本科毕业论文---预应力混凝土t形梁桥设计.doc

第89页 目 录1 河水文设计原始资料及计算61.1 设计原始资料61.2 河段类型判断61.3 设计流量和设计流速的复核61.4 拟定桥长71.6 冲刷计算101.7 方案比选112 设计资料及构造布置122.1 设计资料122.2 横截面布置142.3 横截面沿跨长的变化172.4 横隔梁的位置173 主梁作用效应计算183.1 恒载内力计算183.1.1. 恒载集度183.1.2 恒载内力193.2 可变作用效应计算（修正刚性横隔梁）213.2.1 冲击系数和车道折减系数213.2.2 计算主梁的荷载横向分布系数213.2.3 车道荷载的取值263.2.4 计算可变作用效应263.3 主梁作用效应组合314 预应力钢束的估算及其布置334.1 跨中截面钢束的估算和确定334.2 预应力纲筋的布置344.2.1 跨中截面预应力钢筋的布置344.2.2 锚固面钢束布置344.2.3 其他截面钢束位置及倾角计算354.3 非预应力钢筋截面积估算及布置385 计算主梁截面几何特性406 钢束预应力损失估算436.1 预应力钢筋张拉的控制应力con436.2 钢束应力损失436.2.1 预应力钢筋与管道摩擦引起的预应力损失L1436.2.2 锚具变形，钢丝回缩引起的应力损失L2436.2.3 预应力钢筋分批张拉时混凝土弹性压缩引起的应力损失。错误！未定义书签。6.2.4 钢筋松弛引起的预应力损失L5错误！未定义书签。6.2.5 混凝土收缩，徐变引起的损失L6476.2.6 预应力损失组合507 主梁截面承载力与应力验算527.1 持久状况截面承载能力极限状态计算527.1.1 正截面承载力计算527.1.2 斜截面承载力计算527.2 持久状况正常使用极限状态抗裂验算557.2.1 正截面抗裂验算557.2.2 斜截面的抗裂验算567.3 持久状况的构件应力验算607.3.1 正截面混凝土压应力验算607.3.2 截面混凝土主压应力验算617.4 短暂状况构件的应力验算617.4.1 预应力阶段的应力验算617.4.2 吊装应力验算628 主梁端部的局部承压验算708.1 局部承压的截面尺寸验算708.2 局部抗压承载力验算719 主梁变形验算729.1 荷载短期效应作用下主梁挠度验算729.2 结构刚度验算729.3 预加力引起的跨中反拱度729.4 预拱度的设置7310 横隔梁计算7311 行车道板计算77 预应力混凝土T形梁桥【摘要】 本文设计的是预应力混凝土T形梁桥，第一部分主要内容主要是通过水文计算确定桥长，并通过方案的比选确定出本次设计的桥型，第二部分的内容比较多，主要包括结构尺寸的拟、恒载和活载内力计算、根据承载力配筋并进行截面的承载力和应力验算、张拉预应力钢筋和计算预应力钢筋的各种应力损失、验算局部承压和梁的挠度变形计算，同时还简单的计算复核了横隔梁和行车道板的承载力。关键词：预应力 内力组合 承载力 应力损失 Prestressed Concrete T-beam BridgeAuthor:Zhu YafengTutor:Zhao ZhimengAbstract : This paper is the design of prestressed concrete T-beam bridge .The first part is mainly determined by hydrology calculations long bridge, Adoption of the program and the selection of identifying this type design of the bridge, the second part of the contents of more, key structural dimensions, including the design, dead load and live Load, According capacity reinforcement and the capacity for cross sections and stress calculation, prestressed reinforced and prestressed reinforced the stress loss, partial pressure and checking the beam deflection, also simple calculation reviewed Cross beams and plates lane capacity. Keywords : prestressed internal force portfolio Carrying Capacity losses capacity stress 1 ML河水文设计原始资料及计算1.1 设计原始资料（1）、桥面平面图（2）、桥位地质纵剖面图（3）、设计流量：Qs=311m3/s（1%）（4）、设计流速：2.03m/s（5）、冲刷系数：p=1.69（山前）（6）、河床底坡：i=2，mc=51（7）、标准冰冻深度：hd=1.60m （8）、汛期含沙量：p=25/ m3（9）、抗震设计裂度：6度（10）、无航道要求，无流水现象（11）、该地区汛期最大风速为16m/s，其风压为550Pa，洪水期波浪推进长度约为800m左右。1.2 河段类型判断河段弯曲，水流分支汊，且有沙洲，河床宽浅，抗冲刷能力差，主流在河床内易摆动，滩槽不宜划分，所以综合分析判断：ML河属于次稳定河段。1.3 设计流量和设计流速的复核根据地质纵剖面图绘出的河床桩号，绘制河流纵断面图。（见下表1.1）表1.1桩号50+074.2850+091.2850+103.0850+127.0850+250.1250+253.52标高1100.561099.761099.561099.861099.461100.56由于滩槽不易划分,故河床全部改为河槽Wc=150.43Bc=179.24 mhc=0.84 mmc=51i=2Vc= mchc2/3i1/2=510.842/30.0021/2=2.03 m/sQs= WcVc=150.432.03=306 m/sQcQs=306m/sVs=2.032.03m/s （基本吻合）过水面积、水面宽度、湿周计算表 表1.2桩号河床标高水深平均水深水面宽度过水面积50+074.281100.5600.417.006.8+091.281099.760.80.911.8010.62+103.281099.5610.0.8524.0020.40+127.081099.860.70.9123.04110.74+250.121099.461.10.553.401.87+253.521100.560合计179.24150.431.4 拟定桥长ML河属分汊、弯曲河段，查规范公路工程水文勘测设计规范（JTGC30-2002），采用6.2.1-1式计算 kq=0.95 n3=0.87 Qp= Qc=311 m/s Bc=179.24m桥孔最小净长度为：Lj=kq（）n3Bc=0.9510.87179.24=170.28 m综合分析桥型拟订方案为630 m预应力T型梁桥，采用双柱式桥墩建桥后实际桥孔净长: Lj=6（301.5）=171 m170.28m（初步拟订柱宽为1.5 m）1.5 计算桥面标高（1）、雍水高度Fr=2.032/9.80.72=0.581 即设计流量通过时为缓流v0M= vc=vs=2.03 m/sAj=150.4361.50.84=142.87vM,= =311/142.87=2.18m/svM= =2.12 m/sKN=KY=Z= （vM2-v0M2）=(9.500.87)（2.122-2.032）/29.8=0.16m桥下雍水高度Z,= Z /2 =0.08m（2）、 波浪高度Vw=16m/s D=800m =0.84m h2=0.13th0.7（）0.7th=0.165m=0.165/0.84=0.1960.1h2=KF=2.30.165=0.38m（3）、 计算水位Hj=Hs+h=1100.56+0.08+0.38=1101.02m（4）、 桥面标高不通航河段 hT=0.5m建筑高度 hD=1.75+0.14=1.89m桥面标高 Hq=Hj+hT+hD=1101.02+0.5+1.89=1103.41m路面标高 1102.54m1.6冲刷计算（1）、 一般冲刷Qp=311 m3/s Q2= =155.5 m3/s Lj=171m =0.98=0.84m hmax=1100.56-1099.46=1.1 m B= Bc=179.24 m hcq= =0.84 A= =1.51E=0.66（查公路工程、水文勘测设计规范（JIG C302002）表7.3.1-2）右河槽：=1.5 hp左= =1.98 m左河槽：=2.5hp左= =1.88 m按最不利计算取hp= hpR=1.98 m2m，冲刷只到第一层（2）、 局部冲刷V0=0.28（+0.7）0.5=0.50V=E hp2/3=0.662.51/61.982/3=1.21m/sVV0k=1 B1=1.5 k1=0.8（）=1.23 V0=0.0246 =0.69 m/sV0,=0.462V0=0.462（2.5/1.5）0.060.69=0.33m/sn1= =0.85hb= kk1 B10.6（V0- V0,）（）n1=1.21 m（3）、 桥下河槽最低冲刷线标高Hm= Hs-1.98-1.21=1097.37 m1.7 方案比选方案比较表 表1.2 方案类别比较项目第一方案第二方案主桥：预应力混凝土T形简支梁桥（630m）主桥：预应力混凝土空心板桥（920m）桥长（m）180180最大纵坡（%）22工艺技术要求技术较先进，工艺要求较严格，采用后张法预制预应力混凝土T梁，需要采用吊装设备，且在近几年预应力混凝土T行梁桥施工中有成熟的施工经验和施工技术工艺较先进，有成熟的施工经验和施工工艺，使用范围广，相对板的自重也较小，但制作麻烦，需要使用大量的钢筋使用效果属于静定结构，桥面平整度较好，使用阶段易于养护，养护经费较低。属于静定结构，桥面平整，行车条件较好，但养护较麻烦从对比来看，我比较倾向于预应力混凝土T形梁桥。2 设计资料及构造布置2.1设计资料2.1.1 桥梁跨径及桥宽标准跨径=30 m 主梁全长=29.96 m 计算跨径=29.16 m桥面净空=23.75+3.3+20.5=11.80 m2.1.2 设计荷载 公路级，人群荷载3.0KN/ m，每侧人行护栏,防撞栏的作用力分别为1.52 KN/ m和4.99 KN/ m。2.1.3 材料及工艺混凝土：主梁用C50，栏杆及桥面铺装用C30预应力钢筋采用公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范（JIG D622004）中的s15.2钢铰线，每束6根，全梁配3束，fpk=1860Mpa普通钢筋采用HRB335钢筋，钢筋按后张法施工工艺制作主梁，采用内径70，外径75的金属波纹管和夹片锚具。2.1.4 设计依据1） 交通部颁公路工程技术标准（JTG B012003），简称标准。2） 交通部颁公路桥涵设计通用规范（JIG D602004），简称桥规。3） 交通部颁公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JIG D622004），简称公预规。2.1.5设计基本数据，见下表2.1基本数据 表2.1名称项目符号单位数据C50砼立方强度fcu，kMPa50弹性模量EcMPa3.45104轴心抗压标准强度fckMPa32.4轴心抗拉标准强度ftkMPa2.65轴心抗压设计强度fcdMPa22.4轴心抗拉设计强度ftdMPa1.83短暂状态容许压应力0.7 fckMPa20.72容许拉应力0.7 ftkMPa1.757持久状态标准轴载组合：MPa容许压应力0.5 fckMPa16.2容许主压应力0.6 fckMPa19.44短期效应组合：MPa容许拉应力st -0.85pcMPa0容许主拉应力0.6 ftkMPa1.59s15.2钢绞线标准强度fpkMPa1860弹性模量Ep MPa1.95105抗拉设计强度fpdMPa1260最大控制应力0.75 fpkMPa1395持久状态：MPa标准荷载组合0.65 fpkMPa1209材料重度C50砼r1KN/m325.0沥青砼r2KN/m323.07钢绞线r3KN/m378.5C30砼r4KN/m324栏杆r5KN/m1.0钢束与混凝土的弹性模量比EP5.65在考虑混凝土强度达到C45时开始张拉预应力钢束。f，ck和f，tk分别表示钢束张拉时混凝土的抗拉，抗压标准强度：则f，ck=29.6 Mpa, f，tk=2.51 Mpa2.2 横截面布置2.2.1 主梁间距与主梁片数通常主梁应随梁高与跨径的增大而加宽为经济,同时加宽翼板对提高主梁截面效率指标很有效,故在许可条件下应适当加宽T梁翼板.本设计主梁翼板宽度为1600,由于宽度较大,为保证桥梁的整体受拉性能,桥面板采用现浇混凝土刚性接头,因此主梁的工作截面有两种: 预施应力，运输，吊装阶段的小截面（bi=1600）和运营阶段的大截面（bi=1700），净23.75+3.3+20.5=11.80 m的桥宽选用7片主梁，如图（2-1）2.2.2 主梁跨中截面主要尺寸拟订 预应力混凝土简支梁桥的主梁高度与跨径之比通常在，故本设计取用1750的主梁高度。2.2.3 计算截面几何特性净截面的计算（b=160cm） 表2.2分块面积到上缘的距离yi(cm)分块面积Ai(cm2)分块面积对上缘的静矩Si(cm3)分块面积自身惯性矩Ii(cm4)di=ys-yi(cm)分块面积对形心惯性矩Ix(cm4)I=Ii+Ix(cm4)翼板4128051206826.6761.24794163.24800990三角承托11.37208136400053.92091751.22095751腹板8223681941764322389.33-16.8668344.324990734下三角152.710015270555.56-87.5765625766181马蹄165.568411320220577-100.36881101.566901679515233590419555335ys=Si/Ai=335904/5152=65.2yx=17565.2=109.8毛截面的计算（b=170cm） 表2.3分块面积到上缘的距离yi(cm)分块面积Ai(cm2)分块面积对上缘的静矩Si(cm3)分块面积自身惯性矩Ii(cm4)di=ys-yi(cm)分块面积对形心惯性矩Ix(cm4)I=Ii+Ix(cm4)翼板4136054407253.33360.35093798.45101052三角承托11.372081364000532091751.22095751腹板8223681941764322389.33-17.7668344.324990734下三角152.710015270555.56-88.4765625766181马蹄165.568411320220577-101.26881101.566901679523233622419555335 ys=Si/Ai=336264/5232=64.3yx=17564.3=110.72.2.4 检验截面效率指标上核心距: ks=下核心距: kx=截面效率指标:=0.530.5 表明以上初步拟订的主梁跨中截面是合理的2.3 横截面沿跨长的变化 如图2-3所示,本设计主梁采用等高形式,横截面的T梁翼板厚度沿跨长不变。梁端部区段由于锚头集中力的作用而引起的局部应力,也为布置锚具的需要,在距梁端1.75m范围内将腹板加厚到与马蹄同宽,马蹄部分配合钢束弯起而从四分点附近开始向支点逐渐抬高,在马蹄抬高的同时,腹板宽度亦开始变化。2.4 横隔梁的位置 在荷载作用处的主梁弯矩横向分布,当该处有横隔梁时比较均匀,否则直接在荷载作用下的主梁弯矩很大。为减少对主梁设计起主要控制作用的跨中弯矩，在跨中设置一道横隔梁；当跨度较大时，应设置较多的横隔梁。本设计共设置七道横隔梁，其间距为4.86m。端横隔梁的高度与主梁同高，厚度为上部240，下部220；中横隔梁高度为1600，厚度为上部160，下部140。详见图1-1所示。3主梁作用效应计算 根据上述梁跨结构纵、横截面的布置，并通过可变作用下的梁桥荷载横向分布计算，可分别求得各主梁控制截面（一般取跨中、四分点、变化点和支点截面）的永久作用和最大可变作用效应，然后再进行主梁作用效应组合。3.1 恒载内力计算3.1.1.恒载集度（1） 预制梁自重 跨中截面主梁的自重g（1）=r1=0.515225=12.88KN/mG（1）=12.887.29=93.90KN 马蹄抬高与腹板宽段梁的自重g（2）=（0.8012+0.5152）25/2=16.455 KN/mG（2）=16.4555.94=97.74 KN 支点段梁的自重g（3）=0.801225=20.03 KN/mG（3）=20.031.75=35.05 KN 边主梁的横隔梁中横隔梁的体积：0.150.721.6- （0.08+0.18）0.72（0.04+0.14）0.10.11-（0.6+1）0.2+20.040.26=0.1365m3端横隔梁的体积：0.230.621.75-0.62-0.11-0.2+0.20.040.26=0.1760 m3故半跨内横隔梁重力为：G（4）=（50.1365+20.1760）25=25.86 KN 预制边主梁的恒载集度为：g1=（93.90+97.74+35.05+25.86）/14.98=16.859 KN/m预制中主梁的恒载集度为：g1，=（93.90+97.74+35.05+225.86）/14.98=18.586 KN/m（2） 二期恒载 混凝土垫层铺装：10.824=20.866 KN/m6沥青铺装：0.0610.823=14.904 KN/m若将桥面铺装均摊给七片主梁，则：g（5）=（20.866+14.904）/7=5.110 KN/m 栏杆：一侧防撞栏：5 KN/m若将两侧防撞栏均摊给七片主梁，则：g（6）=52/7=1.429 KN/m 边主梁现浇T梁翼板集度：g（7）=0.080.0525=0.1 KN/m中主梁现浇T梁翼板集度：g（7），=0.080.125=0.2 KN/m边主梁二期恒载集度：g2= g（5）+ g（6）+ g（7）=1.429+5.110+0.1=6.639 KN/m中主梁二期恒载集度：g2，= g（5）+ g（6）+ g（7），=6.739 KN/m边主梁总的恒载集度：g=g1+g2=16.859+6.639=23.498KN/m中主梁总的恒载集度：g，=g1，+g2，=18.586+6.739=25.325KN/m3.1.2恒载内力如图3-1所示，设x为计算截面离左支座的距离,并令=x/L，则主梁弯矩和剪力的计算公式分别为: M=（1）l2g/2, Q=（12）lg/2恒载内力计算表 表2.4 截面位置边主梁中主梁MQMQ跨中G11791.91301975.4720G2705.6470716.27602497.5602691.7480L/4G11343.945122.9021481.604135.492G2529.23648.398537.20749.1271873.181171.3002018.811184.619变截面G1314.545223.190346.777246.053G2123.86787.89125.73289.215438.412311.081472.509335.268支点G10245.8040270.984G2096.797098.2550342.6010369.2393.2 可变作用效应计算（修正刚性横隔梁）3.2.1 冲击系数和车道折减系数 按桥规4.3.2条规定,结构的冲击系数与结构的基频有关,因此要先计算结构的基频。简支梁桥的基频可采用下列公式计算。f=4.196 HZ其中mc=0.515225103/9.8=1.3142103N/m根据桥规的规定,可计算出汽车荷载的冲击系数为:=0.1760f-0.0157=0.241+=1.24 按桥规4.3.1条,当车道大于两车道时,需进行车道折减,当采用两车道布载时不需要进行折减，采用三车道布载时，折减系数为0.78。 3.2.2 计算主梁的荷载横向分布系数（1）跨中的荷载横向分布系数mc本桥跨内设有七道横隔梁，具有可靠的横向联结，且承重结构的长宽比为：=2.472所以可修正刚性横隔梁法来绘制横向影响线和计算横向分布系数mc。 计算主梁抗扭惯性矩IT对于T形梁截面，抗扭惯性矩可近似按下式计算：IT=cibiti3bi，ti相应为单个矩形截面的宽度和厚度；ci矩形截面抗扭刚度系数；根据t/b查表计算；m梁截面划分成单个矩形截面的块书。对于跨中截面，翼缘板的换算厚度：t1=13马蹄部分的换算厚度平均为：t3=24IT的计算图式如图3-2 IT计算表 表2.4分块名称titi/ biciIT= ci bi ti3翼缘板1.70.130.076470.0011717腹板1.380.160.115940.0017466马蹄0.360.240.666670.00097450.0038974计算抗扭修正系数 本设计主梁间距相同，并将主梁近似看成等截面。 查表得n=7时，=1.021, G=0.4E则： =0.953计算横向影响线竖坐标值：ij=+式中：n=7, a1=5.1，a2=3.4，a3=1.7，a1=5.1，a4=0， a5=-1.7，a6=-3.4，a7 =-5.1， =2（5.12+3.42+1.72）=80.921#梁：11 =1/7+0.9535.12/80.92=0.449 17 =1/7-0.9535.12/80.92=-0.1632#梁：21 =1/7+0.9533.45.1/80.92=0.347 27 =1/7-0.9533.45.1/80.92=-0.0613#梁：31 =1/7+0.9531.75.1/80.92=0.245 37 =1/7-0.9531.75.1/80.92=0.0414#梁：41 =47 =1/7=0.143将计算所得的ij值汇总于表2.5内各梁的影响线竖标值 表2.5梁号aii1i715.10.449-0.16323.40.347-0.06131.70.2450.041400.1430.143计算荷载横向分布系数可变作用：（汽车公路I级） 图3-41号梁： 两车道：mc= 42=2n1=20.272=0.544三车道：mc=620.78=2.342=2.340.179=0.419 mc=0.5442号梁： 两车道：mc= 42=2n1=20.229=0.458三车道：mc=620.78=2.342=2.340.167=0.391 mc=0.4583号梁： 两车道：mc= 42=2n1=20.162=0.324三车道：mc=620.78=2.342=2.340.119=0.278 mc=0.3244号梁： 三车道：mc=620.78=2.342=2.340.143=0.335（2）支点截面的荷载横向分布系数mo如图所示，按杠杆原理法绘制荷载横向分布影响线并进行布载，计算横向分布系数。 M01=0.50.882=0.441 M01=0.51.00=0.500M01=0.520.618=0.618M01=0.520.618=0.618(3)横向分布系数汇总，见表2.6表2.6可变作用类别1234mc0544045803240335mo04410500061806183.2.3 车道荷载的取值 根据桥规4.3.1条,公路I级的均布荷载标准值qk=10.5KN/m，集中荷载标准值pk按以下规定选取：桥梁计算跨径小于或等于5m时，pk=180KN；桥梁计算跨径大于或等于50m时，pk=360KN；桥梁计算跨径在5m50m时，pk采用直线内插求得。计算剪力效应时，上述集中荷载标准值应乘以1.2的系数。本设计中，计算弯矩时qk=10.5KN/m，pk=（29.16-5）+180=276.64KN计算剪力时: pk=276.641.2=331.968 KN3.2.4 计算可变作用效应 对于横向分布系数的取值作如下考虑：计算主梁活载跨中弯矩时，采用全跨中统一的横向分布系数mc，考虑到跨中和四分点剪力影响线的较大竖标位于桥跨中部，故按不变化的mc计算，计算支点附近应考虑支承条件的影响，按横向分布系数沿桥跨的变化曲线取值，即从支点到l/4之间，横向分布系数用mc与mo值直线插入，其余均取mc值。（1）求跨中截面的最大弯矩和最大剪力弯矩:M=（1+）mc（pkyk+ qkww）剪力:Q=（1+）（mkpkyk+mkqkwQ+Q） Q=（mo-mc）（2+yk）其中：（1+）汽车冲击系数 图3-6Mmax =1.2410.544（276.647.29+10.57.2929.16）=2113.2155 KN/mVmax =1.2410.544（331.9680.5+10.50.514.58）=137.7833KN（2）四分点截面的最大弯矩和最大剪力 图3-7Q=（0.441-0.544）（-0.25）=0.219Mmax = 1.2410.544（276.645.4675+10.55.467529.16） =1584.9116 KN/mVmax = 1.241（0.544331.9680.75+0.54410.50.754.87+0.219）=226.309 KN（3）变截面的最大弯矩和最大剪力计算变截面产生的剪力时，应特别注意集中荷载荷载pk的作用位置。集中荷载若作用在计算截面，虽然影响纵坐标最大，但其对应的横向分布系数较小，荷载向跨中方向移动，就出现相反情况，因此应对两个荷载进行比较，即影响线纵坐标最大值和横向分布系数达到最大值的截面（l/4截面），然后取一个最大的作为所求值。Mmax=1.2410.544（276.641.2797+10.51.279729.16）=405.53KNm Q=（0.441-0.544）0.8759=-2.3019变截面处: Vmax,= 1.2410.469+0.441331.9680.954+0.54410.50.95427.8186-2.3019=275.3103KN跨处: Vmax,= 1.2410.544311.9680.8333+0.54410.50.95427.8126-2.3019=277.7345KNVmax,Vmax, 取Vmax=Vmax,=277,7345KN （3） 支点处的最大弯矩和最大剪力Mmax= 1.2410.544276.640+10.50.1=0 KNmQ=（0.441-0.544）（2+0.8333）=-2.482Vmax= 1.241（0.441331.968+0.54410.529.16-2.482）=281.724 KN(5)主梁内力汇总主梁内力汇总表 表2.7梁位1234MQMQMQMQ恒载跨中2497.56002691.74802691.74802691.7480L/41873.181173.0002018.811184.6192018.811184.6192018.8111843619变截面438.412311.081472.509335.268472.509335.268472.509335.268支点0342.6010369.2390369.2390369.239活载跨中2113.216137.7831779.141116.0011258.60682.0621015.04366.182L/41584.912226.3091334.136190.135943.955133.846761.282107.991变截面405.053277.735312.089274.968220.938274.183178.183216.638支点0281.7240294.0180324.6830254.6263.3主梁作用效应组合 结构重要系数ro=1.0，基本组合用于承载能力极限状态计算（验算强度），短期基本组合用于正常使用极限状态，长期基本组合用于正常极限状态（用于验算裂缝和挠度）