预应力混凝土空心板桥设计

山东农业大学毕业设计题目：预应力混凝土空心板设计学院专业班级届次学生姓名学号指导教师年月日预应力混凝土空心板桥设计一.设计资料1简介为满足人们通行需要，为适应现代高速发展的交通行业，现拟在山东省德州市坊子镇与三唐乡之间的高速公路处修建一座桥，经考察决定修建一座预应力混凝土空心板桥。2技术标准与设计规范（1）《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）（2）《公路桥涵通用规范》（JTGD60-2004）（3）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）（4）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）（5）《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）3跨度和桥面宽度（1）标准跨径lk是16米（墩中心距）。（2）计算跨径l是15.56米。（3）主梁全长是15.96米。（4）桥面宽度是净13+2×0.5米（防撞护栏）。采用的是混凝土防撞护栏，混凝土防撞护栏的线荷载为7.5KN/m4技术标准设计荷载是公路——I级环境标准是I类环境即室内正常环境.设计安全等级是二级，其重要性系数为1.0.5主要材料（1）混凝土空心板采用C50混凝土，铰缝采用C40混凝土；桥面铺装采用C30沥青混凝土和C40防水混凝土。其质量要求应符合《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）的有关规定。（2）钢筋是预应力钢筋采用高强度低松弛7丝捻制的预应力钢绞线，公称直径为15.20mm，公称面积140mm2，其性能参数符合《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）规定，其标准强度fpk=1860MPa，其设计强度fpd=1260MPa，其弹性模量Ep=1.95×105MPa，1000小时后应力松弛率不大于2.5%。二．设计要点1.结构设计（1）本空心板按部分预应力按混凝土正截面混凝土的拉应力不超过规定限值即A类结构设计。（2）桥面板横坡为2%单向横坡，各板均斜置，横坡由下部结构调整。（3）空心板断面是空心板高度1m，宽度1.24m，各板之间留有0.01m的缝隙。（4）桥面铺装是上层为0.1m的C30沥青混凝土，下层为0.12m的C40防水混凝土，两者之间加设SBS防水层。（5）施工工艺是预制预应力空心板采用先张法施工工艺。先张法是先张拉钢筋后浇注混凝土.其主要张拉程序为:在台座上按设计要求将钢筋张拉到控制应力→用锚具临时固定→浇注混凝土→待混凝土达到设计强度75%以上切断放松钢筋.其传力途径是依靠钢筋与混凝土的粘结力阻止钢筋的弹性回弹,使截面混凝土获得预压应力。2.设计参数（1）相对湿度为80%。（2）体系整体均匀升温为25℃，均匀降温25℃。（3）C50混凝土的材料特性是混凝土轴心抗压强度标准值是32.4MPa，混凝土轴心抗压强度设计值是22.4MPa,轴心抗拉强度标准值是2.65MPa，混凝土轴心抗拉强度设计值是1.83MPa。C40混凝土的材料特性是抗压强度标准值fck=26.8MPa，抗压强度设计值fcd=18.4MPa，抗拉强度设计值ftd=1.65MPa。C40混凝土弹性模量为Ec=3.25*104MPa。（4）沥青混凝土重度按23KN/m3计，预应力混凝土结构重度按26KN/m3计。三．空心板截面几何特性计算1.截面面积空心板截面面积为A={124×100-76×70+4×0.5×10×10-2×【（3+7）×15/2+1/2×7×7】}cm2=7044cm22.截面重心位置全截面对1/2板高处静距为S½h=2×【0.5×7×8×（50-15-7/3）+15×3×（50-15/2）+0.5×4×15×（50-2/3×15）】cm3=8054.333cm3较缝的面积为A铰=2×（0.5×7×8+15×3+0.5×4×15）cm2=206cm2那么毛截面重心离1/2板高的距离为d=S1/2h/A=8054.333/7044cm=1.14cm（即毛截面重心离板上缘距离为51.14cm）铰缝重心对1/2板高的距离为d=S1/2h/A=8054.333/206=39.099cm3.空心板毛截面对其重心轴的惯性矩计算边长为10cm的等腰直角三角形对其自身重心轴的惯性矩为I1=277.78cm4。较缝对自身重心轴的惯性矩为是I2=2×2838.91cm4=5677.82cm4空心板毛截面对其重心轴的惯性矩为I=｛124×1003/15+124×100×1.142-（76×703/15+76×70×1.142）+4×277.78+2×50×【（35-10/3+1.14）2+（35-10/3-1.14）2】-206×（39.099+1.14）2-2×2838.91｝cm4=6.400×106cm4抗扭刚度It=4b2h2/（2h/t1+2b/t2）=4×（124-24）2×（100-15）2/【2×（100-15）/15+2×（124-24）/24】cm4=1.469×107cm4四.作用效应计算1.永久作用效应计算（1）空心板自重G1G1=7044×10-4×26KN/m=18.314KN/m（3）桥面系自重G2是由于是高速公路。没有人行道及栏杆，只有防撞护栏，本设计采用混凝土防撞护栏，按单侧7.5KN/m线荷载计算。桥面铺装上层为10cm厚C30沥青混凝土，下层为12cm厚C40防水混凝土，那么全桥宽铺装层每延长米重力为（0.1×23+0.12×25）×13KN/m=68.9ＫＮ/ｍ上述自重效应是在各空心板形成整体后再加至桥上的，由于桥梁横向弯曲变形，各板分配到的自重效应是不相同的，近似按各板平均分配桥面铺装重量来方便计算，那么每块空心板分配到的每延长米桥面系自重力为g２＝（７.５×２+６８.９）/１１ＫＮ/ｍ＝７.６２７ＫＮ/ｍ（4）铰缝自重计算（二期结构自重）G3g3=（206+1×100）×10-4×25KN/m=0.765KN/m由上述计算得空心板每延长米总重力为GI=18.314KN/m（一期结构自重）GII=g2+g3=（7.627+0.765）=8.392KN/m（二期结构自重）G=GI+GII=（18.314+8.392）=26.706KN/m设x为计算截面离支座的距离，令a=x/l，那么主梁弯矩和剪力计算公式为Mg=1/2a（1-a）l2giQg=1/2（1-2a）lgi由此可计算出简支空心板永久作用效应，计算结果如下作用种类作用集度/（KN/m）计算跨径/m作用效应-弯矩M/KN·m作用效应-剪力V/KN跨中1/4跨支点1/4跨跨中GI18.31415.56554.2６415.6９142.4８71.2４0GII8.39215.56253.9８190.4865.2９32.6４0G26.70615.5680８.２４606.1７207.7７103.8８02.可变作用效应计算公路-Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为qk和集中荷载标准值Pk为qk=10.5ＫＮ/ｍ计算弯矩时Ｐｋ＝【（360-180）/（50-5）×（15.56-5）+180】KN＝２２２.２４ＫＮ计算剪力时Pk=222.24×1.2KN=266.69ＫＮ（计算剪力效应时，按《公路桥涵设计通用规范》(TGD60—2004)计算的集中荷载标准值几应乘以1.2的系数）（１）冲击系数和车道折减系数计算是（1+μ）——冲击系数，于《桥梁工程》P111可知对于行车道板而言，（1+μ）通常为1.3。当车道大于两车道时，应进行车道折减，四车道折减33%，但折减后得小于用两车道汽车荷载布载的计算结果。为简化计算，仅按两车道和四车道布载，分别进行计算，取最不利情况进行设计。（２）汽车荷载横向分布系数是空心板跨中和l/4处的荷载横向分布系数按铰接板法计算，支点按杠杆原理计算，支点至l/4之间截面的荷载横向分布系数通过直线内插得。1）跨中及l/4处的荷载横向分布系数计算空心板的刚度参数γ=5.8I/It（b/l）2将I=6.400×106cm4，It=1.469×107cm4单板宽b=124cm，计算跨度l=1556cm代入上式γ=5.8×6.400×106/1.469×107×（124/1556）2=0.01604查表由γ=0.01~γ=0.02内插得到γ=0.01604时1~6号板在车道荷载作用下荷载横向分布影响线值，内插结果见下表。由下表数据画出各板的横向分布影响线，并按横向最不利位置布载，求得两车道及四车道两种情况下的各板横向分布系数。由于桥梁横断面结构对称，所以只需计算1~6号板的横向分布影响线坐标值。板1234567891011号10.2120.1770.1380.1080.0850.0690.0550.0460.0420.0350.03320.1770.1730.1470.1150.0910.0730.0590.0490.0420.0370.03530.1380.1470.1500.1300.1020.0820.0660.0550.0470.0420.03940.1080.1150.1300.1370.1210.0960.0770.0640.0550.0490.04650.0850.0910.1020.1210.1310.1160.0940.0770.0660.0590.05560.0690.0730.0820.0960.1160.1290.1160.0960.0820.0730.069m4汽车荷载=1/2∑ηi汽车荷载m2汽车荷载=1/2∑ηi汽车荷载计算得各板的横向分布系数。板号1号板2号板3号荷载四车道汽车荷载两车道汽车荷载四车道汽车荷载两车道汽车荷载四车道汽车荷载两车道汽车荷载荷载横向0.20810.20810.17730.17730.13910.13910.15430.15430.15840.15840.14930.14930.11940.11940.12710.12710.13720.13720.08420.08430.08930.08930.10030.1003分布系数0.06740.07110.07910.05030.05230.05930.04310.04450.04920.03510.03710.0413m汽车荷载0.38030.28230.37810.2750.37810.2634板号4号板5号板6号荷载四车道汽车荷载两车道汽车荷载四车道汽车荷载两车道汽车荷载四车道汽车荷载两车道汽车荷载荷载横向分布系数0.10910.11210.08610.09710.06920.08900.12410.12920.09800.12000.07830.11500.13530.13700.11430.13100.09110.12910.11910.11020.12910.10610.11830.1070.09300.11320.12710.06910.08410.10430.05820.07010.08710.04830.05810.0723m汽车荷载0.37800.24440.37630.22720.37300.2201从上可得出结论，四车道和两车道布载时，都是1号板的横向分布系数最不利，因此取跨中和l/4处的荷载横向分布系数值是m4汽车荷载=0.380m2汽车荷载=0.282。支点处荷载横向分布系数计算是m2汽=m4汽=0.878/2=0.439（杠杆原理法）（３）车道荷载效应计算是计算车道荷载引起空心板跨中及l/4处截面的效应时，均布荷载标准值qk应满布在空心板产生最不利效应的同号影响线上，集中荷载标准值Pk只作用于影响线峰指处。跨中截面弯矩是Ｍ汽车不计冲击时＝ξm（qkωk+Pkyk）Ｍ汽车计冲击时＝（1+μ）ξm（qkωk+Pkyk）两车道布载是Ｍ汽车不计冲击时=1×0.282×（10.5×30.26+222.24×3.89）=333.39KN·mM汽车计冲击时=1.3×333.39=433.41KN·m四车道布载是M汽车不计冲击=0.67×0.38×（10.5×30.26+222.24×3.89）=301.00KN·mM汽车计冲击时=1.3×301=391.30KN·m剪力V汽车不计冲击时=ξm（qkωk+P