简支T梁桥上部结构设计.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流简支T梁桥上部结构设计.精品文档. 密级： 学号：110206010517本科生毕业设计（论文）头道江桥简支T梁上部结构设计 学 院： 土木工程学院 专 业： 土木工程 班 级： 11本土木13班 学生姓名： 汪 俊 峰 指导老师： 彭明/李琪 完成日期： 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文（设计）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要混凝土简支T梁桥由于其具有构造简单、受力明确、施工方便等特点，是中小跨桥梁形式的首选方案。预应力混凝土T形梁是一种简支T形梁桥结构，具有构造简单，造价低廉，受力明确，便于施工，架设安装方便、跨越能力较大等优点，现在被越来越多的桥梁建设所采用。近年来，随着我国基础建设的迅猛发展，预制预应力混凝土T形梁桥在我国高速公路基础建设中得到了广泛应用。本次设计主要是进行一个桥梁的上部设计与验算，首先得进行方案的优选，通过不同方案对比来选择最优进行设计，在设计过程中的进行尺寸的一个拟定，通过拟定尺寸进行设计与内力计算，进行荷载组合；接着就进行钢束的配置与位置估算，计算钢束群的重心位置与长度，通过后张拉发进行钢束张拉；接着计算截面几何特性；计算各种预应力损失；通过以上计算进行主梁的验算，通过各种应力验算检测是否符合各种规范要求。关键词：预应力，简支T梁，应力验算，后张法AbstractConcrete beam bridge because of its simple structure, clear force, convenient construction, is the preferred structure of middle and small span bridges. Prestressed concrete T beam is a kind of simply supported T beam bridge structure, with simple structure, definite stress, the advantages of material saving, simple construction, erection convenient installation, strong span ability, is now used in bridge construction more and more. In recent years, with the rapid development of China's highway construction, precast prestressed concrete T beam bridge has been widely used in highway construction in china.This design is mainly the design and calculation of a bridge, the first scheme optimization, through different scheme compared to select the optimal design, a set of dimensions in the design process, according to the size of the design and calculation of internal force, the load combination; then the configuration of steel beam and position estimation, calculate the position of the center of gravity of steel beam and the length of group, after Zhang Lafa steel beam tension; then calculating geometric properties; calculation of prestress loss; calculation of beam through the above calculation, through various should force checking detection to comply with various requirements.Key words: Prestressed, simply supported T beam, post tensioning method, the stress checking calculation 目录第一章 引言11.1概述1第二章 主梁结构设计22.1 设计资料和结构布置22.1.1 原始数据资料22.1.2 设计的基本资料22.1.3 横截面的结构布置42.1.4 主梁横截面沿跨长的变化62.1.5 主梁横隔梁位置的布置72.2 主梁内力计算72.2.1 恒载计算72.2.2 活载计算102.2.3主梁荷载作用的效应组合202.3 预应力钢束的估算及其位置222.3.1 跨中截面钢束的估算222.3.2 预应力钢束布置222.4 计算主梁截面几何特性282.4.1 截面面积与惯性矩计算282.4.2 截面静矩计算302.5 钢束预应力损失计算352.5.1 预应力钢束与管道壁之间摩擦引起的预应力损失362.5.2 由锚具变形、钢束回缩引起的预应力损失362.5.3 混凝土弹性压缩引起的预应力损失372.5.4 钢束应力松弛引起的预应力损失392.5.5 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失402.5.6 预加力的计算及钢束的预应力损失汇总41第三章主梁验算423.1 主梁截面承载力和应力验算423.1.1 持久状态承载力极限状态承载力验算423.1.2 持久状态正常使用极限状态抗裂验算.463.1.3 短暂状况构件的应力验算533.1.4 持久状态构件的应力验算543.2 主梁端部的局部承压验算623.2.1 局部承压区的截面尺寸验算62 3.2.2 局部抗压承载力验算.623.3 主梁变形验算633.3.1 计算由预加力引起的跨中反拱度633.3.2 计算由荷载引起的跨中挠度663.3.3 结构刚度验算673.3.4 预拱度的设置67第四章 结论68参考文献69致谢70第1章 引言1.1 概述在做毕业设计的过程中，根据最新的桥梁设计规范，学校系统安排定稿，在导师的指导和同学的帮助下，本次设计圆满的完成了。通过这次设计，让我对桥梁有了更深刻的了解，对以后的工作会有更大的帮助。本设计运用了大学学到的基础理论知识，通过一个漫长的演算过程得出了自己的设计成果。虽然这次桥梁设计不是很一个真正的工程设计，但是就是一次这样毕业设计能够让我们了解到真正工程设计的一些步骤，让我们能提前感受以后工作的过程。本设计是进行一座桥梁主梁的设计与验算，在设计过程中通过对尺寸的拟定，根据拟定尺寸进行内力计算以及荷载组合得出梁上的受力情况；然后进行钢束的配置与位置估算，计算钢束群的重心位置与钢束的长度，采取后张拉法对钢束进行张拉；然后计算截面几何特性；计算各种预应力损失；最后对主梁截面承载力和应力验算，主梁端部的局部承压验算，主梁变形验算等，通过各种应力验算检测设计是否符合各种规范要求。还有施工图的绘制以及各结构配筋计算，编写计算说明书与论文。第2章 主梁结构设计2.1 设计资料和结构布置2.1.1 原始数据资料设计标准：1、 公路-级，人群3.5KN/; 2、桥面宽度：净-7.5+2*0.75m人行道；水文、地质条件：桥位附近河道基本顺直，河床稳定。河床土质由表至下为亚粘土和亚砂土。标准冻深2.2m，年降水量540mm。 气象资料：气候属中温带大陆性季风气候，四季分明，冬长夏短。1月平均气温-20.4，7月平均气温22.7，年平均气温3.1，标准冻深2.1.2 设计的基本资料1、桥梁的跨径桥梁的标准跨径：2x22m； 桥梁的计算跨径：2x21.88m；2、主梁的主要设计依据1）交通部颁公路桥涵设计通用规范（JTG D602004），简称桥规，交通部颁部的公路工程技术标准（JTG B012003），交通部颁部公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622004），简称公预规。2）预应力混凝土、普通钢筋混凝土、沥青混凝土重度分别按26KN/m、25KN/m、23KN/m计算，防撞栏杆的重量为7.5KN/m。3）公路2级，人群荷载3.5KN/。4）施工的工艺和施工的各种材料普通的钢筋：配置普通钢筋主要采用HRB335钢筋，小部分采用R235的钢筋。混凝土：主梁、翼缘板、横隔板、湿接缝均采用的是C50，桥面铺张使用的是C40。5）桥梁的各种计算的基本数据，详细见表2.1。表2.1 基本数据名称项目符号单位数据混凝土立方弹性模量轴心抗压标准强度轴心抗拉标准强度轴心抗压设计强度轴心抗拉设计强度5032.42.6522.41.83短暂状态容许压应力20.72容许拉应力1.757持久状态标准荷载组合：容许压应力16.2容许主压应力19.44短期效应组合：容许拉应力0容许主拉应力1.5915.2钢绞线标准强度弹性模量抗拉设计强度最大控制应力186012601395持久状态应力：标准荷载组合1209材料重度钢筋混凝土25沥青混凝土23钢绞线78.5钢束与混凝土的弹性模量比无量纲5.652.1.3 横截面的结构布置1、主梁的间距与布置的片数根据桥面宽度确定每片主梁的翼板宽度为1.8m,为了保证本设计的桥梁整体受力性能，需要设有一定的湿接缝，所以本桥梁设置了0.3m的现浇混凝土刚性接头。综上，本桥梁选用5片主梁，其中大毛截面为1800mm,小毛截面1500mm。如图2.1所示图2.1 结构的基本尺寸图(单位：mm)2、主梁的跨中截面尺寸的拟定1)主梁的高度确定根据工程技术人员的经验,主梁的高跨比一般在1/15到1/25之间，且通过增大梁高的方法可以节约钢束的用量，所以本设计主梁高度为1200mm。2)主梁跨中截面细部尺寸的拟定由于混凝土腹板的主拉应力相对较小，所以腹板厚度设计为120mm；因T形翼板的厚度要考虑受弯时的强度，所以设计为100mm，在翼板根部加厚到了200mm；马蹄尺寸高度为250mm,宽度为350mm，因为马蹄跟腹板交界处会产生局部应力，所以加了个三角过渡，高度设置为100mm。通过以上尺寸的拟定，可以得出主梁的跨中截面简图，如图2.2所示。3、跨中截面的几何特性计算如图2.2所示，把主梁跨中截面划分为5个部分，计算各个部分的几何特性，见表2.2截面几何特性表。图2.2 a主梁跨中尺寸图 b主梁支座尺寸图（单位：mm）表2.2 跨中截面的几何特征表名称面积分块形心至上缘距离分块面积对上缘静距=分块面积的自身惯矩 分块的面积对截面形心的惯性矩123= 1×2457=4+6大毛截面翼缘板1800590001500035.54422740772289077三角承托板30013.33339.9991666.66727.24222132223799主梁腹板108052.556700729000-11.956154382883382下三角9091.6678250.03500-51.123235221235721马蹄875107.59460345573-66.95639227183968291 4145168053.0297600270小毛截面翼缘板1500575001250038.31822024042214904三角承托版30013.33339.9991666.66729.985269730271397腹板108052.556700729000-9.18291054820054下三角9091.6678250.03500-48.349210386210886马蹄875107.59406345573-64.18236044133649986 3845166553.0297167227 毛截面的形心至主梁上缘距离：4、检验跨中的指标效率：核心距： 跨中指标效率： 则上述初拟的主梁跨中截面合理2.1.4 主梁横截面沿跨长的变化 主梁采用等高形式，即各截面的翼板厚度沿跨长不变，梁的端部因锚固而产生较大的局部应力，所以在距离梁的端部1980mm内把腹板加厚，厚度与马蹄相同且能满足锚具的要求，腹板厚度从四分点开始逐渐加厚。2.1.5 主梁横隔梁位置的布置为了防止主梁在荷载作用下的弯矩过大，所以在跨中、四分点和支点设置3道横隔梁，具体尺寸见图2.3。图2.3 T梁立面和平面图（单位：mm）2.2 主梁内力计算2.2.1 恒载计算1、永久作用一期的永久作用1）主梁跨中截面段自重（四分点至跨中，长4.75m）2）主梁马蹄提高段的自重（长3.55m) 主梁端部截面面积1.50.1+0.351.1+0.0114=0.5464m²3）主梁支点段的自重4）横隔梁自重跨中和四分点截面横隔梁的自重：中：0.12×（0.85×1.38-0.5×0.3×0.1×2-0.5×0.23×0.1）×25=3.39kN 边：端横隔梁的自重：中：边： 半跨内主梁与横隔梁的重力为：中：边： 5）预制梁永久作用：中：边：二期永久作用：1)现浇翼板2)现浇的横隔梁跨中和四分点自重：中： 边：端部自重：中：边：3)现浇部分集度： 中：边：三期恒载：1)铺装作用：80mm混凝土垫层：40mm沥青：将桥面铺装分摊给5片主梁：2)栏杆作用：每侧人行栏杆为1.52kN/m；每侧防撞栏杆为：4.99kN/m将两侧防撞栏分摊给5片主梁： 3) 三期的永久作用：2、恒载计算计算跨径=19m，恒载计算简图如图2.4所示图2.4 恒载计算简图由规范得出，主梁的弯矩及其剪力的计算公式为：主梁恒载计算如下表：表2.3 主梁恒载计算计算数据L=19m，L²=316m²项目跨中四分点支座中边中边中边a0.50.50.250.25001/2a(1-a)0.1250.1250.09380.0938001/2(1-2a)000.250.250.50.5一期M545.11520.29409.05390.4300V0057.3854.77114.76109.54二期M46.0339.7134.5429.8000V004.854.189.698.36三期M294.22294.22220.78220.7800V0030.9730.9761.9461.94M885.36854.22664.37641.0100V0093.2089.92186.39179.842.2.2 活载计算(1)汽车冲击的系数与车道折减系数 按桥梁规范规定，对于简支梁桥简支结构基频 式中：-结构的计算跨径，=19m； Ec-结构材料的弹性模量， I-结构跨中截面惯性矩，I=0.0760； -结构跨中处单位长度质量； 则 因为1.5HZ<6.85HZ<14HZ,所以可得出汽车荷载的冲击系数：按照桥梁规范第2.3.1条规定，对于双车道桥梁不考虑汽车荷载折减，所以对于本设计，车道折减系数为1.0。 主梁荷载横向分布系数计算1)跨中截面荷载的横向分布系数由于桥跨内设5道横隔梁，具有可靠的横向连接，且承重结构长宽比是 所以可以按修正刚性横梁法来绘制横向影响线和计算横向分布系数。计算主梁抗扭惯矩对T形简支梁截面，抗扭惯矩可近似按以下公式计算：式中：-分别为单个矩形截面的宽度与厚度； -矩形截面抗扭刚度系数， 若t/b<0.1,取1/3； m-梁截面划分为单个矩形截面的个数 对于跨中截面，翼缘板的换算平均厚度为： 马蹄的换算厚度为： 详细计算见表2.4,的计算简图见图2.5： 图2.5 的计算简图（单位：mm）表2.4 的计算分块的名称翼缘板18011.6 70.0651/39.536 腹板78.33120.1530.3014.074 马蹄35300.8570.16115.215总和28.825计算抗扭的修正系数其中：则得出的抗扭修正系数：。按修正刚性横梁法计算主梁横向影响线的竖向坐标值其中：计算得出的见表2.5：表2.5 值主粱号10.5720.3860.20.014-0.17220.3860.2930.20.1070.01430.20.20.20.20.240.0140.1070.20.2930.3865-0.1720.0140.20.3860.572图2.6 跨中的横向分布系数计算简图（单位：mm）计算各梁横向分布系数最不利荷载和梁的横向影响线见图2.6所示：1号梁： 汽车荷载 人群荷载 2号梁：汽车荷载人群荷载 3号梁： 汽车荷载 人群荷载 2)支点截面荷载横向分布系数如图2.7所示，按杠杆法原理绘制荷载横向影响线并进行分布 图2.7 支点横向分布系数的计算简图（单位：mm）3)可变作用下横向分布系数的汇总见表2.6：表2.6 可变作用横向分布系数梁号作用的类别1号梁人群0.6131.22公路级0.5140.3352号梁人群0.4070公路级0.4571.3053号梁人群0.20公路级0.41 (3)车道的荷载根据桥梁规范4.3.1条规定，公路级车道荷载是公路级车道荷载的0.75倍，所以，均布荷载的标准值为：集中力的荷载标准值为：计算弯矩时：计算剪力时：(4)计算可变作用效应计算截面的最大弯矩和最大剪力可采用直接加载法求得可变作用效应，计算公式为：式中：-汽车（人群）标准荷载的剪力或弯矩-车道均布荷载的标准值 -车道集中荷载的标准值 -影响线上的最大坐标值 -影响线中同一区的面积1)主梁跨中截面的最大弯矩与最大剪力计算简图见2.8:图2.8 跨中荷载作用效应计算简图1号梁:汽车标准作用:汽车冲击：人群作用： 2号梁：汽车标准作用:汽车冲击：人群作用：3号梁：汽车标准作用:汽车冲击：人群作用： 四分点可变作用的最大弯矩和最大剪力计算简图见图2.9：图2.9 四分点截面荷载作用效应计算简图1号梁:汽车标准作用:汽车冲击：人群作用：2号梁：汽车标准作用:汽车冲击：人群作用：3号梁：汽车标准作用:汽车冲击：人群作用：支点截面荷载作用的最大剪力计算简图见图2.10：图2.10 支座截面作用效应计算简图1号梁:汽车标准作用:汽车冲击：人群作用： 2号梁：汽车标准作用:汽车冲击：人群作用：3号梁：汽车标准作用:汽车冲击：人群作用：2.2.3主梁荷载作用的效应组合根据规范要求，在各种可能出现的作用效应选出了最不利的四种效应组合：承载能力极限状态基本组合、标准效应组合、正常使用长期效应组合以及正常使用短期效应组合。计算结果见表2.7。从表2.7可以看得出来：在各种作用效应的组合中，都是1号梁最大，所以在下面的截面配筋和应力验算部分，都采用1号梁的数据作为标准，其他梁都参照1号梁进行配筋，这样对整体都偏于安全。表2.7 主梁作用效应组合1号梁2号梁3号梁序号荷载类别跨中截面四分截面支点跨中截面四分截面支点跨中截面四分截面支点总永久作用854.220641.0189.92179.84885.360664.3793.20186.39885.360664.3793.20186.39可变作用（汽车）公路级609.5163.92455.80103.23116.99571.6858.40435.0793.35122.85496.1750.89376.6081.4882.42可变作用（汽车）冲击187.1219.62139.9331.6935.91175.5117.93133.5728.6637.71152.3315.62115.6225.0125.30可变作用人群103.295.4479.4511.7125.0658.093.0642.247.2310.0028.551.5020.763.554.92标准组合+1754.1488.981316.19236.55357.801690.6479.391279220.94356.951562.4168.011177.35203.24299.03承载能力基本组合1.2*+1.4*(+)2284.95124.571714.46313.19464.952189.82111.151657.73290.68462.452010.3095.211515.42265.90381.36正常使用短期组合+0.7*+1353.1648.551015.69170.38279.281326.2043.021001.11162.80266.101252.6636.67942.52152.72247.53正常使用长期组合+0.4*(+)1139.3427.74855.11135.90236.661137.2724.58856.79132.97239.531095.2520.96823.31127.21221.332.3 预应力钢束的估算及其位置2.3.1 跨中截面钢束的估算（1）正常使用状态下估算钢束数根据规范要求得出公式：式中：-持久状态使用荷载产生的跨中弯矩标准组合值1754.14KN·M C1-与荷载有关的经验系数，对于公路级取0.565 Ap-一股钢绞线（6s15.2）的面积， 一根钢绞线截面积是1.4cm²。 所以Ap=8.4cm² -预应力钢绞线标准强度1860MPa由前面计算可得成桥后跨中截面yz=79.456cm，ks=23.077.初步估算ap=15cm，则钢束偏心距为ep=yz-ap=79.456-15=64.456cm，则(2)按承载能力状态估算钢束数根据极限状态的应力计算图示，受压区混凝土在达到极限强度fcd时，应力图示呈矩形，此时预应力钢束也达到设计强度fpd，则钢束数的估算公式为：式中：Md-承载能力极限状态下跨中的最大弯矩 -经验系数，一般采用0.750.77，此设计取0.76 -预应力钢绞线的设计强度，为1260MPa h-梁高，为1.2m 计算得：综上两种极限状态和处于安全等各种考虑，n=3。2.3.2 预应力钢束布置（1）跨中与锚固端的钢束位置 1)本桥的钢束采用后张拉法，预埋的波纹管采用采用内径60mm，外径68mm根据规范规定，跨中的钢束布置见图2.11a)所示，可得出钢束群重心距离梁底距离为： 跨中 支点 图2.11 钢束布置图（单位：mm）2)为了方便张拉操作，将所有钢束都锚固在梁端。对于锚固端截面，钢束的布置通常考虑以下两个方面：一是预应力钢束重心尽可能靠近截面形心，使截面均匀受压，二是考虑锚具布置的可能性，以满足张拉操作的方便要求，按照上述锚头布置的“均匀”、“分散”原则，锚固端截面钢束群布置如图2.11b）：钢束群重心到梁底距离：为了核验上述布置的钢束群重心位置，需计算锚固端截面的几何特性，见表2.8；表2.8 钢束锚固端特征表大毛截面分块名称 123=1*24567=4+6翼板1800590001500040.222911767.122926767.12三角承托114.1512.061376.65241.4133.16125517.70125759.11腹板3850652502503882083.33-19.781506306.345388389.675764.15260626.658440915.90 小毛截面分块名称 123=1*24567=4+6翼板1500575001250042.422699184.62711684.6三角承托114.1512.061376.65241.4135.36142725.12142966.53腹板3850652502503882083.33-17.581189867.145071950.475464.15259126.657926601.6注： 综上，说明钢束群处于截面的核心范围内。(2) 钢束起弯角确定和线形确定 在确定钢束起弯角时，既要考虑由预应力钢束弯起会产生足够的预剪力，又要考虑所引起的摩擦预应力损失不宜过大。本设计预应力钢筋在跨中分两排，N3号钢筋弯起角度为6度，N1、N2钢筋弯起角度为12度。为了简化计算和施工，所有钢束布置的线形都为直线加圆弧形，并且在同一竖直面内。 本桥的锚固分上下两部分见图2.12,弯起角度N1,N2为12°，N3为6°。图2.12 封锚端混凝土尺寸图（单位：mm）各钢束锚固点到支座中心线水平距离： 钢束计算1)钢束起弯点至跨中的距离计算见表2.9，图2.13示出钢束计算简图表2.9 跨中至钢束起弯点的距离钢束起弯的高度N321.510.4511.0510099.4562017.12 210.85654.55N251.520.7930.7110097.81121405.34292.19571.62N181.520.7960.7110097.81122778.18577.62279.82图2.13 钢束计算简图为靠近锚固端的直线长度，可自行设计，y为钢束锚固点到钢束起弯点的竖直距离，可分别计算如下：2)各个截面的钢束群的重心位置 各钢束重心位置计算详见表2.10 当截面在曲线段时，计算公式为：当截面在锚固点的直线段时，计算公式为： 式中： -各钢束在计算截面处钢束中心至梁底的距离； -钢束起弯前至梁底的距离； R-钢束弯起半径； -圆弧段起弯点至计算点圆弧长对应的圆心角。计算钢束群重心到梁底距离，详见表2.10表2.10 各计算截面的钢束群位置与钢束群重心位置截面钢束号四分点N3未弯起2017.128.58.514.82N2未弯起1405.348.58.5N1195.182778.180.07030.997520.527.45支点直线段62.28N321.5614.851.568.528.44N251.51211.622.478.557.53N181.5125.251.1220.5100.88注:3）计算钢束长度一根钢束的长度等于曲线长度加上直线长度加上两端工作长度（2×70cm），其中钢束曲线长度可以按圆弧半径和弯起角度计算。计算结果如下表2.11：表2.11 钢束计算长度钢束钢束的弯起角度曲线的长度（）直线长度直线长度有效长度钢束预留 长度钢束长度12345678=6+7N32017.126211.23654.551001931.561402071.56N21405.3412294.33571.621001931.901402071.90N12778.1812581.86279.821001923.361402063.362.4 计算主梁截面几何特性2.4.1 截面面积与惯性矩计算(1) 净截面几何特性计算在预加应力阶段，只需要计算小毛截面的几何特性，计算公式为：截面积：截面惯性矩： 计算结果见表3.12。（2）换算截面几何特征计算在正常使用阶段需要计算大毛截面的几何特性计算公式：换算截面面积 换算截面惯性矩 式中 A、I分别是混凝土毛截面面积和惯性矩； 分别为一根管道截面积和钢束截面积； 分别为净