公路桥梁设计标准规范答疑问题讲评演示

公路桥梁设计规范答疑问题讲评2010年3月《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)答疑问题讲评1总则所提问题主要涉及耐久性设计问题将另列专题讲解3材料所提问题主要涉及新材料的应用参见《桥梁设计规学习与应用讲评》§3.4高强混凝土和中高强钢筋在桥梁结构中的应用（1）提高混凝土强度等级是结构工程的重大技术进步提高混凝土强度等级带来的直接效益是可以减小结构截面尺寸，减轻结构自重，提高结构承受外荷的承载力，特别是对于承受轴向压力为主的构件，效果更为明显。适当地提高混凝土的强度等级是提高混凝土结构耐久性的需要。在耐久性设计中，对混凝土强度等级的要求是由于其与混凝土的密实性有关，强度等级高的混凝土其密实性好，耐久性好。笔者建议，改变传统的设计习惯，适当提高设计时选取用的混凝土强度等级：对钢筋混凝土受弯构件采用C30~C35；钢筋混凝土受压构件采用C30~C40；预应力混凝土构件采用C40~C60。采用C50以上高强混凝土应参照《高强度混凝土结构技术规程》（CECS104-1999）执行。（2）中、高强钢筋的应用长期以来，我国钢筋混凝土结构的主导钢筋是强度为335Mpa的Ⅱ级钢筋，强度为235Mpa的I级钢筋大量用作辅助配筋，比国外低了一个强度等级。低强度带来的配筋率增加，不仅经济效益降低，还造成配筋密集难以设计、施工困难.20世纪90年代以来，我国冶金部门引进国外的技术和设备，开始按国际标准的要求生产新型钢筋.①利用我国的钒（V）资源优势，对热轧钢筋微合金化而生产出质高价低的HRB400热轧钢筋（新Ⅲ级钢筋）。其强度较HRB335钢筋（原Ⅱ级钢筋）提高了20%，且具有较高的延性和锚固性能及可焊性.②用于预应力混凝土结构的中、高强度低松弛钢丝、钢绞线也增加了许多新品种；性能优良的螺旋肋钢丝逐渐取代刻痕钢丝；二股、三股钢绞线使高效预应力构件小型化成为可能，强度等级也基本齐全.但是，所有这些质优价低的新钢筋品种推广速度太迟缓。特别是HRB400钢筋（新Ⅲ级钢），早在20世纪80年代已完成了产品研制及应用研究，20世纪90年代已经鉴定，但至今仍未能普遍推广，在桥梁结构中很少有人采用。究其原因除设计人员受传统设计习惯的影响外，与陈旧设计规范和所谓“标准图”设计的约束有直接的关系。《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002明确提出:在钢筋混凝土结构中推荐采用HRB400钢筋（新Ⅲ级钢）做为主导钢筋，HRB335（原Ⅱ级钢）做为辅助钢筋；在预应力混凝土结构中推荐采用高强度钢绞线做为主导钢筋.新修订的《桥规JTGD62》虽然没有明确提出钢筋混凝土结构以HRB400为主导钢筋的设计思想，但已将其作为钢筋混凝土结构主要用钢之一列入规范。我们相信，随着科研和工程实践的进展，HRB400钢筋在桥梁工程中的应用，必然会有更大的发展。4桥梁计算的一般规定带有普遍性的问题（137-138页）T形及箱形截面梁受压翼缘有效宽度的应用T形截面梁受压翼缘的有效宽度T形截面梁承受荷载产生弯曲变形时，在翼缘宽度方向纵向压应力的分布是不均匀的，离腹板越远压应力越小。在实际工程中，对现浇的T形梁有时翼缘很宽，考虑到远离腹板处翼缘的压应力很小，故在设计中把翼缘的工作宽度限制在一定范围内，一般称为翼缘的有效宽度bf，并假定在bf范围内压应力是均匀分布的。应该指出，上面给出的T形梁和箱梁的翼缘有效宽度，都是针对受弯工作状态得出，对于承受轴力的构件是不适用的。为此《桥规JTGD62》又进一步明确规定：①预应力混凝土梁在计算预加力引起的混凝土应力时，预加力作为轴向力产生的应力可按翼缘全宽计算；②由预加力偏心引起的弯矩产生的应力可按翼缘有效宽度计算。③对超静定结构进行作用（或荷载）效应分析时，梁的翼缘宽度可取全宽。5持久状况承载能力极限状态计算5.2受弯构件5.2.1-5.2.3受弯构件正截面抗弯承载力计算基本方程式及其适用条件预应力混凝土T形截面受弯构件正截面承载力计算图式预应力混凝土T形截面受弯构件正截面承载力计算图式正截面抗弯承载力计算的基本方程《桥规JTGD62》给出的适用于钢筋混凝土和预应力混凝土T形截面受弯构件正截面抗弯承载力的基本方程式为：1．中性轴位于翼缘内，即x≤h‘f，混凝土受压区为矩形，应按宽度为b‘f的矩形截面计算（图5.1-1.a）。此时，应满足下列条件：（5.1-1）正截面承载力计算公式，由内力平衡条件求得：由水平力平衡条件，即∑X=0得（5.1-2）由所有的力对受拉钢筋合力作用点取矩的平衡条件，即∑MZ=0得（5.1-3）由所有的力对受压区混凝土合力作用点取矩的平衡条件，即∑MD=0得（5.1-4）0sdspdpcdffsdspdppfAfAfbhfAfA0()cdfsdspdppsdspdpfbxfAfAfAfA'00000()()()2dcdfsdsspdppxMfbxhfAhafAha00()()()()2222dsdsspdppsdsspdpppxxxxMfAhafAhafAafAa应用上述公式时，截面受压区高度应符合下列条件：（5.1-5）当受压区配有纵向普通钢筋和预应力钢筋，且预应力钢筋受压[()为正]时，x≥2a'（5.1-6）当受压区仅配置纵向普通钢筋或配置普通钢筋和预应力钢筋，且预应力钢筋受拉[()为负]时，x≥2a‘s（5.1-7）2．中性轴位于腹板内，即，混凝土受压区为T形（图5.1-b）。此时，截面不符合公式（5.1-1）的条件，其正截面承载力计算公式，由内力平衡条件求得：由水平力平衡条件，即∑X=0得(5.1-8)由所有的力对受拉钢筋合力作用点取矩的平衡条件，即∑MZ=0得(5.1-9)应用上述公式时，应注意满足x≤ξbh0的限制条件。对于xh’f的情况，x≥2a'或x≥2a's的限制条件一般均能满足，故可不进行此项验算。0bxh0pdpf0pdpffxh0()()cdcdffsdspdppsdspdpfbxfbbhfAfAfAfA000()()()22fdcdcdffhxMfbxhfbbhh00()()()sdsspdpoppfAhafAha关于公式适用条件的说明(1)、最小配筋率的限制，规定了少筋梁和适筋梁的界限。《桥规JTGD62》规定，，矩形和T形截面受弯构件的最小配筋率限制可写为下列形式：ρ＝As/bh0≥ρmin＝0.45ftd/fsd，且不小于0.2%式中：b——矩形截面的梁宽，T形截面的腹板宽度；h0——截面的有效高度，即纵向受拉钢筋合力作用点至受压边缘的距离。《桥规JTGD62》规定，预应力混凝土受弯构件最小配筋率应满足下列条件：式中：——受弯构件正截面抗弯承载力设计值；——受弯构件正截面开裂弯矩。udMcrM1.0udcrMM(2）最大配筋率的限制，规定了超筋梁和适筋梁的界限。。钢筋混凝土及预应力混凝土受弯构件的最大配筋率的限制，一般是通过混凝土受压区高度来加以控制。x≤ξbh0式中：xb——相对于“界限破坏”时的混凝土受压区高度；ξb——相对界限受压高度，又称为混凝土受压区高度界限系数，bb？问题（148页问题1、150页问题4）：应力验算和承载力计算结果均滿足规范，但不滿足x≤ξbh0的要求，可否不考虑此项要求？应如何解决？x≤ξbh0的限制即为最大配筋率限制，不滿足此项要求为超筋设计，构件将发生脆性破坏，设计中不允许采用的。承载力计算是涉及结构安全的核心问题，必须滿足x≤ξbh0的限制条件。不滿足x≤ξbh0时，如何改进设计？①增加梁的高度梁的有效高度h0是影响梁的正截面工作性能的最主要因素。合理梁高的选择一般设计控制x≤0.7ξbh0，以此控制条件求得的梁高为合理梁高。参见《钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理》99页(截面设计,梁高选择)预应力混凝土梁的截面设计，通常是先按构造要求，参照已有设计资料及经验数据（高跨比h/L）确定梁的高度和截面尺寸，然后计算恒载内力，求得弯矩组合设计值，再根据受力要求调整梁的高度。。从前面给出均受弯构件正截面抗弯承载力计算基本方程公式（5.1-9）可以看出，对单筋T形截面而（令），若将式中的x以代入，即可求得一个以为未知数的二次方程。'0,'0spAA0h0h2000AhBhC(10.5)cdAfb''()cdffBfbbh''201()2dcdffCMfbbh为了保证梁的塑性破坏性质，混凝土受压区相对高度应小于相对界限受压高度，如果我们选取一个合适的值（梁高受限制时，选取较大值；梁高不受限制时，选取较小值），代入上述公式，求得系数A、B、C,,解二次方程，即可求得梁的有效高度。梁的实际高度为（式中为受拉区预应力钢筋和普通钢筋的合力作用点至截面受拉边缘的距离）。若求得的梁高与假设梁高相差较大，应重新计算恒载内力，根据调整后的内力，再对梁高做适当的修改。b0h0hha不滿足x≤ξbh0的要求，应如何解决？②增加受压腹板(梁肋)宽度.连续梁支点附近截面下缘受压,由于受压区宽度較小,导致受压区高度过大,可能出现不滿足x≤ξbh0的情况.为此,应适当加大连续梁支点附近截面的腹板(梁肋)宽度.③增加受压钢筋,构成双筋截面,减小混凝土受压区高度.④提高混凝土设计强度等级,减小混凝土受压区高度。(3)双筋截面受压钢筋应变的限制《桥规JTGD62》在计算双筋截面时，引入了混凝土受压区高度最小值的限制条件（或）这条限制的实质是对极限状态下受压钢筋应变的限制，其目的是为了保证在极限状态下受压钢筋应力能达到其抗压强度设计值。普通钢筋和预应力钢筋的抗压强度设计值，是以受压区混凝土达到极限破坏时，受压钢筋的应变（或）=0.002为取值条件确定的。若（或），表明受压钢筋离截面中性轴太近，梁破坏时受压钢筋的应变不能充分发挥，其应力达不到抗拉强度设计值。'2xa'2sxasp'2xa'2sxa《桥规JTGD62》规定，对于（或）的情况，构件的正截面抗弯承载力可由下列近似公式求得：①当受压区配有纵向普通钢筋和预应力钢筋，且预应力钢受压时[（）为正]，（5.2-10）②当受压区仅配有纵向普通钢筋或配有普通钢筋和预应力钢筋，且预应力钢筋受拉时[（）为负]，（5.2-11）近似公式（5.2-10）是由对受压区普通钢筋和预应力钢筋合力作用取矩的平衡条件求得的,（5.2-11）是由对受压区普通钢筋合力作用取矩的平衡条件求得的，计算时均忽略了混凝土受压区的影响.2x''''00()()()()sdpdppssdssspdpppsMfAhaafAhaafAhaa，，2sx''0pdp''0pdp0()()dpdppsdssMfAhaafAhaa，，问题(152页)规范公式5.2.5-1(即本文公式5.2-10)与《钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理》公式的符号不同(a‘还是a‘s),到底那个对,为什么?前以指出:如果不滿足混凝土受压区高度最小值的限制条件(),表明受压钢筋离截面中性轴太近，梁破坏时受压钢筋的应变不能充分发挥，其应力达不到抗拉强度设计值。换句话说,精确确定极限状态下受压普通钢筋和预应力钢筋的实际应力是很麻烦的.受压普通钢筋和预应力钢筋合力作用点至边缘的距离a‘也无法精确确定.在这种情况下精确地区分()的正或负也是不可能的.'2xa''0pdp笔者建议,对于的情况(可以不用区分的正或负),其正截面抗弯承载力可采用下式近似公式计算:上式是由对受压普通钢筋合力作用点取矩的平衡条件求得的近似公式,公式中忽略了受压区混凝土和受压区预应力筋的作用,因为这两项合力对受压普通钢筋合力作用点的距离(即力臂)很小,对正截面抗弯承载力的影响是微不足到的.