XXX市沙梁大桥设计.doc

市沙梁大桥设计第1章 设计原始资料1.1工程概况：1.1.1工程简介：*市沙梁大桥位于*市胶州境内三城路上，为城市桥梁。起点桩号为K112+569，终点桩号K112+729，全长160m。该桥梁车行道宽14m，中间设置1m的中央分隔带，两侧人行道各宽2.0m。1.1.2 技术标准设计荷载：城-A级，人群荷载4.0KN/m2；设计坡度：行车道双向横坡1.5%，纵坡0%，人行道横坡2%；桥梁宽度：2.0m（人行道）+14m（双向四车道）+2.0m（人行道）；桥梁跨径：桥梁全长160m，具体孔跨布置依据方案评比，自行拟定；主梁截面：根据所给的条件，结合规范并考虑经济性，确定主梁截面形式与尺寸；桥面铺装：上层4cm厚的沥青混凝土，下层8cm厚的C50防水混凝土；桥梁净空：该桥为跨线桥，需要满足桥梁净空大于6m的要求。1.1.3 地质条件场区河床稳定，河床总体地形平坦，坡降较小，根据勘探资料综合分析，桥位处地貌类型应为剥蚀残丘地貌。场区内的地层自上而下分述如下：1）填土褐黄色，松散稍密，稍湿饱和，层厚：1.2米，建筑地质意义差，不宜作为持力层；2）粉质粘土灰黄褐黄色，具可塑，中等压缩性，层厚：2.4米，该层容许承载力o=140Kpa，极限侧阻力标准值qsk=100Kpa；3）粗砾砂黄褐色，湿饱和，稍密。层厚4m，该层容许承载力o= 200kPa，弹性模量E=11MPa；4）花岗岩黄褐色肉红色，块状，均匀分布于场区内。该层容许承载力o=3000Kpa，弹性模量E=15103Mpa，极限抗压强度为Rbk=45Mpa，极限端阻力标准值为qpk=15103Kpa；5）地下水。场区地下水在勘察深度范围内未见，地下水对混凝土无侵蚀性。1.1.4气候条件*地区气候属于暖温带亚湿润大陆性季风气候区，部分地区受海洋性气候影响。四季分明，冬季寒冷干燥，春季大风频繁，夏季炎热多雨，雨量集中，秋季冷暖变化显著。年平均气温12.2，最热月平均气温25，最冷月平均气温1.2。年平均大风日64.8天，风速：年均风速5.3米/秒，瞬间最大风速44.20米/秒。年均降雨量711.20mm，最大：1272.70mm，最小：347.40mm；年最大降雪量270mm。降水量年内分配不均，年降水量的73%集中于69月，且多集中在几次暴雨中。1.1.5构思宗旨（1）符合城市发展规划，满足交通功能需要。（2）桥梁结构造型简洁，轻巧，反映新科技成就，体现人民智慧。（3）设计方案力求结构新颖，保证结构受力合理，技术可靠，施工方便。（4）与高速公路的等级和周边环境相宜。（5）学习等截面梁桥的设计过程。第2章 上部结构设计2.1设计方案比选2.1.1 设计方案2.1.1.1 第一方案：双塔双索面混凝土斜拉桥总体布置及基本参数：根据公路斜拉桥设计细则（JTG D65-01-2007T）中4.2.4（总体布置及基本参数）知主跨在400m以下的双塔斜拉桥宜采用混凝土主梁；双塔三跨斜拉桥的边跨与主跨跨径之比宜为0.330.50，其中混凝土主梁宜为0.400.45；双塔、多塔斜拉桥桥面以上索塔的高度与主跨的跨径之比宜为1/41/6，外索的水平倾角不宜小于22；斜拉索横桥向布置可采用单索面、双索面和多索面，纵桥向布置宜采用扇形；斜拉桥主梁采用混凝土梁时斜拉索标准间距宜为612m;双塔三跨斜拉桥梁高与跨径之比混凝土主梁宜为1/1001/200，对于等高度梁，梁高于跨度之比为1/351/45。根据上述细则，本桥采用混凝土主梁，主跨为80m，边跨40m，边主跨比为0.5；桥面以上索塔高度取为20m，与主跨之比为1/4；外索的水平倾角为32；斜拉索横向布置采用竖直双索面，纵向布置采用扇形；边跨与主跨标准间距都取为6m；梁高2m，与跨径之比为 1：40。总体布置为：40m+80m+40m，边主跨比为0.5。桥面以上索塔高度为20m，与主跨之比为1/4。（图2-1） 图2-1 双塔双索面混凝土斜拉桥方案总体布置示意图（单位：cm） 2.1.1.2 第二方案：下承式钢管混凝土系杆拱桥（1） 孔径布置：30m+100m+30m,全长160m，宽18m（图2-2）（2） 主梁结构构造：上部结构为变截面箱梁。采用双幅分离的的单箱双室形式。主要采用高强混凝土以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化。（3） 下部构造：上、下行桥的桥墩基础是连成整体的，全桥基础均采用群桩基础，桥墩为空心墩。（4） 施工方案：全桥采用有支架施工法。 主拱圈主桥每跨两墩中心距100m，计算跨度 98m，矢跨比 1/4.9。拱轴线采用悬链拱. 图2-2下承式钢管混凝土系杆拱桥方案总体布置示意图（单位：cm）2.1.1.3 第三方案：等截面预应力混凝土连续梁桥孔径布置：30m+30m+40m+30m+30m,全长160m，宽18m.桥面设有行车道双向横坡1.5%，纵坡0%，人行道横坡2%。（图2-3）(1) 主梁结构构造：上部结构为变截面箱梁。采用双幅分离的的单箱双室形式。主要采用高强混凝土以及大吨位预应力体系来实现主梁的轻型化。（具体尺寸拟定见图3/2）(2) 下部构造：上、下行桥的桥墩基础是连成整体的，全桥基础均采用钻孔灌注摩擦桩，桥墩为柱式桥墩。(3) 施工方案：全桥采用移动横架逐孔施工法。图2-3 等截面预应力混凝土连续梁桥方案总体布置示意图（单位：cm）2.1.2 方案比选：将以上数据汇总后进行比较（表2-1）表2-1 三种桥型方案比较桥型方案第一方案：双塔双索面混凝土斜拉桥第二方案：下承式钢管混凝土系杆拱桥第三方案：变截面预应力混凝土连续梁桥全桥长/m160160160主桥长/m8010040抗震性能成桥后抗风及抗震性能好成桥后抗风及抗震性能一般成桥后抗风及抗震性能一般受力性能主梁及塔柱为偏心受压构构件，较易收到弯扭屈曲。桥墩受较大水平作用；拱形部分主要承受轴向力。桥墩参与受弯作用，使主梁弯矩进一步减小；超静定次数高，对基础要求较高。经济性等截面形式，可大量节省模板，加快建桥进度，简易经济。等截面形式，可大量节省模板，加快建桥进度，简易经济。采用等截面梁能较好符合梁的内力分布规律，充分利用截面，合理配置钢筋，经济实用美观性构造简单，线形简洁美观构造简单，线形简洁美观构造简单，线形简洁美观施工方面斜拉桥主塔采用爬模施工方法；按每节段5米采用挂篮悬臂浇筑对称施工主拱为混凝土结构，翻模施工；系梁分节吊装；泵送混凝土，形成钢管混凝土拱肋。目前所用的施工方式大致可分为逐孔施工发节段施工法和顶推施工法。由于在高空作业，施工危险度高。维修和养护成桥后维修与养护的费用较高，尤其是换索十分麻烦且成本高成桥后维修与养护的费用较少成桥后维修与养护的费用很少适用性.结构刚度大、变形小、伸缩缝少，行车平稳但由于桥塔和斜拉索的存在影响视野1.横撑的存在对视野有一定影响。2. 目前钢管混凝土的受力不是十分明确，容易出现脱空现象1.与航道适应性好，通航净空大，防撞要求低；2. .结构刚度大、变形小、伸缩缝少，行车平稳舒适且视野开阔通过以上比较，综合考虑地形、地质、水文、河床特征、环境协调等因素，经技术经济比较和详细的概算之后，最后确定混凝土连续梁桥作为推荐方案。2.2 桥跨总体布置及结构尺寸拟定2.2.1 尺寸拟定本设计方案采用三跨预应力混凝土变截面连续梁结构，全长160m。设计主跨为40m。2.2.1.1 桥孔分跨连续梁桥有做成三跨或者四跨一联的，也有做成多跨一联的，但一般不超过六跨。连续超过五跨市的内力情况与五跨是相差不大，并且连续过长会增大温度变化的附加影响，造成梁桥伸缩量很大，需设置大位移量的伸缩缝，因此连续孔数一般不超过五跨。对于桥孔分跨，往往要受到如下因素的影响：桥址地形、地质与水文条件，通航要求以及墩台、基础及支座构造，力学要求，美学要求等。若采用三跨不等的桥孔布置，一般边跨长度可取为中跨的0.60.8倍，这样可使中跨跨中不致产生异号弯矩，本设计跨度，主要根据设计任务书来确定，其跨度组合为：(30+30+40+30+30)米。基本符合以上原理要求。2.2.1.2 截面形式一、 立截面 从预应力混凝土连续梁的受力特点来分析，连续梁的立面应采取变高度布置为宜；在恒、活载作用下，支点截面将出现较大的负弯矩，从绝对值来看，支点截面的负弯矩往往大于跨中截面的正弯矩，因此，采用变高度梁能较好地符合梁的内力分布规律，另外，变高度梁使梁体外形和谐，节省材料并增大桥下净空。但是，在采用顶推法、移动模架法、整孔架设法施工的桥梁，由于施工的需要，一般采用等高度梁。等高度梁的缺点是：在支点上不能利用增加梁高而只能增加预应力束筋用量来抵抗较大的负弯矩，材料用量多，但是其优点是结构构造简单、线形简洁美观、预制定型、施工方便。一般用于如下情况：1. 桥梁为中等跨径，以4060米为主。采用等截面布置使桥梁构造简单，施工迅速。由于跨径不大，梁的各截面内力差异不大，可采用构造措施予以调节。2. 等截面布置以等跨布置为宜，由于各种原因需要对个别跨径改变跨长时，也以等截面为宜。3. 采用有支架施工，逐跨架设施工、移动模架法和顶推法施工的连续梁桥较多采用等截面布置。双层桥梁在无需做大跨径的情况下，选用等截面布置可使结构构造简化。结合以上的叙述，所以本设计中采用满堂支架施工方法，变截面的梁。二 桥面宽度 本桥采用双向四车道，中央设置1m的中央分隔带。设有人行道，由公路桥和设计规范表3.1.1-2 知设计速度为60km/h，为城市一级公路。由表3.1.1-1知车道宽度为3.5米，因此四车道为14米。中央分隔带两侧为左侧路肩宽度，取0.5m。右侧路肩宽度取2.5m，分0.25m的路缘石宽度，2m的人行道宽度和0.25m的栏杆宽度。综上所述，桥面宽度:1m+0.5m2+7m2+2.5m2=21m。三 横截面 梁式桥横截面的设计主要是确定横截面布置形式，包括主梁截面形式、主梁间距、主梁各部尺寸；它与梁式桥体系在立面上布置、建筑高度、施工方法、美观要求以及经济用料等等因素都有关系。当横截面的核心距较大时，轴向压力的偏心可以愈大，也就是预应力钢筋合力的力臂愈大，可以充分发挥预应力的作用。箱形截面就是这样的一种截面。此外，箱形截面这种闭合薄壁截面抗扭刚度很大，对于弯桥和采用悬臂施工的桥梁尤为有利；同时，因其都具有较大的面积，所以能够有效地抵抗正负弯矩，并满足配筋要求；箱形截面具有良好的动力特性；再者它收缩变形数值较小，因而也受到了人们的重视。总之，箱形截面是大、中跨预应力连续梁最适宜的横截面形式。常见的箱形截面形式有：单箱单室、单箱双室、双箱单室、单箱多室、双箱多室等等。单箱单室截面的优点是受力明确，施工方便，节省材料用量。拿单箱单室和单箱双室比较，两者对截面底板的尺寸影响都不大，对腹板的影响也不致改变对方案的取舍；但是，由框架分析可知：两者对顶板厚度的影响显著不同，双室式顶板的正负弯矩一般比单室式分别减少70%和50%。由于双室式腹板总厚度增加，主拉应力和剪应力数值不大，且布束容易，这是单箱双室的优点；但是双室式也存在一些缺点：施工比较困难，腹板自重弯矩所占恒载弯矩比例增大等等。本设计是一座公路连续箱形梁，采用的横截面形式为单箱三室。2.2.1.3 梁高根据经验确定，预应力混凝土连续梁桥的中支点主梁高度与其跨径之比通常在1/151/25之间，而跨中梁高与主跨之比一般为1/401/50之间。当建筑高度不受限制时，增大梁高往往是较经济的方案，因为增大梁高只是增加腹板高度，而混凝土用量增加不多，却能显著节省预应力钢束用量。连续梁在支点和跨中的梁估算值：等高度梁： H=（）l，常用H=（）l变高度（曲线）梁：支点处：H=（）l，跨中H=（）l变高度（直线）梁：支点处：H=（）l，跨中H=（）l而此设计采用等高度梁，梁高为2.2m。2.2.1.4 细部尺寸一、 顶板与底板 箱形截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位。其尺寸要受到受力要求和构造两个方面的控制。支墩处底版还要承受很大的压应力，一般来讲：变截面的底版厚度也随梁高变化，底板厚最小应有120。箱梁顶板厚度应满足横向弯矩的要求和布置纵向预应力筋的要求。顶板取250mm本设计中采用双面配筋，且底板只在支点附近变化。底板在支点处设计为实心箱型截面,在跨中厚35cm.支点为65cm。二、 腹板和其它细部结构1. 箱梁腹板厚度 腹板的功能是承受截面的剪应力和主拉应力。在预应力梁中，因为弯束对外剪力的抵消作用，所以剪应力和主拉应力的值比较小，腹板不必设得太大；同时，腹板的最小厚度应考虑力筋的布置和混凝土浇筑要求，其设计经验为：（1） 腹板内无预应力筋时，采用200mm。（2） 腹板内有预应力筋管道时，采用250300mm。（3） 腹板内有预应力束锚固时，采用350mm。大跨度预应力混凝土箱梁桥，腹板厚度可从跨中逐步向支点加宽，以承受支点处交大的剪力，一般采用300600mm，甚至可达到1m左右。本设计支座处腹板厚取65cm.，跨中腹板厚取45cm。2. 梗腋 在顶板和腹板接头处须设置梗腋。梗腋的形式一般为1：2、1：1、1：3、1：4等。梗腋的作用是：提高截面的抗扭刚度和抗弯刚度，减少扭转剪应力和畸变应力。此外，梗腋使力线过渡比较平缓，减弱了应力的集中程度。本设计中，根据箱室的外形设置了宽200mm，长200mm的上部梗腋，而下部采用1：1的梗腋，以利于脱模。3. 横隔梁横隔梁可以增强桥梁的整体性和良好的横向分布，同时还可以限制畸变；支承处的横隔梁还起着承担和分布支承反力的作用。由于箱形截面的抗扭刚度很大，一般可以比其它截面的桥梁少设置横隔梁，甚至不设置中间横隔梁而只在支座处设置支承横隔梁。因此本设计没有加以考虑，而且由于中间横隔梁的尺寸及对内力的影响较小，在内力计算中也可不作考虑。跨中截面及中支点截面示意图如下图3-1 图3-2所示：图3-1跨中截面尺寸示意图（单位为cm）图3-2支点截面尺寸示意图（单位为cm）2.2.2 主梁分段与施工阶段的划分2.2.2.1 分段原则主梁的分段应该考虑有限元在分析杆件时，分段越细，计算结果的内力越接近真实值，并且兼顾施工中的实施，所以本设计分为160个单元。2.2.2.2 具体分段本桥全长160米，全梁共分160个梁段，一般梁段长度分成1.0m。2.2.2.3 主梁施工方法及注意事项主梁施工方法 ：主梁采用满堂支架法施工，箱梁均采用满堂支架、泵送现浇砼施工。2.2.3桥面构造2.2.3.1桥面铺装 由设计任务书得：上层采用4cm厚的沥青混凝土，下层采用8cm厚的C50防水混凝土。2.2.3.2附属设施 桥梁人行道外侧，必须设置人行道栏杆，高度采用1m。桥面车行道应设置横坡以利于排水。在快速路和主干路桥上，横坡为2%；在次干线和支路桥上横坡为1.6%2%；人行道应设置1%单向斜向车行道的横坡。在路缘石旁须设足够数量的泄水孔。本桥为跨线城市桥梁，行车道采用双向横坡1.5%，纵坡0%，人行道横坡2%；图3-2人行道构造尺寸示意图（单位为cm）图3-3中央分隔带及护栏尺寸示意图（单位为cm）2.3 荷载内力计算2.3.1 Midas建模计算1、有限元原理用杆系结构模拟实际结构，也是有限元分析中最常用的方法，有建模简单、加载方便、结果直观易懂的特点。2、桥梁有限元模型的建立结构建模的过程是一个逻辑过程，首先要根据工程结构、施工方法、结果的精度要求等方面考虑，进行结构离散，以获得经济、可靠的结构分析模型。对于杆系结构，节点编号和单元的划分应遵循以下原则：1）结构的定位点应设置节点；2）按施工过程，分阶段施工的结构自然分块点应该设置节点；3）对较长的自然块，应当适当细分；4）预应力索端点截面一般设置节点；5）关心内力、位移所在截面处应设置节点；6）有支承的部位应设置节点。本桥采用MIDAS/CIVIL进行内力计算，全桥长160m,分跨为30m+30m+40m+30m+30m. 图3-4 Midas建模2.3.2主梁内力计算根据梁跨结构纵断面的布置，并通过对移动荷载作用最不利位置，确定控制截面的内力，然后进行内力组合，画出内力包络图。2.3.2.1恒载内力计算1 第一期恒载（结构自重）恒载集度由迈达斯建模截面特征值，查的 则： /m 由迈达斯得图4-1，图4-2：图4-1自重弯矩包络图图4-1自重剪力包络图2 第二期恒载 查城市桥梁设计荷载标准，得人行道板的人群荷载应按5KPa的均布荷载进行计算：桥面铺装层人行道 ：注;重力密度浆砌片石：23KN/m；填石：19 KN/m中央分隔带：因此，二期恒载：有迈达斯得图4-3，图4-4：图4-3 二期恒载弯矩包络图图4-4 二期恒载剪力包络图2.3.2.2 活载内力计算1人群荷载：此设计为一般城市桥梁，采用下列公式计算：当加载长度L20m时，；当加载长度20mL100m时，式中：W:单位面积上的人群荷载，KPa；L：加载长度，m;Wp: 单边人行道宽度，m。注：W值在任何情况下不得小于2.4KPa。一般公路桥梁的人群荷载标准值按下列规定采用：当桥梁计算跨径小于或等于50m时，人群荷载标准值为；当桥梁计算跨径等于或大于150m时，人群荷载标准值为；当桥梁计算跨径在50m150m之间时，可由线形内插得到人群荷载标准值。对跨径不等的连续刚构，以最大计算跨径为准。本桥人群荷载取。.2车道荷载：由于本桥跨径大于20m，采用城市A级荷载，当计算弯矩时，车道荷载的均布荷载标准值qm采用10.0KN/m；计算剪力时，均布荷载标准值qQ采用15.0KN/m，所加集中荷载P采用300KN/m。当车道数等于或大于4条时，计算弯矩不乘增长系数。计算剪力时应乘增长系数1.25。具体见下图4-5：图4-5城市A级车道荷载图由迈达斯得图4-6,4-7：图4-6车道荷载最大、最小弯矩包络图图4-7车道荷载最大、最小弯矩包络图3 支座位移引起的内力计算由于各个支座处的竖向支座反力和地质条件的不同引起支座的不均匀沉降，连续梁是一种对支座沉降特别敏感的结构，所以由它引起的内力是构成内力的重要组成部分。其具体计算方法是：五跨连续梁的六个支点中的每个支点分别下沉，其余的支点不动，所得到的内力进行叠加，取最不利的内力范围。用迈达斯建模，得出图形如下图4-8，图4-9所示：图4-8 车道荷载最大、最小弯矩包络图图4-9 车道荷载最大、最小剪力包络图4 温度荷载：本设计考虑整体升温20，主梁上下、左右温差相差5由迈达斯得图4-10，图4-11所示：图4-10 温度梯度弯矩包络图图4-11 温度梯度剪力包络图2.3.3荷载组合及内力包络图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。2.3.3.1 承载能力极限状态下的效应组合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。基本组合是永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为： 或 式中 承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值； 结构重要性系数，按通规JTG D60-2004表1.0.9规定的结构设计安全等级采用，对应于设计安全等级一级、二级和三级分别取1.1、1.0和0.9； 第个永久作用效应的分项系数，应按通规JTG D60-2004表4.1.6的规定采用；、第个永久作用效应的标准值和设计值； 汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的分项系数，取=1.4。当某个可变作用在效应组合中其值超过汽车荷载效应时，则该作用取代汽车荷载，其分项系数应采用汽车荷载的分项系数；对专为承受某作用而设置的结构或装置，设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值；计算人行道板和人行道栏杆的局部荷载，其分项系数也与汽车荷载取同值；、汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的标准值和设计值； 在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）、风荷载外的其他第个可变作用效应的分项系数，取=1.4，但风荷载的分项系数取=1.1；、在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其他第个可变作用效应的标准值和设计值； 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，当永久作用与汽车荷载和人群荷载（或其他一种可变作用）组合时，人群荷载（或其他一种可变作用）的组合系数取=0.80；当除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外尚有两种其他可变作用参与组合时，其组合系数取=0.70；尚有三种可变作用参与组合时，其组合系数取=0.60；尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时，取=0.50。由迈达斯得图4-10，图4-11所示：图4-10 基本组合状态下的弯矩包络图图4-11基本组合状态下的剪力包络图2.3.3.2 正常使用极限状态下的效应组合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率值效应相组合，其效应组合表达式为： 式中 作用短期效应组合设计值； 第个可变作用效应的频率值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.7，人群荷载=1.0，风荷载=0.75，温度梯度作用=0.8，其他作用=1.0；第个可变作用效应的频率值。由迈达斯得图4-12，图4-13所示：图4-12短期组合状态下的弯矩包络图图4-13短期组合状态下的剪力包络图2 作用长期效应组合。永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合，其效应组合表达式为： 式中 作用长期效应组合设计值； 第个可变作用效应的准永久值系数，汽车荷载（不计冲击力）=0.4，人群荷载=0.4，风荷载=0.75，温度梯度作用=0.8，其他作用=1.0；第个可变作用效应的准永久值。由迈达斯得图4-14，图4-15所示：图4-14 长期组合状态下的弯矩包络图图4-15长期组合状态下的剪力包络图荷载内力组合表单元号基本组合短期组合长期组合剪力弯矩剪力弯矩剪力弯矩1-10163.80-7874.388163.65-8212.648505.36152879.4271255.482381.4258664.222548.9660765.823014349.08-69904.111277.61-67447.111704.96-69187452115.1836653.922158.3327684.42307.7629403.586013725.51-94655.111152.93-86956.911567.96-89279.185-1246.2988156.82-1217.7870081.89-1375.1572557.4110016692.53-94768.713341.73-87049.313800.95-89373.5115-2119.1136622.32-2161.6527661.41-2311.1229380.2613012113.33-69882.39814.86-67431.710224.95-69171.6145-2878.6971266.59-2380.958673.96-2548.4560775.616010942.5208471.8908830.8702.4 预应力钢束的估算与布置2.4.1 预应力筋估算2.4.1.1 计算原理根据预规（JTG D62-2004）规定，预应力梁应满足弹性阶段（即使用阶段）的应力要求和塑性阶段（即承载能力极限状态）的正截面强度要求。1 按承载能力极限计算时满足正截面强度要求： 预应力梁到达受弯的极限状态时，受压区混凝土应力达到混凝土抗压设计强度，受拉区钢筋达到抗拉设计强度。截面的安全性是通过截面抗弯安全系数来保证的。1.对于仅承受一个方向的弯矩的单筋截面梁，所需预应力筋数量按下式计算：h0xNdfcd如图：图5-1 截面受力示意图， ， 解上两式得：受压区高度 预应力筋数 或 式中 截面上组合力矩。混凝土抗压设计强度；预应力筋抗拉设计强度；单根预应力筋束截面积； b截面宽度2.若截面承受双向弯矩时，需配双筋的，可据截面上正、负弯矩按上述方法分别计算上、下缘所需预应力筋数量。这忽略实际上存在的双筋影响时（受拉区和受压区都有预应力筋）会使计算结果偏大，作为力筋数量的估算是允许的。2 使用荷载下的应力要求e上Np下Np上e下Y上Y下MminnMmax+-Np下Np上Mmax合成+-Mmin合成图5-2 计算示意图规范（JTJ D62-2004）规定，截面上的预压应力应大于荷载引起的拉应力，预压应力与荷载引起的压应力之和应小于混凝土的允许压应力（为），或为在任意阶段，全截面承压，截面上不出现拉应力，同时截面上最大压应力小于允许压应力。写成计算式为：对于截面上缘 对于截面下缘 其中，由预应力产生的应力，W截面抗弯模量，混凝土轴心抗压标准强度。Mmax、Mmin项的符号当为正弯矩时取正值，当为负弯矩时取负值，且按代数值取大小。 一般情况下，由于梁截面较高，受压区面积较大，上缘和下缘的压应力不是控制因素，为简便计，可只考虑上缘和下缘的拉应力的这个限制条件(求得预应力筋束数的最小值)。公式（4.1.1.1-5）变为 公式（4.1.1.1-7）变为 由预应力钢束产生的截面上缘应力和截面下缘应力分为三种情况讨论：截面上下缘均配有力筋Np上和Np下以抵抗正负弯矩，由力筋Np上和Np下在截面上下缘产生的压应力分别为： 解联立方程后得到 令 代入式（4.1.1.1-13）、（4.1.1.1-14）中得到 式中 Ap每束预应力筋的面积；预应力筋的永存应力(可取0.50.75估算)；e预应力力筋重心离开截面重心的距离；K截面的核心距；A混凝土截面面积，取有效截面计算。 当截面只在下缘布置力筋Np下以抵抗正弯矩时 当由上缘不出现拉应力控制时： （4.1.1.1-17） 当由下缘不出现拉应力控制时： （4.1.1.1-18）当截面中只在上缘布置力筋N上 以抵抗负弯矩时： 当由上缘不出现拉应力控制时 （4.1.1.1-19） 当由下缘不出现拉应力控制时 （4.1.1.1-12）当按上缘和下缘的压应力的限制条件计算时(求得预应力筋束数的最大值)。可由前面的式（4.1.1.1-6）和式（4.1.1.1-8）推导得： （4.1.1.1-21） （4.1.1.1-22）有时需调整束数，当截面承受负弯矩时，如果截面下部多配根束，则上部束也要相应增配根，才能使上缘不出现拉应力，同理，当截面承受正弯矩时，如果截面上部多配根束，则下部束也要相应增配根。其关系为：当承受时， 当承受时， 2.4.1.2 预应力钢束的估算按着正常使用极限状态的应力状态考虑：对于连续梁体系，或凡是预应力混凝土超静定结构，在初步计算预应力筋数量时，必须计及各项次内力的影响。然而，一些次内力项的计算恰与预应力筋的数量和布置有关。因此，在初步计算预应力时，只能以预估值来考虑，本设计用BSAS输出组合弯矩值来进行设计，此项估算是非常粗略的。用于计算的具体弯矩数值见表4.1.2-1。具体计算如下：预应力钢束采用75型号，采用YM15-15。 钢绞线束数采用15束，有关参数为：Ap=0.0021(m2) 而预应力抗拉设计强度为fpd=1860(MPa),本设计在估算预应力钢筋时，预应力筋的永存应力取为：pe=0.51860=930(MPa)1. 仅在上缘布置预应力钢束取第61号边墩支座截面为例，计算如下：（1） 按正常使用状态计算：查截面特性，有I=10.023(m4)，A=13.68(m2)，Z上=0.933(m)，Z下=1.267(m)，W 上 =I/Z上=10.743,W下=I/Z下=7.911,K上=W 下/A=0.578,KX=W上/A=0.785,e上=0.933-0.125=0.808,e下=1.267,Mmax=-24690.4(KNm);Mmin=-65880.3(KNm)其中：I有效截面惯性矩； A有效截面面积； ys有效截面中性轴距上缘的距离； yx有效截面中性轴距下缘的距离。由式(419)有：(向上取整)由式(420)有：（向下取整）当上缘混凝土不至压碎时，当下缘混凝土不被压碎时（2） 按承载能力极限计算时有：h0 =h-e=2.2-0.125=2.075(m),fcd=22.4MPa,b=15.6m,Mp=-72703.6(KNm)受压区高度为：比较以上两种情况，取38束钢筋。2. 仅在下缘布置预应力钢束以中跨跨中15号截面为例（1） 按正常使用阶段计算有：查截面特性，有I=10.023(m4)，A= 13.68 (m2)，Z上=0.933(m)，Z下=1.267(m)，W 上 =I/Z上=10.743,W下=I/Z下=7.911,K上=W 下/A=0.578,KX=W上/A=0.785,EX=0.933,E下=1.267-0.15=1.117，Mmax=45497.99(KNm),Mmin=23564.12(KNm)由式(4.1.1.117)有： 当由下缘不出现拉应力控制时： 由式(4.1.1.118)有：当上缘混凝土不至压碎时当下缘混凝土不至压碎时46（2） 由承载能力极限状态计算得：h0 =2.2-0.15=2.05(m), ,b=21m,Mp=53964.63(knm),fcd=1260MPa.受压区高度为： 综上计算可以得15号截面需25根钢束. 3. 上、下缘均布置预应力钢束 以边跨24号截面为例：（1） 按正常使用状态计算有：查截面特性，有：I=10.023(m4)，A= 13.68 (m2)，Z上=0.933(m)，Z下=1.267(m)，W 上 =I/Z上=10.743,W下=I/Z下=7.911,K上=W 下/A=0.578,KX=W上/A=0.785,e下 = 1.267-0.15=1.117(m)，e上 =0.933-0.125=0.808(m)Mmax=27068.02(KNm),Mmin=-5171.52(KNm)由式(4.1.1.115)有： （4.1.1.1-15）由式（4.1.1.1-16）有：由式（4.1.1.1-21）有： 由式（4.1.1.1-22）有：（2） 按承载能力极限状态计算有：h0 =h-e=2.2-0.125=2.075(m),fcd=22.4MPa上翼缘配筋时有b=15.6m,Mp=-1509.39(KNm)受压区高度为：(取1)下翼缘配筋时有b=21m,Mp=26744.64(KNm),h0=h-e=2.2-0.15=2.05m受压区高度为：其他截面预应力钢筋配置见下表预应力钢束配置表单元Ap弯矩-y (kN*m)弯矩-y (kN*m)10.004341.593-0.230.3321.6950 0 150.004341.593-0.230.3321.69545498 23564 18 7 300.004341.593-0.230.3321.695-4702 -43969 7 5 450.004341.593-0.230.3321.69522741 114 0 3 600.004341.593-0.230.3321.695-19080 -58056 9 21 800.004341.593-0.230.3321.69553871 30736 23 8 810.004341.593-0.230.3321.69554098 30977 23 8 2.4.2 预应力钢束的布置（具体布置图见图纸）预应力钢筋布置还应遵守以下原则：A、应选择适当的预应力束筋的型式与锚具型式，对不同跨径的梁桥结构，要选用预加力大小恰当的预应力束筋，以达到合理的布置型式。避免造成因预应力束筋与锚具型式选择不当而是结构构造尺寸加大。当预应力束筋选择过大，每束的预加力不大，造成大跨结构中布束过多，而构造尺寸限制布置不下时，则要求增大截面。反之，在跨径不大的结构中，如选择预加力很大的单根束筋，也可能使结构受力过于集中而不利。B、预应力束筋的布置要求考虑施工的方便，也不能像钢筋混凝土结构中任意切断钢筋那样去切断预应力筋，而导致在结构中布置过多的锚具。由于每根束筋都是一个巨大的集中力，这样锚下应力区受力比较复杂，因而必须在构造上加以保证，为此常导致结构构造复杂，而使施工不便。C、预应力束筋的布置，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。D、预应力束筋的布置，应考虑材料经济指标的先进性，这样往往与桥梁体系、构造尺寸、施工方法的选择都有密切的关系。E、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擦力损失，降低预应的效益。F、预应力束筋的布置，不但要考虑结构在使用阶段大弹性受力状态的需要，而且也要考虑到结构破坏时的需要。G、应留有一定数量的备用管道，一般占总数的1%。H、 锚距的最小间距的要求。表5.1 常用锚具尺寸锚具型号锚垫板寸mm波纹管径外/内mm螺旋筋圈径mm圈数千斤顶型号OVM15-518062/551704Ycw100OVM15-720077/702406Ycw150OVM15-923087/802706Ycw250VM15-1227097/903307Ycw250OVM15-19320107/1004008Ycw400OVM15-27370127/1204708Ycw650YM15-516567/601705YDC1500YM15-719077/701905YDC1500YM15-921587/802106YDC2000YM15-1225092/852506YDC2500YM15-15290102/953206YDC3200YM15-17300107/1003407YDC4200YM15-19300107/1003507YDC4200YM15-24320117/1104007YDC5200本设计采用OVM15-7。2.5 预应力损失及有效应力的计算根据桥规（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 l4锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩 l2预应力钢筋与台座之间的温差 l3混凝土的弹性压缩 l4预应力钢筋的应力松弛 l5混凝土的收缩和徐变 l6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。2.5.1 预应力损失的计算预应力损失包括： 摩阻损失、锚具变形及钢筋回缩、混凝土的弹性压缩、预应力筋的应力松弛、混凝土的收缩与徐变等5项。2.5.1.1摩阻损失预应力钢筋与管道之间摩擦引起的应力损失可按下式计算： con张拉钢筋时锚下的控制应力（=0.75）,预应力钢筋与管道壁的摩擦系数，对金属波纹管，取0.2从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和，以rad计，k管道每米局部偏差对摩擦的影响系数，取0.0015x从张拉端至计算截面的管道长度,以米计。表5.1.1-1 系数k及的值管道类型K橡胶管抽芯成型的管道0.00150.55铁皮套管0.00300.35金属波纹管0.00200.00300.200.262.5.1.2 锚具变形损失由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失，可按下式计算： Dl锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值；统一取6mm.L预应力钢筋的有效长度；EP预应力钢筋的弹性模量。取195GPa。2.5.1.3 混凝土的弹性压缩后张预应力砼构件的预应力钢筋采用分批张拉时，先张拉的钢筋由于张拉后批钢筋所产生的砼弹性压缩引起的应力损失，可按下式计算 在先张拉钢筋重心处，由后张拉各批钢筋而产生的混凝土法向应力；预应力钢筋与混凝土弹性模量比。若逐一计算的值则甚为繁琐，可采用下列近似计算公式 N计算截面的分批张拉的钢束批数.钢束重心处混凝土法向应力： 式中M1为自重弯矩。注意此时计算Np时应考虑摩阻损失、锚具变形及钢筋回缩的影响。预应力损失产生时，预应力孔道还没压浆，截面特性取静截面特性（即扣除孔道部他的影响2.5.1.4 钢束松弛损失钢束松弛（徐变）引起的应力损失（）此项应力损失