直线连续梁计算书难点.doc

天津港远航散货码头堆场扩容工程六经北路高架公路桥第四联计算书二一三年 六月151、工程概况六经北路高架公路桥位于天津港远航散货码头堆场西侧，为南北走向转为东西走向，连接远航公司现有的前方码头和拟建堆场。桥梁北段现状为铁矿石堆场（含跨越堆场内铁路线），桥梁线位压占现状堆场内道路（远航六经北路），桥梁中段分别跨越南港路、神华煤炭码头铁路等多股铁路。桥梁中心桩号K0+645.000，起点桩号K0+212.5，终点桩号K1+077.5，桥梁全长865m。全桥平面分别处在直线、Ls=78m的缓和曲线及R=66m的圆曲线上，桥梁为正交布置，墩台采用径向（等角度）布置。全桥共分十三联桥：即（3x25）+（3x25）+50+(25+48+29)+（18+25+25）+(18+32+25)+50+50+50+（2x35）+（3x20）+（3x20）+（4x20）m；第一、二、五、六、十联采用简支预应力混凝土T梁，第四、十一、十二、十三联采用现浇预应力混凝土箱梁，第三、七、八、九联采用简支钢混组合箱梁。天津港远航散货码头堆场扩容工程六经北路高架公路桥所处地区为冲海积平原，地形平坦，地势开阔，地面高程一般在4.775.71m之间。本桥下部结构采用了柱式墩台；基础采用灌注桩基础（摩擦桩）。2 结构布置该桥的第四联采用现浇预应力混凝土箱梁，桥梁跨径为25m+48m+29m，桥面宽17.0m，箱梁为变截面单箱三室，横截面如图2-1、2-2、2-3所示。该联设计车道为四车道，荷载为公路一级荷载和90t特种荷载。图2-1 边跨端部横截面布置图（单位：cm）图2-2 中跨端部横截面布置图（单位：cm）图2-3 中跨跨中横截面布置图（单位：cm）3 计算依据及参考资料3.1 标准与规范公路工程技术标准（JTG B01-2003）公路桥涵设计通用规范（JTG D602004）公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004）公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50-2011)公路桥梁伸缩装置（JT/T3272004）公路桥梁盆式支座（JT/T 3912009）六经北路高架公路桥施工图设计说明及图纸3.2 主要技术标准(1）桥梁宽度：0.5+16.0+0.5=17.0m；（标准段）(2）道路等级：公路一级（结合城市道路），还需满足900kN重车通行要求；(3）设计速度：40km/h； (4）荷载标准： 90t特种车辆荷载；(5）抗震标准：地震动峰值加速度0.15g；(6）设计基准期：100年(7）高程系统：采用“天津港理论最低潮面”高程系统；3.3 主要设计参数1）混凝土：重力密度=26.0kN/m3，弹性模量为Ec=3.45104MPa；2）沥青混凝土：重力密度=24.0kN/m3；3）年平均相对湿度：65。4）预应力钢筋：预应力钢绞线采用符合GB/T 5224-2003规定， 公称直径为s 15.2mm的高强度、低松弛钢绞线，钢绞线面积A139 mm2；其抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95105MPa，锚下张拉控制力=0.7fpk=1302MPa，松弛系数0.3。5）锚具：锚具变形、钢筋回缩取6mm（一端）；6）管道摩擦系数：0.16；7）管道偏差系数：k0.0015/m; 8）二期铺装集度：0.08m厚C50混凝土现浇层：260.08171=35.36kN/m0.1m厚沥青混凝土桥面铺装：240.1171=40.8kN/m4 计算模型与计算参数4.1 计算模型的建立桥梁整体模型如图4-1所示。本桥运用Midas/Civil有限元软件建立该桥的计算模型。根据主梁长度和构造形式，全桥共分83个节点，58个单元。严格按照图纸上的桥梁结构布置和截面尺寸进行建模，模型中单元根据箱梁变截面位置布置，截面由SPC截面特征器生成，自动计算截面特性(面积、刚度等)，计算方法以自动生成的有限元网格作截面刚度计算。图4-1 总体模型本桥荷载考虑了港口生产运输特点，经业主确认，车道布载形式采用两个内车道为90t特种车辆、两个外车道为公路-级荷载。同时，运营期间须采取相应的交通管制措施。采用下图所示的车道横向布置及特种车辆荷载，结构整体分析采用纵向车队最不利形式布载，桥梁结构的局部加载参照公路桥涵设计通用规范横向布载形式。对于90t的特种荷载，车型及主要参数如图4-2所示。图4-2 90t特种荷载主要参数荷载试验车布置时，车辆布置情况如图4-3所示。图4-3 车辆布置形式在模型中建立4个车道来模拟实际情况的车道布置，将车道2和车道4按公路-级荷载考虑，布载时采用公路工程技术标准（JTGB01-2003）的标准车辆；车道1和车道3采用Midas Civil中自定义车辆来模拟90t特种荷载。模型实际模拟时，采用偏载车道布载形式，图4-4所示为偏载布载的俯视图。从图中可以看出，自路沿石0.5 m开始布载，以标准轮距1.80 m布载，两车距离取为1.30m。车道1和车道3距离横截面中心线的距离：8.5-(0.5+0.5+1.8+1.3+0.9)=3.0m；车道2和车道4距离横截面中心线的距离：8.5-(0.5+0.5+0.9)=6.6m，其中栏杆宽度为50cm。图4-4 车道偏载布置俯视图桥梁中预应力钢筋布置形式与位置如下图。图4-5 边腹板钢筋立面布置图图4-6 中腹板钢筋立面布置图图4-7 钢筋横截面布置图（一）图4-8 钢筋横截面布置图（二）图4-9 钢筋横截面布置图（三）图4-10 钢筋横截面布置图（四）桥梁中预应力钢筋数量及规格详见表4-1。表4-1 预应力材料数量表钢束规格长度根数总长总重合计100波纹管单端引伸量编号(mm)(mm)(束)(m)(kg)(kg)(cm)(cm)N119s15.210333.14413.328654.251969.91015332.6N219s15.210335.14413.48655.81015532.5N319s15.210354.74414.198672.21017531N419s15.210334.84413.398655.61015532.5N519s15.210336.84413.478657.21015732.5N619s15.210357.94414.328674.91017830.94.2 作用效应组合表4-2 作用组合效应表序号组合状态组合类型说明1承载能力极限状态相加基本组合：1.2（自重+二期铺装+预应力）2相加基本组合：1.2（自重+二期铺装+预应力）+1.4汽车荷载3相加基本组合：1.2（自重+二期铺装+预应力）+1.4温度梯度4相加基本组合：1.2（自重+二期铺装+预应力）+1.4汽车荷载+1.12温度梯度5相加基本组合：1.0（自重+二期铺装+预应力）6相加基本组合：1.0（自重+二期铺装+预应力）+1.4汽车荷载7相加基本组合：1.0（自重+二期铺装+预应力）+1.4温度梯度8相加基本组合：1.0（自重+二期铺装+预应力）+1.4汽车荷载+1.12温度梯度9正常使用极限状态相加短期组合：1.0（自重+二期铺装+预应力）+0.7汽车荷载10相加短期组合：1.0（自重+二期铺装+预应力）+0.8温度梯度11相加短期组合：1.0（自重+二期铺装+预应力）+0.7汽车荷载+0.8温度梯度12相加长期组合：1.0（自重+二期铺装+预应力）+0.4汽车荷载13相加长期组合：1.0（自重+二期铺装+预应力）+0.4汽车荷载+0.8温度梯度14相加弹性阶段应力验算组合： 1.0（自重+二期铺装+预应力）+1.0汽车荷载+1.0温度梯度根据公路桥涵设计通用规范（JTG D602004），公路桥涵设计采用的作用分为永久作用、可变作用和偶然作用。在本桥设计中考虑的永久作用主要包括全桥自重、预应力及二期铺装、混凝土的收缩和徐变；可变作用主要包括移动荷载和汽车的冲击力、温度梯度，在这里没有考虑因为地震或撞击等因素的偶然作用。桥梁设计时必须考虑桥梁上可能同时出现的作用，按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进行效应组合，取其最不利效应组合，作用组合效应见表4-2。4.3 计算结果4.3.1 冲击系数在模型建立中，对于移动荷载分析控制数据分析时，根据公路桥涵设计通用规范（JTG D602004），对于连续梁桥，结构的基频计算方法如下：其中： ：结构的计算跨径（m）； ：结构材料的弹性模量（N/m2）;：结构跨中截面的截面惯距（m4）;：结构跨中处的单位长度质量（kg/m）；：结构跨中处延米结构重力（N/m）;：重力加速度，=9.81（m/s2）。由以上公式计算出此联桥梁的基频，从而考虑汽车的冲击影响。计算连续梁的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应，采用；计算连续梁的冲击力引起的负弯矩效应时，采用。4.3.2 挠度验算公路桥规规范中规定，对于预应力混凝土梁桥，以汽车荷载（不计冲击力）计算的上部结构中最大竖向挠度，不应超过l/600（l为计算跨径）。本桥最大跨径为48m，最大挠度为48000/600=80mm。跨径25m+48m+29m，在偏载布置情况下，取其最不利的工作状态，即基本组合：1.2（自重+二期铺装+预应力）+1.4汽车荷载+1.12温度梯度的状态，其变形图如图4-11所示。最大的下挠值为9.4mm，符合规范要求。图4-11 最不利荷载组合变形图（单位：mm）4.3.3 抗裂验算由于现浇预应力混凝土连续箱梁按A类预应力混凝土构件设计，故进行抗裂性验算如下：作用短期效应组合作用下的正截面抗裂验算作用长期效应组合作用下其中，为作用（或荷载）短期效应组合下的构件抗裂验算混凝土边缘的法向拉应力；为作用（或荷载）长期效应组合下的构件抗裂验算混凝土边缘法相拉应力；为混凝土轴心抗拉强度标准值。短期效应和长期效应引起的应力图见4-12、4-13所示。由图知截面在作用短期效应和长期效应组合作用下没有消压，计算结果满足公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范中A类预应力混凝土构件的抗裂要求。图4-12 短期效应作用下的应力图（MPa）图4-13 长期效应作用下的应力图（MPa）4.3.4 应力验算跨径25m+48m+29m，在偏载布置情况下，取其最不利的工作状态，即基本组合：1.2（自重+二期铺装+预应力）+1.4汽车荷载+1.12温度梯度的状态， 该联上边缘所受最大应力为10.7MPa（压应力），下边缘所受最大应力为9.1MPa（压应力）。应力图如4-14、4-15所示。根据规范，C50的混凝土允许的压应力为22.4 MPa，在偏载布载的条件下，满足条件，则安全。图4-14偏载布载上翼缘板最不利荷载组合应力图（单位：MPa）图4-15偏载布载下翼缘板最不利荷载组合应力图（单位：MPa）4.3.5 支座反力验算图4-16 偏载布置支座反力图（kN）在偏载布置情况下，取其最不利的工作状态，支座反力都是压力（图4-16），未出现拉力，故安全。4.4 结论经用MIDAS Civil建模的综合计算和分析，按照公路桥规规定，本联25m+48m+29m的公路桥是安全的，可以投产建设和使用。1.采用中载布载时，车道布置如图1仍为4车道，车辆为130t特种荷载的情况如下：图1 4车道中载布置俯视图公路桥规规范中规定，对于预应力混凝土梁桥，以汽车荷载（不计冲击力）计算的上部结构中最大竖向挠度，不应超过l/600（l为计算跨径）。跨径25m+48m+29m，在中载布置情况下，取基本组合：1.0（自重+二期铺装+预应力+汽车荷载）的状态，其变形图如图2所示。最大的下挠值为21.43mm，符合规范要求。图2 中载布载荷载组合变形图（mm）跨径25m+48m+29m，在中载布置情况下，取基本组合：1.0（自重+二期铺装+预应力+汽车荷载）的状态，其应力图如图3、4所示，上翼缘板所受最大应力为11.32MPa的压应力，下翼缘板所受最大应力为10.87MPa压应力。根据规范，C50的混凝土允许的压应力为22.4 MPa，在中载布载的条件下，满足条件，安全。图3 中载布载上翼缘板最不利荷载组合应力图（单位：MPa） 图3 中载布载下翼缘板最不利荷载组合应力图（单位：MPa）2.如下为130t特种荷载采用2车道偏载布置的布载形式，车道布置如图所示：图4 两车道偏载布载图5 两车道偏载布载荷载组合变形图（mm）在两车道偏载布置情况下