桥梁工程课程设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上桥梁工程本科课程设计占玉林西南交通大学桥梁工程系第一章 课程设计任务概述1.1 课程设计目的 初步掌握桥梁设计的基本流程；通过课程设计学习，熟悉公路预应力混凝土简支梁桥的设计过程;掌握简支梁桥的荷载横向分布系数的计算理论和方法；通过实际操作，掌握用结构分析的基本方法；掌握预应力钢束配束的基本原则，并完成配束工作；掌握预应力损失的计算理论和方法，并完成预应力损失的计算；掌握桥梁在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的荷载组合方法及相关验算项目，并完成设计桥梁在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的各项验算工作。为毕业设计及今后的实际工作做理论和实践上的准备。1.2 设计

2、规范 1、中华人民共和国行业标准公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004，中华人民共和国交通部； 2、中华人民共和国行业标准公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004，中华人民共和国交通部。1.3 课程设计方案1.3.1 方案概述课程设计方案为汽车专用公路上装配式预应力混凝土简支T梁桥，上下行左右幅分离布置，单幅桥由5片T梁组成。单幅桥面行车道宽度为11.25m，单幅桥面总宽度为12.25m，防撞栏杆宽度为50cm，T梁之间采用湿接缝连接。单幅桥横截面布置如图1-1所示。 简支T梁的跨度分别取25m、30m、35m和40m。T梁的基本尺寸数据如图1-2所示。T梁按全预

3、应力混凝土或A类部分预应力混凝土设计。图1-1 单幅桥横截面尺寸 (单位:cm)跨径(m)梁长(m)计算跨径(m)2524.9624.283029.9629.143534.9634.004039.9638.86注：尺寸单位cm跨径(m)H(cm)H1(cm)H2(cm)2517511720302001332935225158294025017438图1-2 T梁跨径及横截面尺寸1.3.2 主要材料 1、混凝土：T梁混凝土C50，湿接缝混凝土C50； 2、预应力钢绞线：7f5钢绞线(fpk=1860MPa，单根面积140mm2)。 相关材料的材料参数查阅公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范J

4、TG D62-2004第3章(P10-13)。1.3.3 设计荷载本课程设计活荷载仅考虑公路-II级汽车荷载，关于汽车荷载的相关内容查阅公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004的第4.3条(P23-27)。1.4 课程设计基本流程 1、根据桥型方案，确定结构的相关基本尺寸； 2、结构内力计算。对于本课程设计而言，结构内力计算的主要工作包括荷载横向分布系数和单根T梁的内力计算。并完成在承载能力极限状态下和正常使用极限状态下的相应内力组合； 3、预应力钢束的设计。按照结构的受力及构造等的要求，完成预应力钢束的布置工作，并完成预应力损失的计算； 4、主要截面的验算。主要针对控制截面的承载能力、抗

5、裂性、应力水平及结构的变形等多项指标进行验算； 5、完成计算说明书并绘制主要施工图纸。第二章 荷载横向分布系数的计算 对于装配式预应力混凝土简支T梁桥而言，多片T梁通过横隔板及桥面板联系在一起形成一个整体受力结构。由于结构的空间整体性，当桥上作用荷载时，各片主梁将共同参与工作，形成了各片主梁之间的内力分布。从理论上讲，对这类结构的分析应采用空间分析方法较为精确地得出控制截面的最不利内力。但是，对于绝大多数工程设计人员而言，直接应用空间分析方法进行结构设计是不现实的。通常的做法是，通过荷载横向分布计算方法求得每根主梁分摊的桥上荷载，再按照平面结构设计的方法对单根主梁进行内力分析和设计。 目前，对

6、于多主梁结构的荷载横向分布系数的计算方法有：刚性横梁法、绞接板法、刚接梁法以及正交异性板法(G-M法)等。关于荷载横向分布系数的计算方法可以参考相关专业书籍和文献。在本课程设计中，在支座位置处荷载横向分布系数可按“杠杆原理法”(关于杠杆原理的相关理论，可参考相关书籍，本课程设计不作专门介绍)进行计算，而跨中位置处荷载横向分布系数按“刚性横梁法”进行计算。下面主要介绍刚性横梁法的计算原理。2.1 刚性横梁法 根据试验和理论分析发现，对于具有可靠横向联系的桥，且桥的宽跨比小于0.5时，桥上荷载作用下中间横梁的挠曲变形比主梁的挠曲变形要小很多。因而，可以将中间横梁假设为一刚体，只产生刚体位移而不产生

7、弹性变形。这种把横梁当成支撑在各片主梁上的连续刚体计算荷载横向分布系数的方法称之为“刚性横梁法”。 图2-1所示为一由n片主梁组成的装配式T梁桥，假设第i片T梁的抗弯惯性矩为Ii，第i片T梁到截面扭心O的水平距离为ai。单位荷载的作用位置到截面扭心的距离为e。图2-1 装配式T梁桥则，图2-1可以等效为下图所示两种受力情况的叠加。图2-2 荷载等效对于图2-2(a)所示的受力模式，集中力通过截面的扭心，且假设横梁为一刚体，则横梁产生平行下挠，各片主梁的挠度相同，即 (2-1)对于简支梁受胯中集中荷载，荷载与变形的关系可以写为 (2-2)上式中，为第i片T梁分摊到的荷载。由荷载平衡可得 (2-3

8、)则，由上式可得 (2-4)将上式代入式(2-2)可得如图2-2(a)所示的受力模式，第i片T梁分摊到的荷载为 (2-5)对于图2-2(b)所示的受力模式，在偏心力矩的作用下，横梁将绕扭心转动一个角度q。则，第i片T梁的挠度可写为 (2-6)由式(2-2)可得第i片T梁分摊到的荷载为 (2-7)由力矩的平衡条件得 (2-8)由上式可以解出 (2-9)将式(2-9)代入式(2-7)，可得如图2-2(b)所示的受力模式，第i片T梁分摊到的荷载为 (2-10)综合式(2-5)和(2-10)，可得如图2-1所示的受力模式，第i片T梁分摊到的荷载为 (2-11)若各片主梁的刚度相等，则上式进一步简化为

9、(2-12)例2-1 以图1-1所示的装配式预应力混凝土简支梁桥为例，计算荷载横向分配系数。梁号1-512.50.25002-256.2565664.062530.000.00004256.2565664.06255512.50.2500.6250假定e=256.25cm，则各片梁的横向分配系数为梁号10.20-0.200.0020.20-0.100.1030.200.000.2040.200.100.3050.200.200.401.002.2 横向分配系数影响线以及最不利横向荷载分配系数 根据反力互等原理，单位荷载作用在某一根主时，各主梁的反力等于单位荷载在这些主梁上移动时该主梁的反力变化

10、值，即该主梁的反力影响线(也即该主梁的荷载横向分配系数影响线)。用此方法可以方便地做出各个主梁的横向分配系数影响线。 由主梁的横向分配系数影响线，就可以确定每片主梁的最不利荷载横向加载位置，从而得出每片主梁的最不利横向荷载分配系数。本课程设计移动荷载只考虑汽车荷载，关于车辆荷载的横向布置要求参考规范公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004第4.3.1条的第6小条(P24)。 第三章 主梁内力计算3.1 计算荷载 1、主梁自重及桥面铺装：以均布荷载的形式作用在梁上； 2、防撞护栏：采用荷载横向分配系数的计算方法将防撞护栏分摊到各片主梁上； 3、车道荷载：仅考虑公路-II级汽车荷载，关于车道荷

11、载的相关内容查阅公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004的第4.3条(P23-27)。计算车道荷载时，应参考该规范注意如下事项： (1)按照第二章计算得到每片主梁荷载横向分配系数； (2)按照表4.3.1-4(P26)考虑车道横向折减系数； (3)按照表4.3.1-5(P26)考虑车道纵向折减系数； (4)按照第4.3.2(P26)条考虑汽车荷载冲击系数。其中，桥梁的基频计算参考条文说明P83的式(4-3)和(4-4)。3.2 内力计算按照材料力学和结构力学方法计算结构内力。计算内容包括：1、各片主梁的内力计算结果(考虑对称性，只给出3片梁的结果)；2、控制断面(包括支座断面、1/8跨断面

12、、1/4跨断面、3/8跨断面和跨中断面等)的弯矩和剪力；3、单独列出自重、二期恒载和活载的计算结果；4、对于移动荷载(本课程设计中的车道荷载)应按影响线进行最不利加载。对于影响线的求法，可以参考结构力学的相关内容(如机动法)。3.3 内力组合 公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004给出了与承载能力极限状态相对应的标准组合以及与正常使用极限状态相对应的作用短期效应组合和长期效应组合。关于荷载组合的相关内容参考公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004的第4.1.6条和第4.1.7条(P18-19)。 根据相关规范条文的规定，给出控制断面在几种组合情况下的内力组合结果。第四章 预应力钢筋估

13、束和布置4.1 预应力钢束的估束 对于预应力钢筋混凝土简支梁桥，控制结构设计的通常是抗裂性验算。因而，可按照抗裂性验算原则完成估束工作。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004的第6.3.1条(P58)规定：全预应力混凝土构件，在作用(或荷载) 短期效应组合下预制构件： (4-1)式中，为作用(或荷载) 短期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的拉应力，为扣除全部预应力损失后预加力在构件抗裂验算边缘产生的预压应力。 对于本课程设计，抗裂验算边缘为截面下边缘。根据材料力学知识，作用(或荷载) 短期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的拉应力按下式求得 (4-2)其中，是弯矩短

14、期效应组合值，是毛截面抗弯惯性矩，是下边缘距截面中性轴的距离。 预加力在构件抗裂验算边缘产生的预压应力的计算按如下方式计算。将预加力等效为作用在截面中性轴位置处的轴力和一外加弯矩，如图4-1所示。图4-1 预加力等效则，预加力在构件抗裂验算边缘产生的预压应按下式计算 (4-3)上式中，是毛截面面积，是预应力钢绞线合力作用点距截面中性轴的距离，和的定义与式(4-2)一致，是预加力，按下式计算 (4-4)其中，和分别为预应力钢束的有效预应力和面积。将式(4-2)(4-4)代入式(4-1)，并将式(4-1)取等号，得到预应力钢束面积估算公式 (4-5)上式中，预应力钢束的有效预应力及预应力钢绞线合力

15、作用点距截面中性轴的距离需要预先假定。一般而言，对于的预应力钢绞线的控制张拉应力取，在估束阶段，根据经验，考虑25%的预应力损失，则有效预应力的估计值为。对于跨中截面，可假设预应力钢绞线合力作用点距截面下边缘15cm进行试算。对跨中截面按式(4-5)求得预应力钢束面积后，除以单根钢束面积140mm2，取整后即得到跨中需要布置的钢束数量。对于预制后张法预应力钢筋混凝土梁，钢绞线均锚固在梁端，因而其它截面可以通过调整钢束位置满足抗裂性要求。 以上钢束数量结果只是一个估算值，如果在随后的验算中发现某一验算指标无法满足，需进行重新调整试算。4.2 预应力钢束的布置的构造原则 通过理论计算得到预应力钢束

16、数量及偏心位置后，在布置钢束时，还应遵从规范规定的构造原则，详细的构造原则可以参考公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004的第9.4条(P102)。 一般而言，钢束布置应遵从以下构造原则： 1、直线管道的净距不应小于40mm，且不宜小于管道直径的0.6倍；对于预埋的金属或塑料波纹管和铁皮管，在竖直方向可以将两管道叠置； 2、管道至构件顶面或侧面的净距不应小于45mm，至构件底面的不应小于50mm； 3、曲线钢绞线的弯曲半径不宜小于4m，弯起角不宜大于30度。 本课程设计建议采用9f15.2和7f15.2两种规格的预应力钢束，对应管道直径为80mm和70mm。具体布置可以

17、参考图4-2。(a)半立面(b)跨中截面(c)1/4跨截面(d)支座截面图4-2 预应力钢束布置示意4.3 预应力损失的计算 对于后张法预应力混凝土结构，需考虑以下几种预应力损失：1、预应力钢筋与管道壁的摩阻损失；2、锚具回缩、钢筋回缩和接缝压缩损失；3、混凝土弹性压缩损失；4、预应力钢筋应力松弛损失；5、混凝土收缩徐变损失。 关于预应力损失的计算理论在结构设计原理里面有详细介绍，在课程设计过程中，除了参考结构设计原理教材外，还应仔细阅读公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004的第6.2条(P54-58)的相关内容。计算时需注意如下事项： 1、需计算每根钢束在跨中断面、

18、1/4跨断面和支座断面的各项预应力损失值； 2、本课程设计预应力管道选用金属波纹管，在计算预应力钢筋与管道壁的摩阻损失时，摩阻系数与管道偏差系数按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004表6.2.2选取；3、本课程设计预应力锚具选用夹片锚，锚具变形值按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004表6.2.3选取； 4、计算混凝土弹性压缩损失时，可按如下简化公式计算所有预应力钢束的弹性压缩损失 (4-6)其中，是钢绞线张拉批次，是钢绞线与混凝土弹性模量比，是在1/4跨截面预应力筋合力点处由预加力产生的混凝土压应力； 5、计算各项预应力损失后，还应按照公

19、路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004表6.2.8计算第一批和第二批预应力损失。第五章 T梁验算 本课程设计验算工作主要包括：正截面抗弯承载能力验算、正截面抗裂性验算、混凝土正截面压应力和预应力钢筋拉应力验算以及结构变形验算。在实际设计工作中，验算内容较上述内容为多，应严格按照规范要求验算每一项指标。在课程设计中，仅对若干典型断面 (跨中断面、1/4跨断面以及支座断面等)完成上述验算内容。5.1 正截面抗弯承载能力验算 关于正截面抗弯承载能力验算，在结构设计原理里对其计算原理有详细介绍。在课程设计过程中，应该严格遵从公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004的第5.1.5条和第5.2条的相关规定。计算时需注意如下事项： 1、对于承载能力极限状态，荷载组合按公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004规定的与承载能力极限状态相对应的标准组合(P18)； 2、确定结构重要性系数时，应结合规范公路桥涵设计通用规范JTG D60-2004的表1.0.9(P2)； 3、材料的设计强度按公路钢筋混凝土