南京理工大学泰州科技学院空心板梁桥计算书.doc
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1、本科毕业设计说明书(论文) 第 90 页 共 88 页1 绪论1.1 桥梁概述桥梁是人类在生活和生产中,为克服天然障碍而建造的一种功能性结构物,也是有史以来人类所建造的最古老而壮观的建筑工程,是一处景观,也是一个时代的特征。桥梁在交通线路中占有重要的地位,特别是在高等级公路、城市高架道路的修建中,往往是保证通车的重要一环。人类学会建造各式桥梁,最初得益于自然界的启发。从倒下的树干,学会建筑桥梁;攀爬藤蔓,学会建造索桥;从天然的石窝,学会建造拱桥;从浮在水面上的小船,学会建造浮桥。但由于历史的认识局限性,所以桥梁质量、跨径等方面一直得不到质的飞跃。自新中国成立后,随着新材料、新理论、新技术和新工
2、艺的不断涌现,使我国取得了空前的、举世瞩目的成就。在以后的桥梁建设中,我国需要提高自主创新理念、重视工程的整体质量、提高对桥梁美学的素养。1.2 桥梁设计原则(1) 结构尺寸和构造上的要求桥梁作为一个永久性的整体结构物,其整个结构及其各部分构件,在制造、施工和使用过程中应具备足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。桥梁的上述技术指标必须满足相应规范要求。强度要求是指桥梁的全部构件及其连接构造的材料抗力和承载能力具有足够的安全储备;刚度要求应使桥梁在荷载作用下的变形控制在容许范围之内;稳定性要求是要使桥梁结构在各种外力作用下,具有能保持原有的形状和位置的能力,例如;桥梁的墩台或桥台等整体不致倾覆或滑移
3、,受压构件不致引起压杆失稳等;在地震区的桥梁,应满足抵抗破坏力的影响。(2) 施工上的要求桥型方案的设计应同时考虑施工的方便和经济。应尽量可能采用先进的工艺、技术和施工机械,以利于加快施工速度,保证工程质量和施工安全。但在采用先进工艺时,应考虑其施工成本。(3) 使用上的要求桥梁的行车道和人行道宽度应保证车辆和人群的安全畅通要求,并满足将来交通量增长的需要。在设计时,桥面纵坡设计不要过大,否则车辆通过时不平顺。为防止桥面积水,排水设施必须完善。建成后的桥梁要保证设计使用年限100年,并便于日后的检查和维修。此外,桥型、跨度大小和桥下净空应满足泄洪、安全通航或通车等要求。(4) 经济上的要求桥梁
4、设计应全面充分考虑经济上的合理性。在设计中必须进行详细周密而详细的技术经济比较,最经济的选择方案是总造价和材料等消耗最少以及在运营阶段维护费用最低的方案。此外,桥梁设计的施工原则应该遵循因地制宜、就地取材,便于施工。选用合理的施工方法,这样才能显得更加经济。对于要尽快通车的桥,可以采用工期短的方案,以达到提前通车的目的,尽可能地产生更大的经济效益。(5) 环境保护和可持续发展桥梁的建设应保证环境相协调。桥梁设计在考虑环境保护的同时,还应贯彻科学发展观的要求,做到全面协调可持续。从桥址选择、桥梁分跨、基础选择、墩身外形,到施工组织设计都应充分考虑环境要求。必要时采取一定的控制措施,力争把不利影响
5、控制在最小范围内。同时,还需加快完善环境监测保护体系制度,做到及时监控。在桥梁施工完毕后,仍需进一步美化桥梁周边的景观,如桥头植被等恢复1。(6) 美学和景观上的要求现代的的桥梁对美学的要求越来越高。为达到这一目的,结构的布置应该简洁,并最大限度的遵循对称原则,桥型还要与周围的环境应协调。城市桥梁和游览地区的桥梁,可较多地考虑建筑艺术上的要求,如豪华的细部装饰。对于有特殊要求的桥梁,还应作景观设计,重要构造作艺术造型设计。对于高速公路、一级公路的桥梁应于桥梁周边环境进行美学创造和景观资源开发。1.3 桥梁设计主要内容第一部分是绪论,包括桥梁概述、桥梁设计原则和桥梁设计内容。第二部分是上部结构计
6、算,包括主梁尺寸拟定、内力计算、主筋布置、截面验算、主筋的布置及数量和主梁截面强度计算。第三部分是橡胶支座计算,包括支座尺寸拟定、确定厚度、验算偏转情况和抗滑性验算。第四部分是桥台计算,包括构造形式及截面尺寸的拟定、内力组合、承载力验算、基底荷载分析、基底合力偏心距验算、基底应力验算、抗倾覆稳定性验算、抗滑稳定性验算、基础沉降量计算。2 桥梁上部结构计算2.1 设计资料2.1.1 跨度和桥面宽度(1) 标准跨径: Lb=6.00m(墩中心距离);(2) 计算跨径:L=5.70m(支座中心距离);(3) 桥面净宽:净7.00m(行车道)21.00m(人行道)。2.1.2 技术标准(1) 设计荷载
7、:公路级,人群荷载3.0KN/m2,人行道板4.0 KN/m2,护栏、栏杆的作用力为1.0KN/m 。(2) 环境标准:类(3) 设计安全等级:二级2.1.3 主要材料(1) 混凝土:桥跨结构主要构件用C30,人行道、栏杆用C30,桥面铺装上层采用4cm的沥青混凝土,下层采用6cm的混凝土。刚性浅基础采用C15,重力式台身采用浆砌片石(石料强度不小于MU30,采用水泥砂浆强度等级为M7.5)2。混凝土重度按计算。其技术指标见表1所示。表1 混凝土技术指标表 (单位:MPa)强度类型强度等级fck(MPa)ftk(MPa)fcd(MPa)ftd(MPa)Ec(MPa)C2516.71.7811.
8、51.232.80104C3020.12.0113.81.393.00104(2) 钢筋:直径大于等于12mm的用HRB335钢筋,直径小于10mm的采用R235光圆钢筋3。其技术指标见表2所示。表2 普通钢筋技术指标表 (单位:MPa)钢筋种类fskfcdfsdEsR2352351951952.1105HRB3353352802802.01052.1.4 设计依据及参考书1 JTG C30-2003,公路工程水文勘测设计规范S. 北京:人民交通出版社,2003. 2 JTG B01-2003,公路工程技术标准S. 北京:人民交通出版社,2003.3 JTG D60-2004,公路桥涵设计通用
9、规范S. 北京:人民交通出版社,2004.4 公路桥涵通用图:装配式钢筋混凝土斜空心板桥上部构造(公路-级)M. 北京:人民交通出版社,2006.5 公路桥涵通用图:装配式钢筋混凝土斜空心板桥上部构造(公路-级)M. 北京:人民交通出版社,2006.6 JTJ041-2000,公路桥涵施工技术规范S. 北京:人民交通出版社,2000.7 JTG D502006,公路沥青路面设计规范S. 北京:人民交通出版社,2006. 8 白宝玉,桥梁工程M. 北京:高等教育出版社,2005.9 姚玲森,桥梁工程M. 北京:人民交通出版社,2010.10 JTG H11-2004,公路桥涵养护规范S. 北京:
10、人民交通出版社,2004. 11 JTGF80/1-2004,公路工程质量检验评定标准S. 北京:人民交通出版社,2004.12 JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S. 北京:人民交通出版社,2004.13 闫志刚,钢筋混凝土及预应力混凝土简支梁桥结构设计M. 北京:机械工业出版社,2009.14 叶见曙,结构设计原理M. 北京:人民交通出版社,2005.15 JTG D61-2005,公路圬工桥涵设计规范S. 北京:人民交通出版社,2005.16 高大钊,土质学与土力学M. 北京:人民交通出版社,2008.17 凌治平,基础工程M.北京:人民交通出版社,200
11、7.18 JTG D632007,公路桥涵地基与基础设计规范S. 北京:人民交通出版社,2007.2.2 构造形式及截面尺寸本桥为的钢筋混凝土简支板桥,横桥向由9块宽度为1.00m、高度为0.3m的空心板连接而成,板间2.25 cm的缝隙用于灌注砂浆。桥上横坡为双向1.5%,坡度由下部构造控制4-5。桥梁具体构造及尺寸见图1。图1 桥梁横断面一般构造图(单位:cm)图2 中板跨中断面一般构造图(单位:mm) 图3 边板跨中断面一般构造图(单位:mm)图4 铰缝连接示意图(单位:cm)2.3 空心板截面几何特性计算本设计结果偏于安全。因截面形式相同,所以以中板设计为例。2.3.1 预制板的截面几
12、何特性(1) 补上挖空部分以后得到的截面,其几何特性为面积 重心至截面上缘的距离 对截面上缘的面积矩 (2) 毛截面几何特性面积 对上缘面积矩 毛截面重心至梁顶的距离挖孔面积的惯性矩对毛截面形心惯性矩2.3.2 成桥阶段板梁的截面几何特性面积 面积矩 截面重心至梁顶的距离 惯性矩 空心板截面的抗扭刚度可简化为如图6示的箱形截面近似计算,抗扭刚度为图5 成桥阶段的梁板横截面(单位:mm)图6 抗扭惯性矩简化计算图(单位:mm)2.4 主梁内力计算2.4.1 永久作用效应计算(1) 空心板自重(一期结构自重) (2) 桥面系自重(二期结构自重) (a)本设计人行道和栏杆自重线密度:(b) 桥面铺装
13、上层采用 4cm厚沥青混凝土,下层为6cm厚C30混凝土6-7,则全桥宽铺装层每延米重力为为了计算方便,桥面系的重力可平均分配到各空心板上,则每块空心板分配到的每延米桥面系重力为(3) 铰接缝自重计算(二期结构自重) 其中,由上述计算得空心板每延米总重力为由此可计算出简支空心板永久作用效应,计算结果见表3。表3 简支空心板永久作用效应计算表作用种类作用(kN/m)计算跨径(m)作用效应-弯矩(M/kNm)作用效应-剪力(V/kN)跨中1/4跨支点1/4跨跨中GI6.30035.725.587119.190317.95598.97790GII3.57985.714.538510.90381.91
14、255.10120G9.88015.740.125630.094228.158314.079102.4.2 可变作用效应计算根据公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)规定公路级车道荷载的均布荷载标准值为计算弯矩时,计算剪力时,(1) 冲击系数和车道折减系数计算结构的冲击系数与结构的基频有关,故应先计算结构的基频8。简支梁桥的基频计算:由于,故可由下式计算出汽车荷载的冲击系数为当车道大于两车道时,应进行车道折减,但折减后不得小于用两车道布载的计算结果。桥面净宽为9.0m,桥面行车道宽7.0m,最多只能按两车道布载,故横向折减系数为。(2) 汽车荷载横向分布系数的计算空心板跨中和截面处的
15、荷载横向分布系数按铰接板法计算,支点处荷载横向分布系数按杠杆原理法计算,支至点之间截面的荷载横向分布系数按直线内插法求得9。(a) 跨中及处的荷载横向分布系数计算由前面计算得:代入得 在求得刚度参数后,即可依板块个数及所计算板号按值查得各板块轴线处的影响线坐标。由内插得到时,1号板至5号板在车道荷载作用下的荷载横向分布影响线值,内插计算见表4。由表4的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,求得两车道情况下的各板横向分布系数。各板的横向分布影响线及横向最不利布载见图7。由于桥梁横断面结构对称,故只需计算15号板的横向分布影响线坐标值。表4 横向分布影响线坐标值表作用位置板号123
16、456789合计10.1710.1530.1320.1150.1010.0910.0830.0780.076120.1530.1500.1360.1180.1040.0940.0860.0810.078130.1320.1360.1360.1260.1110.0990.0910.0860.083140.1140.1180.1260.1290.1210.1080.0990.0940.091150.1010.1040.1110.1210.1260.1210.1110.1040.1011按下列方式布载,可进行各板荷载横向分布系数计算,见见图7所示。计算公式如下:,计算结果见表5所示。表5 各板荷载横
17、向分布系数计算表板号1号板2号板3号板4号板5号板荷载种类汽车荷载人群荷载汽车荷载人群荷载汽车荷载人群荷载汽车荷载人群荷载汽车荷载人群荷载荷载横向分布系数0.1520.1690.1500.1530.1360.1320.1180.1150.1040.1020.1180.0760.1220.0790.1270.0840.1280.0910.1190.1010.1000.1030.1100.1190.1260.0840.0870.0920.1000.089m汽或m人0.2270.2450.2310.2320.2330.2160.2330.2060.1120.203由表5计算结果可以看出,3号板汽车荷
18、载横向分布系数最大。为设计和施工方便,各空心板设计成统一规格,按最不利组合进行设计,即选用3号板横向分布系数,则跨中和处的荷载横向分布系数取下列值:1号板2号板3号板4号板5号板图7 各板横向分部系数及最不利布载图(单位:cm)(b) 支点处荷载横向分布系数计算支点处的荷载横向分布系数按杠杆原理法计算,4号板的横向分布系数计算如下,见图8所示。两车道汽车荷载:人群荷载:图8 3号支点处的荷载横向分布系数计算图式(单位:cm)(c) 支点到截面处的荷载横向分布系数按直线内插法求得。空心板荷载横向分布系数汇总于表6中。表6 空心板的荷载横向分布系数作用种类跨中至处支点支点至处汽车荷载0.2330.
19、5直线内插人群荷载0.2160(d) 可变作用效应计算1) 车道荷载效应计算车道荷载引起的空心板跨中及处截面的效应(弯矩和剪力)时,均布荷载标准值应满足于使空心板产生最不利效应的同号影响线上,集中荷载标准值只作用于影响线中一个最大影响线峰值处,为此需绘制出跨中弯矩、跨中剪力、处截面弯矩及处截面剪力影响线图,如图9、图10所示。4图9 简支板跨中截面内力影响线及加载图式(单位:cm) 跨中截面弯矩: 其中,汽车荷载:不计冲击系数:计入冲击系数:剪力:其中,汽车荷载:不计冲击系数:计入冲击系数: 截面处弯矩:其中,Pk=136.8kNqk=7.875kN/m106.875463.125qk=7.8
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