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'1工程概况及桥型方案比选1.1工程概况1.1.1基本条件本工程位于隆回县横板桥镇,设计桥梁的河床断面标高如表1.1所示。表1.1隆回县东南桥河床断面标高(m)桩号100113133153173178.5190地面高程201.5198.11196.03195.28196.37201.3201.51.1.2地质条件地面以下2.0m为砂卵石层,承载力基本容许值为300KPa,卵石层以下6m为中风化碳质灰岩,承载力基本容许值为2000KPa。设计洪水高程为198.50m,常水位高程为196.28m。地震烈度为6度区,地震动峰值加速度为0.05g。图1.1某农村渡改桥河床断面标高图(单位:m)1.2编制方案和拟定桥型图示1.2.1预应力混凝土简支T型梁桥简支梁桥是梁桥中应用最早、使用最广泛的一种桥型。它的结构简单,最易设计成各种标准跨径胡装配式结构;施工工序少,架设方便;造价比较低,施工周期相对其它桥梁要短;结构美观,安全性好;在多孔简支梁桥中,由于各跨构造和尺寸划一,可简化施工管理工作,降低施工费用;因相邻桥孔各自单独受力,桥墩上需要设置相邻简支梁的两个基本点支座;简支梁桥的构造较易处理而常被选用。简支梁桥的静定结构,结构内力不受地基变形等的影响,因而能在地基较差的桥位上建桥。6
简支梁的设计主要受跨中正弯距的控制。在钢筋混凝土简支梁桥中,经济合理的常用跨径在20m以下。我国预应力混凝土简支梁桥的常用跨径载40m以下。图1.2预应力混凝土简支T型梁桥1.2.2预应力空心板桥板桥的承重结构是矩形截面的钢筋混凝土或预应力混凝土板,其主要特点是构造简单,施工方便,而且建筑高度较小。对于高等级公路和城市立交工程,板桥又以机易满足斜、弯、坡及S形、喇叭形等特殊要求的特点而受到重视。从力学性能上分析,位于受拉区域的混凝土材料不但不能发挥作用,反而增大了结构的自重,当跨度稍大时就显得笨重而不经济。板桥大多为小跨径。从桥梁空心板桥的发展来看,空心板桥所用水泥相对较少,所用钢材比T梁要大,16m至20m都用先张法预应力空心板桥,其高跨比在1/18左右,板宽一般是1m。板桥跨径超过一定限度时,截面的增高使自重加大。预应力混凝土空心板桥常用跨径范围为8~16m。空心板较同跨径的实心板质量轻,运输安装方便,而建筑高度又较同跨径的T梁小,一般板厚为0.4~0.7m。板桥以它美观的结构和可靠的安全性,以及较短的施工周期和较少的造价,从而广泛应用于现阶段的中小桥。图1.3预应力空心板桥1.2.3石拱桥拱桥的跨越能力大,能充分做到就地取材,与钢桥和钢筋混凝土梁式桥相比,可以节省大量的钢材和水泥;能耐久,而且养护费用少,承载能力大;外形美观,构造较简单,尤其是圬工拱桥,技术容易掌握,有利于广泛采用。6
如果要在地质条件不好的地区修建拱桥时,就可从结构体系上、构造形式上采取措施,或利用轻质材料来减轻结构物的自重,或设法提高地基承载能力等。为了节约劳动力、加快施工进度,可采用预制构件及无支架施工。这些措施更加扩大了拱桥的使用范围,提高了拱桥的跨越能力。总之,今后拱桥仍将是我国公路桥梁的一种主要形式。图1.4石拱桥1.2.3技术经济比较和最佳方案的确定观桥梁的发展,从安全考虑石拱桥用的已经越来越少;空心板桥安全性比石拱桥要高,但比起梁桥又稍差;连续梁桥对桥下净空要求高,造价高;预应力混凝土简支T形梁桥在小桥中用途最广,由于T梁可以预制,施工速度比同类型桥梁要快等许多优点,经过上述方案的比较,决定采用预应力混凝土简支T形梁桥。6
2上部结构设计2.1设计资料和结构尺寸2.1.1设计资料(1)设计跨径:标准跨径20.00m(墩中心距离),简支梁计算跨径(相邻支座中心距离)19.50m,主梁全长19.96m。(2)荷载:公路—II级(3)设计行车车速:20km/h(4)坡度:纵坡1%,横坡2%(5)设计洪水频率:1/100(6)航度等级:无(7)材料及工艺:混凝土:主梁采用C40混凝土,桥面铺装层采用C40防水混凝土;T梁铰缝、搭板等构件采用C40混凝土;防撞栏杆采用C30混凝土。预应力钢束:采用低松弛预应力钢铰线,抗拉强度,弹性模量,张拉控制应力,单束张拉吨位18.4t。普通钢筋直径大于和等于12mm的用HRB335,Rbg=335Mpa,小于12mm采用R235,Rbg=235Mpa。钢板和角钢:制作锚头下支承垫板、支座垫板等均用普通A3碳素钢,主梁间的联接用16Mn低合金结构钢钢板。按后张法工艺制作主梁,采用45号优质碳素结构钢的锥形锚具,锥形锚具外径110mm,高度53mm,锚孔直径57mm;预留孔道采用直径50mm抽拔橡胶管。(8)设计依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004以下简称《公预规》。《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004以下简称《桥规》。2.1.2横截面布置(1)主梁间距和主梁片数主梁间距通常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ρ很有效,故在许可的条件下应适当加宽T6
梁翼板。但标准设计主要为配合各种桥面宽度,使桥梁标准化而采用统一的主梁间距。由《公预规》第9.9.3条规定选取主梁间距1.5m(留2cm工作缝,T梁上翼沿宽度为148cm),片数为3片。(2)主梁尺寸拟定①主梁高度预应力混凝土简支T梁桥的主梁高度与其跨径之比通常在1/15~1/25,本设计取1.24m。②主梁腹板厚度在预应力混凝土梁中腹板处因主拉力很小,腹板厚度一般由布置孔管的构造决定,同时从腹板本身的稳定条件出发,腹板厚度不宜小于其高度的1/15。标准图的T梁腹板厚度均取16cm。腹板高度80cm。在跨中区段,钢束主要布置在梁的下缘,以形成较大的内力偶臂,故在梁腹板下部设置马蹄,以利数量较多的钢束布置,设计实践表明马蹄面积与截面面积以10%~20%为宜,马蹄宽32cm,高18cm。(3)翼板尺寸拟定翼板的高度由主梁间距决定,考虑主梁间必须留工作缝,故取翼板宽度1.48m,施工缝宽2cm。(4)横截面沿跨长度变化横截面沿跨长变化,主要考虑预应力钢束在梁内布置的要求,以及锚具布置的要求,故为配合钢束的弯起而从四分点开始向支点逐渐抬高,同时腹板的宽度逐渐加厚。(5)横隔梁设置为了增强主梁间的横向连接刚度,除设置端横隔梁外,还设置3片中横隔梁,间距为4×4.875m,共5片,采用开洞形式,平均厚度0.15m。T型梁翼板厚度为8cm,翼板根部加到18cm以抵抗翼缘根部较大弯矩。为了翼板与腹板连接和顺,在截面6转角处设置圆角,以减小局部应力和便于脱模。66
根据以上拟定的主梁尺寸,见右图2.1所示,进行主梁截面几何特性计算,为主梁内力计算做好准备,跨中截面几何特性见表2.1所示。图2.1预制梁跨中截面图6表2.1主梁跨中截面何特性计算表5分块号分块面积Ai()分块面积形心至上缘的距离yi(cm)分块面积对上缘静距Si=Ai*yi(cm3)=ys-yi(cm)分块面积自身的惯性矩Ix=Ai(ys-yi)2(cm4)分块面积对截面形心的惯性矩Ii(cm4)(1)(2)(3)=(1)*(2)(4)(5)(6)=(1)*(4)①10564422439.0516.103×105②66011.337477.827.725.071×105③16965389888-9.951.679×105④64103.336613.12-60.282.326×105⑤57611566240-71.9529.818×105合计=4052=43.05174442.952.1主梁内力计算34
主梁的内力计算包括恒载内力计算和活载内力计算。计算的控制截面右跨中、四分点、变化点和支点截面。主梁和横隔梁、混凝土面层的重度均为25,每侧栏杆的重力为1.52。2.1.1恒载内力计算(1)恒载集度主梁:横隔梁:对于边主梁对于中主梁桥面铺装层:栏杆:作用于边主梁的全部恒载集度g为:作用于中主梁的全部恒载集度g为:(2)恒载内力计算边主梁的弯矩和剪力,用材料力学中的公式计算,各计算截面的剪力和弯矩值列于表2.2所示。34
表2.2①号主梁恒载内力内力截面位置剪力Q弯矩M145.77kN=532.982.1.1活载内力计算由于上述桥梁属于单车道小桥,不考虑人行道荷载,所以活载内力主要由可变荷载中的汽车荷载产生。主梁活载内力计算分为两步:第一步求某一主梁的荷载横向分布系数m;第二步应用主梁内力影响线,将荷载P乘以横向分布系数后,在纵向按不利位置的内力影响线上加载,求得主梁最大活载内力。根据《桥规》要求,对汽车荷载还必须考虑冲击力的影响。(1)支点截面的荷载横向分布系数如图2.2所示,按杠杆原理法绘制荷载横向分布影响线进行布载,①号、②号梁可变作用的横向分布系数可计算如下:①号主梁活载横向分布系数公路—II级:②号主梁活载横向分布系数公路—II级:34
图2.2 支点的横向分布系数计算图示(尺寸单位:cm)(a)桥梁横截面;(b)①号梁横向影响线;(c)②号梁横向影响线(2)跨中的荷载横向分布系数由图2.2可知,此桥设有刚度强大的横隔梁,且承重结构的宽跨比为 故可按偏心压力法来计算横向分布系数,其步骤如下:①求荷载横向分布影响线竖标本桥各根主梁的横截面均相等,梁数n=3,梁间距1.50m,则则①号主梁在两个边主梁处的横向影响线的竖标值为:34
则②号主梁在两个边主梁处的横向影响线的竖标值为:②绘出荷载横向分布影响线在最不利位置布载,如图2.3,其中Δ为0。图2.3 荷载横向分布系数计算图示(尺寸单位:cm)a)桥梁横断面;b)①号主梁横向分布影响线荷载横向分布影响线的零点至①号梁位的距离为x,可按比例关系求得:;解得x=2.5m并据此计算出对应个荷载点的影响线竖标和。③计算荷载横向分布系数在中间横隔梁刚度相当大的窄桥上,在沿横向偏心布置的汽车荷载作用下,总是靠近汽车荷载一侧的边主梁受载最大。则①号梁的最不利布载受载最大。则①号梁的活载横向分布系数分别计算如下:汽车荷载34
则②号梁的活载横向分布系数求得①号主梁和②号主梁的各种荷载横向分布系数后,就可得到各类荷载分布至该梁的最大荷载值。横向分布系数汇总如表2.3所示。表2.3 荷载横向分布系数汇总梁号荷载位置公路-II级①号主梁跨中0.450支点0.357梁号荷载位置公路-II级②号主梁跨中0.333支点0.343(3)计算活载内力在活载内力计算中,本设计对于横向分布系数的取值作如下考虑:计算主梁活载弯距时,均采用统一的横向分布系数,鉴于跨中和四分点剪力影响线的较大坐标位于桥跨中部,故也按不变化的来计算。求支点和变化点截面活载剪力时,由于主要荷重集中在支点附近而考虑支撑条件的影响,按横向分布系数沿桥跨的变化曲线取值,即从支点到之间,横向分布系数用与值用直线内插法,期于区段取值。计算跨中截面最大弯距及相应荷载位置的剪力和最大剪力及相应荷载位置的弯距采用直接加载求活载内力,计算公式为:对于汽车荷载:①均布荷载和内力影响线面积计算如表2.4所示34
表2.4 均布荷载和内力影响线面积计算类型截面公路—II级均布荷载影响线面积(或m)影响线图示7.875=47.537.875=2.44m7.875=35.657.875=9.75m②公路—II级集中荷载计算计算弯距效应时:计算剪力效应时:③计算冲击系数和车道拆减系数按《桥规》第4.3.2条规定汽车荷载在T梁上的冲击系数采用1.3。本设计按两车道设计,不拆减,则。④计算①号主梁的、、、,数据如表2.5所示。34
表2.5 ①号主梁弯距和剪力计算表截面荷载类型或()()或y(或m)S(或)S公路—II级7.875178.51.30.45047.53218.96728.02y==4.875509.06公路—II级7.875214.21.30.4502.4411.2473.890.562.65公路—II级7.875178.51.30.45035.65164.24546.43y==3.66382.17公路—II级7.875214.21.30.4509.7544.9244.9200由于①号主梁和②号主梁只有跨中的横向分布系数不相同,则②号主梁的弯矩和剪力结果如下:,。⑤计算支点截面荷载最大剪力绘制荷载横向分布系数沿桥纵向的变化图形和支点剪力影响线如图2.4所示。=1.0=0.83334
图2.4 汽车荷载支点剪力计算图示(尺寸单位:m)(a)主梁纵断面图;(b)车辆荷载作用下支点剪力的荷载横向分布系数沿跨长分布图;(c)车辆集中荷载和均布荷载的布置;(d)支点截面剪力影响线图.可知①号主梁汽车荷载的支点剪力为:=162.28kN可知②号主梁汽车荷载的支点剪力为:=148.06kN2.1.1主梁内力组合为了按各种极限状态来设计钢筋混凝土及预应力混凝土梁,需要确定主梁沿桥跨结构各个截面的计算内力。它就是将各种作用效应乘以相应的系数后,按《桥规》规定进行效应组合而得到的内力值。根据《桥规》规定,当永久作用与汽车荷载和人群荷载组合时,基本组合的效应组合表达式为:34
式中:、—分别为汽车荷载和人群荷载效应的标准值。①号主梁截面的弯矩①号主梁截面的弯矩①号主梁截面的剪力①号主梁支点截面的剪力②号主梁截面的弯矩②号主梁截面的弯矩②号主梁截面的剪力②号主梁支点截面的剪力2.2.4弯矩和剪力包络图根据上述主梁内力组合绘制①号主梁和②号主梁的弯矩和剪力包络图如图2.5和2.6所示。34
图2.5①号主梁和②号主梁的弯矩包络图(单位:)图2.6①号主梁和②号主梁的剪力包络图(单位:)2.3预应力钢束的估算及其布置2.3.1跨中截面钢束的估算与确定根据《公预规》规定,预应力梁应满足使用阶段的应力要求和承载能力极限状态的强度条件。以下就跨中截面在各种荷载组合下,分别按照上述要求对各主梁所需的钢束数进行估算,并且按这些钢束数的多少确定各梁的配束。34
由《结构设计原理》有:式中:——混凝土强度安全系数,取=1.25;——计算弯矩,由主梁荷载组合可得=1871.23,为设计经验系数,这里取=0.76计算,由此可得:每束为49φs5mm,面积为,其抗拉设计强度,钢束数为:。(1)按使用阶段的应力要求估算钢束数对于简支梁带马蹄的T形截面,当截面混凝土不出现拉应力控制时,则得到钢束数n的估算公式:式中:—使用荷载产生的跨中弯矩;—与荷载有关的经验系数,在这里取;—一根49φs5的钢束截面积,即。在主梁内力计算中已经计算出跨中截面,,初估,则钢束偏心距。①号梁②号梁(2)按承载能力极限状态估算钢束数根据极限状态的应力计算图式,受压区混凝土达到极限强度时,应力图式呈矩形,预应力钢束也达到标准强度,则钢束数的估算公式为:式中:——经荷载组合并提高后的跨中计算弯矩;34
——估计钢束群重心到混凝土合力作用点力臂长度的经验系数,在这里取;——主梁有效高度,即。①号梁②号梁对于全预应力梁,希望在弹性阶段工作,同时边主梁与中间主梁所需的钢束数相差不多,为方便钢束布置和施工,同时为了更安全,主梁统一确定为3束。2.3.2预应力钢束布置(1)确定跨中及锚固端截面的钢束布置本例采用直径5cm波纹管,对于跨中截面,在保证布置预留管道构造要求的前提下,尽可能使钢束重心偏心距大些。根据《公预规》规定,在布置钢束同时,首先必须满足构造要求:预留孔道间净距≥,梁底净距≥,梁侧净距≥,由此可直接得出钢束群重心到梁底距离为:为了方便张拉操作,将所有的钢束都锚固在梁端。对于锚固端截面,钢束布置考虑以下两方面:一是预应力钢束重心尽可能靠近截面形心,使界面均匀受压;二是考虑锚头布置得可能性,以满足张拉操作方便等要求。按着上述锚头布置的均匀、分散等原则,锚固端截面所布置得钢束,钢束群重心至梁底距离为:为检验上述布置得钢束群重心位置,可绘制全预应力混凝土简支梁的束界,以确保钢束群重心处于截面的核心范围内。(2)钢束起弯角和线形的确定确定钢束起弯角时,既要顾到因其弯起所产生的竖向剪力有足够的数量,又要考虑到由其增大而导致摩擦预应力损失不宜过大。为此,本例将锚固端截面分成上下两部分,上部钢束的弯起角初定为10º,相应的钢束竖向间距为30cm。34
为简化计算和施工,所有钢束布置得线形均选用两端为圆弧线中间再加一段直线,并且整根束道布置在同一个竖直面内。(1)钢束几何计算锚固点到支座中线的水平距离,由图可知求得一根钢束的长度为曲线长度、直线长度与两端张拉的工作长度之和,其中钢束的曲线长度可按圆弧半径与弯起角进行计算,计算结果见表2.6所示。表2.6钢束长度钢束号R(cm)弯起角(º)曲线段长(cm)直线段长(cm)钢束有效长(cm)钢束预留长(cm)钢束总长(cm)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)=(5)+(6)130001.5243.01501.61987.6402027.6220003.0326.61346.11999.3402039.3310004.5410.21190.620114020512.3.2计算主梁截面几何特性后张法预应力混凝土梁,在张拉钢束时管道尚未压浆,由预应力引起的应力按构件混凝土净截面(不计构造钢筋的影响)计算;在使用阶段,预留管道已经压浆,认为管束与混凝土结合良好,故按换算截面计算。跨中截面、支点截面、截面的净截面与换算截面几何特性列表进行计算,如表2.7所示。34
表2.7主梁截面几何特性截面类别分块名称分块面积(cm2)Ai重心至梁顶距离(cm)对顶边面积矩()自身惯性矩Ix=Ai(ys-yi)2截面惯性矩跨中净截面毛截面405243.0517443971.130.129预留管道-98109.658800-5.690净截面395442.6316855971.13-5.56185.097换算面钢束换算面积116109.61271406.270毛面积405243.0517443971.130.161换算面积416843.518130871.136.43197.089支点净截面毛截面870855.7848573290.26-0.029预留管道-9860-58800-1.68净截面861055.7347983590.26-1.709105.29换算面钢束换算面积11660696001.894毛面积870855.7848573290.260.039换算面积882455.8449273290.261.933108.93四分点净截面毛截面405243.0529618471.13-0.029预留管道-98112.3-88100-1.68净截面395442.6328737471.13-1.709105.29换算面钢束换算面积116109.61069801.894毛面积405243.0529618471.130.039换算面积416845.0230688271.131.933108.932.3钢束预应力损失计算后张法梁的预应力损失包括前期预应力损失(钢束与管道壁的摩擦损失,锚具变形、钢束回缩引起的损失,分批张拉混凝土弹性压缩引起的损失)与后期预应力损失(钢丝应力松弛、混凝土收缩和徐变引起的应力损失),而梁内钢束的锚固应力和有效应力(永存应力)分别等于张拉应力扣除相应阶段的预应力损失。2.4.1预应力钢束与管道壁的摩擦损失由《公预规》第6.2.2条规定,计算公式为:对于跨中截面,,,,跨中截面各钢束摩擦应力损失见表2.8所示。34
表2.8跨中截面摩擦应力损失的计算钢束编号(m)度弧度34.50.07850.01969.7550.014630.03365148850.0723.00.05230.01319.7550.014630.02735148831.2511.50.02620.00669.7550.014630.02100148831.252.4.1锚具变形、钢丝回缩引起的预应力损失按《公预规》第6.2.3条规定,可按平均值计算即其中,由表查得,锥形锚具为6mm,两端同时张拉,则;取各钢束锚固点间的平均长度计算,(各束锚固点距支座中心线平均距离为22.34cm),故2.4.3分批张拉时混凝土弹性压缩引起的应力损失混凝土弹性压缩引起的应力损失取按应力计算需要控制的截面进行计算。也可直接按简化公式进行计算,即此项预应力损失,对于简支梁一般可取截面按以下公式进行计算,并以其计算结果作为全梁各钢束的平均值。公式如下:式中:——张拉批数;;——按实际张拉时混凝土的标号计算得。其中34
2.4.4钢筋松弛引起的预应力损失按《公预规》第6.2.5.1条规定,预应力钢丝、钢绞线可按下列公式计算:式中:——张拉系数,一次张拉时,;超张拉时,;——钢筋松驰系数,Ⅰ级松驰(普通松驰),;Ⅱ级松驰(低松驰),;——传力锚具时的钢筋预应力,对后张法构件;对先张法构件,对先张法构件。2.4.5混凝土收缩、徐变引起的预应力损失按《公预规》第6.2.7-1条规定,由混凝土收缩、徐变引起的构件受拉区和受压区预应力钢筋的预应力损失,可按下列公式计算:式中:——构件受拉区、受压区全部纵向钢筋截面重心处由混凝土收缩、徐变引起的预应力损失;——构件受拉区、受压区全部纵向钢筋截面重心处由预应力产生的混凝土法向压应力(Mpa),应按本规范第6.1.5条和第6.1.6条规定计算。此时,预应力损失值仅考虑预应力钢筋锚固时(第一批)的损失,普通钢筋应力应取为0,值不得大于传力锚固时混凝土立方体抗压强度的0.5倍。计算时,可根据构件制作情况考虑自重的影响;——预应力钢筋弹性模量;——预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值;——构件受拉区、受压区全部纵向钢筋配筋率;A——构件截面面积,对先张法,;对后张法构件,。此处,34
为换算,为净截面;I——截面回转半径,,先张法构件取后张法构件取,此处,和分别为换算截面惯性矩和净截面惯性矩;——构件受拉区、受压区预应力钢筋截面重心至构件截面重心的距离;——构件受拉区、受压区纵向普通钢筋截面重心至构件截面重心的距离;——构件受拉区、受压区预应力钢筋和普通钢筋截面重心至构件截面重心轴的距离;——预应力钢筋传力锚具龄期为t时的徐变系数,其终极值可按《公预规》表6.2.7条取用。2.4.6预加内力计算及钢束预应力损失汇总表2.9各截面钢束预应力损失平均值及有效预应力汇总表工作阶段应力损失计算截面预加应力阶段使用阶段钢束有效预应力(MPa)预应力阶段使用阶段跨中截面68.79120.362.9252.086.6214.6301.21236.0934.8L/4截面32.56120.362.9215.886.6214.6301.21272.2971.0支点截面2.73120.362.9185.986.6214.6301.21302.11000.92.5主梁截面强度验算34
预应力混凝土梁从预加力开始到受荷破坏,需经受预加应力、使用荷载作用、裂缝出现和破坏等四个受力阶段,为保证主梁受力可靠并予以控制,应对控制截面进行各个阶段的强度及应力验算。在以下两节中,先进行破坏阶段的界面强度验算,再分别验算使用阶段和施工阶段的界面应力。至于裂缝出现阶段,《公预规》根据公路简支梁标准设计的经验,对于全预应力梁在使用荷载作用下,只要截面不出现啦应力就不必进行抗裂性验算。2.5.1计算截面的确定由《公预规》第4.2.2条规定T形截面梁的翼缘有效宽度,应按下列规定采用,内梁的翼缘有效宽度取下列三者中的最小值:(主梁间距)从上述三个数值中取较小的值作为翼缘的有效宽度,因此。2.5.2截面受力类型判别故为第一类T型截面。2.5.3配筋计算由于主梁的受力钢筋全部由预应力钢束提供,对于普通钢筋只起构造作用,所以不用考虑其承载力,取普通钢筋18B12()。2.5.4截面强度验算在承载能力极限状态下,预应力混凝土梁沿着正截面和斜截面都有可能破坏,下面则验算这两类截面的强度。(1)正截面强度验算①求受压区高度略去构造钢筋的影响,由可求得所需混凝土受压区面积为34
说明轴位于翼缘板内。翼缘板受压区高度,则②验算正截面强度极限状态时,受拉区全部纵向钢筋合力作用位置按计算时,预应力筋合力点处混凝土应力为零的预应力钢筋有效应力为按计算时,,所以。由截面法向力的平衡得取,对受拉区全部纵筋合力点取矩,得梁正截面受弯承载力为34
故梁正截面受弯承载力满足要求。(1)斜截面强度验算①验算是否需要进行斜截面抗剪强度计算T形截面梁当进行斜截面抗剪强度计算时,其界面尺寸应符合《公预规》第5.2.10条规定,当满足条件时可不进行斜截面抗剪承载力的验算,仅需按《公预规》第9.3.13条构造要求配置箍筋。复核截面尺寸,,由规范规定不用进行斜截面抗剪承载力验算,只需按构造要求配置箍筋,取直径为A8@200mm。②斜截面抗弯强度验算在设计中,由于梁内预应力钢束根树沿梁跨没有变化,不需要进行该项强度验算。2.6主梁截面应力验算2.6.1短暂状况构件的应力验算桥梁构件的短暂状况,应计算其在制作、运输及安装等施工阶段混凝土截面边缘的法向应力。预加应力阶段指初始加力和主梁自重力共同作用的阶段,对简支梁,以跨中截面上、下缘混凝土法向应力控制。验算混凝土截面下缘的最大压应力和上缘的最大拉应力。根据《公预规》第7.2.8条规定,施工阶段正截面应力应符合下列要求:式中:,——与构件制作、运输、安装各施工阶段混凝土立方体抗压强度相应的抗压强度、抗拉强度标准值,本设计考虑混凝土强度达到C40时开始张拉预应力钢束,则,; 34
,——预加应力阶段混凝土梁跨中截面上、下缘的法向压应力、拉应力,按下式计算:上缘:下缘:其中:,;,,,代入上式得(拉)(压)预加力阶段混凝土的压应力满足应力限制值的要求;混凝土的拉应力通过规定的预拉区配筋率来防止出现裂缝,预拉区混凝土没有出现拉应力,故预拉区只需配置配筋率不小于0.2%的纵向钢筋即可。因此就法向应力而言,表明在主梁混凝土达到70%强度可以开始张拉钢束。2.6.2 持久状况预应力混凝土构件应力计算(1)正截面混凝土的压应力验算对于预应力混凝土简支梁的正应力,由于配设曲线筋束的关系,应取跨中、L/4、L/8、支点及钢束突然变化处(截断或弯出梁顶等)分别进行验算。应力计算的作用(或荷载)取标准值,汽车荷载计入冲击系数。在此仅以跨中截面为例,其他截面均可用同样方法计算。根据《公预规》第7.1.5条规定,受压区混凝土的最大压应力:未开裂构件允许开裂构件34
式中:——全预应力混凝土和A类预应力混凝土受弯构件,受拉区预应力钢筋扣除全部预应力损失后的有效预应力;——由预加力产生的混凝土法向拉应力,后张法构件按《公预规》公式(6.1.5-4)计算。将数据代入上述公式计算得使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面混凝土的压应力满足要求。(2)预应力钢筋的拉应力验算根据《公预规》第7.1.5条规定,受拉区预应力钢筋的最大拉应力应符合下列要求:未开裂构件允许开裂构件式中:——全预应力混凝土和A类预应力混凝土受弯构件,受拉区预应力钢筋扣除全部预应力损失后的有效预应力;——由预加力产生的混凝土法向拉应力,后张法构件按《公预规》公式(6.1.5-4)计算。预应力钢筋混凝土受弯构件受拉区的普通钢筋,其使用阶段的应力很小,可不必验算。(3)混凝土主压应力和主拉应力验算一般取变化点截面计算其上梗肋、形心轴、下梗肋处在标准值效应组合作用下的主压应力,应满足的要求。为荷载标准值效应组合作用下的主压应力,,式中:——34
在计算主应力点,由预加力和按作用(或荷载)短期效应组合计算的弯矩产生的混凝土法向应力;——由竖向预应力钢筋的预加力产生的混凝土竖向压应力;——在计算主应力点,由预应力弯起钢筋的预加力和按作用(或荷载)短期效应组合计算的剪力产生的混凝土剪应力;当计算截面作用有扭矩时,尚应计入由扭矩引起的剪应力;对后张预应力混凝土超静定结构,在计算剪应力时,尚宜考虑预加力引起的次剪力;——在计算主应力点,由扣除全部预应力损失后的纵向预加力产生的混凝土法向预压应力,按《公预规》公式(6.1.5-1)或(6.1.5-4)计算;——换算截面重心轴至计算主应力点的距离;——在同一截面上竖向预应力钢筋的肢数;、——竖向预应力钢筋、纵向预应力弯起钢筋扣除全部预应力损失后的有效预应力;——单肢竖向预应力钢筋的截面面积;——竖向预应力钢筋的间距;b——计算主应力点处构件腹板的宽度;——计算截面上同一弯起平面内预应力弯起钢筋的截面面积;、——计算主应力点以下(或以下)部分换算截面面积对换算截面重心轴、净截面面积对净截面重心轴的面积矩;——计算截面上预应力弯起钢筋的切线与构件纵轴线的夹角。3号钢束34
形心轴处1号钢束主压应力的计算结果表明,3号钢束的主压应力最大,为小于规范规定的限制值,说明预加力产生的混凝土主拉应力满足要求。2.7梁端锚固区的局部承压验算后张法预应力混凝土梁的端部,由于锚头集中力的作用,锚下混凝土将承受很大的局部应力,它可能使梁端产生纵向裂缝需进行局部承压验算。在设计时,除了在锚下设置的钢束垫板和钢筋网应符合《公预规》第9.4.634
条的构造要求外,还应验算其在预应力作用下的局部承压强度和梁端的抗裂计算。2.7.1局部承压强度验算对5束预应力钢束锚固点的分析,N1~2钢束的锚固端局部承压条件最不利,现对N2锚固端进行局部承压验算。为N1钢束梁端锚具及间接钢筋的构造布置图。根据《公预规》第5.7.1条规定,配置间接钢筋的混凝土构件,其局部受压区的截面尺寸应满足下列要求: 式中:——局部受压面积上的局部压力设计值,应取1.2倍张拉时的最大压力,本设计中,每束预应力筋的截面积为,张拉控制应力,则;——张拉锚固时混凝土轴心抗压强度设计值,当混凝土强度达到设计强度的90%时混凝土强度等级相当于0.9×C40=C35,查《公预规》表3.1.4可得;——混凝土局部承压修正系数,混凝土强度等级为C50及以下时,,本设计预应力张拉时混凝土强度等级为C35,故取1.0; ——混凝土局部承压强度提高系数; ——局部受压时的计算底面积,按《公预规》图5.7.1确定; ,——混凝土局部受压面积,当局部受压有孔洞时,为扣除孔洞后的面积,为不扣除孔洞的面积;对于具有喇叭管并与垫板连成整体的锚具,可取垫板面积扣除喇叭管尾端内孔面积。本设计采用的此类锚具,喇叭管尾端内孔直径为50mm,所以 ——局部受压计算底面积;局部受压面为边长为180mm的正方形,根据《公预规》图5.7.1所示,局部承压计算底面积为34
则: 则主梁局部受压区的截面积尺寸满足规范要求。2.7.2局部抗压承载力验算根据《公预规》第5.7.2条规定,配置间接钢筋的局部受压构件,其局部抗压承载力应按下列规定计算:式中:——配置间接钢筋时局部抗压承载力提高系数,当时,应取; ——间接钢筋影响系数,按《公预规》第5.3.2条取用,当混凝土强度等级在C50及以下时,取;——方格网或螺旋形间接钢筋内表面范围内的混凝土核心面积,其重心应与的重心重合,计算按同心、对称原则取值;可取局部受压计算底面积范围以内的间接钢筋所包罗的面积,这里配置螺旋钢筋得:;——间接钢筋体积配筋率;对于螺旋筋:;——单根螺旋形间接钢筋的截面面积;——螺旋形间接钢筋内表面范围内混凝土核心面积的直径;——螺旋形间接钢筋的层距。本设计采用的间接钢筋为HRB335的螺旋形钢筋,,直径12mm,间距s=50mm,螺旋筋钢筋中心直径200mm。则: C40混凝土34
。将上述各计算值代入局部抗压承载力计算公式,可得到: 则局部抗压承载力计算通过。2.8主梁变形计算根据主梁截面在使用阶段混凝土正应力验算结果,可知主梁属于部分预应力混凝土A类构件,即主梁在使用荷载作用下载面不开裂。2.8.1短期荷载作用下主梁挠度验算主梁计算跨径,40号混凝土的弹性模量,为简化计算,取梁处截面的换算截面惯性矩作为全梁的平均值来计算。由《公预规》第6.5.2条规定抗弯刚度计算如下:已知:;;满足要求。2.9行车道板内力计算2.9.1恒载产生的内力预应力混凝土肋梁桥的桥面板(也称行车道板),是直接承受车辆轮压的钢筋混凝土板,它的构造上与主梁梁肋和横隔梁连接在一起,既保证了梁的整体作用,又将活载传于主梁。以纵向1米宽的板条进行计算。34
C40号混凝土面层:=0.15×1.0×25=3.75T形翼缘板自重:合计:g==+=3.75+3.25=7每米宽板条的恒载内力:恒载弯矩:剪力:342.9.2荷载产生的内力按铰接板计算行车道板的有效宽度如图2.7所示。由<<桥规>>可知=0.2m,=0.6m。34桥面铺装厚度为15cm,则有:=+2H=0.2+2×0.15=0.50m=+2H=0.6+2×0.15=0.90m荷载对于悬臂板的有效分布宽度为:=+d+2=0.5+1.4+1.34=3.24m冲击系数采用1+=1.3,作用为每米宽板条上的弯矩为:作用于每米宽板条上的剪力为:图2.7 荷载有效分布宽度图示(cm)342.9.3内力组合承载能力极限状态内力组合:66
2.9.4截面设计、强度验算翼缘板的高度:h=130mm;翼缘板的宽度:b=1000mm;假设钢筋截面重心到截面受拉边缘距离=35mm,则=95mm。按<<公预规>>第5.2.2条规定:解得:x=0.01153m验算这时查有关板宽1m内钢筋截面与间距表,考虑一层钢筋为8根由规范查得可供使用的有8A12(),然后按照构造布置构造钢筋。按<<公预规>>第5.2.9条规定,矩形截面受弯构件的截面尺寸应符合下列要求,即:按<<公预规>>第5.2.10条规定: 故不需要进行斜截面抗剪承载力计算,仅按构造要求配置箍筋。根据<<公预规>>第9.2.5条规定,板内应设置垂直于主钢筋的分布钢筋,直径不应小于8mm,间距不应小于200mm。因此板内A8,间距为200mm的分布钢筋。承载力验算: 承载能力满足要求。2.10横梁内力的计算2.10.1横隔梁弯距和剪力计算66
(1)确定作用在中横隔梁上的计算荷载确定作用在中横隔梁上的计算荷载:对于跨中横隔梁的最不利荷载如图2.8所示。图2.8 跨中横隔梁的受载图示纵向一列轮重对中横隔梁的计算荷载为:汽车荷载(2)绘制中横隔梁的内力影响线在上面已经算得①号主梁和②号主梁的横向影响线竖坐标值为:;①绘制弯矩影响线P=1作用在①号梁轴上时:P=1作用在②号梁轴上时:P=1作用在③号梁轴上时:66
此三个竖标值和已知影响线折点位置(即所计算截面的位置),绘出影响线如图2.9c所示。②绘制剪力影响线对于①号主梁处截面的影响线计算如下。P=1作用在计算截面以右时:;P=1作用在计算截面以左时:;绘出影响线如图2.9所示。66
图2.9中横隔梁内力影响线(尺寸单位:cm)(3)截面内力计算将所求得的计算荷载在相应的影响线上按最不利荷载位置加载,对于汽车荷载并计入冲击影响力,则得到如下结果:公路-II级弯距==66
剪力承载能力极限状态内力组合(鉴于横隔梁的结构自重内力甚小,计算可略不计):基本组合2.10.2截面设计、强度验算(1)正弯矩配筋按《公预规》第5.2.2条规定,取=8,则。解方程,得到:,由于太小,则取。由公式:取4A10,。由配筋可知截面抗弯承载力满足要求。(2)负弯矩的配筋由于所受弯矩较小,则负弯矩配筋选用与正弯矩相同的钢筋,取4A10,。横梁正截面含筋率:均大于《公预规》第9.1.12条规定的受拉钢筋最小配筋率0.2%。2.10.3横梁的剪力计算与配筋考虑汽车组合系数,并取提高系数为1.40,则取用的剪力效应值为:66
按《公预规》第5.2.9~5.2.10条规定抗剪承载力验算要求:计算剪力效应,均满足条件,横梁不需要配置抗剪力钢筋,只需要按构造配筋,选取箍筋为双肢A8,。3下部结构设计3.1重力式桥墩设计资料66
桥梁上部结构为预应力混凝土简支T型梁桥。标准跨径,计算跨径。板式橡胶支座,桥面宽度3.5+2×0.5m,设计荷载为公路—Ⅱ级,无人群荷载。盖梁、防震挡块和桩基础均为30号钢筋混凝土,支座垫石为40号钢筋混凝土。3.1桥墩尺寸拟定初步拟定桥墩一般构造图如图SJ—7所示,其中桩的长度为15m,最低点的标高为185.28m。3.3桥墩盖梁计算3.3.1外力计算外力包括上部结构恒载支点反力、盖梁自重和活载。活载的布置要使各种效应组合为桥上最不利情况,求出支点最大反力作为盖梁的活载。(1)上部构造恒载由主梁计算可知:主梁和横隔梁的自重,栏杆、桥面铺装,那么主梁主梁、横隔梁、桥面铺装和栏杆等每延米重量为,每跨共重922.14kN,那么作用于一个桥墩所有支座上的反力共计:=922.14。(2)盖梁、垫石自重(3)车辆荷载桥梁结构的整体计算采用车道荷载,桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载,车辆荷载和车道荷载的作用不得叠加。四级公路上重型车辆少时,其桥涵设计所采用的公路—Ⅱ级车道荷载的效应可乘以0.8的折减系数,车辆荷载的效应可乘以0.7的折减系数。当集中荷载作用在盖梁中线时为最为不利(4)汽车冲击力66
(5)汽车制动力汽车制动力是汽车在桥上刹车时为克服其惯性力而在车轮与路面之间发生滑动摩擦力。由《桥规》第4.3.6条规定:一个设计车道上由汽车荷载产生的制动力按车道荷载在加载长度上计算的总重力的10%计算,公路—Ⅱ级汽车荷载的制动力不得小于90kN。取;制动力的方向就是行车方向,其着力点在支座底座面上。(6)风力由于风力对盖梁的影响非常小,可以忽略不计,故不考虑。(7)支座摩阻力相邻两孔跨径相等,由温度产生的支座摩阻力可相互抵消,故不考虑支座摩阻力影响。3.3.1内力计算公路桥桩柱式墩台的盖梁通常采用双悬臂式,计算时的控制截面选取支点和跨中截面。在计算支点负弯矩时,采用非对称布置荷载与恒载的反力;在计算跨中正弯矩时,采用对称布置活载与恒载反力。桥墩沿纵向的水平力以及当盖梁在沿桥纵向设置两排支座时,上部结构活载的偏心力对盖梁将产生扭矩,应予以计入。桥台的盖梁计算,一般可不考虑背墙与盖梁共同受力,此时背墙仅起挡土墙作用。必要时也可考虑背墙与盖梁的共同受力,盖梁按L形截面计算。桥台耳墙视为单悬臂固端梁,水平方向承受土压力及活载水平压力。由外力计算的荷载组合可知跨中弯矩:(1)双孔满载:(上部结构重力+盖梁重力+车辆荷载+冲击力+制动力)66
(2)单孔满载:(上部结构重力+盖梁重力+车辆荷载+冲击力+制动力)(3)配筋计算工程实践中常采用钢筋混凝土盖梁,其配筋验算方法与钢筋混凝土梁配筋类同,即根据弯矩包络图配置受弯钢筋,根据剪力包络图配置弯起钢筋和箍筋。在配筋时,还应计算各控制界面扭矩所需要的箍筋及纵向钢筋。当采用预应力混凝土盖梁时,预应力钢筋及普通钢筋的配置同预应力混凝土梁。盖梁计算跨径由《公预规》第8.2.3条规定取较小者,则;设,则盖梁截面有效高度;盖梁截面受压区高度;由《公预规》第8.2.4条规定盖梁内力臂选用9B25()。由《公预规》第8.2.5条规定钢筋混凝土盖梁的抗剪截面应符合下了要求:66
满足要求。由《公预规》第8.2.9条规定钢筋混凝土盖梁可不用进行挠度验算。3.3桥墩钻孔灌注桩的计算3.3.1荷载计算桥墩桩的外力有上部结构恒载反力、盖梁的重量以及桩的自重;活载按车辆荷载最不利位置布置进行计算,得到最不利荷载组合。桥墩的水平力有支座摩阻力合汽车制动力等。(1)上部构造恒载反力(2)盖梁自重(3)系梁自量(4)一根灌注桩自重每一根灌注桩底面的恒载垂直直力为:(5)可变荷载反力①两跨可变荷载反力: (公路—Ⅱ级)②单跨可变荷载反力: (公路—Ⅱ级)③制动力T=90kN,作用在支座中心。④纵向和横向风力:由于风力相对于桩的影响非常小,可不予考虑。(6)作用于地面处桩顶上的外力(双孔)(单孔)3.3.2单桩竖向承载力的确定66
按经验公式确定单桩承载力的方法是一种沿用多年的传统方法,广泛适用于各种桩型,尤其是预制桩积累的经验颇为丰富。由上述可知为大直径灌注桩,其侧阻及端阻要求考虑尺寸效应。由《公路桥涵地基和基础设计规范》第5.3.3条规定钻孔灌注桩的承载力容许值:式中:——单桩轴向受压承载力容许值(kN),桩身自重与置换土重的差值作为荷载考虑;——桩周长,考虑用旋转式钻机,成孔直径增大5cm,则 ;——与对应的各土层与桩侧的摩擦力标准值(),宜采用单桩摩擦力试验确定,查《基础设计规范》表5.3.3-1选用;——承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度(m),扩孔部分不计;——桩端截面面积(),则;——桩端土的承载力容许值(kPa),取2000kPa。对于混凝土护壁的大直径挖孔桩,计算单桩竖向承载力时,其设计桩径取护壁外直径。可知桩的轴向承载力满足要求。3.3.1桩的内力计算(m法)、截面配筋与承载力验算(1)桩的计算宽度(2)桩的水平变形系数=故按弹性桩计算。66
(3)地面以下深度处桩身截面的弯距与水平应力的计算已知作用于地面处桩顶的外力为:,,水平力很小,可以忽略不计,故;①桩身弯距 式中无纲量系数,可由表格查得,计算见表3.1所示。表3.1 桩身弯距计算(单位:)0.000.004.800.0001.0000.00762.12762.122.000.644.800.5540.9580.00730.11730.114.001.284.800.7670.7400.00537.33537.336.001.924.800.6440.4430.00321.67321.678.002.564.800.5060.2230.00161.92161.9210.003.204.800.1360.0510.0037.0337.0312.003.844.800.0160.0040.003.253.25②桩身水平压应力由于水平压应力对对桩身影响较小,可不用考虑,则取。(4)桩身截面配筋与承载力验算验算最大弯距在处。该处的内力值为:66桩内竖向钢筋按0.2%配置,则:选用20B14,,。66桩的换算面积:桩的换算截面模量为:66
为桩的计算长度,当时,取。根据《公预规》第5.3.9条和第5.3.10条相关规定:。偏心增大系数:则。根据《公预规》附录C相关表格,可得到相关系数。经试算,当时,从表中查得A=1.1735,B=0.6271,C=0.0000,D=1.9018。将,,,代入下式:则:钻孔灌注桩的截面受压承载力满足要求。3.3重力式桥台的设计资料上部构造预应力混凝土简支T型梁桥,标准跨径20.0m,桥面净宽:净3.5+2×0.5m。设计荷载汽车荷载公路—Ⅱ级,不考虑人群荷载。浆砌块石整体重力式U型桥台,填土高6.7m。建筑材料台帽和搭板为C30钢筋混凝土,容重;台身为M10砂浆砌片石(MU30石材),容重;基础为C15混凝土,埋置深度为1.0m,容重;垫石和抗震挡块为C40钢筋混凝土,容重;。其他数据地基土弹性抗力系数,后填土的内摩擦角,内聚力,容重;地基基本承载力,浆砌块石砌体抗压极限强度。尺寸拟定桥台布置及已知尺寸如图SJ—15所示。重力式桥台的计算包括桥台的截面强度验算、整体稳定性验算、基底应力和偏心距验算等。66
3.3桥台荷载计算桥台基础上部荷载包括基础上部的结构自重、土的重力和土侧压力等;活载按车道荷载最不利位置布置进行计算,得到最不利荷载组合。桥台的水平力有风力、支座摩阻力、汽车制动力、温度变化产生的水平力、填土对台身的压力的水平力等。(1)上部构造恒载反力(2)台帽和抗震挡块自重(3)垫石自量(4)台身自量(5)基础上部填土压力(6)搭板自重重力式桥台基础上部恒载为:(7)可变荷载①汽车荷载:②汽车制动力: ③支座摩阻力: ④温度产生的反力:由于温度变化不是太大,且变形系数非常小,可不考虑。⑤纵向和横向风力:由于风力相对于桩的影响非常小,也可不考虑。(8)作用于基础上部外力3.7桥台截面强度验算3.7.1选取验算截面选取桥台基础与桥台身截面突变处作为强度验算截面。66
3.7.2验算截面的内力计算按着各种荷载效应组合分别对各验算截面计算其竖向力、水平力和弯矩,得到、,并按下式计算各种组合的竖向力设计值:式中:——各种组合中最不利效应组合设计值;——结构的重要性系数,按《桥规》第4.1.6条取用;——荷载组合系数,按《桥规》第4.1.6条取用;——荷载分项系数,按《桥规》第4.1.6条取用;N——各种组合中按不同荷载算得的竖向力。3.7.3按轴心或偏心受压验算墩身各验算截面的强度验算强度时,可按下式计算:式中:A——验算截面的面积;——材料的抗压极限强度;——材料的安全系数,按《桥规》取用;——竖向力的偏心影响系数,由公式计算得。满足要求。3.8桥台的稳定验算3.8.1桥台整体稳定验算(1)抗倾稳定验算桥台的倾覆稳定验算可按下式进行:式中:——倾覆稳定安全系数;——稳定力矩,;66
——作用在桥台上的竖向力组合;——桥台基础底面重心至偏心方向外缘的距离,由图可知;——倾覆力矩,当车辆荷载布置在台后破坏棱体时产生的最大倾覆力矩,;——各竖向力到底面重心的距离;——各水平力到基础底面的力臂;——作用在桥台上的水平力;——抗倾覆稳定系数,由《桥规》取用1.3。满足要求。(2)抗滑稳定验算桥台的抗滑稳定验算,可按下式进行:式中:——基础底面与地基土之间的摩擦系数,根据《桥规》取为0.4;——抗滑稳定系数,按《桥规》取为1.3。满足要求。3.9桥台基底应力和偏心距验算3.9.1基底应力验算基底土的承载力一般按顺桥方向和横桥方向分别进行计算。当偏心荷载的合力作用在基底截面的核心半径以内时,应按下式验算基底应力:式中:N——作用在基底的合力的竖向分力;66
——作用于桥台的水平力和竖向力对基底重心轴的弯矩;A——基础底面积;W——基础底面的截面抵抗矩;——地基土修正后的容许承载力。均满足要求。3.9.2基底偏心距验算为了使恒载基底应力分布比较均匀,防止基底最大拉压应力与最小压应力相差过大,导致基底产生不均匀沉陷和影响桥墩的正常使用,在设计时,应对基底合力偏心距加以限制,在基础纵向和横向,其计算的荷载偏心距应满足规范要求,由《桥梁工程》表5—2—1可知。表中:式中:——桥台基础底面的核心半径;W——桥台基础底面的截面模量;A——桥台基础底面的面积;N——作用于基底的合力的竖向分力;——作用于桥台的水平力和竖向力对基底形心轴的弯矩。,参考文献:[1]GB/JTGD60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004.[2]GB/JTGD62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.66
[3]GB/JTGD63-2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京:人民交通出版社,2007.[4]赵明华.基础工程[M].北京:高等教育出版社,2003.[5]白宝玉.桥梁工程[M].北京:高等教育出版社,2005.[6]万德臣.路基路面工程[M].北京:高等教育出版社,2005.[7]赵树德.土力学[M].北京:高等教育出版社,2001.[8]朱伯钦.结构力学[M].上海:同济大学出版社,2004.[9]宁仁岐.土木工程施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.[10]范立础.预应力混凝土连续梁设计[M].北京:人民交通出版社,2000.[11]陈忠延.土木工程专业毕业设计指南[M].北京:中国水利水电出版社,2000.[12]林元培.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,2000.[13]沈蒲生.混凝土结构设计原理[M].北京:高等教育出版社,2005.[13]刘鸿文.简明材料力学[M].北京:高等教育出版社,2004.[14]张玉峰.工程结构CAD[M].武汉:武汉大学出版社,2004.[15]米永胜.公路施工组织与概预算[M].北京:机械工业出版社,2006.[16]苏小卒.土木工程专业英语[M].上海:同济大学出版社,2008.浅谈水泥混凝土路面纵向裂缝的防治1前言66
水泥混凝土路面的裂缝形式是多种多样的。有表面网裂、横向开裂、纵向开裂等。而对路面使用寿命影响最严重的当属纵向裂缝。这种裂缝一般出现在行车道的中部,一旦发生就是几块或几十块混凝土板连续开裂,而且裂缝贯穿整个板厚;裂缝的宽度也是随着时间的推移而不断的发展,由刚开始时零点几毫米、可发展到几毫米、几厘米,最宽的裂缝可达5cm以上。水泥混凝土路面纵向裂缝是比较严重的一种病害。裂缝在车轮荷载的作用下,随着时间的推移裂缝宽度不断加宽,同时裂缝边缘逐渐剥落破损,直至出现坑槽;由于这种裂缝是贯通板厚的,所以雨水会沿着裂缝下浸基层和路基,造成基础强度下降,最后导致整个路面的破坏。2产生纵向裂缝的原因水泥混凝土路面在运营过程中发生纵向开裂的原因是多方面的但是其主要原因是强度问题。2.1基础纵向裂缝而导致路面开裂路面的基础是路床。路床承受着路面所产生的恒载,同时还承受着由路面传来的行车荷载。基础强度不足,在荷载作用下,必然发生纵向开裂,如果路床发生纵向开裂,就会反射到路面上来。路床的基础可分为两类,一类是零填或挖方段,路床直接座落在天然土层上;另一种是填方路段,路床座落在路堤上。基础纵向开裂的因素比较多,但归纳起来可分以下几类。(1)填方路堤纵向开裂的主要原因是路基的填筑高度从原地面至路床顶面的距离大于80cm这类路基的路基压实度达不到设计或规范的要求。但有时也由于路基分幅填筑而纵向接缝处理不当,或分幅的厚度过大,在两幅之间开成了薄弱面。(2)半填半挖及旧路改建路基半填半挖及旧路改建的路在新建的路在新填的一侧与挖方七旧路基一侧的接茬处,如果处理不好,往往在此处出现纵向裂缝。尤其是挖方侧是硬土或是岩石,出现纵向裂缝的机率更大。(3)零填及挖方路基这类路基如果出现纵向开裂主要是基础处理不当或不彻底,基础强度达不到应有的承开能力。在过去和现行的有关规范和标准中,挖方和零填路段基础的处理只对上路床(路槽顶面以下0~30cm)做了要求,而对下路床(路槽顶面以下30~80cm)不做要求,天然状态即可。就普通土而言,天然状态下的土的干密度只有最大干密度的80%左右。其承载力比较低;稳定性聘书很差。所以在路面恒载和汽车动载的作用下,基础首先出现了纵向裂缝。66
2.2水泥混凝土路面板强度不足水泥混凝土路面板如果不能够有足够抵搞弯拉的能力,那么在汽车荷载的作用下,必然产生纵向开裂等破坏。水泥混凝土路面板强度低主要有两个方面的原因,一是混凝土强度达不到设计值;二是由于施工摊铺的原因而使混凝土板强度达不到设计值。(1)混凝土强度达不到设计要求导致混凝土自身的强度不足有两个方面的因素。一是原材料质量不合格。如水泥掉号,集料强度低或者不均匀,级配不合格,杂质含量超限等。二是在拌和时计量不准改变了混凝土的设计配合比。(2)施工摊铺的原因而使混凝土板强度达不到设计值到目前为止,国内的水泥混凝土路面摊铺工艺不当施工主要采用人工摊铺和机械摊铺两种方法。两种施工方法的本提上的差异是振捣工艺,而影响混凝土板强度的主要原因是摊铺中的振捣工艺。人工摊铺混凝土路面的振捣工艺通常是人工拿振捣插点式振捣;然后由人工拖平板振捣器横向振捣,最后由人工拖振动梁的表面振捣。用振捣棒插点式振捣和平板振捣器振捣,振捣的点位和振捣时间完全由人来控制,在施工的外界环境和操作手人为等因素的影响下,很难做到布点均匀,振捣时间适度。这样,水泥混凝土板就不可能过到均匀密实。众所周知,混凝土的密实程度直接影响其强度。在行车荷载的反复作用下,混凝土板在不密实处首先产生裂缝。一旦裂缝出现,则在裂缝的两端就会发生应力集中现象,所以,裂缝就很快向两端延伸加长,同时,缝宽也逐渐增加。最终导致混凝土板的破碎。3纵向裂缝的预防措施水泥混凝土路面纵向裂缝的预防必须从治本开始。前边已经对混凝土路面裂缝产生的主要原因进行了分析,那么预防裂缝的发生就必须针对其采取有效措施。3.1提高基础强度和整体(1)填方路堤在填方路堤施工时,必须按规范和设计要求分层填筑,分层碾压,压实度必须达到设计要求。另外在路基填筑时必须全幅填筑,不应分幅施工,人为地造成纵向工作缝而形成薄弱面。(2)零填及挖方路段在零填及挖方路段的基础处理时,如果路槽范围及路槽以下是普通土或松土时,处理深度不应仅限于上路槽,对于下路槽(路槽顶面以下30~80cm范围)也必须处理,其压实度应与上路槽相同。对于特重交通的公路,下处理的深度还应该加深。66
(3)半填半挖路段半填半挖及旧路加宽路基施工,心须认真处理填方部分与旧路基或原山坡的接茬,在山坡上或旧路基边坡上从填方坡脚向上挖成向内倾斜的台阶,台阶的宽度不应小于1.0m。填方路基的压实度应该相应地提高1~3个百分点。3.2机械摊铺混凝土路面施工采用水泥混凝土路摊铺机进行施工是提高混凝土板的均匀性、密性、保证其质量的最有利办法之一。就滑模式摊铺机而言,其混凝土振捣程序是先由振动棒振捣,然后再由振动梁振捣。振动棒是在摊铺宽度内等距离均匀布置,其振幅、频率和功率都是可调的,克服了人工摊铺不均匀的缺点。所以摊铺的混凝土板均匀、密实,无薄弱点或薄弱面。3.3强施工管理,保证混凝土质量加强施工管理是确保混凝土质量的重要途径之一。首先控制原材料的质量。各种原材料的各项技术指标都必须满足设计和有关规范要求。不合格的材料不用。其次是混凝土拌和时控制施工配合比,各种材料计量必须准确。最后是控制新拌混凝土从出机到人模的时间不能超过水泥的初凝时间;同时防止混凝土离析。4裂缝的处理水泥混凝土路面纵向裂缝的处理可采用局部处理和全部处理的办法。在处理之前,必须对裂缝产生的原因进行调查分析,确定是什么原因引起的,然后再确定用什么方法处理。4.1全部处理这种处理方法是将已开裂的混凝土板全部清除,保留横向连接钢筋。如果基层有破坏进行适当处理,然后重新浇筑与原路面等强度的混凝土板。如果是由于基础开裂而引起的路面开裂,则应在新浇混凝土板的全宽范围内加设单层或双层钢筋网,钢筋网的规格一般用A10的钢筋制成20*20cm间距即可。这种处理方法适用于各种原因引起的路面开裂。但采用这种方法处理,费用较大。4.2局部处理局部处理是在裂缝两侧各不少于50cm范围内凿一个槽,槽深为板厚的0.5~0.7倍,槽的两边必须整齐,应采用切缝机切割。槽底要清洗干净,在槽底铺设用A10mm钢筋绑扎的10*10cm的钢筋网,然后浇筑与原路面混凝土强度相等的小石子混凝土,保湿养生28天后开放交通。这种处理方法比较简单经济,但仅适用于路面由于自身强度不足而产生的裂缝。66
CementConcretePavementOnThePreventionOfVerticalCracks1PrefaceCementconcretepavementcracksavarietyofforms.Thereisprimafacienetcrack,horizontalcracks,verticalcracksandsoon.Lifeontheroadmostaffectedamongthelongitudinalcracks.Suchcracksareusuallythe66
centrallineofthelane,intheeventthatafewordozensofpiecesofconcreteslabforcracking,andcracksthroughoutthethickness;thewidthofcracksisalsowiththepassageoftimeandcontinuousdevelopment,fromthebeginningagainstafewmillimeters,canbedevelopedtoafewmillimeters,afewcentimeters,themostwidecracksuptomorethan5cm.Verticalcracksincementconcretepavementisamoreseriousdisease.Cracksinthewheelunderload,overtimeanever-wideningcrackwidth,whilegraduallyofftheedgecracksbrokenuntilpitthere;Asaresultofthiscrackisthroughthethickness,sotherainwillbealongthecrackundertheBaptistthegrassrootsandtheembankment,resultingindecreasedstrengthofthefoundation,andfinallyleadtothedestructionoftheentireroad.2HaveverticalcracksCementconcretepavementoccursduringtheoperationoftheverticalcracksaremanyreasonsbutthemainreasonisthequestionofintensity.2.1BasedonthelongitudinalsurfacecrackscausedbycrackingThebasisoftheroadistheroadbed.Road,theroadbedunderthedeadloadgenerated,butalsocameunderpressurefromstreettrafficload.Thebasisofstrengthintheload,theinevitableoccurrenceoflongitudinalcracking,iftheroad-bedverticalcrackingoccurred,itwillreflextotheroadup.Thebasisoftheroadbedcanbedividedintotwocategoriesiszerofillingorexcavationabovetheroadbedislocateddirectlyonthenaturalsoil;theotheristhefillsectionoftheroadbedislocatedontheembankment.Thebasisofthefactorsofverticalcracks,buttherecanbesummarizedinthefollowingcategories.(1)FillEmbankmentVerticalcrackingismainlyduetothehighembankmentoffillingfromthegroundtothetopsurfaceoftheroadbedisgreaterthan80cmawayfromtheroadbedsubgradecompactionofsuchdegreescannotdesignorspecificationrequirements.Butsometimesalsoincreaseasaresultofsub-roadbedfillingtheverticaljointsandhandledproperly,orthethicknessincreaseistoolarge,intheopeningbetweenthetwohasbecometheweak66
side.(2)Halffilledandhalf-dugintotheoldroadembankmentHalf-filledandtheoldroadahalf-dugintotheroadinthenewwaytofillonesideofthenewandtheoldroadbedexcavationsideofthesevenDepartment,ifhandledproperly,itoftenappearsintheverticalcrackshere.Inparticular,thesideexcavationishardsoilorrock,thereagreaterchanceofverticalcracks.(3)Zero-fillingandexcavationsubgradeIfthistypeofsubgradeverticalcrackisnothandledproperlyornotbasedonthorough,basedonthestrengthofthebidopeningshouldbelessthanthecapacity.Inthepastandtheexistingnormsandstandards,theexcavationandzero-filledsectionsofthebasisforthetreatmentofonlytheroad-bed(waybelowthetopsurfaceslot0~30cm)madearequest,andontheroadunderthebed(thewaytroughthefollowingtop30~80cm)donotrequirenaturalstatecanbe.Onordinarysoil,thenaturalstateofthedrydensityofthesoilmaximumdrydensityisonlyabout80%.Itsbearingcapacityisrelativelylow;thestabilityofpoorletterofappointment.Therefore,deadloadontheroadandtheroleofmotorvehiclesunderthedynamicload,basicfirstverticalcracks.2.2CementConcretePavementstrengthCementConcretePavementcannotbesufficientifthearrivaloftheabilitytoengageinbending,thentheroleofloadinthecar,theinevitabledestructionofproduce,suchaslongitudinalcracking.CementConcretePavementwithlowintensity,therearetwomajorreasons,onedegreelessthanconcreteTaiwandesignvalue;secondisduetothereasonsfortheconstructionofpavingconcreteslabslessthanthedesignvalueofstrength.(1)ConcretestrengthlessthanthedesignrequirementsLeadtolessthanthestrengthoftheconcreteitselfhastwoaspects.First,thequalityofrawmaterialsfailed.No.awaysuchascement,aggregatesoflowstrengthorunevengradingstandard,impuritycontent,suchastransfinite.Second,whenmixingtheconcretemeasuresarenotallowedtochangethe66
mixdesign.(2)TheconstructionofpavingconcreteslabslessthanthedesignvalueofstrengthSofar,domesticCementConcretePavementTechnologyimproperconstructionofthemainmanualandmechanicalpaverpavingmethods.Twoconstructionmethodsofthisdifferenceonthevibrationprocess,andimpactstrengthoftheconcreteslabismainlyduetothevibrationprocesspaver.Artificialsurfaceofthevibratedconcretepavingprocessisusuallyinsertedmanuallyusingvibratedvibratedpoint;andthenmanuallydragthehorizontalvibrationplatevibrationdevice,andfinallybytheartificialdragofthesurfacevibrationofbeamvibration.Interpolationpointswithrodsvibratedvibratedandtablet-styledevicevibrationvibration,vibrationandthevibrationofthepointoftimesolelybythepeopletocontroltheexternalenvironmentduringtheconstructionandman-madefactorssuchasoperatorundertheinfluence,itisdifficulttodopointstoevenmoderatevibrationtime.Inthisway,thecementconcreteslabcannotbetoodensetoeven.Asweallknow,thedegreeofcompactionofconcretedirectlyaffectsitsstrength.Repeatedintheroleoftrafficload,theconcreteslabdoesnotcrackthefirst-compactingDepartment.Oncethecracksappearedinthecracksoccuratthetwoendsofthephenomenonofstressconcentration,sothecracksquicklyextendedtotheendsoftheextensionatthesametime,graduallyincreasing.Eventuallyleadtobrokenconcreteslabs.3VerticalcracksinthepreventivemeasuresCementconcretepavementmustbethepreventionofverticalcracksstartedfromtheroot.Frontoftheconcretepavementhasbeenthemainreasonforcracksisanalyzed,thenthepreventionoftheoccurrenceofcracksontheneedtotakeeffectivemeasuresforits.3.1Thebasicstrengthandtheoverall(1)FillEmbankmentConstructionoftheembankmentfill,itisimportanttothedesignrequirementsinaccordancewithnormsandhierarchicalplacement,66
hierarchicalRCC,degreeofcompactionmustmeetthedesignrequirements.InadditionSubgrademustbefull-fillingshouldnotbeattheconstructionsite,theworkofartificialjointscausedbytheverticalplaneformedbytheweak.(2)Zero-fillandcutsectionsZerofillingandexcavationofthefoundationtreatmentsection,ifthescopeoftheroadandtheroadtroughtroughfollowingisageneralsoilorloosesoil,thedealwiththedepthofgrooveshouldnotbelimitedtotheroad,theroadforthenextslot(thewaytroughthetopofthescopeofthefollowing30~80cm)alsohavetodealwith,anditsdegreeofcompactionandtheroadshouldbethesameslot.Forspecialemphasisonroadtransport,thedepthofprocessingshouldalsobedeepened.(3)Ahalf-dughalf-filledsectionsAhalf-dughalf-filledandtheoldroadbedconstructionoftheroadwidening,shouldbeseriouslydealtwiththeheartfilledwiththeoldpartoftheslopeoftheroadbedorconjunctivephrase,intheslopesoftheoldroadbedslopeorfillslopefromdiggingupthestepsintoinwardtilt,stepwidthofnotlessthan1.0m.FillSubgradecompactiondegreesshouldbeincreased1to3percentagepoints.3.2ConstructionofconcretepavementpavermachineryUsingcementconcretepaverroadconstructionistoimprovethehomogeneityoftheconcreteslab,Micronesia,andtoensurethequalityofoneofthebest.Slidingmodeonthepaver,theconcreteisvibratedbythevibrationprogramvibrationbar,andthenvibratedbythevibratingbeam.Vibratorintheequidistantuniformwidthpaverlayout,anditsamplitude,frequencyandpowerareadjustabletoovercometheshortcomingsofartificialunevenpaving.Therefore,theconcreteslabpavinguniform,dense,noweakpoints,orweakside.3.3StrongconstructionmanagementtoensurethatconcretequalityStrengthentheconstructionmanagementistoensurethatthequalityoftheconcreteoneoftheimportantways.Firstofall,thequalitycontrolofrawmaterials.Avarietyoftechnicalindicatorsoftherawmaterialsmustmeetthe66
designandtherelevantregulatoryrequirements.Materialsdonotfail.Followedbytheconstructionofconcretemixingmixcontrol,avarietyofmaterialsmeasurementmustbeaccurate.Finally,thereisfreshconcretetocontrolthemachinefromonemodetotheperiodofnotmorethantheinitialsettingtimeofcement;Atthesametimetopreventconcretesegregation.4Todealwithcracks Verticalcracksincementconcretepavementmaybethedealwithalloflocalprocessingandhandlingmethods.Beforeprocessing,thecracksmustbegeneratedtoinvestigatethecauseanalysis,todeterminewhatcausesandthendeterminewhatapproachtouse.4.1AllprocessingThisapproachistocracktheconcreteslabhasbeenclearedofalltoretainthehorizontalconnectingbars.Ifthereisdamagetothegrass-rootslevelappropriatetodealwith,andthenre-pouredwiththeoriginalsurfaceoftheconcreteslab,suchasstrength.Ifthatisthebasisofcrackingduetotheroadsurfacecausedbycracking,itshouldbeinthenewfull-castconcreteslabaddedtoawiderangeofsingle-layerordouble-reinforced,reinforcedthegeneralspecificationsofthesteelusedΦ10madeto20*20cmspacing.Thismethodissuitableforavarietyofreasonsarisingfromtheroadsurfacecracking.Theuseofthisapproach,thecostofthelarger.4.2PartialtreatmentLocalprocessingisinthecracksonbothsidesoftherangeofnotlessthan50cmcuttingagroove,deepgroovethicknessof0.5~0.7timestheslotonbothsidesmustbeneat,shouldbecutcuttingmachine.Cleanbottom,layinginthebottomΦ10mmreinforcedwithbandingof10*10cmsteelnet,andthenpouredwiththesameintensityoftheoriginalconcretepavementpebblesconcrete,moisturetransportandopeninguphealthafter28days.Thismethodisrelativelysimpletodealwiththeeconomy,butonlyappliestotheroadasaresultoftheirownstrengthandhaveacrack.66
附录1桥梁设计总说明..................................................................S-12桥梁工程数量表..................................................................S-23桥型布置图.........................................................................S-340号、3号桥台一般构造图.......................................................S-466
5桥台台帽钢筋布置图............................................................S-56防震挡块钢筋布置图............................................................S-671号、2号桥墩一般构造图.......................................................S-78桥墩盖梁钢筋布置图............................................................S-89桥墩系梁钢筋布置图............................................................S-910桥墩钻孔灌注桩钢筋布置图.................................................S-101120mT梁一般构造图............................................................S-111220mT梁普通钢筋布置图(一)................................................S-121320mT梁普通钢筋布置图(二)................................................S-131420mT梁预应力钢束锚固图...................................................S-141520mT梁中横隔梁钢筋布置图................................................S-151620mT梁端横隔梁钢筋布置图................................................S-161720mT梁端部钢筋网布置图...................................................S-1718桥面连续构造图.................................................................S-1819桥面铺装钢筋构造图...........................................................S-1920伸缩缝构造图....................................................................S-2021防撞栏杆构造图.................................................................S-2122泄水管一般构造图..............................................................S-22230号、3号桥台锥坡构造图.....................................................S-23240号、3号桥台台背排水构造图...............................................S-2425桥台搭板钢筋构造图...........................................................S-2566
26总预算表.........................................................................01表27工料机数量汇总表.............................................................02表28建筑安装工程费计算表.......................................................03表29综合费率计算表................................................................04表30设备、工具、器具购置费汇总表..........................................05表31其他费用或回收金额计算表................................................06表32工料机单价汇总表.............................................................07表33分项工程预算表................................................................08表34材料预算单价计算表..........................................................09表35自采材料料场价格计算表...................................................10表36机械台班单价计算表..........................................................11表37辅助生产工料机单位数量表................................................12表66
致谢本次毕业设计历时两个多月,从开题报告、方案比选、计算书、CAD设计图纸绘制和工程预算,完成中英文摘要和外文翻译,现已接近尾声。作为一个本科生的毕业设计,由于缺乏经验,在确定各部分的尺寸和配筋时难免有许多考虑不周的地方,在设计期间对每一过程都得到指导老师曾永革老师和同组成员的悉心指导和帮助。在这里请接受我诚挚的谢意和忠心的感谢!感谢系里各位老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究,我相信这对我以后一定有很大的帮助;在此,我要向诸位老师深深地鞠上一躬,各位老师们,你们辛苦了,请多保重身体。在设计中,我遇到了许多棘手的问题,在曾老师和组内成员的细心指导和帮助下,使我顺利解决了这些问题,并使我学会了收集资料、查阅规范、搜索专业文献、分析工程实际问题、桥梁设计和施工技术等专业知识。曾老师平日里工作繁多,还要给学弟学妹们上课,但在我做毕业设计的每个阶段,从毕业实习到查阅规范和相关资料,桥型方案的比较和确定,上部和下部结构计算的设计和步骤,CAD图的绘制,工程预算的编制,计算书格式的调整等整个过程中都给予了我悉心的指导和帮助。我的设计比较复杂而烦琐,但是曾永革老师仍然不厌其烦的纠正计算书和图纸的错误。除了敬佩曾老师的专业水平外,他那治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样,教给我们的不仅有知识还有待人处世的态度,在此表示衷心的感谢,我也将牢记曾老师的每一句铭言,我相信这将对我以后的工作和学习产生很大的影响。在即将毕业之际,对在大学四年内,给予我教育和热心帮助的各位老师和同学,表示由衷的感谢,并祝愿你们身体健康、工作顺利、万事如意!此致敬礼66
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