晋城市泽州县玉川桥结构设计.doc

晋城市泽州县玉川桥结构设计第一章 设计资料与结构布置1.1 设计资料1.1.1桥跨及桥宽标准跨径: 根据该跨河桥的方案比选，且该河流无通航要求，并根据通规主梁全长：伸缩缝取4，梁长20.96m计算跨径：按照梁式桥计算跨径的取法，取相邻支座中心间距为20.5m 桥面宽度：净根据该桥的使用任务和性质，参考通规，该桥横向布置确定为：23.5+20.51.1.2设计荷载根据该桥所在道路的等级确定荷载等级为：汽车荷载：公路级车道荷载；人群荷载：3.0kN/m。1.1.3材料及工艺混凝土强度等级：主梁C30.桩基础C20. 钢筋初步选取：箍筋R235 受力主筋： HRB3351.1.4设计依据 (1).公路工程技术指标（JTG B01-2003）；(2).公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）；(3).结构设计原理（人民交通出版社）；(4).公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）；(5).公路桥涵设计手册（桥梁），人民交通出版社，1996(6).桥梁计算示例丛书，易建国主编，人民交通出版社，2002(7).桥梁工程，邵旭东主编，武汉理工大学出版社，20051.2构造布置（1）主梁高：以往的经济分析表明，钢筋混凝土T形简支梁高跨比的经济范围大约在1/111/16之间，根据跨度大者取较小比值的原则，本桥取1/11，则梁高应为1.09m（标准跨径为21m），实际的设计按1.4m取。（2）主梁间距：装配式钢筋混凝土T形简支梁的主梁间距一般选在1.52.2之间，本桥选用1.6m。（3）主梁梁肋宽：为保证主梁的抗剪需要，梁肋受压时的稳定，以及混凝土的振捣质量，通常梁肋宽度取在1518cm，鉴于本桥的跨度为21m，纵向钢筋数量较多，按较大值取为18cm。（4）翼缘板尺寸：由于桥面宽度是给定的，主梁间距确定后，翼缘板的宽度即可得到为1.6m。因为翼缘板同时又是桥面板，根据其受力特点，一般设计成变厚度：与腹板交接处较厚，通常取不小于主梁梁高的1/10，即为1.1/10=0.11m，本设计取为0.14cm；翼缘板的悬臂端部可以薄些，本设计取为10cm。（5）横隔梁：为增强桥面系的横向刚度，本桥除在支座处设置端横隔梁外，在跨间等间距布置三根中横隔梁，间距45.10m（连同端横隔梁在内），梁高一般取为梁高的3/4左右（即0.725m，在靠近腹板处横隔梁底缘到主梁梁顶的距离为1.00m）；厚度通常取在1216cm，本设计横隔梁取为20cm。（6）桥面铺装：沥青混凝土铺装5cm，混凝土铺装10cm，主梁截面强度验算时计入8cm的铺装参与受力。图1- 1 桥梁横断面图（尺寸单位cm）图1- 2 桥梁横隔梁布置图（尺寸单位cm）第二章 主梁作用效应计算2.1永久荷载效应计算2.1.1梁的内力计算（1）恒载集度主梁:横隔梁: 对于边主梁:对于中主梁:桥梁铺装层:栏杆和人行道:作用于边主梁全部恒载：作用于中主梁全部恒载：荷载内力表2-1 边主梁的恒载内力 内力截面位置剪力/kN弯矩/kNm2.1.2荷载横向分布系数计算跨中：按偏心压力法计算图2- 1 横向分布系数计算图示（尺寸单位cm）此桥在跨度内设有横隔梁，具有强大的横向连接刚性，且承载结构的宽跨比为：故可按偏心压力法来绘制横向影响线，并计算横向分布系数mc。本桥葛根主梁的横截面均相等，则： =25.60（m2）所以，一号梁横向影响线竖标值为：设横向影响线的零点至一号梁为距离为x，则： 得 x=4.8m根据几何关系，可以得出各轮重对应影响线坐标值： 得 =0.575同理可得其他轮重对应影响线坐标值分别为：人群荷载对应影响线坐标值： 得 同理可得其他各梁各轮重对应影响线坐标值分别为：一号梁：二号梁：于是，各梁的活载横向分布系数：一号梁：汽车荷载：人群荷载：二号梁：汽车荷载：人群荷载：三号梁：汽车荷载：人群荷载：支点：按杠杆法计算图2- 2 横向分布系数计算图示（尺寸单位cm）当荷载位于支点处时，应按杠杆原理法计算荷载横向分布系数。由几何关系可得一号梁的影响线竖标值: 得 得 于是，一号梁的横向分布系数为：汽车荷载：人群荷载： 所以，同理可得各梁荷载横向分布系数为：二号梁：汽车荷载：人群荷载：三号梁：汽车荷载：人群荷载：所以，各梁横向分布系数整理见下表：表2-2 横向分布系数汇总荷载类别123汽车荷载0.5380.4380.4690.5000.4000.5人群0.6691.30.43400.202.1.3活载内力计算采用直接加载求汽车荷载内力及人群荷载内力，计算公式为：式中 所求截面的弯矩或剪力；汽车荷载的冲击系数；多车道桥涵的汽车荷载折减系数，1.00；、汽车和人群的跨中荷载横向分布系数；集中荷载作用处的横向分布系数；、车道荷载中的均布荷载及人群荷载；车道荷载中的集中荷载；弯矩或剪力影响线的面积；与车道荷载的集中荷载对应的影响线竖标值。由公桥规可知公路-级车道荷载标准值 均布荷载 计算弯矩时的集中荷载 计算剪力是的集中荷载 冲击系数可按下式计算：因为冲击系数与桥梁结构基频（）有关： 当5956.7这说明第五排弯起钢筋弯起点已超过需设置弯起钢筋的区段长以外18.85mm。弯起钢筋数量已满足抗剪承载力要求。各排弯起钢筋弯起点至跨中截面的距离见下图：6.检验各排弯起钢筋的弯起点是否符合构造要求（1）保证斜截面抗剪承载力方面从图中可以看出，对支座而言，梁内第一排弯起钢筋的弯起点已落在支座中心截面处，以后各排弯起钢筋的弯终点均落在前一排弯起钢筋的弯起点截面上，这些都符合桥规（JTG D622004）的有关规定，即能满足斜截面抗剪承载力方面的构造要求。（2）保证正截面抗弯承载力方面a.计算各排弯起钢筋弯起点的设计弯矩跨中弯矩，支点弯矩，其他截面的设计弯矩可按二次抛物公式计算，如下表所列。表2-5各排弯起钢筋弯起点的设计弯矩计算表弯起钢筋序号弯起点符号弯起点至跨中截面距离各弯起点的设计弯矩 跨中截面5F428918744E54381632.53D6596.2513312C7790.3959.61B9020.15512.5根据值绘出设计弯矩图。图2- 7设计弯矩图（尺寸单位cm）随后计算各梁段抵抗弯矩，如表2-6中所列。根据值绘出抵抗弯矩图表2-6 各梁段抵抗弯矩计算表梁端符号主筋截面积截面有效高度混凝土受压区高度系数各梁段抵抗弯矩12620.0740.9632189.912910.02430.9731697.413220.02430.98251169.413540.01180.9915604.5从图中所示的设计弯矩图与抵抗弯矩图的叠合图可以看出设计弯矩图完全被包含在抵抗弯矩图之内，即处处是，这表明正截面抗弯承载力能得到保证。（3）保证斜截面抗弯承载力方面各层纵向钢筋的充分利用点和不需要点位置计算，如表2-7所示。表2-7 各层纵向钢筋的充分利用点和不需要点位置计算表各层纵向钢筋序号对应充分利用点号各充分利用点至跨中截面距离对应不需要点号各不需要点至跨中截面距离 432计算各排弯起钢筋与梁中心线的交点、的位置：计算各排弯起钢筋弯起点至对应的充分利用点的距离、各排弯起钢筋与梁中心线交点至对应不需要点的距离，如表所示。表2-8 各层纵向钢筋的充分利用点和不需要点位置计算各排弯起钢筋序号弯起点至充分利用点距离弯起钢筋与梁中心线交点至不需要点距离454386314809544.731158.25646515.25580.621193.8532.8532.8616.3.7.配置箍筋根据桥规（JTG D622004）关于“钢筋混凝土梁应设置直径不小于8且不小于1/4主筋直径的箍筋”的规定，本设计采用封闭式双肢箍筋，钢筋（），直径为，每肢箍筋截面积。桥规（JTG D622004）中又规定：“箍筋间距不大于梁高的1/2且不大于400mm”，“支承截面处，支座中心向跨径方向长度相当于不小于一倍梁高范围内，箍筋间距不大于100mm”。本设计按照这些规定，梁段箍筋最大间距不超过上述结果（见表12）。对梁端而言，第111组箍筋间距为100mm，其他箍筋间距均为200mm。相应的最小配筋率：0.18，这也符合桥规（JTG D622004）的构造要求。表2-9 各梁段箍筋的最大间距计算表梁段符号主筋截面积截面有效高度主筋配筋率箍筋最大间距EG12622.5539.4CE12921.84548.9BC13221.21451.3AB13540.6449.22.3主梁的验算2.3.1主梁施工阶段的应力复核C30混凝土的弹性模量MPa,钢筋的弹性模量MPa；翼缘平均厚度： 截面的有效高度：（1）确定受压区高度由公式得：则，说明截面中性轴位于梁肋之内，属第二类T形截面。（2）求开裂截面换算截面的惯性矩：（3）正截面应力验算受压区混凝土边缘的压应力：最外一层受拉钢筋应力：因此，构件满足要求。2.3.2主梁的最大裂缝宽度验算作用短期效应组合： 作用长期效应组合： ,取则主梁的裂缝宽度为：满足规范要求。2.3.3主梁的变形验算1.计算截面的几何特性开裂截面换算截面的惯性矩：全截面的换算截面面积：全截面对上边缘的静矩：换算截面重心至受压边缘的距离，至受拉边缘的距离，中性轴在梁肋内。全截面换算截面重心轴以上部分面积对重心轴的面积矩： 全截面换算截面积的惯性矩：对受拉边缘的弹性抵抗矩： 2.计算构件的刚度作用短期效应组合全截面的抗弯刚度开裂截面的抗弯刚度： 构件受拉区混凝土塑性影响系数：开裂弯矩：将以上数据代入下列公式得：3.作用短期效应作用下跨中截面挠度为：长期挠度为：应设置预拱度，按结构自重和1/2可变作用频遇值计算的长期挠度值之和采用。消除自重影响后的长期挠度为：计算挠度满足规范要求。第三章 横隔梁上的荷载计算（1） 确定作用在中横隔梁上的计算荷载跨中横隔梁最不利荷载布置如图纵向一列车轮对于中横隔梁的计算荷载为 Por=1/2Piyi=1/21400.86=120.4(kN)（2） 绘制中横隔梁的内力线图3- 1 中横隔梁影响线图（尺寸单位cm）荷载横向分布影响线竖坐标值为 =0.4 =-0.2同理，也可求的2号梁的荷载横向分布影响线的竖坐标值为 =0.4 =0.3 =0.2 =0绘制1.2号梁的荷载横向分布影响线线 绘制弯矩Mr影响线。 =1作用在1号梁轴上时： Mr1=1.5d 0.5d11.5d =0.61.51.6+0.40.51.61.51.6 =0.64 =1作用在2号梁轴上时： Mr2=1.5d0.5d10.5d =0.41.51.60.30.51.60.51.6 =0.4根据影响线知识可知，r影响线必在r-r截面处有突变，根据n和n连线延伸至r-r截面，确定n值，由此即可绘出Mr影响线，如图 绘制剪力V影响线 =1作用在计算截面以右时 右1i= =1作用在计算截面以左时 左1i=1 绘成的V影响线如图（3） 截面内力计算 将求得的计算荷载Poq在相应的影响线上按最不利荷载位置加载，并按1+u=1.22计入冲击影响力，则得 弯矩： =1.221120.4（0.92+0.29）=177.73(kN) 剪力： 右1= =1.221120.4（0.575+0.35+0.1880.038）=159（kN）第四章 行车道板的计算（1）横载及内力（以纵向1m宽的板条进行计算） 每延米板上的横载沥青混凝土面层：=0.05123=1.15kN/mC25混凝土垫层： =0.1124=2.4kN/mT形梁翼板自重： =（0.1+0.15）2125=3.125kN/m合计：=6.675kN/m每米宽板条的恒载内力 弯矩1/2gl02=1/26.6750.72=1.64kN/m图4- 1 铰接悬臂行车道板剪力=6.6751.06=4.67kN/m （2）每米宽板条的横载内力将车辆荷载的后轮作用于绞缝轴见图，后周作用力为P=140kN，轮压分布宽度如图所示。汽车荷载后轮的着地长度a=0.20m，宽度b=0.60m，则得 P=140kN m荷载对于悬臂根部的有效分布宽度： 冲击系数 =0.22 作用于每米宽板条上的弯矩为 作用于每米宽板条上的剪力为图4- 2 汽车荷载计算图示第五章 支座的计算5.1 支座尺寸的确定边主梁在人群荷载作用下，最大支点反力，车道集中荷载作用下最大支点反力，车道均布荷载作用下最大支点反力,恒载支点反力标准值。边主梁跨中横向分布系数：车道荷载，人群荷载。5.1.1确定制作的平面尺寸（一）由于主梁肋宽为18cm，故初步选定板式橡胶支座的平面尺寸为cm，cm(顺桥)，则按构造最小尺寸确定cm，cm。首先，根据橡胶支座的压应力限值验算支座是否满足要求，支座压力标准值:支座应力为：满足规范要求，因此所选定的支座的平面尺寸满足设计要求。（二）满足支座高度支座的高度由橡胶层厚度和加劲钢板厚度两部分组成，应分别考虑计算。假设本支座水平放置，且不考虑混凝土收缩与徐变的影响。温差时引起的温度变化，由主梁两端均摊，则每一支座的水平位移为因此，不计入制动力时，为了计算制动力引起的水平位移，首先要确定一个支座上的制动力标准值。由于计算跨径为20.5m，故纵向折减系数取1.0，由于该桥面净宽为7.0m，按二车道设计，故车道折减系数取1.0。车道荷载制动力按同向行驶时的车道荷载计算，故计算制动力时按一个车道计算，一个车道上由车道荷载产生的制动力为在加载长度上的车道荷载标准值的总重力的10故本设计由于小于公路级汽车荷载制动力的最低限值90kN，故取90kN计算。由于本设计有5根T形梁，每根T形梁设2个支座，共有10个支座，且假设桥墩为刚性墩，各支座抗推刚度相同，因此制动力可平均分配，则一个支座的制动力为因此，计入制动力时，橡胶厚度的最小值为式中：MPa此外，从保证受压的稳定考虑，矩形板式橡胶支座的橡胶厚度 应满足： 由上述分析可知，按计入制动力和不计入制动力计算的橡胶厚度最大值为0.46cm，小于1.8cm，因此，橡胶层总厚度的最小值取1.8cm。由于定型产品中，对于平面尺寸为18cm25cm的板式橡胶支座中，只有2.0cm、2.5cm、3.0cm和3.5cm四种型号，暂取2.0cm。选择加劲钢板，桥规（JTG D622004）中规定，单层加劲钢板厚度应按下式计算：且单层加劲钢板厚度不小于2cm。本例题中：为应力校正系数，取1.3；1719=323cm、为一块加劲钢板上、下橡胶层的厚度，参照桥梁附属构造与支座中定型产品规格中间橡胶层厚度均取5mm；为加劲钢板轴向拉应力限制，取钢板屈服强度的0.65倍，取钢材的屈服强度为340MPa，因此，MPa；为支座应力标准值，将上述各项代入的计算公式得由于计算所得的，故取。按板式橡胶支座的构造规定，加劲板的上、下保护层不应小于，取，中间橡胶层厚度有、三种，取，故可以布置4层钢板。此时，橡胶厚度，与取用值一致。加劲板总厚度，故支座高度。5.2支座的验算5.2.1支座偏转情况验算支座的平均压缩变形为式中： 橡胶体积模量（取2000MPa）；支座抗压弹性模量，可按下式计算：将上述各值代入计算式，得：在恒载、车道荷载和人群荷载作用下，主梁挠曲在支座顶面引起的倾角，应按结构力学方法计算，则有恒载产生的转角车道均布荷载产生的转角车道集中荷载产生的转角人群荷载产生的转角因此，转角，小于，支座不会落空。此外，为了限制竖向压缩变形，桥规中规定，不得大于，由于，因此满足的条件，验算通过。5.2.2板式橡胶支座抗滑稳定性验算为保证板式橡胶支座和墩台顶面或主梁底面不产生滑移，需对其抗滑稳定性进行验算，验算时应当对无汽车荷载和有汽车荷载两种情况分别进行验算。仅有结构自重作用时，可见，这说明，在自重作用下，支座不会滑动。计入制动力时， 故有 而因此，制动力作用下支座不会滑动。第六章 下部结构的计算6.1设计资料1.设计标准及上部结构桥面净空:净-7附2x0.5m人行道标准跨径：lb=21m上部结构:简支混凝土梁桥2.水文地质条件：3.材料钢筋：盖梁主筋用HRB335钢筋，箍筋R235钢筋混凝土：主梁为C30，桩基础C25表6-1混凝土强度表种类设计强度标准强度弹性模量轴心抗压轴心抗压轴心抗压轴心抗拉C209.21.0613.41.54C3013.81.3920.12.01图6- 1下部结构设计尺寸（cm）6.2盖梁设计计算6.2.1盖梁恒载计算表6-2 上部结构恒载每片梁自重（KN）上部结构总重(KN)每个支座恒载反力(KN)19.422046.0397.43盖梁自重产生的弯矩、剪力效应计算表6-3 弯矩剪力计算表截面编号自重弯矩剪力1112.1875-2.813-12.2-12.22217.8125-20.6-30.0-30.03328.875-44.231-58.88-78.374424.7532.1253.6253.625553.6259.9006.2.2可变荷载的计算（1）可变荷载横向分布系数计算：荷载对称布置用杠杆原理法；非对称布置用偏心压力法。公路级a单列车，对称布置时图6- 2 杠杆原理法影响线计算图示（尺寸单位cm）二号梁：三号梁：四号梁：b双列车，对称布置：图6- 3 杠杆原理法影响线计算图示（尺寸单位cm）一号梁：二号梁：三号梁：四号梁：五号梁：C单列车，非对称布置时：图6- 4 偏心压力法计算图示（单位：cm）计算公式： 已知：n=5,e=2.1,d双列车，非对称布置时已知：n=5，e=0.55，图6- 5 偏心压力法计算图示（单位：cm）2.人群荷载一号梁：A、两侧有人行道，对称布置：，B、单侧有人群，非对称布置：已知：n=5，e=3.75，（2） 按顺桥方向可变荷载移动情况，求支座可变荷载反力的最大值图6- 6 计算图示汽车荷载A、双孔布载单列车时：B、双孔布载双列车时：C、单孔布载单列车时：D、单孔布载双列车时：2，人群荷载图6- 7 计算图示A、单孔满载时：B、双孔满载时（一侧）：6.2.3各梁支点反力计算表6-4 横向分布系数汇总表（3）各梁的永久荷载。各梁最大值，其中冲击系数为：1+=0.22表6-5 各板永久荷载，可变荷载基本组合计算表（单位kN）编号荷载情况1号板2号板3号板4号板5号板恒载3995414.38414.38414.383995公路级双列对称224.14208.75500.6208.75224.14公路级双列非对称197.16183.8416852154.2138、87人群对称61.800061.8人群非对称19.8314.629.223.82-1.57+685.44608.961049.46618.96685.44+643.47623.581058.68612.78622.07+658.46597.22582.9568.58523.1+616.49611.84592.12572.4537.84，双柱反力计算，所引用各梁反力见下表图6- 8 计算图示（单位：cm）公式： 表6-6 荷载组合（单位kN）荷载组合情况反力组合公路级双列对称人群对称2006.43组合公路级双列对称人群非对称2075.81组合公路级双列非对称人群对称1824.88组合公路级双列非对称人群非对称1783.616.3 内力计算6.3.1恒载加载作用下各截面的内力弯矩计算截面位置见图，为求的最大弯矩值，支点负弯矩取用非对称布置数值。跨中弯矩取用对称数值布置各截面的计算式为：各种荷载组合下的各截面弯矩计算见下表。表中内力计算未考虑施工荷载的影响 表6-7 各截面弯矩计算相应于最大弯矩时的剪力计算截面1-1：截面2-2：截面3-3：，截面4-4：，截面5-5：，表6-8 剪力计算表 b、盖梁内力汇总表中各截面内力均取前两表中最大值表6-9 盖梁内力汇总表6.3.2截面配筋设计及承载力校核采用C30混凝土，主筋用HRB335，直径20，保护层为5（钢筋中心至混凝土边缘）a、正截面抗弯承载力验算公式：取截面55作配筋设计已知：bh=150x110.Md=1907.8kN.m即，得 =取用直径28的钢筋其根数n= 根，实际采用根其配筋率：该截面实际承载力： 就正截面承载力与配筋率而言，配筋设计满足要求表6-10 各截面配筋图 b、斜截面抗剪承载能力验算按公预规规定，当截面符合：r0vd0.510-32ftdbh0（kn），可不进行斜截面抗剪承载力计算，仅需按公预规构造要求配置箍筋。取=1，采用14HRB335箍筋，As=6153.86=923.16mm2。对于1-1截面：对于2-25-5截面：按公预规规定： 对照前表，本设计可按构造要求设置斜筋与箍筋。c、全梁承载力校核钢筋混凝土盖梁的正截面抗弯承载力应按下列规定计算。满足要求。d、 钢筋混凝土的抗剪截面应符合满足要求。e、 钢筋混凝土盖梁斜截面抗剪承载力按下列规定计算：所以，满足要求。6.4墩柱的计算6.4.1荷载计算 恒载计算由前面计算得上部构造横载，一孔重：2046.3kN 梁盖自重：137.9kN横系梁重:墩柱自重:作用墩柱底面的恒载垂直力为:汽车荷载计算汽车荷载A、单孔荷载 单列车时： B=263.4kN 相应制动力：T=263.42，按桥规规定制动力不小于90kn，故取制动力为90kn。B、双孔荷载 单列车： B=345.33kN 相应制动力：T=，按桥规规定制动力不小于90kn，故取制动力为90kn。人群荷载 A、 单孔行人: B=23.06kNB、双孔行人 B1=46.12kN汽车荷载中双孔荷载产生支点处的最大反力值，即产生墩柱垂直力；汽车荷载中单孔荷载长生最大偏心弯矩。双孔反力横向分布计算图6- 9 计算图示（尺寸单位cm） a、单列车时；， 双列车：，4b、单侧时： 双侧时：荷载组合a、最大最小垂直反力时 表6-11 可变荷载组合最大最小反力计算b、最大弯矩时表6-12 可变荷载组合最大弯矩计算 表内水平力由两墩柱平均分配。6.4.2截面配筋计算及应力验算 a、作用于墩柱顶的外力垂直力最大垂直力：Nmax=1160.89+271.74+45.53=1478.13kN最小垂直力：Nmin=1160.89+213.83+27.71=1402.43kN水平力H=45k弯矩Mmax=53.46+50.85+6.94=111.25kN.mb、作用于墩柱底的外力图6- 10 墩柱纵截面计算图示（尺寸单位cm）Nmax=1478.13+84.8=1562.93kNNmin=1402.43+84.8=1487.23kNMmax=111.25+453=249.25kNc、已知墩柱顶用C25混凝土，采用1225混凝土，HRB335钢筋，Ag