16米先张空心板计算书.doc

跨径16米预应力混凝土空心板结构分析一、基本资料： 上部构造采用跨径16米预应力混凝土空心板，下部构造为柱式墩台，钻孔灌注桩基础，桥面连续。 设计荷载：公路级。 计算跨径：15.50米桥面宽度：0.375+7.25+0.3758米。空心板采用C50级预应力混凝土。预应力筋为1x7标准型S15.2低松弛钢绞线，其抗拉强度标准值fpk=1860 MPa。边板设计配束为14根，中板设计配束为12根。全部钢束合力点至空心板下缘距离，边板为56mm，中板为55mm。二、计算假定：1 上部构造预应力混凝土空心板桥面连续，每一跨仍作为简支空心板桥；仅全桥水平力计算时考虑桥面的连续作用。2 护栏考虑其横向分配，按横向铰接板法计算，边板0.41，中板0.25；桥面铺装按各板计算；护栏和桥面铺装作为二期恒载加载于空心板。不考虑桥面铺装参与结构受力。3 活载计算考虑其横向分配，按横向铰接板法计算荷载横向分配系数。4 计算时未考虑空心板纵向普通钢筋的抗拉和抗压作用。5 主梁砼比重采用26kN/m3，企口缝及桥面铺装砼比重采用25 kN/m3。三、空心板结构计算(一)截面几何特性：1. 截面几何尺寸： 2. 毛截面几何特性：毛截面几何特性板别A0 (m2)S0 (m3)y0 (m)I0 (m4)边板0.5314 0.2010 0.3782 0.0293 中板0.4092 0.1362 0.3330 0.0224 注：A0 毛截面面积； S0 毛截面对底边静矩； y0 毛截面形心轴，y0 = S0 / A0； I0 毛截面惯性矩。3. 换算截面几何特性：换算截面几何特性板别Ap (m2)EP Anp (m2)ap (m) A0 (m2)S0 (m3)y0 (m)I0 (m4)边板0.0019 5.6522 0.0091 0.056430.5405 0.2015 0.3728 0.0302 中板0.0017 5.652 0.0078 0.0550.4169 0.1367 0.3278 0.0230 注： Ap 预应力筋面积； EP预应力筋与混凝土弹性模量之比； Anp 预应力筋换算面积，Anp = np Ap ap 预应力筋合力点到底边的距离； A0 换算截面面积； S0 换算截面对底边静矩； y0 换算截面形心轴，y0 = S0 / A0； I0 换算截面惯性矩。(二). 内力计算 1. 荷载横向分布系数计算(1). 扭矩及刚度系数空心板截面（悬臂另计）可以近似简化成如图所示的箱形薄壁截面来计算。 扭矩及刚度系数计算板别H (m) h (m) B (m) b (m) t1 (m) t2 (m) t3 (m) IT (m4)L0 (m)边板0.70 0.60 0.995 0.75 0.08 0.12 0.248 0.0394 16.50中板0.70 0.60 0.99 0.75 0.08 0.12 0.245 0.0391 16.50 注：L0 计算跨径 ； I 空心板截面抗弯惯性矩； IT 空心板截面抗扭惯性矩，IT = 4 b2 h2 / ( b/t1 + b/t2 + 2h/t3 ) ； 边板扭矩计算t (m) b (m) t/bc (m)悬臂段扭矩 (m4)总计扭矩 (m4)0.150.50 0.30 0.2704 0.0005 0.0399 注：t 悬臂段平均厚度 ； b 悬臂段长度； IT 悬臂段抗扭惯性矩，IT = cb t3；(2)横向分布系数计算采用桥梁博士软件，跨中按铰接板法、支点按杠杆法计算。活载横向分布系数板号汽车荷载支点14面跨中边板0.500 0.367 0.367 中板0.500 0.277 0.277 (3). 荷载横向分布系数沿桥跨的变化荷载横向分布系数，跨中部分采用不变的mc，从离支点L4处起至支点的区段内mc呈直线过渡。2. 恒载内力计算(1). 空心板自重（一期恒载） 边板 A = 0.5314 m2 q = 0.531426 = 13.816kN/m 中板 A = 0.4092 m2 q = 0.409226 = 10.638kN/m (2). 桥面铺装（二期恒载）桥面铺装下层为10cm厚40号防水砼，上层为6cm厚水泥砼。单块板上的铺装重： 边板 q = 1.50.125 + (1.5-0.375)0.0625 = 5.438 kN/m 中板 q = 1 (0.125+0.0625 ) = 4.0 kN/m (3). 墙式护栏（二期恒载） 护栏按横向铰接板法计算，横向分配系数：边板0.41，中板0.25 边板 q = 80.413.28 kN/m 中板 q = 80.25 = 2.00 kN/m (4). 企口缝（二期恒载） 边板 q = 1.181 kN/m 中板 q = 2.363 kN/m(5). 恒载内力a. 施工阶段 板自重（一期恒载） 边板 q = 13.816 kN/m 中板 q = 10.638 kN/m施工阶段恒载内力板号位 置自重内力弯矩 (kN-m)剪力 (kN)备注边板支 点0 107.08 14面311.19 53.54 跨 中414.92 0 中板支 点0 82.44 14面239.60 41.22 跨 中319.47 0 注： 支点： V = qL214面： M = 3qL232 V = qL4 跨中： M = qL28 b. 使用阶段 一期恒载 边板 q = 13.816 kN/m 中板 q = 10.638 kN/m 二期恒载 边板 q = 1.1813.285.438 = 9.899 kN/m 中板 q = 2.3632.004 = 8.363 kN/m恒载各截面内力汇总板号位 置一期恒载二期恒载合 计弯矩 (kNm)剪力 (kN)弯矩 (kNm)剪力 (kN)弯矩 (kNm)剪力 (kN)备注边板支 点0 107.08 0 76.72 0 183.79 14面311.19 53.54 222.95 38.36 534.15 91.90 跨 中414.92 0 297.27 0 712.20 0.00 中板支 点0 82.44 0 64.81 0 147.25 14面239.60 41.22 188.35 32.40 427.95 73.63 跨 中319.47 0 251.14 0 570.61 0 3. 活载内力计算根据JTG D60-2004 第4.3.1条规定，公路级车道荷载为qk10.5kN/mPk = 180(360180)(50-5)(L05) 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倍采用公路级车道荷载计算跨径L0qk (kN/m)Pk(kN)15.57.875166.50 根据JTG D60-2004第4.3.2条规定当1.5Hz f 14Hz时，冲击系数 = 0.1767lnf - 0.0157式中 f 结构基频(Hz)对简支梁桥， , 式中 l 结构的计算跨径 (m)E 结构材料的弹性模量 (N/m2)Ic 结构跨中截面的截面惯矩 (m4)mc 结构跨中处的单位长度质量(kg/m), 当换算为重力计算时，其单位应为(Ns2/m2)G 结构跨中处延米结构重力 (N/m)g 重力加速度，g = 9.81 (m/s2)汽车荷载冲击系数计算Ec (N/m2)Ic (m4)G (N/m)g (m/s2)mc (Ns2/m2)f1 (Hz)3.45E+100.0230 19000.41 9.811936.84 4.1882 0.2374 全桥汽车内力计算截面位置距支点距离分布力弯矩分布力剪力集中力弯矩集中力剪力弯矩合计剪力合计x支点00.00 61.03 0.00 166.50 0.00 227.53 14面3.875177.37 30.52 483.89 124.88 661.26 155.39 12面7.75236.50 0.00 645.19 83.25 881.68 83.25 (1). 支点截面支点截面汽车内力板别活载总内力横向分配系数一块板内力弯矩 (kNm)剪力 (kN)弯矩 (kNm)剪力 (kN)边板0.00 227.53 0.500 0.00 113.77 中板0.500 0.00 113.77 (2). 14截面14截面汽车内力板别活载总内力横向分配系数一块板内力弯矩 (kNm)剪力 (kN)弯矩 (kNm)剪力 (kN)边板661.26 155.39 0.367 242.68 57.03 中板0.277 183.17 43.04 (3). 跨中截面跨中截面汽车内力板别活载总内力横向分配系数一块板内力弯矩 (kNm)剪力 (kN)弯矩 (kNm)剪力 (kN)边板881.68 83.25 0.367 323.58 30.55 中板0.277 244.23 23.06 (三)强度验算1. 正截面强度验算 参见JTG D622004 第5.2.3条 (1). 将原空心板截面等效为工字形截面具体做法是将空心板内圆孔等效为矩形孔 由空心面积 Ak = bkhk 空心惯性矩 Ik = bkhk312 解得：bk ，hk 故：腹板厚 b = hbk 顶板厚hf = t1rhk2，t1为顶板厚，r为圆孔半径。等效截面如下图。(2) .跨中正截面强度验算对边板fpd Ap fcd bfhf， 故中性轴位于受压翼缘内中板fpd Ap fcd bfhf， 故中性轴位于受压翼缘内边板跨中正截面强度验算板高h (m)顶宽bf (m)顶板厚hf (m)腹板厚b (m)混凝土强度fcd (MPa)钢绞线强度fpd (MPa)受压区高度x (m)截面抵抗弯矩R (kNm)0Md (kNm)重要性系数0组合弯矩Md (kNm)空心面积bkhk (m2)空心惯性矩Ik (m4)空心高hk(m)空心宽bk(m)0.70 1.195 0.113 0.542 22.4 1260 0.092 1465.71 1415.18 1.0 1415.18 0.196 3.07E-030.433 0.453 从上表看出，0MdR ，边板满足规范要求 中板跨中正截面强度验算板高h (m)顶宽bf (m)顶板厚hf (m)腹板厚b (m)混凝土强度fcd (MPa)钢绞线强度fpd (MPa)受压区高度x (m)截面抵抗弯矩R (kNm)0Md (kNm)重要性系数0组合弯矩Md (kNm)空心面积bkhk (m2)空心惯性矩Ik (m4)空心高hk(m)空心宽bk(m)0.70 0.89 0.113 0.537 22.4 1260 0.105 1244.80 1107.81 1.0 1107.81 0.196 3.07E-030.433 0.453 从上表看出，0MdR ，中板满足规范要求 (3). 14正截面强度验算参见JTG D622004 第5.1.6条，考虑在此区段内预应力筋的变化，边板减少0根，中板减少0根。对边板fpd Ap fcd bfhf， 故中性轴位于受压翼缘内中板fpd Ap 28天，查 JTG D622004表6.2.7，得收缩应变终值cs(tu，t0) 和 徐变系数终值 (tu，t0) 砼收缩和徐变应力损失板别Ny0 (kN)M自重 (kNm)pc (MPa)i2psEp (MPa)cs(t, t0)(t, t0)l6 (MPa)边板2468.76 421.99 8.99 0.0036 0.0559 2.789 195000 0.22 1.7308 102.38 中板2116.08 325.53 8.66 0.0040 0.0553 2.347 0.22 1.7535 101.54 注：l6 钢绞线重心处，砼收缩和徐变引起的应力损失； l6 = pc 预应力钢绞线锚固时，在计算截面上全部受力钢筋重心处由预加应力(扣除相应阶段的应力损失)产生的砼法向应力，应根据受力情况考虑构件的自重影响； pc = Np0A0+Np0ep y0I0 M自重epI0 M自重 一期恒载下，跨中截面弯矩； Np0 锚固钢绞线时，钢绞线所产生的法向压力，考虑钢筋松弛损失已完成一半； Np0 = (con l2l4 l52 ) AP 配筋率； = ApA0 ps= 1+eps2i2 i 截面回转半径； i2 = IA(6). 应力损失汇总 预加应力阶段，钢绞线刚被剪断时，砼还没被压缩，故l4不存在。应力损失汇总板别con (MPa)施工阶段使用阶段预加应力阶段运输、吊装阶段s (MPa)p (MPa)s (MPa)p (MPa)s (MPa)p (MPa)边板1395 126.37 1268.63 0.00 1268.63 128.45 1140.18 中板120.88 1274.12 0.00 1274.12 127.61 1146.51 注：l = l2 +l52； p =con l l = l4； p = p l l = l52+l6； p = p l(7). 有效预应力沿板长的变化 参见JTG D622004 第6.1.7条 对先张法预应力砼构件，采用骤然放松预应力筋的施工工艺，故认为预应力在钢筋传递长度Ltr范围内是按直线关系变化的，自板端至Ltr4的范围内，预应力值为零；在钢筋传递长度Ltr末端取有效预应力值pe，两点之间按直线变化取值。 因有部分钢绞线在板端处加套塑料管，为简化计算，认为支点处的预应力为零，然后按直线增大，至离支点Ltr处增至pe，并保持不变直至跨中。混凝土采用C50级，在预应力钢筋放松时混凝土强度达到80，相当于C40级；有效预应力值pe，根据桥规表6.1.7计算：Ltr = 67dpe/1000 2. 截面应力验算(1). 正应力验算a. 预加应力产生的正应力根据JTG D622004第6.1.5条计算公式：上缘： pcs = Np0A0Np0 ep y0sI0 下缘： pcx = Np0A0Np0 ep y0xI0 y0S 中性轴至顶板距离； y0x 中性轴至底板距离； Np0 peAp空心板几何特性板别A0 (m2)y0 (m3)ey0 (m)I0 (m4)边板0.5405 0.3728 0.3164 0.0302 中板0.4169 0.3278 0.2728 0.0230 预加应力产生截面上、下缘的正应力板别施 工 阶 段使 用 阶 段预加应力阶段运输、吊装阶段Np0 (kN)pcs (MPa)pcx (MPa)Np0 (kN)pcs (MPa)pcx (MPa)Np0 (kN)pcs (MPa)pcx (MPa)边板2468.76 -3.89 14.20 2468.76 -3.89 14.20 2218.79 -3.49 12.76 中板2125.23 -4.27 13.35 2125.23 -4.27 13.35 1912.38 -3.84 12.01 b. 恒载产生的正应力 计算公式：上缘： pcs = M y0sI0 下缘： pcx = M y0xI0施工阶段恒载产生截面上、下缘的正应力板别支点截面1/4 截面跨中截面M (kNm)pcs (MPa)pcx (MPa)M (kNm)pcs (MPa)pcx (MPa)M (kNm)pcs (MPa)pcx (MPa)边板0.00 0.00 0.00 311.19 3.37 -3.84 414.92 4.49 -5.12 中板0.00 0.00 0.00 239.60 3.87 -3.41 319.47 5.16 -4.55 使用阶段恒载产生截面上、下缘的正应力板别支点截面1/4 截面跨中截面M (kNm)hs (MPa)hx (MPa)M (kNm)hs (MPa)hx (MPa)M (kNm)hs (MPa)hx (MPa)边板0.00 0.00 0.00 534.15 5.78 -6.59 712.20 7.71 -8.78 中板0.00 0.00 0.00 427.95 6.91 -6.09 570.61 9.22 -8.12 c. 活载产生的正应力活载产生截面上、下缘的正应力板别支点截面1/4 截面跨中截面M (kNm)hs (MPa)hx (MPa)M (kNm)hs (MPa)hx (MPa)M (kNm)hs (MPa)hx (MPa)边板0.00 0.00 0.00 242.68 2.63 -2.99 323.58 3.50 -3.99 中板0.00 0.00 0.00 183.17 2.96 -2.61 244.23 3.95 -3.48 d. 应力汇总 在恒载和活载的作用下，预应力筋的拉应力会增加： p=EPkt =EP (Mk y0XI0) kt 某截面砼在恒载和活载作用下底边所受的拉应力。y0x 构件换算截面重心轴至受拉区计算纤维处的距离1/4截面考虑钢束根数减少造成的预加力减小。边板截面上、下缘正应力汇总阶段类别正 应 力支点截面1/4 截面跨中hs (MPa)hx (MPa)hs (MPa)hx (MPa)hs (MPa)hx (MPa)施工阶段预加力阶段预应力-0.73 2.67 -3.89 14.20 -3.89 14.20 恒载0.00 0.00 3.37 -3.84 4.49 -5.12 正应力-0.73 2.67 -0.52 10.36 0.61 9.08 运输、吊装阶段预应力-0.73 2.67 -3.89 14.20 -3.89 14.20 恒载0.00 0.00 2.86 -3.26 3.82 -4.35 正应力-0.73 2.67 -1.02 10.94 -0.07 9.85 使用阶段长期组合预应力2.40 12.76 12.76 恒载0.00 -6.59 -8.78 活载0.00 -2.99 -3.99 正应力2.40 4.98 2.38 短期组合预应力2.40 12.76 12.76 恒载0.00 -6.59 -8.78 活载0.00 -2.99 -3.99 正应力2.40 4.08 1.19 标准组合预应力-0.66 -3.49 -3.49 恒载0.00 5.78 7.71 活载0.00 2.63 3.50 正应力-0.66 5.54 8.55 钢绞线应力1140.18 1186.13 1201.44 运输、吊装阶段的恒载为预加应力阶段恒载的0.85倍或1.2倍，此处取0.85。中板截面上、下缘正应力汇总阶段类别正 应 力支点截面1/4 截面跨中hs (MPa)hx (MPa)hs (MPa)hx (MPa)hs (MPa)hx (MPa)施工阶段预加力阶段预应力-0.70 2.20 -4.27 13.35 -4.27 13.35 恒载0.00 0.00 3.87 -3.41 5.16 -4.55 正应力-0.70 2.20 -0.40 9.94 0.89 8.80 运输、吊装阶段预应力-0.70 2.20 -4.27 13.35 -4.27 13.35 恒载0.00 0.00 3.29 -2.90 4.39 -3.86 正应力-0.70 2.20 -0.98 10.45 0.12 9.48 使用阶段长期组合预应力1.98 12.01 12.01 恒载0.00 -6.09 -8.12 活载0.00 -2.61 -3.48 正应力1.98 4.88 2.50 短期组合预应力1.98 12.01 12.01 恒载0.00 -6.09 -8.12 活载0.00 -2.61 -3.48 正应力1.98 4.10 1.46 标准组合预应力-0.63 -3.84 -3.84 恒载0.00 6.91 9.22 活载0.00 2.96 3.95 正应力-0.63 6.73 10.26 钢绞线应力1146.51 1187.41 1201.05 JTG D622004 第7.2.8条要求，在预应力和构件自重等施工荷载作用下截面边缘砼的法向应力应符合下列规定： 压应力 tcc= 0.7 fck= 0.70.8fck = 0.70.832.4= 18.14 MPa 拉应力 tct= 0.7 ftk= 0.70.8ftk = 0.70.82.65 = 1.48 MPa fck、ftk 为制造、运输、安装阶段砼的抗压标准强度和抗拉标准强度，因剪丝时砼强度为设计强度的80%，取fck= 0.8 fck， ftk= 0.8 ftk 。 JTG D622004 第7.1.5条要求，使用阶段受压区砼的最大压应力，对未开裂构件kc+pt= 0.5 fck = 0.532.4 = 16.2 MPaJTG D622004 第7.1.5条要求，使用阶段受拉区预应力钢筋的最大拉应力，对未开裂构件 pe+p= 0.65 fpk = 0.651860= 1209 MPa JTG D622004 第6.3.16.3.2条要求，在作用短期效应组合下，对预制构件，构件正截面砼的法向拉应力：对全预应力构件 st= 0.85pc 即下缘正应力pcst= 0.15pc对A类预应力构件stpc=0.7 ftk结论：边板和中板的混凝土法向应力和钢绞线最大拉应力均满足要求。(2). 主应力验算分别对支点和1/4截面形心轴处在使用阶段进行主应力验算。 作用短期效应组合主应力计算位置板别 剪应力计算正应力计算主应力计算V恒 (kN)V活 (kN)Vs (kN) (MPa )Np0 (kN)pc (MPa)tp (MPa)cp (MPa)支点截面边板183.79 113.77 263.43 1.43 417.07 0.77 -1.09 1.86 中板147.25 113.77 226.89 1.23 314.54 0.75 -0.91 1.66 1/4截面边板91.90 57.03 131.82 0.71 2218.79 4.11 -0.12 4.23 中板73.63 43.04 103.76 0.56 1912.38 4.59 -0.07 4.65 作用标准值组合主应力计算位置板别 剪应力计算正应力计算主应力计算V恒 (kN)V活 (kN)Vk (kN) (MPa )Np0 (kN)pc (MPa)tp (MPa)cp (MPa)支点截面边板183.79 140.77 324.56 1.76 417.07 0.77 -1.41 2.18 中板147.25 140.77 288.02 1.56 314.54 0.75 -1.23 1.98 1/4截面边板91.90 70.57 162.46 0.88 2218.79 4.11 -0.18 4.29 中板73.63 53.26 126.89 0.69 1912.38 4.59 -0.10 4.69 注：= Vs S0bI0 计算主应力点在中性轴处，y0=0，cx =pc +0= Np0 A0 tp =cx2 (cx2)2 +2 12 cp =cx2 (cx2)2 +2 12JTG D622004 第6.3.1条要求，在作用短期效应组合下，对预制构件，构件斜截面砼的主拉应力： 对全预应力构件 tp= 0.6 ftk = 0.62.65 = 1.59 MPa 对A