桥梁工程第3章1.ppt

第三章钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥 3 1概述3 1 1钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥的特点3 1 2梁式桥承载结构体系的类型及应用范围3 1 3梁式桥承载结构体系的截面类型3 2简支梁式桥的设计与构造3 2 1简支板桥的设计与构造3 2 2装配式简支梁桥的设计与构造3 3简支梁式桥的计算3 3 1简支梁式桥的计算内容 3 3 2行车道板的计算3 3 3荷载横向分布计算方法3 3 4主梁内力计算3 3 5横隔梁内力计算3 4梁式桥支座3 4 1支座的作用与要求3 4 2支座的常用类型与构造3 5其它梁式桥的构造特点与计算要点3 5 1其它梁式桥的构造特点3 5 2其它梁式桥的计算特点 返回 3 1 1钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥的特点 梁式桥是指其结构在垂直荷载作用下 其支座仅产生垂直反力 而无水平推力的桥梁 这一类桥梁的特点是受力明确 理论计算和设计简单 施工方法成熟 梁式桥主要采用钢筋混凝土 预应力混凝土和钢结构 钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁具有成本低 耐久性好 刚度大 变形小 可塑性强等优点 钢筋混凝土和预应力混凝土梁式桥除斜桥和弯桥尚采用现场整体浇筑外 普遍采用预制装配式施工 桥梁构件趋于标准化 构件的预制生产趋于场地化集中管理 中小跨径的桥梁广泛采用梁式桥 其中钢筋混凝土简支梁桥和预应力混凝土简支梁桥最为常用 更大跨径的桥梁可采用预应力混凝土悬臂梁 预应力混凝土连续梁或其它类型大跨度桥梁结构 返回 3 1 2梁式桥承载结构体系的类型及应用范围 梁式桥是目前设计理论和施工工艺相对成熟和完善的桥梁结构体系 不同类型的梁式桥 图3 1 其受力特点各有差异 对承载结构的截面形式要求也不一样 因而其应用的范围也不尽相同 按照梁式桥承载结构体系可划分为 简支梁式桥 连续梁桥 悬臂梁桥 T形刚架桥 按其承载结构的截面形式可划分为 板式梁桥 肋梁式梁桥 箱形梁桥 返回 1 简支梁式桥 简支梁式桥是静定结构 其结构的内力不受地基变形的影响 由于其各跨独立受力 最易设计成各种标准跨径的装配式结构 其桥跨结构主要承受由荷载引起的弯矩和剪力 随着跨度的增大 荷载在主梁 板 跨中引起的弯矩将急剧增加 同时在主梁 板 内力中 恒载引起的内力所占比例也将明显增大 减小结构恒载是提高简支梁式桥跨越能力的最有效途径 桥梁工程中广泛采用的简支梁式桥有三种类型 简支板桥主要用于小跨度桥梁 分为实心板和空心板 肋梁式简支梁桥主要用于中等跨度桥梁 由于简支梁桥主要承受单向弯矩 采用T I形截面是最合理的 箱形简支梁桥主要用于预应力混凝土梁桥 特点是截面材料分布较为合理 且便于布置预应力筋 截面具有良好的抗弯 抗扭性能 尤其适用于桥面较宽的预应力混凝土桥梁和跨度较大的斜交桥和弯桥 返回 2 连续梁桥 连续梁桥是多跨简支梁桥在中间支座处连接贯通 形成整体的 连续的 多跨的梁结构 在荷载作用下中间支座处产生较大的负弯矩 使梁跨中的弯矩明显减小 整个梁中的弯矩沿梁跨方向分布更加合理 同样的截面高度连续梁桥有更大的跨越能力 钢筋混凝土连续梁桥仅用于中小跨径的桥梁 大跨度连续梁桥宜采用预应力混凝土结构 其特点是 有效避免混凝土开裂 能够采用现代桥梁施工技术 可充分利用高强度材料 车辆荷载作用下变形和缓 行车平稳 伸缩缝较少 结构全截面受力 连续梁桥的中间桥墩只布置单排支座 连续梁是超静定结构 连续梁按其截面变化可分为等截面连续梁和变截面连续梁 按其各跨的跨长可分为等跨连续梁和不等跨连续梁 预应力混凝土连续梁桥一般跨径范围为40 160m 最大跨径已达240m 返回 3 悬臂梁桥和T形刚架桥 悬臂梁桥是简支梁桥的梁体向一端或两端伸过其支点所形成的梁式桥结构 可分为单悬臂梁和双悬臂梁 T形刚架桥是由桥跨梁体与桥墩 台 刚接形成的具有悬臂受力特点的无支座T形梁式桥结构 在荷载作用下悬臂梁桥和T形刚架桥有与连续梁桥类似的内力分布 一般为静定结构 悬臂梁桥受力特点和施工方法与连续梁桥相近 而在结构上却增加了悬臂与挂梁间的牛腿和剪力铰构造 使用上其行车舒适性也不如连续梁桥 因此在实际桥梁工程中的应用受到很大限制 T形刚架桥宜采用预应力混凝土结构 预应力混凝土T形刚架桥 的结构性能与悬臂施工法达到了高度协调统一 其梁跨在施工中的受力状态与运营荷载作用下的受力状态基本一致 且省去了桥梁支座 在施工中不必设置墩上临时固定装置 避免了施工过程中的结构体系转换问题 返回 3 1 3梁式桥承载结构体系的截面类型 梁式桥承载结构体系的截面类型与梁式桥的跨度 立面布置 建筑高度 施工方法以及所使用材料的性质等有关 其关键在于充分合理地利用材料 满足结构的承载要求 并在施工中容易实施 目前经常采用的截面形式为板式截面肋梁式截面箱形截面 返回 1 板式截面 板式截面特点是建筑高度小 构造简单 施工方便 采用预制装配施工时 预制构件重量小 架设方便 板式截面根据其截面形式和施工方式可划分为 整体式矩形实心板装配式板装配整体组合式板异形板前三种板主要用于小跨度板式梁桥 包括简支板桥 连续板桥和斜板桥 异形板截面形式主要用于城市高架桥及跨度在20 30m 桥面较宽的预应力混凝土连续板桥 图3 2板桥横截面 返回 整体式矩形实心板 整体式矩形实心板截面形状简单 结构刚度大 整体性好 可适用于各种道路线型复杂的桥梁 通常采用现浇混凝土施工 在车辆荷载作用下 整体式矩形实心板实际上属于双向受力板 图3 3 只有在某些条件下 它才可简化为单向受力的板 有时为了减轻自重 挖去部分受拉区的混凝土 做成矮肋式截面 返回 装配式板桥 装配式板截面避免了现场浇筑混凝土引起的弊端 一般由数块一定宽度的实心或空心预制板组成 各板利用板间企口缝填充混凝土相连接 在荷载作用下 每块板相当于单向受力的梁式窄板 除主跨径方向承受弯曲外 还承受由板间接缝 铰缝 传递的剪力而引起的扭转 图3 4 这种板式截面其结构整体性较差 但其施工方便 工期较短 这种板式截面分为三种类型 钢筋混凝土实心预制板 钢筋混凝土空心预制板 预应力混凝土空心预制板 返回 2 肋梁式截面 肋梁式截面的基本形式由多片T形截面主梁组成 根据其施工方式可划分为整体肋梁式截面和装配肋梁式截面 其主梁除采用T形截面外 也可采用II形或I形截面 但将其组合成桥梁横截面时 仍类似于T形截面主梁组合的桥梁横截面 继续 T形截面 T形截面特点是外形简单 制造方便 主梁之间通过横隔梁联结 结构整体性较好 从结构主梁受力角度分析 由于T形横截面上翼缘面积较大 其截面重心位置偏上 T形横截面上翼缘恰好提供了更大的混凝土受压区 而下翼缘只要能满足受拉钢筋或预应力钢筋的布置 就足够了 T形横截面的重心至下翼缘的距离较大 对于有效地利用受拉钢筋和预应力钢筋非常有利 由于T形横截面最适合于承受单向弯矩 因而肋梁式截面大多用于跨径为13 20m的钢筋混凝土或20 60m预应力混凝土简支梁桥以及少数跨度不大 正负弯矩绝对值相差不大的悬臂梁桥或连续梁桥 返回 3 箱形截面 箱形截面特点是全截面参加工作 截面抗弯 抗扭刚度较大 材料在截面上分布相当合理 使其能够有效地抵抗正 负弯矩和较大扭矩 能够满足普通钢筋和预应力钢筋的配筋要求 同时有良好的横向抗弯能力 箱形截面抗扭刚度较大 在车辆荷载作用下各主梁受力较均匀 其荷载横向分布系数较小 箱形截面不仅适用于较大跨径的简支梁桥 还特别适用于较大跨径的连续梁 悬臂梁和T形刚架 箱形截面的类型一般分为单箱单室 单箱双室 单箱多室 双箱单室 双箱双室和多箱单室以及长悬臂斜腹箱形截面等 继续 箱形截面的类型 单箱单室截面受力明确 计算较简单 施工方便 材料用量较节省 单箱多室和双箱双室等截面内力分布较均匀 但计算较复杂 施工较困难 实际工程中较多地选用单箱单室和双箱单室等截面 中等宽度的桥梁一般选用单箱单室或单箱双室 而一般宽桥选用单箱多室 双箱单室或直接采用两个分离的单箱单室或单箱双室截面 长悬臂斜腹箱形截面是现代城市高架桥经常采用的截面形式之一 箱形截面是绝大多数大跨度桥梁优先选用的截面形式之一 返回 3 2 1简支板桥的设计与构造 简支板桥是小跨度桥梁广泛采用的桥型之一 根据施工方式分为整体式板桥 装配式板和装配整体式板桥 根据跨越方式可分为正交板桥和斜交板桥 1 整体式板桥的设计与构造整体式板桥通常采用等厚矩形截面 在荷载作用下 整体式板桥实际处于双向受力状态 理论上可采用弹性薄板小挠度弯曲理论建立其基本微分方程 进而根据板的边界条件和所承受的荷载求解板中内力 整体式正交板桥的受力特点整体式正交简支板桥的构造与配筋整体式斜交板桥2 装配式板桥的设计与构造3 装配整体式板桥的设计与构造 返回 整体式正交板桥的受力特点 1 在均布恒载作用下 桥跨板基本处于单向受力状态 图3 7 其跨中截面单位宽度上的弯矩 可象简支梁跨中弯矩那样确定 与之正交截面单位宽度上的弯矩 为Poisson比 比弯矩 小得多 继续 整体式正交板桥的受力特点 2 当车轮荷载作用在板中时 桥跨板处于双向受力状态 其跨中截面弯矩 沿板横向 y轴方向 是非均布的 图3 8 的值随着距作用点的距离增加而减小 最大值与板宽和荷载作用位置有关 由于此时板的挠度沿y轴方向有变化 根据挠度及曲率与横向弯矩 的关系 的值沿y轴方向也有变化 并将大于均布恒载作用下的该值 但与 相比仍然较小 可考虑作为单向板计算 继续 整体式正交板桥的受力特点 3 当车轮荷载作用在板的自由边附近时 和 的分布规律与荷载作用在板中类似 但 数值较大 而 数值较小 根据上述受力特点 实际工程中的整体式正交板桥通常作为单向板考虑 采用更为实用的简化设计计算方法确定其内力 如 折算宽度法 该法假定车轮荷载引起的跨中弯矩Mc由板的折算宽度b来承担 折算宽度b取 桥规 中车轮荷载的有效分布宽度 在折算宽度内车轮荷载引起的单位板宽上的弯矩 c Mc b为均布 由此所确定的板中弯矩 c 均布恒载引起的单位板宽上的弯矩 可根据钢筋混凝土结构设计原理用于确定板受力钢筋的数量 此外整体式正交简支板桥也可采用简化刚接板 梁 法确定其内力 返回 整体式正交简支板桥的构造与配筋 整体式正交简支板桥的板厚通常取跨径的1 15 1 20 但不宜小于100mm 其配筋应与其受力特点相吻合 当车轮荷载作用在板桥两侧边缘的某一侧时 板边缘截面上的 值较大 车轮荷载有效分布宽度小于板中 因而在板边缘的1 6板宽内主筋配筋量通常增加15 同时应考虑布置适量边缘构造钢筋 图3 9所示为标准跨径6m 桥面净宽8 5m 两侧各有0 25m的安全带 并按汽车 15级 挂车 80的荷载标准设计的整体式简支板桥的构造与配筋 继续 整体式简支板桥的构造与配筋实例 该桥计算跨径为5 69m 板厚0 32m 约为跨径的1 18 纵向主筋为直径20mm的II级钢 在中间2 3板宽内按间距125mm布置 两侧各1 6板宽内按间距110mm布置 并在跨径两端1 4 1 6的范围内按30 弯起 返回 横向分布钢筋为直径10mm的I级钢 按单位宽度截面上所配主筋面积的15 配制 并沿纵向按间距200mm布置 整体式斜交板桥 在桥梁工程中 由于桥位处的地形条件限制或道路线型的要求 许多桥梁采用斜交方式跨越河流或障碍物 斜交板桥的受力分析比较复杂 工程设计中通常采用近似数值法确定其内力或将其结果制成表格供设计者直接查用 理论计算和实验分析表明斜交板的内力分布受斜交角 的大小影响 受垂直于板桥轴线的板宽b与垂直于简支边的跨径l比的影响及受支座类型的影响 斜交板的受力特点 1 当斜交角 15 时 斜交角的影响可忽略不计 并可按正交板考虑 2 斜板中主弯矩的方向在宽板的中部近似垂直于支承边 在两侧近似平行于自由边 窄板的两侧与宽板两侧类似 但窄板中部处于平行于自由边与垂直于支承边的中间方向 斜板中扭矩分布相当复杂 继续 斜交板的受力特点 3 纵向最大弯矩的位置随着斜交角 的增大从跨中向钝角方向移动 图3 10 4 斜交板的最大纵向弯矩比相同斜跨径的正交板要小 而横向弯矩要大得多 5 钝角处有相当大的垂直于钝角平分线的负弯矩和平行于钝角平分线的正弯矩 6 在支承边上的反力从钝角处向锐角处逐渐减小 钝角处最大 而锐角处最小 继续 斜交板桥的构造与配筋 斜板桥的配筋原则上要与其受力特点相一致 对于斜板窄桥 l b 1 3 板底层纵向主筋一般沿斜跨方向布置 而横向钢筋在板中部钝角范围内垂直于纵向主筋 在支承边附近范围内平行于支承边布置 对于斜板宽桥板 l b 1 3 底层纵向主筋在板中部钝角范围内垂直于支承边布置 在锐角至对面钝角间的板边部分平行于自由边布置 横向钢筋平行于支承边布置 此外在斜板桥板顶层沿自由边宽度br h范围内布置一些附加钢筋网 纵向筋平行于自由边 横向筋平行于支承边 并在钝角的l 5范围内布置相当于跨中主钢筋0 8 1 0倍的附加钢筋 在板顶层钢筋垂直于钝角平分线 在板底层钢筋平行于钝角平分线 图3 11 继续 图 3 11 返回 2 装配式板桥的设计与构造 装配式板桥是目前采用最广泛的板桥形式之一 按其横截面形式主要分为实心板和空心板 钢筋混凝土空心板的跨径范围为6 13m 板厚0 4 0 8m 而预应力混凝土空心板的跨径范围为8 16m 板厚0 4 0 7m 继续 装配式板桥的横向联结方式 装配式板桥通过各种横向联结方式将预制板块连接成整体 以便共同承受各种荷载的作用 常用的联结形式有两种企口混凝土铰联结和钢板联结 企口混凝土铰联结有圆形 菱形和漏斗形三种 图3 13a 钢板联结一般采用在预制板顶面沿纵向两侧边缘每隔0 8 1 5m预埋一块钢板 图3 13b 连接时将钢盖板与相邻预制板顶面对应的预埋钢板焊接在一起 继续 装配式板桥的受力分析 装配式板桥在荷载作用下亦属双向受力板 但由于其结构受力特点可简化为单向受力窄板来确定其板中内力 每块预制板除承受本板内的荷载外 还通过预制板间的联结承受相邻板上荷载 变形或两者同时所引起的竖向剪力和其它内力的作用 图3 4 14 设计中多采用铰接板 梁 法确定其板中内力 其它内力与竖向剪力相比对确定板的内力影响极小 板中主要受力钢筋的数量由计算得到的内力确定 此外在板中布置适量的构造钢筋以承受计算时忽略的某些内力 工程中装配式板桥基本上采用标准设计 继续 图3 4 14 继续 标准设计实例 1 图3 15为装配式钢筋混凝土简支实心预制板桥的一个标准设计实例 其标准跨径为6m 桥面净空为净 7 无人行道 荷载等级为汽车 15级 挂车 80 桥跨结构中部采用6块宽度为990mm的预制板 两侧边缘采用宽度为740mm的预制板 继续 标准设计实例 2 图3 16为装配式预应力混凝土简支空心预制板桥 其标准跨径为13m 桥面净空为净 7 2 0 5m 荷载等级为汽车 20级 挂车 100 桥跨结构采用8块宽为990mm 混凝土为C40号的预制板 每块板底层配置7根直径为20mm的 级冷拉钢筋作为预应力筋 板顶层配置3根直径为12mm的架力钢筋 在支点附加还配置6根直径为8mm的构造筋 继续 装配式斜交简支板桥 装配式斜交简支板桥的受力与整体式斜交板桥基本相同 其板中内力同样采用近似数值法确定 预制斜交板的钢筋布置有两种方式 当斜交角 25 30 时 主钢筋按平行于自由边布置 而分布钢筋按平行于支承边布置 当斜交角 40 60 时 主钢筋仍按平行于自由边布置 而分布钢筋在钝角范围内垂直于主钢筋布置 支承边附加平行于支承边布置 此外在支承边板底层布置垂直于支承边的加强钢筋 在钝角处板顶层布置垂直于钝角平分线的加强钢筋 板顶层沿自由边布置适量附加纵向筋 图3 17 继续 图3 17 返回 3 装配整体式板桥的设计与构造 装配整体式板桥具有安装重量轻 结构整体性好 施工简单和模板用量省等特点 适用于小跨度板桥 为了保证板结构的整体作用 预制构件中的横向钢筋要伸出构件 现浇混凝土中还要布置适量的纵向钢筋和横向分布筋 并与预制构件中伸出的钢筋相结合构成整体钢筋骨架 使现浇混凝土和预制构件能很好地结合形成整体 共同承受荷载的作用 图3 18 返回 3 2 2装配式简支梁桥的设计与构造 简支梁桥按施工方法可分为整体式和装配式简支梁桥 横截面形式为T形 I形和II形等肋梁式截面 装配式简支梁桥在设计和施工中首先要解决的问题是如何将整个桥跨结构合理地划分成各种预制装配单元 装配式简支梁桥的设计还需考虑预制装配单元的构造布置 构造尺寸和构造联接等问题 1 预制装配单元的划分2 装配式简支梁桥的构造布置3 主梁的设计与构造4 横隔梁的设计与构造 返回 预制装配单元 1 预制装配单元的划分 预制装配单元的合理划分应符合如下原则 预制装配单元的划分应有利于简化结构的计算 预制装配单元的划分不能影响结构作为整体的承载能力 拼装部位应位于内力较小处 拼装接缝的数量尽可能地要少 接头的形式要合理 牢固可靠 且要施工方便 预制装配单元的形状和尺寸力求标准化 可互换性强 尽可能减少种类 预制装配单元的大小和重量应便于预制 运输和安装 继续 预制装配单元 预制装配单元划分方式 1 1 纵向竖缝划分此划分方式是用纵向竖缝沿横向将桥跨的多主梁结构划分为多个单主梁预制装配单元 每个预制装配单元为一个整跨T形或II形梁 拼装接缝位于行车道板和横隔梁内 T形梁 或位于梁肋上 II形梁 此划分方式对结构主梁的受力和承载能力影响较小 因接缝处内力较小 可保证联接牢固可靠 使桥跨结构有较好的整体性 此划分方式有利于结构简化计算 与结构设计采用的简化计算模式比较吻合 划分后的预制装配单元可实现预制构件的形状尺寸 结构配筋和拼接方式的标准化 以方便施工 降低施工成本 缺点是预制装配单元的构件尺寸和重量比较大 并随跨径的增加急剧上升 继续 预制装配单元 预制装配单元划分方式 2 3 2 纵向水平缝划分此划分方式是用纵向水平缝将桥跨的肋梁结构划分成梁肋和翼缘板 翼缘板再划分为一定宽度的矩形板 划分后预制构件为整跨I形梁和与主梁间距同宽的矩形预制板 此划分的装配式梁桥也称组合式梁桥 其预制构件的尺寸和重量比前一种划分方式小得多 更有利于拼装施工 这种组合式的主梁为分阶段受力 3 纵 横向竖缝划分此划分方式是在第一种划分方式的基础上将整跨的T形梁或其它截面形状的整跨梁用横向竖缝沿纵向再次分割 形成较小的预制梁段 此划分方式的预制梁段在串接成整跨梁时只能采用施加预应力的方法 此划分方式使预制构件的尺寸更小 重量更轻 返回 预制装配单元 1 2 装配式简支梁桥的构造布置 图3 20 装配式简支梁桥的构造布置是在给定桥面设计宽度的条件下选择出主梁的截面形式 确定主梁的间距 或片数 和确定桥跨结构所需横隔梁的数量 主梁截面大多采用T形截面 也常采用I形截面 主梁间距 或片数 的确定 需综合考虑许多因素 横隔梁的作用是将各主梁连结成一个整体 并保证在荷载作用下能共同工作 它的刚度越大 连结越可靠 桥梁结构的整体性就越好 继续 图3 20 返回 3 主梁的设计与构造 桥跨结构中的主梁是最重要的承载预制构件 主要介绍T形截面主梁的设计与构造 1 主梁的构造尺寸 2 主梁的配筋构造 返回 1 主梁的构造尺寸 主梁的高度与主梁的截面类型和间距以及设计荷载的等级有直接关系 主梁翼板除承受自重和桥面恒载外 主要承受由车轮引起的局部荷载 根据其受力特点 一般做成变厚度板 通常翼板根部的厚度不小于梁高的1 12 翼板边缘厚度与相邻主梁翼板间的连结方式有关 此外为了减小翼板和梁肋连结处的局部应力集中和易于脱模 常在此部位设置折线形承托或圆角 主梁的肋宽必须满足截面抗剪和抗主拉应力的强度要求 同时应考虑梁肋的屈曲稳定性 梁肋内主筋或预应力筋的布置和浇筑混凝土施工所需的最小肋宽 钢筋混凝土T形截面梁的下翼缘通常与梁肋同宽 预应力混凝土T形截面梁的下翼缘通常做成马蹄形 以便满足预应力筋布置的要求和施加预应力时该部位的强度要求 继续 预应力混凝土T形截面梁的马蹄形下翼缘 马蹄尺寸过小 在施工和使用中会出现纵向水平裂缝 马蹄尺寸过大 会降低截面形心 减小预应力筋的偏心距 增加预应力筋的用量 根据统计马蹄形的宽度为梁肋宽度的2 4倍 具体由马蹄形中沿横向布置几排预应力筋的构造要求所需宽度来确定 马蹄形的高度 下翼缘高度加斜坡高度 与沿高度布置几排预应力筋有关 通常约为梁高的0 15 0 2倍 马蹄形的斜坡坡度陡于45 为宜 图3 21和图3 22所示为跨径20m的装配式钢筋混凝土T形梁和跨径为30m的装配式预应力混凝土T形梁的构造尺寸实例 继续 构造尺寸实例 钢筋混凝土T形梁 图3 21为跨径20m的装配式钢筋混凝土T形梁的构造尺寸实例 其设计荷载分别为汽车 15级 验算荷载为挂车 80和汽车 20级 验算荷载为挂车 100 继续 构造尺寸实例 预应力混凝土T形梁 图3 22所示为跨径为30m的装配式预应力混凝土T形梁的构造尺寸实例 其设计荷载分别为汽车 15级 验算荷载为挂车 80和汽车 20级 验算荷载为挂车 100 返回 2 主梁的配筋构造 主梁的配筋包括纵向受力主筋或预应力筋和各种构造钢筋 受力主筋和预应力筋的数量通过计算确定 并按主梁受力特点布置 主筋 预应力筋和各种构造钢筋通常按 桥规 的构造要求布置 部分构造钢筋需要通过计算确定其配筋量 但必须满足构造所要求的最小配筋量 钢筋混凝土T形主梁的配筋构造示例 预应力混凝土T形主梁的配筋构造示例 返回 钢筋混凝土T形主梁的配筋构造示例 图3 23 主梁内共配置纵向受力钢筋10根 分五层叠置 8根直径为32mm 编号为N1 N2 N3 N4 2根直径为16mm 编号为N6 为满足梁内抗剪要求 补充设置直径为16mm的附加斜筋N7 N8 N9 N10和N11 为防止梁肋两侧产生裂缝 沿梁高布置直径为8mm的水平纵向分布钢筋N12 由于梁肋下缘拉力较大 该分布筋布置较密 向上则逐渐布置得较稀 箍筋N14和N15采用直径为8mm的普通光圆钢筋 间距为240mm 支座附近采用下缺口的四肢式箍筋 N15 以便满足抗剪要求和适应支座钢板锚筋的布置 跨中部分采用双肢箍筋 N14 全梁布置两片平面焊接钢筋骨架 每片重5 86kN 用C25号混凝土浇筑 每根中间主梁的安装重量为211 7kN 继续 图3 23 返回 预应力混凝土T形主梁配筋构造示例 图3 24 梁内预应力筋采用7束24根 5高强钢丝束 均以圆弧起弯并锚固在梁端20mm厚的钢垫板上 全部钢丝束的重心线不超过束界范围 在锚固区域锚具的布置应分散均匀 最好对称于竖轴 并留有足够的净距以便张拉操作 除预应力钢筋之外 为了梁的抗剪和抗裂需要 梁肋两侧布置用 8钢筋构成钢筋网 故在钢垫板下预应力筋周围设置 8的螺旋筋 并在梁端加宽范围内的各排钢丝束之间设置加密钢筋网或加密的纵向水平分布筋和箍筋 在梁的拉应力或拉应变区适当布置一些普通钢筋以便协调预应力筋和普通钢筋的配置 改善梁的结构性能 继续 图3 24 返回 4 横隔梁的设计与构造 横隔梁的设计要考虑横隔梁的尺寸和其受力钢筋 构造钢筋的布置 在装配式T形梁中 横隔梁与主梁是同时布筋 同时预制完成 主梁安装就位后 在横隔梁的预埋连接钢板上加焊钢盖板使横隔梁连成整体 图3 26 返回 3 3 1简支梁式桥的计算内容 简支梁桥设计与计算项目一般有主梁 横隔梁 桥面板 行车道板 和支座等 在结构设计中 通常根据桥梁使用要求 跨径大小 桥面净宽 荷载等级和施工等基本条件 参考已经设计建造的桥梁拟定截面型式和尺寸 根据作用在结构上的荷载 用数学和力学方法计算出结构各部份可能产生的最不利内力 进行强度 刚度和稳定性验算 本节将着重介绍行车道板 主梁和横隔梁的承载特点和计算方法 返回 3 3 5横隔梁内力计算 横隔梁的计算方法与主梁的计算方法一致 1 偏压法计算横隔梁内力2 比拟板法计算横隔梁内力对于有多根横隔梁的情况 由于位于跨中横隔梁的受力最大 通常只需计算跨中附近的中横隔梁 其它横隔梁可仿此设计 返回 1 偏压法计算横隔梁内力 1 这种方法的力学模型是将桥梁的中横隔梁近似地视作竖向支承在多根弹性主梁上的多跨弹性支承连续梁 如图3 63b所示 1 横隔梁的内力影响线如图3 63b所示 当桥梁在跨中有单位荷载 1作用时 各主梁所受的荷载将为R1 R2 R3 Rn 这也就是横隔梁的弹性支承反力 因此 由力的平衡条件就可写出横隔梁任意截面r的内力计算公式 图3 63横隔板计算图式 继续 1 偏压法计算横隔梁内力 2 1 荷载 1位于截面r的左侧时 Mr R1 b1 R2b2 1 e 左Ribi eQr R1 R2 1 左Ri 1 3 36 2 荷载 1位于截面r的右侧时 Mr R1 b1 R2b2 左RibIQr R1 R2 左Ri 3 37 式中 Mr Qr 横隔梁任意截面r的弯矩和剪力 e 荷载 1至所求截面的距离 bi 支承反力Ri至所求截面的距离 左 表示涉及所求截面以左的全部支承反力的作用 以上公式中对于确定的计算截面r来说 所有的bi是已知的 而Ri则随荷载 1位置e而变化 故公式为横隔梁的内力影响线 继续 横隔梁的R M Q影响线 继续 2 作用在横隔梁上的计算荷载 汽车荷载为 继续 平板挂车荷载为 Pog Piyi 4均布的履带荷载或人群荷载为 履带车 Pol pl l 2人群 Por por r porla 影响线上布满荷载 式中 pl和p0r 为一辆履带车每延米的荷载和一侧人行道每延米的人群荷载 l和 r 相应为对应于履带车和人群荷载范围的影响线面积 la 横隔梁的间距 横隔梁上计算荷载的计算图式 3 横隔梁内力计算 用上述计算荷载在横隔梁内力影响线上按最不利位置横向加载 就可求得作用在一根横隔梁上的最大 或最小 内力值 求得横隔梁内力后 可按RC或PC结构设计原理计算配筋和进行 返回 强度验算或应力演算 横隔梁用焊接钢板接头连接的装配式T形梁桥 钢板所承受的轴向力为 N M z式中 z 横隔梁顶部和底部接头钢板之间的中心距离 2 比拟板法计算横隔梁内力 1 比拟正交异性板的横向单宽弯矩表达式可写成 3 38 式中 B 桥宽的一半 p0sin x l 横向单宽板条上的荷载 弯矩影响系数 当0 1时 3 39 对于内横隔梁来说 横隔梁的间距是a 并且计入活载的冲击系数 则此梁承受的弯矩显然可近似地用下式表示 如果作用在桥上的荷载沿纵向的是几个集中力或局部的分布力 而且沿桥的横向有m行同类荷载作用时 则将上式改写成 My 1 a sin x l 3 40 继续 2 比拟板法计算横隔梁内力 2 对于跨中横隔梁 代入x l 2 则得 My 1 a 3 41 式中 荷载函数 与荷载的形式及位置有关 对于单个集中荷载作用于跨中时 2p l 对于均布荷载 4q 与各行荷载位置相对应的横向弯矩影响线坐标之和 当用比拟板法计算横隔梁的剪力时 可根据按比拟板法求得的有主梁的荷载横向影响线 仿照 偏心压力法 绘制横隔梁剪力影响线的方法进行 返回 3 4梁式桥支座 3 4 1支座的作用与要求3 4 2支座的常用类型与构造梁式桥的支座一般采用钢 橡胶 聚四氟乙烯或钢筋混凝土等材料制作 并根据桥梁的跨径和支点反力的大小 桥跨结构的变形程度以及留给支座的空间高度等因素选定其类型 以下介绍几种常用的支座类型及其构造 1 简易垫层支座与弧形钢板支座2 钢筋混凝土摆柱式支座3 橡胶支座3 4 3支座的计算 返回 3 4 1支座的作用与要求 桥梁支座是设置在桥梁上部承载结构与墩台之间的传力装置 桥梁支座的作用 将作用在上部承载结构的各种荷载传递到墩台上 保证结构在荷载 温度 混凝土收缩和徐变等因素作用下自由变形 不产生附加内力 使上 下部结构的实际受力符合设计结构的静力计算图式 对桥梁支座的要求 必须有足够的承载能力和适应梁体变形的能力 具备便于安装 养护 维修和更换的特点 根据静力计算图式梁式桥支座有三种形式 支座的设置根据梁式桥的桥宽 截面类型和桥型 多跨简支梁 连续梁 坡桥 悬臂梁 以及墩台类型而定 此外 设置桥梁支座的支承平面应保持水平 避免竖向荷载作用产生水平力 随着桥梁工程技术的发展 出现了许多新型桥梁支座 尤其是近三十年来出现的各种橡胶支座 返回 1 简易垫层支座与弧形钢板支座 简易垫层支座主要用于标准跨径小于10m的简支梁 板桥 这种支座直接将梁或板的端部支承在几层油毛毡或石棉做成的简易垫层上 垫层压实后的厚度不应小于10mm 这种支座变形能力很差 为避免墩 台顶受压开裂或拉裂 墩 台顶前缘削成斜角 在梁 板底部和墩 台顶内部增设1 2层钢筋网 弧形钢板支座主要用于标准跨径在10 20m范围内 支点反力小于600kN的简支梁 板桥 弧形钢板支座由两块厚度为40 50mm的铸钢制成的上垫板 下垫板组成 上 下垫板之间可相对自由转动和滑动以实现活动支座的功能 若作为固定支座 则需在上垫板上加工出齿槽 或销钉孔 在下垫板相应部位焊上齿板 或销钉 以便安装后固定上下垫板的相对位置 使其可相对自由转动 而不能相对滑动 弧形钢板支座 返回 简易垫层支座 2 钢筋混凝土摆柱式支座 钢筋混凝土摆柱式支座是由两组弧形钢板固定支座和混凝土摆柱组成 摆柱的横桥向尺寸b一般取梁肋宽度 顺桥向尺寸a由摆柱横截面的混凝土抗压强度来确定 钢筋混凝土摆柱支座依靠混凝土摆柱的转动来实现活动支座的功能 这种支座目前基本不再使用 钢筋混凝土摆式支座 返回 3 橡胶支座 1 板式橡胶支座板式橡胶支座适应于中小跨径的桥梁 公路规范规定标准跨径20m以内的梁和板桥 可采用板式橡胶支座 板式橡胶支座就是一块矩形黑色橡胶板 常用的板式橡胶支座是在橡胶板内加进数层薄钢板或钢丝网作为加劲层制成 支座中的薄钢板厚度为2mm 3mm 5mm不等 薄钢板间的橡胶厚度为5mm 8mm 11mm 15mm不等 通常根据计算来具体确定 板式橡胶支座通过橡胶层水平剪切变形和不均匀弹性压缩变形来实现支座水平位移和转动 采用橡胶支座时可不设固定支座 各跨采用等高橡胶支座 使各支座均匀地承受水平力 橡胶支座一般直接放置在墩台顶面 梁体直接放置在支座上 若水平荷载较大时 为防止支座滑动 支座的顶面和底面可设浅的定位槽 一般锚钉不宜伸入支座过深 以免影响支座的变形性能 继续 板式橡胶支座 板式橡胶支座 板式橡胶支座一般采用氯丁橡胶 使其具有一定的耐老化性 耐热性和耐油性 环境温度低于 25 C时 可采用天然橡胶支座或三元乙丙橡胶支座 除矩形板式橡胶支座外 圆形板式橡胶支座也广泛地被采用 聚四氟乙烯滑板式橡胶支座是板式橡胶支座的一种特殊形式 系在板式橡胶支座表面粘合一块厚为1 5 3mm的聚四氟乙烯板材 另在梁底支点处 设置一块有一定光洁度的不锈钢板 使其可在支座的聚四氟乙烯板表面来回移动 它除了具有橡胶支座优点外 能满足水平位移量较大的要求 适用的支座反力范围为90 3600kN 这种支座适用于较大跨度的简支梁桥 各种连续梁桥 这种支座有两种类型 封闭型和简易型 封闭型用于环境较差的地区和条件复杂的情况 聚四氟乙烯滑板式橡胶支座 继续 2 盆式橡胶支座 盆式橡胶支座能满足支座转动的要求 嵌放在钢盆环顶面的填充聚四氟乙烯板与其上的不锈钢滑板板相对摩擦系数设计时采用0 05 两者间的相对滑动可满足支座水平位移的需要 盆式橡胶支座的橡胶硬度为邵氏60 5 通常橡胶板的相对厚度t D越大 其抗转动力矩就越小 盆式橡胶支座是目前应用最广泛的一种大 中型桥梁支座 目前已定型生产的承载力为1000 60000kN的盆式橡胶支座分31级 为了适应转动量大的情况 盆式橡胶支座可改进为盆式球形橡胶支座 为了抗震的需要 盆式橡胶支座可加入减震消能装置改进为抗震型盆式橡胶支座 返回 3 4 1支座的计算 1 支座的受力分析桥梁支座主要承受由上部结构传来的竖向力和水平力 根据这些受力来选定支座的尺寸 并进行强度和稳定性验算 1 竖向力支座上的竖向力包括结构自重 活载及其影响力引起的支点反力 在计算活载的支点反力时 要按照最不利的状态排列荷载计算 并计入冲击的影响 当支座可能会出现上拔力时 应分别计算支座的最大竖向上拔力 桥梁上部结构可能被风力掀离的支座时 应计算支座锚栓及有关部件的承载力 2 水平力正交直线桥梁的支座 仅需计算纵向水平力 斜桥和弯桥 需要计算由于汽车荷载的离心力或风力所产生的横向水平力 支座上的纵向水平力 包括汽车荷载的制动力 风力 摩擦力或由于温度变化 支座变形引起的水平力以及其他原因如桥梁纵坡产生的水平力 继续 2 板式橡胶支座的计算 板式橡胶支座的设计与计算包括确定支座尺寸 验算支座受压偏转情况以及验算支座的抗滑稳定性 1 确定支座的平面尺寸橡胶支座的平面尺寸a b 矩形 或直径D 圆形 由橡胶板的抗压强度与梁端部或墩台顶的混凝土局部承压强度来确定 故应满足条件 橡胶板 N A j 式中 N 最大支反力 A 橡胶支座的平面面积 j 橡胶支座的平均容许压应力 根据支座形状系数S确定 5 S 8时 j 7000 9000kPa S 8时 j 10000kPa S由下式确定 矩形支座 S a b 2 a b t 圆形支座 S d 4t其中 t为中间层橡胶的厚度 梁端部或墩台顶的混凝土 应按照 桥涵设计规范 规定的钢筋混凝土的局部承压强度设计方法计算 继续 2 确定支座的厚度 根据板式橡胶支座的位移机理 梁的水平位移主要通过橡胶片的剪切水平变形来实现 因此 支座的厚度h取决于主梁由于温度变化等因素产生的纵向最大水平位移 橡胶片的剪切角 按下式计算 tan ti tan ti tan 式中 tan 橡胶片容许剪切角 的正切 可取用0 5或0 7 上式不计活载制动力用0 5 计及活载制动力取用0 7各表达为 ti 2 D ti 1 43 D L 式中 D 恒载作用下 上部结构温度变化 桥面纵坡等因素引起的支座水平位移 表达为 D t l 2 L 由制动力引起的支座水平位移 表达为 L HT ti 2GA考虑橡胶支座的稳定性 ti 支座顺桥向边长的0 2倍 橡胶支座的厚度 h ti n层加劲薄板的总厚 继续 3 验算支座偏转的位移 主梁受力发生挠曲变形时 梁段将发生转动位移 但不允许与支座相互脱离 即 s2 0 橡胶支座平均压缩变形 s s1 s2 2 ti Nmax ti EAE 橡胶支座的弹性模量 E 53S 41 8 MPa 已知梁端转角位移 0 0025 0 005rad 可计算其他参数 s2 s a 2 s1 a s2橡胶支座平均压缩变形应满足以下要求 s 0 05 ti 继续 4 验算支座的抗滑性能 橡胶支座一般直接放置在墩台与梁底之间 承受水平力H时应保证支座不致滑动 无活载作用时 ND 1 4 GA D ti有活载作用时 ND NPmin 1 4 GA D ti HT式中 ND 恒载作用下的支座反力 NPmin 汽车活载产生的最小支座反力 HT 汽车活载的制动力在支座上产生的水平力 橡胶支座与混凝土表面的摩擦系数为0 3 与钢板为0 2 GA D ti 一个支座上由温度变化等因素引起的水平力 返回 3 5其它梁式桥的构造特点与计算要点 3 5 1其它梁式桥的构造特点1 连续梁桥 悬臂梁桥和T形刚架桥的分孔2 横截面型式及主要尺寸3 预应力筋的布置要点3 5 2其它梁式桥的计算特点1 恒载内力计算2 活载内力计算 返回 1 连续梁桥 悬臂梁桥和T形刚架桥的分孔 连续梁桥 悬臂梁桥和T形刚架桥 在分孔时必须考虑桥梁相邻跨径的合理比例 根据恒载作用下的弯矩分布特点 通常设计成不等跨变高度的主梁结构形式 连续梁主梁连续超过五跨时 可按2 5孔为一联分联布置 联与联的衔接处 象简支梁桥一样 采用两个支座支承在同一桥墩上的方式 连续梁分跨布置时 各孔宜布置成对称于中央孔的不等跨径 三跨时边跨与主跨的比为0 65 0 8 五跨时为0 65 0 9 悬臂梁和T形刚架桥悬臂主梁间可用挂孔通过剪力铰相连 形成静定结构 也可用剪力铰直接相连 形成超静定结构 其悬臂长度和挂梁跨径应与锚固跨或主跨有合理的比值 悬臂梁通常采用带挂梁的布置 悬臂梁桥的中间支座采用固定铰支座 端支座采用活动支座 T形刚架桥通常采用尽可能相同的T形单元尺寸和尽可能对称的布置 返回 2 横截面型式及主要尺寸 1 大跨度的连续梁桥 悬臂梁桥和T形刚架桥多采用变截面形式 梁高沿桥纵向的变化常采用曲线或折线 如抛物线 正弦曲线 三次曲线 圆弧线以及折线等 主梁的截面通常采用箱型截面 主梁支点截面的高度约为梁跨的1 16 1 26 变高度主梁的跨中梁高约为支点梁高的1 5 1 2 箱型截面的宽度通常由桥面宽度 施工方式及墩台构造形式来确定 较经济合理的截面腹板的间距为2 5 4m 在大跨度的结构中可达到6m或更大 继续 2 横截面型式及主要尺寸 2 腹板厚度应根据抗剪强度 钢筋和预应力筋布置及混凝土浇筑等要求来确定 通常支承处截面的腹板厚度约为其截面高度的1 12 1 16 等高梁 或1 15 1 20 变高梁 一般为300 600mm 腹板的最小厚度一般由构造确定 腹板内无纵向预应力筋布置时可采用200mm 有纵向预应力筋布置时采用250 300mm 有纵向预应力筋锚固头时采用350mm 箱型截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位 底板厚度随箱梁负弯矩的增大而逐渐加厚 在支点处约为梁高的1 10 1 12 在跨中一般为150 180mm 若板内需布置预应力筋 连续梁 其底板厚度一般为200 250mm 普通钢筋混凝土顶板的厚度约为180 300mm 采用纵向或横向预应力时 需考虑预应力筋布置的构造要求 顶板的厚度也可取腹板间距的1 25 1 30 返回 箱梁截面高度 3 预应力筋的布置要点 1 预应力筋的布置通常根据正负弯矩沿梁纵向分布的变化来确定 其布置的方式与所采用的施工方法和预应力筋类型有密切的关系 预应力筋布置既要符合结构的受力要求 又要避免引起超静定结构中的附加内力 既要考虑结构在使用阶段的需要 又要考虑结构在破坏阶段的要求 同时必须考虑施工的方便 图3 71为目前连续梁常用的预应力筋布置方式 其中图a所示为采用顶推法施工的连续梁直线形预应力筋布置 图b所示为采用先简支后连续施工方法的预应力筋布置 图c d所示为曲线形的预应力筋布置 梁中除了正弯矩区和负弯矩区各需设置底部和顶部预应力筋外 在有正 负弯矩的区段内 顶 底板中均需设置预应力筋 图e表示曲线形预应力筋分段锚固于梁端和支点附近梁顶的布置方式 这种布置方式会在锚固区引起局部拉应力应注意配置适量的普通钢筋 继续 3 预应力筋的布置要点 2 图3 72所示为采用悬臂施工方法的连续梁预应力筋布置 从支点向悬臂两侧伸展的直筋束和弯筋束是用于承受支点附近梁段负弯矩的预应力筋 跨中布置在梁底的弯筋束和直筋束以及一些梁顶直束主要承受跨中梁段的正或负弯矩 这部分预应力筋通常在跨中合拢后张拉锚固 图3 73所示为采用悬臂施工方法的悬臂梁和T形刚架的预应力筋布置 预应力筋主要布置在截面上部的桥面板和梁肋的上部 以承受悬臂梁段的负弯矩 直筋束部分锚固在梁段接缝处的端面上 部分锚固在悬臂端部牛腿的端面上 梁肋内的弯筋束随着施工的推进分别下弯锚固在接缝处梁肋端面上 除纵向预应力筋外 对于大跨度宽桥面的梁式桥通常也采用横向和竖向预应力筋 在横隔梁内施加横向预应力以加强桥梁横向联系 横向和竖向预应力筋多采用直线布筋 短预应力筋可采用高强粗钢筋 返回 3 5 2其它梁式桥的计算特点 桥梁结构从其受力和变形来看 属空间结构体系 可采用空间结构计算理论直接计算结构任何部位在任何荷载条件下的内力和位移 传统的结构计算方法是将复杂的空间结构问题合理地简化为平面问题来求解 为目前的设计计算所广泛采用 但空间结构计算理论也越来越多的被用于结构的设计和计算 连续梁桥和悬臂体系梁桥的计算步骤和内容与简支梁基本相同 但由于其结构型式有较大差别 使其部分内容的计算方法有所不同 还需计算各种因素引起的附加内力 1 恒载内力计算2 活载内力计算 返回 连续梁桥和悬臂体系梁桥沿梁纵向多采用变高截面 其恒载内力数值和符号沿梁纵向有较大变化 通常每跨选择适当数量的计算截面 利用各截面的内力影响线来计算其内力 最后绘出主梁恒载内力包络图 静定的悬臂体系梁桥的内力影响线由多段直线组成 超静定的连续梁桥 可尽量利用现成的公式和图表绘制内力影响线 恒载集度为gx时 用影响线计算恒载内力的表达式为 其中yx为内力影响线的竖向坐标 yx和gx均为x的函数 图3 74 影响线为直线段时 S可用下式表达 1 恒载内力计算 1 继续 1 恒载内力计算 2 影响线为曲线段 而gx为直线段时 S采用下式表达 式中 gi yi 分别是i段恒载集度gx图和影响线图的面积 yci gci 分别是i段恒载集度gx图形心所对应的影响线座标和i段影响线图形心所对应的恒载集度gx值 n 为恒载集度gx和