桥梁工程课程设计-16m预应力混凝土简支空心板桥设计

桥梁工程课程设计（题目：16m预应力混凝土简支空心板桥设计） 姓 名： 杨 亮 学 号： 1442264245 专业班级： 14土木本道桥2班院 系：土木与环境工程学院 指导老师： 胡 鹏 设计时间： 2017.5.292015.6.11 教务处制安徽新华学院2014级桥梁工程课程设计目 录1 绪论11.1 设计资料.11.11 道路等级.11.12 设计荷载.11.13 桥面跨径及桥宽.11.14 主要材料.11.15 施工工艺.11.16计算方法及理论.11.17 设计依据.21.2 设计目的与意义.21.3 设计要求.21.4 设计题目.21.5 设计内容.21.6 已知条件.21.7 其他说明.32 构造类型及尺寸.33 空心板毛截面几何特性计.43.1 毛截面积.53.2 毛截面重心至截面上边缘距离.53.3 毛截面对重心轴的惯性矩.54 作用效应计算.54.1 永久作用效应计算.54.11 空心板自重（一期恒载）.54.12 桥面系自重g2(二期恒载).54.13 恒载内力计算.64.2 可变作用效应计算.64.21 汽车荷载横向分布系数计算.64.22 横向分布系数沿桥跨的变化.84.23 汽车荷载内力计算.94.24 计算冲击系数.94.25 计算.104.26 计算支点截面汽车荷载最大剪力.124.3 作用效应组合.125 预应力钢筋设计.145.1 预应力钢筋截面积的估算.145.2 预应力钢筋的布置.145.3普通钢筋数量的估算及布置.156 换算截面几何特征计算.156.1换算截面面积.156.2换算截面重心位置.156.3换算截面的惯性矩.166.4截面抗弯模量.167 承载能力极限状态计算.167.1 跨中正截面承载能力计算.167.2 斜截面抗剪承载能力计算.187.21 主梁截面尺寸验算.187.22验算是否需要根据计算配置箍筋.188 预应力损失计算.198.1 锚具变形、回缩引起的预应力损失.198.2 加热养护引起的温差损失.198.3 由于钢绞线应力松弛引起的预应力损失.208.4 混凝土弹性压缩引起的预应力损失.208.5混凝土收缩、徐变引起的预应力损失.218.6跨中截面预应力损失组合.229 正常使用极限状态计算.239.1 正截面抗裂性验算.239.2 斜截面抗裂性验算.2410 变形计算.2510.1正常使用阶段的挠度计算.2510.2 预加应力引起的反拱计算及预拱度设置.25参考文献.26附录.27封底.281 绪论1.1设计资料 1.11 道路等级：二级公路 1.12 设计荷载：本桥设计荷载等级确定为汽车荷载（道路I级） 1.13 桥面跨径及桥宽 标准跨径： 计算跨径： 桥面宽度：(栏杆）+(行车道)+(栏杆) 主梁全长： 桥面净宽：净10m 桥面坡度：不设纵坡，车行道双向横坡为2% 桥轴平面线形：直线 地震动峰值加速度：0.15g 设计安全等级：一级 环境类别：类 设计基准期：100年 1.14 主要材料 1)混凝土 采用C50混凝土浇注预制主梁，栏杆和人行道板采用C50混凝土，C50防水混凝土和沥青混凝土磨耗层；铰缝采用C50混凝土浇注，封锚混凝土也采用C50；桥面连续采用C50混凝土。 2）钢筋 预应力钢筋采用JTG D62推荐低松弛钢铰线，普通钢筋HRB335、R235 3）板式橡胶支座 采用三元乙丙橡胶，耐寒型，尺寸根据计算确定。 1.15 施工工艺：采用先张法施工，预应力钢绞线两端同时对称张拉。 1.16 计算方法及理论：极限状态法设计。 1.17 设计依据:公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范（JTG D622004）1.2设计目的与意义 桥梁工程是土木工程专业（路桥方向）必修的一门专业主干课程，课程设计是专业教学计划中的重要环节，其目的是让学生系统的巩固所学的理论知识，要求学生在教师的指导下，独立完成公路桥梁结构的内力计算及构造设计，熟悉桥梁设计规范及标准图的应用，培养学生分析和解决实际问题的能力，通过设计过程，初步掌握桥梁结构设计的方法，进一步培养学生的计算、绘图、独立思考和独立工作能力。1.3 设计要求 根据现行公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范（JTG D622004）及相关教材等，进行上部结构设计。1.4设计题目16m预应力混凝土简支空心板桥设计。1.5 设计内容 1、自己拟定桥梁的横向布置（主梁间距、横隔板的布置）、伸缩缝、桥面 铺装、人行道、栏杆。2、 确定桥梁横向分布系数。 3、计算桥面板内力（最大弯矩和剪力）。4、 计算主梁内力（跨中弯矩和剪力及支座处最大剪力），进行配筋与强度 检算。1.6 已知条件 本设计为一座中桥的上部结构。公路等级：二级；设计荷载：公路级；设计车速：60km/h；设计洪水频率：1100；桥面净宽：净10m；通航等级：无通航要求；地震动峰值加速度：0.15g；设计安全等级：一级；环境类别：类；设计基准期：100年。1.7 其他说明 上部梁板、现浇缝、桥面混凝土均采用C50；预应力钢筋采用JTG D62推荐低松弛钢铰线，普通钢筋HRB335、R235。2 构造类型及尺寸全桥宽采用7块C50预应力混凝土空心板，每块，板厚。采用后张法施工，预应力混凝土钢筋采用股钢绞线，直径15.2mm，截面面积，抗拉强度标准值，抗拉设计值，弹性模量。C50混凝土空心板的抗压强度设计值，抗拉强度的标准值 抗拉强度设计值。全桥空心板横断面图如图所示，每块空心板截面以及构造尺寸如图所示。图2-1桥梁横断面图（单位：cm ） 图2-2跨中中板断面图(单位：cm) 图2-3跨中边板断面图（单位：cm）3 空心板毛截面几何特性计算 本设计预制空心板的毛截面的几何特性，采用分块面积累加法计算。先按长和宽分别为版轮廓的长和宽的矩形计算，然后与挖空面积累计，累加时候挖空部分按负面积计算，计算结果以中板为例。 表3-1 预制空心板的毛截面的几何特性计算表分块号各分块面积重心距上缘面积矩个分块重心距截面重心各分块惯性矩1-25 1.67-41.7542.79-45774.6-17.362-70035.00-245009.46-62644.1-142916.73-35046.67-16334.5-2.21-1709.4-364.124-5071.67-3583.5-27.21-37109.2-48.425-282640.00-1130404.46-56213.7-6358506841542.50393762.51.9635592.455783027531444.46236262.75-167768.64799105预制中板挖空部分以后得到的截面积，其几何特性按以下公式计算。毛截面面积对截面上缘面积矩 毛截面重心至截面上缘距离毛截面对自身重心轴的惯性矩 3.1毛截面积3.2毛截面重心至截面上边缘距离3.3毛截面对重心轴的惯性矩 4 作用效应计算4.1永久作用效应计算4.11空心板自重（一期恒载） 4.12桥面系自重g2(二期恒载) 人行道及栏杆重力参照其他梁桥设计资料，单侧按取2kN/m计算。桥面铺装采用等厚度10cm厚C40防水混凝土，和5cm厚沥青混凝土，则全桥宽铺装每延米总重为上述自重效应是在各空心板铰接形成整体后，再加在板桥上的，精确地说由于桥梁横向弯曲变形，各板分配到的自重效应是不相同的，本例为计算方便设桥面系二期恒载重力近似按各板平均分担来考虑，则将以上重力均分给11块板，得每块空心板分摊的每延米桥面系重力为： 4.13恒载内力计算简支梁恒载内力计算结果见表4-1表4-1 载内力计算表 荷载支点一期恒载13.28515.5399.12299.34103.0051.50二期恒载4.1415.5124.0393.0232.0116.01合计+17.42515.5523.15392.36135.0167.514.2可变作用效应计算 本例中汽车荷载采用公路I级荷载，它由车道荷载和车辆荷载组成。公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）规定桥梁结构整体计算采用车道荷载。4.21汽车荷载横向分布系数计算 空心板跨中处的荷载横向分布系数按铰接板法计算，支点处按杠杆原理法计算，支点到点之间按直线内插求得。4.211跨中和点的荷载横向分布系数计算空心板的刚度参数 式中：为空心板截面的抗扭刚度。可简化成图4-1所示单箱截面。按单箱近似计算。 图 4-1 计算的空心板简化图代入刚度参数计算公式的刚度参数按查姚玲森桥梁工程（1985年）附录中7块板的铰接板桥荷载横向分布影响线表。由=0.017时1号至4号板在车道荷载作用下的荷载横向分布影响线值，计算结果列于表4-2中，据表4-2中画出各板的何在横向分布影响线，在其上布载。如下图所示。 表3-9 各板荷载横向分布影响线坐标值表板号r123456710.0170.2310.1950.1560.1270.1070.0950.09020.0170.1950.1910.1660.1360.1150.1020.09530.0170.1560.1660.1720.1540.1300.1150.10740.0170.1270.1360.1540.1650.1540.1360.127各板的荷载横向分布系数计算式为。图4-2 各板横向分布影响线及横向最不利加载图1号板：汽车2号板：汽车3号板：汽车4号板：汽车4.212支点处的何在横向分布系数计算支点处的荷载横向分布系数按照杠杆原理法计算，如图4-3所示图4-3支点处荷载横向分布影响线及最不利加载图支点处荷载横向分布系数如下。 汽车 4.22 横向分布系数沿桥跨的变化 支点到四分点的荷载分布按照直线内插进行，见下表表 4-3 空心板的荷载横向分布系数荷载跨中至处支点公路级0.3030.5004.23汽车荷载内力计算 在计算跨中及截面的汽车荷载内力时，采用计算公式为式中S所示截面的弯矩或剪力 汽车荷载的冲击系数 汽车荷载横向折减系数，8m桥宽采用双车道，横向分布不折减，故 =1.0； 汽车荷载跨中横向分布系数 汽车车道荷载中，每延米均布荷载标准值 弯矩、剪力影响线的面积 沿桥跨纵向与集中荷载位置时对应的横向分布系数 车道荷载中的集中荷载标准值，计算剪力事乘以系数1.2 沿桥跨纵向与集中荷载位置时对应的内力影响线坐标值4.231内力影响线面积计算表4-4 内力影响线面积计算表 类型截面影响线面积（或m）影响线图式 l/4 1/2 1/2 3l/16 3/4 l/4 14.232公路II级荷载计算 均布荷载 7.875 kN/m集中荷载：计算弯矩效应时 计算剪力效应时4.24计算冲击系数空心板梁：C50混凝土E取。则 4.25计算，（表3-12,3-13）汽车荷载内力计算公式 计算结果如图4-4至图4-5所示。截面荷载公路II级7.875166.51.3300.30330.031355.3093.87522.523266.4642.906199.81.93846.4090.54.35974.2220.75图4-4汽车荷载下计算跨中弯矩,剪力布载图 图4-5汽车荷载下计算L/4处弯矩布载图4.26 计算支点截面汽车荷载最大剪力 计算支点剪力时，考虑荷载横向分布系数沿桥长的变化，总线最不利布载及相应的剪力影响线及横向分布系数值如图图4-6计算支点处剪力布载图4.3作用效应组合 依据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范（JTG D622004），公路桥涵结构设计应按承载能力极限状态设计和正常使用极限状态进行效应组合。按承载能力极限状态设计时的基本组合为1.2恒载作用效应+1.4汽车荷载作用效应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。作用短期效应组合为：恒载作用效应标准值+0.7汽车荷载作用效应标准值（不考虑冲击）作用长期效应组合为：恒载作用效应标准值+0.4汽车荷载作用效应标准值（不考虑冲击） 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范（JTG D622004）规定，架构构件当需进行弹性阶段截面应力计算时，应采用标准值效应组合。各作用效应额分项系数及组合系数取1.0个作用效应组合计算如下表 表4-6 空心板作用效应组合计算汇总表作用类别序号作用种类弯矩剪力四分点跨中支点跨中四分点作用标准值1结构自重392.36523.15135.01067.512汽车荷载266.464355.309161.1346.40974.222S=1+2658.824878.459296.1446.409141.732基本组合3470.832627.78162.01081.014373.050497.433255.58264.973103.911S=3+4843.8821125.213387.59264.973184.921短期效应组合5结构自重392.36523.15135.01067.516140.244187.00584.80524.42639.064S=5+6532.604710.155219.81524.426106.574长期效应组合7结构自重392.36523.15135.01067.51880.140103.86048.46013.95822.322S=7+8472.50630.01183.4713.95889.8325 预应力钢筋设计5.1预应力钢筋截面积的估算 先张法预应力混凝土空心板桥的预应力钢筋采用钢绞线，沿空心板跨径方向（桥梁纵向）采用曲线布置（在靠近支座处向上弯起）。设预应力钢筋的截面积为，一般由空心板的跨中截面内力控制。预应力钢筋布置在空心板下缘，假设，则预应力钢筋重心至毛截面重心的距离根据跨中截面正截面抗裂要求，确定预应力钢筋数量。为满足抗裂要求，所需的有效预加力为式中：A=5314；W=;为荷载短期效应弯矩作用设计值，。 钢绞线的公称截面面积为，张拉控制应力取，预应力损失按张拉控制应力的20%估算，则需要的钢绞线根数根，现选用8根作为预应力筋，。5.2预应力钢筋的布置先张法预应力钢筋布置在空心板下缘，沿空心板跨长直线布置。钢绞线的布置应满足公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）要求，即钢绞线净距不小于25mm，端部设置长度不小于150mm的螺旋钢筋等。空心板跨中截面钢筋布置如图所示。 图5-1 空心板跨中截面普通钢筋和预应力钢筋布置图（单位：cm）5.3普通钢筋数量的估算及布置 在预应力钢筋已经确定的情况下，可由正截面承载能力极限状态要求的条件确定普通钢筋的数量，暂不考虑在受压区配置预应力筋。先按构造要求配置普通钢筋。非预应力钢筋采用HRB335，。按公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）受拉区配筋。该钢筋布置在空心板受拉边缘下缘一排40mm处，即。6 换算截面几何特征计算 毛截面面积A=5314cm2。毛截面重心距截面上缘距离44.46cm，距截面下缘距离85-44.46=40.54cm。毛截面对重心的惯性矩为 6.1换算截面面积 A0=Ah+（ny-1）Ay+（ng-1）Ag =5314+（5.49-1）11.12+（5.633-1）14.077 =5429.12 Ag受拉区普通钢筋面积，Ag=14.077cm2 ny预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比，ny=5.49 ng非预应力钢筋弹性模量与混凝图弹性模量之比，ng=5.6336.2换算截面重心位置 钢筋换算截面对毛截面重心的静距为 Sg=（5.49-1）11.12（40.54-5）+（5.633-1)14.077(40.54-4) =4156.38cm2 换算截面重心对毛截面重心的偏离 dh0=cm 换算截面重心至截面下缘距离 y0下=40.54-0.766=39.774cm 换算截面重心至上缘距离 y0上=44.46+0.766=45.226cm 预应力钢筋重心至换算截面重心的距离 ey=39.774-5=34.774cm 普通钢筋重心至换算截面重心的距离 eg=39.774-4=35.774cm 全部预应力钢筋和非预应力钢筋换算界面中心至构件换算截面重心轴的距离为：截面有效工作高度为 h0=35.34+0.766+44.46=80.566cm6.3 换算截面的惯性矩 I0=Ih+Ah+（ny-1）Aye+（ng-1）Age =4780113.096cm46.4 截面抗弯模量7 承载能力极限状态计算7.1 跨中正截面承载能力计算将空心板截面换成等效工字型截面，其方法是，在保持截面面积、惯性矩、型心位置不变的条件下，将空心板的圆孔换算为边长为b h的矩形空（如图所示）。图7-1 空心板截面抗弯等效换算图（单位：cm）按面积相等 按惯性矩相等 联立求解得 等效工字型截面尺寸：上下翼缘厚度 腹板宽度 首先按公式 判断截面类型：所以属于第一类 T型截面，计算时候应按宽度= 1090mm 的矩形截面来计算抗弯承载能力，按以下公式进行跨中正截面强度验算： 此时，受压区高度x的计算公式为x=（）=80.87 mm 解得x=80.87 mm将x=80.87带入跨中正截面强度验算公式计算该截面的抗弯承载能力计算结果表明，跨中截面抗弯承载能力满足要求。7.2 斜截面抗剪承载能力计算7.21 主梁截面尺寸验算根据矩形 T型 I型截面的受弯构件，其抗剪强度应符合下列要求 公式中-验算界面处的剪力组合设计值，有前表可查V=387.592 kN-边长为150mm混凝土立方抗压强度，空心板为C50，f=50MPab-等效工字截面腹板宽度，b=546mm =80.566cm代入上式得计算结果表明截面尺寸满足要求。7.22验算是否需要根据计算配置箍筋按公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）因此，可不进行斜截面抗剪能力的验算，仅需要按公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）进行构造配箍筋。 对照内力汇总表个计算截面控制设计的剪力值，为构造和施工方便，本设计预应力混凝土空心板不设置斜筋，故计算剪力全部由混凝土和钢筋承担。 采用直径为 10 的双肢箍筋（HRB335钢筋），则受弯构件中箍筋常按等间距布置，本题在跨中部位箍筋间距为150mm，配箍率支点截面向跨中方向不小于1倍梁高范围内，箍筋间距为100mm，配筋率8预应力损失计算 本例预应力钢筋采用直径为15.2mm的17股钢绞线，Ep=1.95105，pk=1860,控制应力取con=0.751860=1395。8.1锚具变形、回缩引起的预应力损失 预应力钢绞线的有效长度取为张拉台座的长度，设张拉支座的长L=50m，采用一端张拉及夹片式锚具。 式中 钢筋回缩值，从公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）表6.2.3查得=4mm; L预应力钢筋的有效长度，取L=50m。 则 =8.2 加热养护引起的温差损失 先张法预应力混凝土空心板桥采用加热养护的方法，为减少温差引起的预应力损失，采用分阶段养护措施。设控制预应力钢绞线与台座之间的最大温差=15,则 8.3 由于钢绞线应力松弛引起的预应力损失 = 其中张拉系数一次张拉时，预应力钢绞线松弛系数。为传力锚固时的钢筋应力，由公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）第6.2.6条，对于先张法构件 代入计算式，得 8.4 混凝土弹性压缩引起的预应力损失 式中 _为预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值，； _在计算钢筋重心处，由全部钢筋预加力产生的混凝土法向应力（），其值为 其中，为预应力钢筋传力锚固时的全部预应力损失，由公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）得出，先张法构件传力锚固时的损失为，则 由前面计算空心板换算截面面积预应力钢筋重心至换算截面中心的距离，换算界面的惯性矩，则 8.5 混凝土收缩、徐变引起的预应力损失 式中 -构件受拉区全部纵向钢筋的含筋率， _构件截面受拉区全部纵向钢筋截面重心至构件重心的距离，本例中，; -构件截面回转半径，； -构件受拉区全部纵向钢筋重心处，由预应力（扣除相应阶段的预应力损失）和结构自重产生的混凝土法向应力，其值为 预应力钢筋传力锚固期龄期，计算期为时的混凝土收缩应变； 加载期龄，计算期为时的应变系数。 考虑自重影响，由于收缩徐变持续时间较长，采用全部永久作用，由表 3-14查得，永久作用在跨中和界面产生的弯矩分别为：跨中为,截面为。 跨中截面拉应力 截面拉应力 则全部纵向钢筋重心处的压应力为： 跨中 截面 支点截面 公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）第7.2.7条规定，不得大于传力锚固时混凝土立方体抗压强度的0.5倍，设传力锚固时，混凝土达到，则。因此，以上各截面均满足要求。 设传力锚固期龄,计算期龄为混凝土终极值，设桥梁所处环境的大气相对湿度为75%。由前面计算，空心板毛截面面积,空心板与大气接触的周边长度，则理论厚度为 查公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）第6.2.7直线内插得到： 将以上各项数值代入计算式，得 跨中 截面 ；支点截面 8.6 跨中截面预应力损失组合 跨中 截面 支点截面 各截面有效应力: 跨中 截面 支点截面 9 正常使用极限状态计算9.1 正截面抗裂性验算以跨中截面受拉边的正应力控制。公路桥涵设计通用规范（JTG D602014）第6.3条规定，对于部分预应力A类构件，应满足两个要求：一是在作用短期效应组合条件下预制构件应满足；二是在作用长期效应组合条件下预制构件应满足，即不出现拉应力。式中 荷载短期效应组合作用下，截面受拉边应力，对于跨中截面=扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预应力，其值=，其中对跨中截面=由此得=满足要求。对于跨中截面，荷载长期效应组合条件下，截面受拉边的应力为：=由此得：满足要求。上述计算结果表明，正截面抗裂性满足要求。9.2 斜截面抗裂性验算部分预应力混凝土A类构件斜截面抗裂性验算以主拉应力控制，支点截面形心轴在荷载短期效应组合作用条件下的主拉应力应满足的要求。式中 tp荷载短期效应组合作用条件下和预应力引起的混凝土的主拉应力，此处略去温差作用。 式中 剪力， 腹板宽度，换算截面惯距，空心板支座处计算位置以上截面对空心板换算截面中心轴的静距。计算截面选择第二个位置：空洞顶面定为A-A截面，空洞底面定为B-B截