS 程序自动组合得到基础的沉降最不利的次内力计算结果 见下图 4 24 图 4 25 所 示 图 4 24 基础沉降弯矩包络图 图 4 25 基础沉降剪力包络图 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 23 页 4 4 内力组合 为了进行预应力钢束的计算 在不考虑预加力引起的结构次内力的前提下 按 通规 第 4 1 6 条和第 4 1 7 条规定 根据可能出现的荷载进行第一次内力 组合 但本设计在内力组合中考虑了 10 年的收缩和徐变作用 这样更有利于桥 梁的耐久性 公路桥涵结构设计应考虑结构上可能同时出现的作用 按承载能力极限状态 和正常使用极限状态进行作用效应组合 取其最不利效应组合进行设计 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 根据以上的内力计算结果 参照桥规 JTJ023 04 第 4 1 2 条即可进行内 力组合 4 4 1 按承载能力极限状态设计 公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时 应采用以下两种作用效应组合 基本组合和偶然组合 由于本设计不考虑偶然作用的影响 故只采用基本组合 永久作用的设计值效应和可变作用设计值效应组合 其效应组合表达式为 m i n j QjkQjckQQGikGiud SSSS 12 1100 4 11 式中 ud S 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值 0 结构重要性系数 按 通规 表 1 0 9 规定的结构设计安全等级采用 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 24 页 对应于设计安全等级一级 二级 三级分别为 1 1 1 0 0 9 Gi 第 i 个永久作用效应的分项系数 应按 通规 表 4 1 6 的规定采用 Gik S 第 i 个永久作用效应的标准值和设计值 1Q 汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 的分项系数 取 1 4 1Q k S 汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 的标准值和设计值 Qj 在作用效应组合中除汽车荷载效应 含汽车冲击力 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 Qjk S 在作用效应组合中除汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 外的其 他第 j 个可变作用效应的标准值和设计值 c 在作用效应组合中除汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 外的其 他可变作用效应的组合系数 取值见 通规 第 4 1 6 条 根据 通规 第 4 1 6 条规定 各种作用的分项系数取值如下 结构重要性系数1 1 0 恒载作用效应的分项系数2 1 1 G 对结构承载力不利 或0 1 1 G 对 结构承载力有利 基础变位作用效应的分项系数5 0 2 G 汽车荷载效应的分项系数4 1 1 Q 温度作用效应的分项系数4 1 2 Q 其他可变作用效应的组合系数8 0 c 则承载能力极限状态组合为 当作用对结构承载力不利时取 21210 4 18 04 15 02 11 1 QQGGud SSSSS 4 12 当作用对结构承载力有利时取 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 25 页 21210 4 18 04 15 00 11 1 QQGGud SSSSS 4 13 荷载组合输入如图 荷载组合设计 4 4 2 按正常使用极限状态设计 公路桥涵结构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 1 作用短期效应组合 永久作用标准值效应与可变作用频遇值组合 其效应组合表达式为 1 11 mn sdGikjQjk ij SSS 4 14 式中 sd S 作用短期效应组合设计值 1j 第 j 个可变作用效应的频遇值系数 取值见 通规 第 4 1 7 条 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 26 页 1j Qjk S 第 j 个可变作用效应的频遇值 根据 通规 第 4 1 7 条规定 各种作用的分项系数取值如下 汽车荷载 不计冲击力 效应的频遇值系数7 0 11 温度作用效应的频遇值系数8 0 12 则作用短期效应组合为 1212 0 70 8 sdGGQQ SSSSS 4 15 短期效应组合 2 作用长期效应组合 永久作用标准值效应与可变作用永久值组合 其效应组合表达式为 n j Qjkj m i Gikld SSS 1 2 1 4 16 式中 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 27 页 ld S 作用短期效应组合设计值 2 j 第 j 个可变作用效应的准永久值系数 2 j Qjk S 第 j 个可变作用效应的准永久值 根据 通规 第 4 1 7 条规定 各种作用的分项系数取值如下 汽车荷载 不计冲击力 效应的频遇值系数4 0 21 温度作用效应的频遇值系数8 0 22 则作用短期效应组合为 1212 0 40 8 ldGGQQ SSSSS 4 17 长期作用效应组合 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 28 页 4 4 3 计算结果 根据上述的组合要求 进行承载能力极限状态内力组合和正常使用极限状态 内力组合 在使用 MIDAS 软件时 程序可自动进行组合 选取上面的组合结果 见下面图 4 41 图 4 46 所示 正常使用极限状态短期效应组合弯矩包络图 正常使用极限状态短期效应组合剪力包络图 正常使用极限状态长期效应组合弯矩包络图 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 29 页 正常使用极限状态长期效应组合剪力包络图 承载能力状态组合弯矩包络图 承载能力状态组合剪力包络图 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 30 页 5 预应力钢束估算及布置 5 1 计算原理 本桥采用后张法预应力混凝土箱梁构造形式 设计时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 通钢筋的数量 本桥以全预应力混凝土构件设计 按构件正截面抗裂性要求估算 预应力钢筋数量 首先根据各截面正截面抗裂性要求 确定预应力钢筋数量 为满足抗裂性要 求 所需的有效预加力为 1 0 85 s pe p MW N e AW 5 1 式中 Npe 使用阶段预应力钢筋永存应力的合力 Ms 按作用 或荷载 短期效应组合计算的弯矩值 A 构件混凝土全截面面积 W 构件全截面对抗裂验算边缘弹性抵抗矩 ep 预应力钢筋的合力作用点至截面重心轴的距离 本设计拟采用 j15 24 钢绞线 单根钢绞线的公称截面面积 Ap 1 139mm 2 抗 拉 强 度 标准 值 fpk 1860MPa 最 大张拉 控制应力 取 con 0 75fpk 0 75 1860 1395MPa 预应力损失按张拉控制应力的 20 估算 得到所须的预应力钢铰 线的根数 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 31 页 pe p consp N n A 5 2 式中 Npe 使用阶段预应力钢筋永存应力的合力 con 张拉控制应力 s 取 0 2 con Ap 一束预应力钢筋的截面面积 5 2 预应力筋估算结果 预应力钢筋采用 ASTM A416 97a 标准的低松弛钢绞线 1 7 标准型 抗拉 强度标准值1860 pk fMPa 抗拉强度设计值1260 pd fMPa 公称直径 15 2mm 公称面积 139mm 2 弹性模量 5 1095 1 p EMPa 本设计选用 25 根钢绞线为一束 则每束钢绞线面积为 3475mm 2 锚下张拉控制应力 139575 0 pkcon f MPa 根据 荷载组合效应计算所得的预应力束数估算其底板和顶板的预应力钢筋面积结果 见下表表 然后根据我们估算出来的钢筋面积进行预应力的配置 再进行截面的 验算 通过不断的调整 调索 调位置来满足结构的要求 预应力钢筋参数表 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 32 页 预应力钢筋估算值 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 33 页 5 3 预应力筋布置原则 既要符合结构受力的要求 又要注意在超静定结构体系中避免引起过大的结 构次内力 4 预应力束筋配置 应考虑材料经济指标的先进性 这往往与桥梁体系 构造尺寸 施工方法的选择都有密切关系 5 预应力束筋应避免使用多次反向曲率的连续束 因为这会引起很大的 摩阻损失 降低预应力束筋的效益 6 预应力束筋的布置 不但要考虑结构在使用阶段的弹性受力状态的需 要 而且也要考虑到结构在破坏阶段时的需要 钢束布置时 应注意以下几点 1 应满足构造要求 如孔道中心最小距离 锚孔中心最小距离 最小曲 线半径 最小扩孔长度等 2 注意钢束平 竖弯曲线的配合及钢束之间的空间位置 钢束一般应尽 量早的平弯 在锚固前竖弯 特别应注意竖弯段上 下层钢束不要冲突 还应满 足孔道净距的要求 3 钢束应尽量靠近腹板布置 这样可使预应力以较短的传力路线分布在 全截面上 有利于降低预应力传递过程中局部应力的不利影响 能减小钢束的平 弯长度 能减小横向内力 能充分利用梗腋布束 有利于截面的轻型化 4 尽量以 S 型曲线锚固于设计位置 以消除锚固点产生的横向力 5 钢束的线形种类尽量减少 以便于计算和施工 6 尽量加大曲线半径 以便于穿束和压浆 7 分层布束时 应使管道上下对齐 这样有利于混凝土的浇筑和振捣 不可采用梅花形布置 8 顶板束的布置还应遵循以下原则 a 钢束尽量靠截面上缘布置 以极大发挥其力学效应 b 分层布束时应使长束布置在上层 短束布置在下层 首先 因为先锚固短 束 后锚固长束 只有这样布置才不会发生干扰 其次 长束通过的梁段多 放 在顶层能充分发挥其力学效应 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 34 页 5 4 预应力布置图 预应力钢筋布置图 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 35 页 6 预应力损失计算及有效预应力计算 6 1 预应力损失计算 根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 2004 第 6 2 1 条规定 预应力混凝土构件在正常使用极限状态计算中 应考虑由下列因 素引起的预应力损失 预应力钢筋与管道壁之间的摩擦 1l 锚具变形 钢筋回缩和接缝压缩 2l 预应力钢筋与台座之间的温差 本设计不考虑 3l 混凝土的弹性压缩 4l 预应力钢筋的应力松弛 5l 混凝土的收缩和徐变 6l 说明 从计算概念上 每根预应力束在每个截面的预应力损失都不一样 但 是由于本设计是毕业设计教学环节 时间有限 所以进行一定的简化 假定预应 力束在每个截面的损失相等 按 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 2004 规定 钢绞线的张拉控制应力 con取 0 75 pk f 即 con 0 75 1860 1395MPa 6 1 1 预应力筋与孔道壁之间摩擦引起的应力损失 1l 1 1 kx lcon e 6 1 式中 1l 由于摩擦引起的应力损失 MPa con 张拉钢筋 锚下 控制应力 MPa 从张拉端至计算截面的长度上 钢筋弯起角之和 rad 可按下式 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 36 页 计算 22 VH 从张拉端至计算截面的管道长度 m 钢筋与管道壁之间的摩擦系数 按表 6 3 4 1 采用 k 考虑每米管道对其设计位置的偏差系数 按表 6 3 4 1 采用 由 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62 2004 表 6 3 4 1 可知 管道类型为塑料波纹管时 取 0 17 k 取 0 0015 取值为跨 中截面到张拉端的距离 6 1 2 锚具变形 钢筋回缩引起的应力损失 2l 2lp L E L 6 2 式中 2l 由于锚头变形 钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失 MPa L 预应力钢筋的有效长度 m L 锚头变形 钢筋回缩和接缝压缩值 m 根据采用的锚具 由规范表 6 3 4 2 可知 1 L 6 mm 接缝压缩值 2 L 1 mm 6 1 3 钢筋与台座间的温差引起的损失 3l 此工程采用后张法 所以预应力筋和台座之间温差引起的应力损失 l3不予 考虑 l3 0 MPa 6 1 4 混凝土弹性压缩引起的应力损失 4l 在后张法结构中 由于一般预应力筋的数量较多 限于张拉设备等条件的限 制 一般都采用分批张拉 锚固预应力筋 在这种情况下 已张拉完毕 锚固的 预应力筋 将会在后续分批张拉预应力筋时发生弹性压缩变形 从而产生应力损 失 4lpc n 6 3 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 37 页 式中 4l 由于混凝土的弹性压缩引起的应力损失 MPa c 在先行张拉的预应力钢筋重心处 由于后来张拉一根钢筋而产生的 混凝土正应力 对于连续梁可取若干有代表性截面上应力的平均值 MPa 在所计算的钢筋张拉后再张拉的钢筋根数 经推导可得公式其他形式为 4 21 lpc m n m 6 4 m 表示预应力筋张拉的总批数 c 在代表截面 如 l 4 截面 的全部预应力钢筋形心处混凝土的预压 应力 预应力筋的预拉应力扣除 1l 和 2l 后算得 2 pppn c nn NN e AI 6 5 p N 所有预应力筋预加应力 扣除相应阶段的应力损失 1l 和 2l 后 的 内力 pn e 预应力筋预加应力的合力 p N 至混凝土净截面形心轴的距离 n A n I 混凝土的净截面面积和截面惯性矩 6 1 5 预应力钢筋松弛引起的损失 5l 对于采用超张拉工艺的低松弛钢绞线 由钢筋松弛引起的预应力损失按下式 计算 即 pe pk pe l f 26 052 0 5 6 6 式中 张拉系数 对于本设计 不采用超张拉 取 1 0 钢筋松弛系数 对于低松弛钢绞线 取 3 0 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 38 页 pe 传力锚固时的钢筋应力 421lllconpe 6 1 6 混凝土收缩徐变引起的应力损失 6l 由于混凝土收缩 徐变引起的应力损失终极值按下列公式计算 ps upcEPucsp ul ttttE t 151 9 0 00 6 6 7 式中 0 ttu cs 0 ttu 加载龄期为 0 t 时混凝土收缩应变终极值和徐变系数 终极值 0 t 加载龄期 即达到设计强度为 90 的龄期 近似按标准养护条件计算 则有 28log log 9 0 0 t ff ckck 则可得dt20 0 对于二期恒载的加载龄期 0 t 假定 dt90 0 对于后张法构件 psn AAA 其中 Ap As 分别为受拉区的预 应力钢筋和非预应力钢筋的截面面积 An 为换算截面面积 ps 2 2 1 i eps ps i 截面回转半径 对于后张法构件 nn AIi 2 ps e 构件受拉区预应力钢筋和非预应力钢筋截面重心至构件截面重心轴 的距离 计算结果如下 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 39 页 预应力损失值表格 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 40 页 7 配束后主梁的组合内力 配束后按照规范进行承载能力极限状态组合和正常使用极限状态组合 组合 的时候各内力分项系数与第四章完全一致 组合结果见下图 7 1 图 7 6 考虑预应力次效应后极限承载能力效应组合弯矩包络图 考虑预应力次效应后极限承载能力效应组合剪力包络图 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 41 页 考虑预应力次效应后正常使用极限状态短期效应组合弯矩包络图 考虑预应力次效应后正常使用极限状态短期效应组合剪力包络图 考虑预应力次效应后正常使用极限状态长期效应组合弯矩包络图 考虑预应力次效应后正常使用极限状态长期效应组合剪力包络图 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 42 页 8 截面强度验算 8 1 基本理论 预应力混凝土受弯构件截面强度的验算内容包括两大类 即正截面强度验算 和斜截面强度验算 其验算原则基本上与普通钢筋混凝土受弯构件相同 当预应 力钢筋的配筋率的配置适当时 受拉区混凝土开裂退出工作 预应力筋和非预应 力筋分别达到各自的抗拉设计强度 pd f和 sd f 受压区混凝土应力达到抗压设计强 度 cd f 非预应力钢筋达到其抗压设计强度 cd f 并假定受压区混凝土应力按矩 形分布 但受压区布有预应力钢筋 p A时 其应力 pc 却达不到抗压设计强度 8 2 计算公式 根据上述基本原理 给出承载能力极限状态下 预应力混凝土连续梁上 下 缘均布置预应力钢筋的正截面强度计算公式 有关斜截面抗剪强度 因现行桥梁 设计规范尚无连续梁桥的计算公式 将通过主应力来验算控制 根据 公预规 第 5 1 5 条桥梁构件的承载能力极限状态计算 应采用下列 表达式 0 dd afRR RS 8 1 式中 0 桥梁结构的重要性系数 按公路桥涵的计算安全等级 一级 二级 三级分别取用 1 1 1 0 0 9 桥梁的抗震设计不考虑结构的重要性系数 S 作用效应的组合设计值 其中汽车荷载应计入冲击系数 当进行预应 力混凝土连续梁等超静定结构的承载能力极限状态计算时 公式中的作用效应项 应改为 ppS S 0 其中 p 为预应力 扣除全部预应力损失 引起的次效应 p 为预应力分项系数 当预应力效应对结构有利时取 1 0 对结构不利时 取 1 2 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 43 页 R 构件承载力设计值 R 构件承载力函数 d f 材料强度设计值 d a 几何参数设计值 当无可靠数据时 可采用几何参数标准值 即设计文 件规定值 根据 公预规 JTG D62 2004 第 5 2 3 条 位于受压区的截面受弯构件 其正截面抗弯承载力计算应符合下列规定 当符合下列条件时 pppdssdffcdppdnsd AfAfhbfAfAf 0 8 2 按式 9 3 和式 9 4 计算正截面抗弯承载力 2 00000ppppdsssdcdd ahAfahAf x hbxfM 8 3 pppdssdcdppdssd AfAfbxfAfAf 0 8 4 当不符合上述条件时 计算中应考虑截面腹板受压作用 正截面抗弯承载力 应按下列规定计算 2 2 000000ppppdsssd f ffcdd ahAfahAf h hhbb x hbxfM 受压区高度 x 应按下式计算 pppdssdffcdppdssd AfAfhbbbxfAfAf 0 8 6 以上各式中 ss AA 受拉区 受压区纵向普通钢筋的截面面积 pp AA 受拉区 受压区纵向预应力钢筋的截面面积 0 h 截面有效高度 ahh 0 此处 h 为截面全高 aa 受拉区 受压区普通钢筋和预应力钢筋的合力点至受拉区 受压区边缘的距离 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 44 页 ps aa 受压区普通钢筋合力点 预应力钢筋合力点至受压区边缘的距离 0 p 受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时预应力钢筋的应力 由 MIDAS 软件计算的各控制截面强度验算结果如下表 8 1 所示 使用阶段正截面抗弯验算结果 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 45 页 受压区高度验算结果 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 46 页 9 抗裂验算 9 1 公预规 要求 根据 公预规 第 6 3 1 条规定 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 全预应力混凝土构件 在作用短期效应组合下 分段浇筑或砂浆接缝的纵向分块构件08 0 pcst 上式中 st 在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 pc 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 列规定 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 tktp f4 0 上两式中 st 在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 tp 由作用短期效应组合和预加力产生的混凝土主拉应力 tk f 混凝土的抗拉设计强度标准值 采用 C60 时MPaftk85 2 9 2 正截面抗裂验算 在短期效应组合下的梁底拉应力验算参见 公预规 式 6 3 2 1 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 47 页 0 W Ms st 9 1 式中 s M 按作用短期效应组合计算的弯矩值 0 W 构件净截面抗裂验算边缘的弹性抵抗矩 计算由预加力产生的混凝土引起的法向压应力 pc 计算 参见 公预规 式 6 1 5 4 n n p n n pnp n p pc y I M y I eN A N 2 9 2 式中 n A 净截面面积 p N 后张法构件的预应力钢筋和普通钢筋的合力 按 公预规 式 6 1 6 1 式 6 1 6 3 计算 n I 净截面惯性矩 pn e 净截面重心至预应力钢筋和普通钢筋合力点的距离 按 公预 规 6 1 6 2 式 6 1 6 3 计算 2p M 由预应力 p N在后张法预应力混凝土连续梁等超静定结构中产 生的次弯矩 s y 净截面重心至计算纤维处的距离 正截面抗裂验算的计算见表 9 1 由表可知 正截面抗裂满足要求 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 48 页 9 1 正截面抗裂验算结果表格 9 3 斜截面抗裂验算 混凝土主拉应力 tp 和主压应力 cp 应按下列公式计算 22 22 cxcycxcy tp 9 3 0 1 0 cxc M y I pvpvpv cy pv n bs 9 4 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 49 页 式中 cx 在计算主应力点 由预加力和按作用短期效应组合计算的弯 矩 Ms产生的混凝土的法向应力 cy 由竖向预应力钢筋的预加力产生的混凝土竖向压应力 在计算主应力点 由预应力弯起钢筋的预加力和按作用短期效应组 合计 算的剪力 Vs 产生的混凝土剪应力 pc 在计算主应力点 由扣除全部预应力损失后的纵向预加力产生的 混凝土 法向预压力 按 公预规 中式 6 1 5 1 或式 6 1 5 4 计算 s M 预加力和按作用短期效应组合计算的弯矩值 S V 预加力和按作用短期效应组合计算的剪力值 0 y 换算截面重心轴至计算主应力点的距离 n 在同一截面上竖向预应力钢筋的数量 利用 midas civil 软件对截面进行斜截面抗裂验算 其结果见表 9 3 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 50 页 斜截面抗裂验算结果表格 长沙河西交通枢纽市政配套工程 F 匝道第三联施工图设计 第 51 页 10 斜截面抗剪承载力计算 10 1 斜截面抗剪承载力计算的基本公式及应用条件 10 1 1 计算依据 剪压破坏 10 1 2 基本公式 公桥规 根据国内的有关的试验资料 采用了下列的公 式 sdsvcu VVVV 10 1 sdcsu VVV 10 2 ssb cdsvsvkcuoudo A fffpbhVVr sin 1075 0 6 02 1045 0 3 3 321 式中 d V 为斜截面受压端正截面上由作用 或荷载 效应所产生的最大剪力组 合设计值 KN 0 为桥梁结构的重要性系数 1 为异号弯矩影响系数 计算 简支梁和连续梁近边支点梁段的抗剪承载力时 0 1 1 计算连续梁和悬臂梁 近中间支点梁段的抗剪承载力时 9 0 1 2 为预应力提高系数 对具有受压 翼缘的截面 取 1 2 对预应力钢筋混凝土受弯构件 2 1 2 3 为受压翼 缘的影响系数 对具有受压翼缘的截面 取 1 1 3 b 为斜截面受压顶端截面处 矩形截面高度 mm 或 T 形和 I 形截面腹板宽度 mm o h 为斜截面内纵向 受拉钢筋的有效高度 自纵向受拉钢筋合力点到受压边缘的距离 mm p 为斜 截面内纵向受拉钢筋的配筋率 100 p o s bh A 当 5 2 p 时 取 5 2 p kcu f 为混凝土立方体抗压强度标准值 MPa sv 为箍筋配筋率 sv f 为箍筋抗拉 强度设计值 MPa sd f 为弯起钢筋的