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桥梁专业毕业设计指导书.doc

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- 1 -桥梁专业毕业设计指导书第一部分一、 概述一座大桥工程的设计工作,应包括桥梁规划设计(包括可行性方案设计)、初步设计(又称方案设计)和编制施工图三个阶段。桥梁的规划设计包括有:1 野外勘测与调查研究工作 ,即调查桥梁交通流量及其发展等;选择桥位;测量桥位附近的地形;钻探调查桥位的地质情况;调查和测量河流的水文情况;其它与建桥有关的情况,如建筑材料等。2 桥梁的纵、横断面设计和平面设计 。桥梁纵断面设计包括纵断面设计包括桥梁总跨径的确定,桥梁的分孔、桥面标高与桥下净空,桥上或桥头纵坡等。桥梁的总跨径一般根据水文计算确定。桥梁的分孔也与通航要求、地形和地质情况、水文情况及技术经济和美观要求确定。桥梁的分孔关系到桥梁的造价,一般来讲,跨径大,孔数少,上部结构的造价就愈大,而墩台造价就愈小。反之也然。因而最经济的跨径是使桥梁上、下部结构总造价最低,当桥墩较高或地质不良,基础工程复杂而造价就高,此时跨径可选取大一些,反之,当桥墩较矮或地基较好时,跨径可选得小一些。另外,桥梁分孔还与通航、水文、结构体系、施工能力等等有关。桥梁横断面设计,桥梁的宽度取决于桥上交通需要,我国《公路桥涵设计通用规范 JTG D60-2004》3.3.1 条规定了公路桥面净空限界及桥面布置的尺寸。规范还提出了在高速公路、一级公路上,一般以建上、下行两座独立桥梁为宜。在弯道上的桥梁应适当加宽;桥上人行道和自行车道的设置,应根据需要而定,人行道宽度取 0.75m 或 1.0m,大于 1.0m 可按0.5m 的倍数增加。不设人行道的桥梁,可设置栏杆与安全带。平面设计根据桥梁两端引道而定。铁路两线桥梁限界为 8.88m。桥面横坡:一般取 1.5%~3%,桥面铺装:有水泥混凝土、沥青混凝土、沥青表面处治、泥结碎石等。水泥混凝土和沥青混凝土一般厚度为 0.06~0.08m,桥面铺装一般不作受力计算,为使铺装层具有足够的强度和良好的整体性,上般宜在混凝土中铺设直径为 4~6mm 的钢筋网。防水层:设在铺装层之下,厚度一般为 0.01~0.02m,且在桥面伸缩缝处连续铺设,不可切断。二、 桥梁的设计作用设计作用可分为永久作用、可变作用、偶然作用三类:1. 永久作用 包括:结构重力、预加应力、混凝土收缩及徐变影响力、土的重力及土侧压力、基础变位影响力、水的浮力;2. 可变作用 包括汽车作用、汽车冲击力、离心力、汽车引起的土侧压力、人群作用、平板挂车或履带车,平板挂车或履带车引起的土侧压力、风力、汽车制动力、流水压力、冰压力、温度影响力、支座摩阻力。3. 偶然作用 包括:地震力、船只或漂流物的撞击力。- 2 -各级公路车辆荷载选用表公路等级 高速公路 一级公路 二级公路 三级公路 四级公路计算荷载 公路-I 级 公路-I 级 公路-I 级公路-II 级 公路-II 级 公路-II 级用计算荷载计算时,按两行车队布载,汽车作用不予折减;当桥(涵)面行车道宽度大于 9m 且小于或等于 12m(有硬路肩时,包括硬路肩宽度)时,按三行车布载,汽车作用可折减 22%;按四行车队布载时,汽车作用可折减 33%。但折减后不能小于两行车队布载的计算结果。汽车冲击力根据桥梁种类及跨度计算(参见规范) 。汽车制动力,当桥涵为一或二车道时(净-4.5m,净-7m,净-9m) ,制动力按布置在作用长度内和一行汽车车队总重力的 10%计算,但不得小于一辆重车的 30%(公路-I 级为 165kN,公路-II 级为90kN) ,双向四车道(同向双车道)的制动力按上述规定的 2 倍计算。制动力的着力点在桥面以上1.2m 处。在计算墩台时可移至支座中心,在计算刚构桥和拱桥时,可移至桥面上。作用组合 : 承载能力极限状态组合:基本组合、偶然组合,见《公路桥涵设计通用规范 JTG D60-2004》第4.1.6 条;正常使用极限状态组合:短期效应组合、长期效应组合,见《公路桥涵设计通用规范 JTG D60-2004》第 4.1.7 条。在桥梁设计中,当采用极限状态设计时,应根据不同的极限状态和作用组合,给出不同的作用安全系数,当用容许应力设计时,则应按不同的作用组合给出不同的材料容许应力值。对于预应力混凝土桥梁结构,预应力在结构使用极限状态设计时,应作为永久作用计算其效应,计算时应考虑相应阶段的预应力损失,但不计算由于偏心距增大所引起的附加内力,在结构承载能力极限状态设计时,预加应力不作为作用,而将预应力钢筋作为结构抗力的一部分。混凝土的收缩、徐变影响力在外部超静定的混凝土结构及复合梁桥等结构中是必然产生的,而且是长期的,基础变位的影响力一旦出现,也是长期作用在结构上的。因此,这些力都列入永久作用作用。混凝土收缩影响可作为相应于温度降低考虑,考虑混凝土徐变的计算,可采用混凝土应力与徐变变形直线关系的假定。三、 连续梁桥与连续刚构桥的受力特点连续梁桥、连续刚构桥可以是一联多跨,常用为三跨一联。连续梁桥、连续刚构桥均是超静定结构,其结构刚度大、变形小、主梁变形的挠曲线平缓,有利于高速行车。同时它们均会受墩台的不均匀沉降影响,产生附加内力。根据活载位置的不同,连续梁桥、连续刚构桥的断面可能出现正弯矩或负弯矩,因而,要按弯矩变化的幅值布置预应力钢筋。连续刚构桥将连续梁与薄壁墩(柔性)固结而成。从而既保持了连续梁桥的优点,同时又节省了支座,减少墩与基础的工程量,并改善了结构的水平作用作用下的受力性能,即各柔性墩按刚度比分配水平力。当连续刚构桥的墩高较高时,墩柔性较大,此时其梁上的受力与同跨径布置连续梁桥差别很小。另外,预加力的影响、温度变化、混凝土徐变与收缩等对连续刚构桥有较大的影响。四、 连续梁桥与连续刚构桥的立面布置连续梁桥一般均指预应力连续梁桥,可以是等跨度连续梁桥和不等跨连续梁桥。对于跨度较大的连续梁桥一般宜采用不等跨的形式,且是变高度连续梁。中小跨度桥梁可采用等跨度等梁高连续梁桥。- 3 -三跨连续梁桥,为了保证中跨跨中不致产生异号弯矩,一般边跨长度可取中跨长的 0.5~0.8 倍,如果减少边跨长度,则边跨和中跨的跨中弯矩均减少,此外,边跨跨长与中跨跨长的比值还与施工方法有关,对于现场浇灌的桥梁,边跨长度取为中跨跨长度的 0.8 倍是经济合理,但采用悬臂施工法,考虑到一部分边跨采用悬臂施工外,余下的边跨部分还需另搭脚手架,为使脚手架长度最短,则边跨长度应取中跨长度的 0.65 倍为宜。变高度梁的截面变化规律可采用圆弧线、二次抛物线和直线等,通常以二次抛物线为最常用。连续梁在支点和跨中的梁估算值:等高度梁:h = (1/25~1/15) l,常用 h = (1/20~1/18)l 变高度梁:支点处:h = (1/25~1/16)l,跨中:h = (1/50~1/30)l 连续刚构桥的跨径布置、梁高变化可参照连续梁桥,一般来讲,连续刚构桥宜适用于大跨高墩桥,且桥墩采用柔性薄壁墩,目前常用的是双壁墩。薄壁墩宽度一般为(0.2~0.3)h,两壁的中距在 8~12m 之间。连续刚构桥一般均采用悬臂施工法。五、 截面设计对于跨度较大的连续梁桥和连续刚构桥,箱形截面是最适宜的横截面形式。常用的箱形截面基本型式有:单箱单室、单箱双室、双箱单室、单箱多室、双箱多室等等。腹板型式有竖腹板和斜腹板之分。选用何种箱梁型式和腹板形式根据桥面宽、施工方法等等而定。箱梁的顶底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位,支墩处底板还要承受很大的压应力,一般来讲:变截面箱梁底板厚度也随梁高变化,墩顶处底板厚为梁高的 1/10~1/12,跨中处底板厚一般为200~250mm。底板厚最小应有 120mm。箱梁顶板厚度:应满足桥面板横向弯矩的要求和布置纵向预应力筋的要求。参考如下(跨中截面) :腹板间距(m) 3.5 5.0 7.0顶板厚度(mm) 180 200 280腹板厚度:腹板主要是抗剪和主拉应力,一般:腹板内无预应力筋时:可采用 200mm;有预应力筋管道时可采用 250~300mm;有锚头时则可采用 250~300mm。在大跨度预应力混凝土箱梁桥中,腹板厚度可从跨中逐步向支点加宽,以承受支点处较大的剪力,一般采用 300~600mm,有达到 1m 左右的。在顶板与腹板接头处有必要设置梗腋,它可提高截面的抗扭刚度和抗弯刚度,减少了扭转剪应力和畸变应力。底板与腹板接头处可根据需要设置。梗腋形式一般为 1:2、1:1 或 3:1、2:1。第二部分 设计计算基本步骤1、根据前述原则同时参照同类桥梁设计,拟定结构总体布置及结构断面细部尺寸。公路桥单箱单室,铁路桥单箱双室。支座处及跨中梁高根据跨度取值,梁高按抛物线变化。顶板取 25~50cm,底板可沿跨度变化 30~150cm,腹板可变厚 40~80cm。顶板外伸长(单边)取 2.5~3.5m,有人行道的可适当加大,最大可取 5.5m。2、立面布置,结构分段,分段长度确定主要考虑每段吊装重量不超过吊机的起吊能力、每段长度满足肋束下弯时设置竖曲线的需要、分段长度规格尽可能少。参考施工方法及过程,对梁进行划分,便于计算截面内力。- 4 -各施工块重量大致相等;边跨及中跨跨中留 2m 长的合拢段。3、各断面的截面几何特性的计算。 (BSAS)4、恒载内力的计算。包括一期、二期恒载等。 (BSAS)5、活载内力的计算。注意加载长度及冲击系数、车道折减等。 (BSAS)6、各截面内力组合,参见规范。 (BSAS)7、预应力筋束数的估算:按承载能力极限计算时满足正截面强度要求;按正常使用状态计算时,拉应力满足要求;施工阶段,拉应力满足要求。 (参见各参考书)由于此时还无法求知二次内力等等,估束时可将前面计算的弯矩内力乘以 1.15作为估束的依据。求得各截面所需的预应力筋束数,然后进行布筋,计算预应力筋的几何曲线要素,锚点布置,张拉方式,张拉顺序等等。8、预应力值的计算,张拉控制力、有效预应力,预应力损失的计算,预应力损失有5 项,如:砼收缩徐变引起的损失;钢筋松弛引起的损失;预应力筋与管道的摩擦引起的损失;锚头变形、钢丝加缩等引起的损失;混凝土弹性压缩引起的应力损失。 (计算公式见规范)9、 日照温差二次内力、徐变引起的二次力矩、预应力张拉引起的二次力矩、支座沉降产生的内力等。(BSAS)10、 截面内力的组合,早期及后期的内力组合。11、 承载能力极限状态的验算。承载能力极限状态计算作用组合,组合后的最大作用弯矩应小于截面的极限抗弯能力12、正常使用状态及施工阶段应力的计算。截面法向应力、截面的主应力、箍筋布置、抗剪设计等。按弹性阶段计算的内力组合,在该内力作用下,截面的裂缝宽度满足要求(抗裂性) ,斜截面、横截面抗剪能力满足要求,最大压应力应满足要求。挠度验算,跨中截面的最大挠度应满要求。13、绘制施工图。14、工程量的计算;砼用量、普通钢筋用量、预应力筋用量、锚具用量、支座、其它等等。15、英文翻译。第三部分预应力筋估算、预应力损失、徐变次内力等的计算根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》规定,在选定预应力钢筋的数量时,应满足以下三方面要求:1. 正常使用极限状态下的应力要求(5.2.21 及 5.2.22) ;2. 承载能力极限状态下的强度要求(5.1.6) ;3. 施工阶段的应力要求(5.3.4) 。本次设计要求按前两种方法进行估算。1、采用美国 ASTMA270 级低松驰高强钢绞线;锚具采用群锚体系 OVM 锚或 YM 描。钢绞线规格建议采用 7Φ5,锚具采用 OVM15 型,以下为常用锚具尺寸。- 5 -锚具型号 锚垫板尺寸(mm)波纹管径外/内 mm螺旋筋圈径圈数千斤顶型号千斤顶最小工作空间OVM15-7 200 77/70 240mm 6 Ycw150 1350mmOVM15-9 230 87/80 270mm 6 Ycw250 1400mmOVM15-12 270 97/90 330mm 7 Ycw250 1400mmOVM15-19 320 107/100 400mm 8 Ycw400 1500mmOVM15-27 370 127/120 470mm 8 Ycw650 2000mm2、后张法预应力混凝土构件,预应力钢筋的净间距及预应力钢筋的预留管道应符合下列要求。 采用抽拔橡胶管成型的管道,其净间距不应小于 4cm,对于大吨位的预应力筋,建仪不小于管道直径。采用预埋铁皮套管,其水平净距不应小于 4cm,竖直方向在水平段可两套叠置,叠置套管的水平净距也不应小于 4cm。 管道至构件顶面或侧面边缘的净距不应小于 3.5cm,至构件底边缘净距不小于 5cm。 曲线预应力钢绞线弯曲半径不小于 4m(《铁规》规定大于钢丝直径的 800 倍) ,弯起角不大于 30o。 锚下应设置厚度大于 15mm 的钢板和钢筋网。3、预应力筋的估算(一)、按承载能力极限计算时满足正截面强度要求;预应力梁到达受弯的极限状态时,受压区混凝土应力达到混凝土抗压设计强度,受拉区钢筋达到抗拉设计强度。截面的安全性是通过截面抗弯安全系数来保证的。 对于仅承受一个方向的弯矩的单筋截面梁,所需预应力筋数量按下式计算:如图: , (1)0NyayRnAbx, (2)PM)/(0h解上两式得:受压区高度 (3)bRxaP20预应力筋数 , (4a))/(0xhAnyP或 (4b)bRMbRacya20式中: 为截面上组合力矩(考虑混凝土安全系数 1.25 时, ) 。PMc McP为混凝土抗压设计强度;a为预应力筋抗拉设计强度;yR为单根预应力筋束截面积; Ab 为截面宽度 若截面承受双向弯矩时,需配双筋的,可据截面上正、负弯矩按上述方法分别计算上、下缘所需预应力筋数量。这忽略实际上存在的双筋影响时(受拉区和受压区都有预应力筋)会使计算结果偏大,作为力筋数量的估算是允许的。h0xNyRa- 6 -(二) 、按正常使用状态计算时,拉应力满足要求估算下限;压应力满足要求估算上限。规范(JTJ023-85 的 5.2.21 和 5.2.22 条)规定,截面上的预压应力应大于作用引起的拉应力,预压应力与作用引起的压应力之和应小于混凝土的允许压应力(为 ) ,或为在任意阶段,全截面承baR50.压,截面上不出现拉应力,同时截面上最大压应力小于允许压应力。写成计算式为:对于截面上缘 (5)0min上上 WMy(6)bayR5.ax上上对于截面下缘 (7)0max下下y(8)bayRWM5.in下下其中, —由预应力产生的应力,W—截面抗弯模量, —混凝土轴心抗压标准强度。M max、 Mminy ba项的符号当为正弯矩时取正值,当为负弯矩时取负值,且按代数值取大小。一般情况下,由于梁截面较高,受压区面积较大,上缘和下缘的压应力不是控制因素,为简便计,可只考虑上缘和下缘的拉应力的这个限制条件(求得预应力筋束数的最小值) 。公式(5)变为 (9)上上 Mymin公式(7)变为 (10)下下 Wyax由预应力钢束产生的截面上缘应力 和截面下缘应力 分为三种情况讨论:上y下y截面上下缘均配有力筋 Ny 上和 Ny 下以抵抗正负弯矩,由力筋 Ny 上和 Ny 下在截面上下缘产生的压应力分别为:(11)上上 下下下上 上上上 yyyyy eNAeANe上Ny 下Ny 上e 下Y 上Y 下MminMmax++ +-- - -Ny 下 Ny 上 Mmax合成+- -Mmin 合成- 7 -(12)下下 下下下下 上上上 yyyyy WeNAeAN将式(9) 、 (10)分别代入式(11)(12),解联立方程后得到(13)))((min下上下上 下上下下上 eKMemazy (14)))((inax 下上下上 上上上下下 eNy 令 yyRAn上上 yyRAN下下 代入式(13) (14)中得到(15)yeKMe1))((minmax下上下上 下上下下上(16)yRAn))((inax下上下上 上上上下下其中,A y——每束预应力筋的面积, ——预应力筋的永存应力(可取 0.5~0.75 估算),e——预应yRbyR力力筋重心离开截面重心的距离,K——截面的核心距,A——混凝土截面面积,可取毛截面计算。W上下 AWK下上 当截面只在下缘布置力筋 Ny 下以抵抗正弯矩时当由上缘不出现拉应力控制时: yRKeMn1下下下 min当由下缘不出现拉应力控制时: yA上下下 ax当截面中只在上缘布置力筋 N 上 以抵抗负弯矩时:当由上缘不出现拉应力控制时 yRKen1下上上 min当由下缘不出现拉应力控制时 yAM下上上 ax当按上缘和下缘的压应力的限制条件计算时(求得预应力筋束数的最大值) 。可由前面的式(6)和式(8)推导得:yaReKeWeMn ][))(( )()minmax 下上下上 下下上下下上下上- 8 -yaRAeKeWMen ][))(( )()(maxmin 下上下上 上下上下上上下下有时需调整束数,当截面承受负弯矩时,如果截面下部多配 根束,则上部束也要相应增配'下n根,才能使上缘不出现拉应力,同理,当截面承受正弯矩时,如果截面上部多配 根束,则下部'上n '上n束也要相应增配 根。其关系为:'下n当承受 时, minM'' 下上下 下下上 nekK当承受 时, ax'' 上下上 上上下(三) 、对于刚构桥中跨,由于有轴力的存在,理论上应考虑轴力对预应力束估算的影响,计算时将轴力所产生的应力计入上面的式(5)~(8)中,参照同样方法可导出预应力筋束数,但当轴力较小时,可略去其对计算式的影响,而在实际布筋时作适当考虑。(四) 预应力筋的布置:(1) 、不但要保证结构在正常使用阶段的受力需要,而且也要考虑结构的承载能力极限状态的需要。(2) 、应注意保证曲率半径,避免多次反向曲率,从而减少摩阻损失。(3) 、注意在超静定结构体系中避免引起过大的结构次内力。(4) 、施工方便。(5) 、锚具在梁端的布置尽量减少局部应力。(6) 、锚具间应满足最小净距的要求。(7) 、尽量对称布置。(8) 、留有一定数量的备用管道,一般占总数的 1%。估算钢筋完成后,应分别给出静定束(前期束)和超静定束(后期束)各个截面有关数量列表,其中应包括截面最大、最小弯距,计算数量,取定的根数(编号) ,各截面钢束的面积,钢束重心距梁顶(底)的距离。此外对于弯起的钢束应计算每种类型钢筋的几何要素(包括起弯角、起弯半径、纵向切线的长度(若钢筋不水平,则应给出转折点坐标) 、弧长、直线段长、起弯点和终弯点及锚固点坐标、该种类型钢束的数量以及该类型钢束的总长)后张法预应力砼梁在张拉锚固阶段,预应力管道内未压浆,由预加力引起的应力按构件砼截面净面积计算,在使用阶段,一般预留孔道已压浆,认为钢束与砼结合良好,可按换算截面计算。净截面几何特性在计算预应力损失时要用,故需对每一个截面进行计算,首先根据毛截面特性(面积、重心位置、面积矩)和管道特性(面积、重心位置、面积矩)求出净截面面积和面积矩,进而求出净截面的重心位置,最后求得毛截面对净截面重心位置的惯性矩(正)和管道对该位置的惯性矩(负) ,将两者相减得净截面的惯性矩。在控制截面检算时要用到换算截面几何特性,故仅需计算控制截面的换算截面几何特性,首先根据净截面特性(面积、重心位置、面积矩)和预应力筋特性(换算面积、换算重心位置、换算面积矩)求出换算截面面积和面积矩,进而求出换算截面的重心位置,最后求得净截面对换算截面重心位置的惯性矩(正)和预应力筋对该位置的惯性矩(负) ,将两者相加得换算截面的惯性矩截面特性的计算:静特性=截面全特性- 管道的特性。换算截面特性=静特性+ny×钢束截面特性。由于考虑到孔道压浆部分的砂浆未受到预应力的作用,在活载作用时有可能开裂,因而未计入该- 9 -部分的面积的影响。4、预应力损失的计算(参见规范 JTJ023-85 第 5.2.5 条~ 第 5.2.12 条)注意:若采用 JTG D62-2004 规范,则参见该规范第 6.2.1~6.2.8 条预应力损失包括:摩阻损失、锚具变形及钢筋回缩、混凝土的弹性压缩、预应力筋的应力松弛、混凝土的收缩与徐变等 5 项。1) 预应力钢筋与管道之间摩擦引起的应力损失可按下式计算:]1[)(kxkseσ k–––张拉钢筋时锚下的控制应力(≤0.73 ),byRμ –––预应力钢筋与管道壁的摩擦系数,对金属波纹管,可取 0.2θ –––从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和,以 rad 计,k–––管道每米局部偏差对摩擦的影响系数,可取 0.0015x–––从张拉端至计算截面的管道长度,以米计。各截面平均摩阻损失 计算表(参考表)1s****截面钢束号 束数 θ (rad) x (米) μθ + k x 每束 (MPa)1s总计 (MPa)1s该截面总损失 = , 钢束总数= 平均损失= 1s需给出计算表格,纵向为钢束号、束数及各个截面(包括每束损失和小计) ,竖向为钢束号、各截面钢束总数、各截面钢束总损失及平均损失。为简便,可仅计算支点、L/4 截面、L/2 截面等三截面的预应力损失。2) 由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失,可按下式计算:ysEl2 l–––锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值;统一取 6mm.l–––预应力钢筋的有效长度;Ey–––预应力钢筋的弹性模量。取 200GPa。在计算锚具变形、钢筋回缩等引起的应力损失时,需考虑与张拉钢筋时的摩阻力相反的摩阻作用,此时截面 x 处的锚具变形损失 ,当变形损失数值小于零时,表示锚具变xssxs102形对该截面无影响。最后给出每个截面单根钢筋的平均损失。各截面锚具变形的损失 计算表(参考表)2s截面*** 截面***钢束号 束数 每束 (MPa)2s总计 (MPa)2s每束 (MPa)2s总计 (MPa)2s- 10 -总损失 2s钢束总数平均损失3) 混凝土的弹性压缩 :后张预应力砼构件的预应力钢筋采用分批张拉时,先张拉的钢筋4s由于张拉后批钢筋所产生的砼弹性压缩引起的应力损失,可按下式计算 14hys–––在先张拉钢筋重心处,由后张拉各批钢筋而产生的混凝土法向应力;1hη y–––预应力钢筋与混凝土弹性模量比。若逐一计算 的值则甚为繁琐,对于悬臂施工结构,可作下列两点假设:1ha.每悬臂浇注一段,即相应地张拉一批预应力筋,假设每批张拉的预应力值都相同,且都作用在全部预应力钢束的重心处;b.在同一计算截面上,每一悬臂浇注梁段自重对该截面所并产生的自重弯距都相等。按照上述两点假设,且忽略同一截面上钢束张拉先后次序不同而并产生的弹性压缩损失,可采用下列近似计算公式hysN214N–––计算截面的分批张拉的钢束批数;η y–––预应力钢筋与砼弹性模量之比。钢束重心处混凝土法向应力: jjjyjh yIMIeA1hyh1式中 M1 为自重弯矩。注意此时计算 Ny 时应考虑摩阻损失 、锚具变形及钢筋回缩 的影响。预应力损失产生时,1s 2s预应力孔道还没压浆,截面特性取静特性(即扣除孔道部他的影响)需列表给出每一截面的平均损失。计算用表参考前表。 (或按 1%简化计算)4) 由钢筋松驰引起的应力损失的终极值。采用低松驰钢绞线。对于钢丝、钢绞线可取 ks0255.5) 由混凝土收缩和徐变引起的预应力钢筋应力损失 6s参考《结构设计原理》上册。不考虑普通钢筋的影响。hdytsknE6式中: 为混凝土在预加力施加后的收缩应变终值;参考规范附录四表 4.2 取值。t为混凝土在预加力施加后的徐变系数终值;参考规范附录四表 4.2 取值。dEy–––预应力钢筋的弹性模量。取 200GPa。η y–––预应力钢筋与砼弹性模量之比。- 11 -–––计算截面上全部受力预应力钢束重心处由预应力和重力产生的应力(扣除相应阶段h的应力损失 、 、 、 )混凝土法向应力;计算截面特性仍取静特性。1s24s加载龄期可取 7~60 天,徐变、收缩系数取最终值。预应力损失的最后结果应列表给出各个截面的各项预应力损失、张拉锚固阶段和使用阶段的有效预应力以及使用阶段扣除全部损失的有效预应力值。(使用阶段扣除全部损失的有效预应力值))( 654211 sssky (张拉锚固阶段的有效预应力))2 ss(使用阶段,扣除混凝土收缩和徐变外的应力损失后的有(54213 ssky效预应力,计算混凝土预压应力时用)给出预应力损失及有效预应力汇总表5、徐变次内力的计算静定结构由混凝土的徐变不会产生徐变次内力。对于超静定结构,由于冗力的存在,混凝土徐变受到多余约束的制约,从而引起徐变次内力,徐变次内力的存在使结构的内力重分布,重分布后的内力可按规范方法进行计算(第 3.2.11 条) 。实际上,徐变次内力是由于体系转换(即从静定结构到超静定结构)而产生的,因此在施工时应尽量避免反复的体系转换次数。由于徐变理论的复杂性,徐变次内力计算方法并不完善,规范采用基于老化理论的计算式。连续梁(刚构)整个施工过程经历了两次体系转换(即边跨合拢和中跨合拢) ,为简化计算,本设计中将两次体系转换简化为一次体系转换,即从最大双悬臂状态(先期结构或体系 1)转换运营阶段结构(后期结构或体系 2) 。计算步骤:第一步、按照实际的施工程序,算出施工阶段(最大比悬臂状态)的弯矩图(先期结构) 。由BSAS 完成,注意此时无挂篮重量影响。第二步、按照第一步的作用,算出按连续结构合拢后体系的弯矩图(后期结构)(BSAS)第三步、从第二步弯矩图中减去第一步的弯矩图,其结果应具有呈直线形的弯矩图。第四步、将第三步的弯矩图乘以系数(1-e - )即得徐变弯矩图。,t第五步、第一步的弯矩与第四步的弯矩之和即为最终弯矩图。BSAS 的具体操作:首先修改数据文件,另存为其它文件名,然后增加一种新材料,除容重为零外,其它材料特性同梁体砼,将合拢段单元和边跨支架浇注段单元的材料类型设为新材料,将二期恒载和施工作用均设为零,接着运行 BSAS,仅计算结构恒载内力,所得结果中施工阶段二的恒载内力即为 。gM1然后将上面数据文件中各梁段的浇注时间改为全部在第二施工阶段完成(注意无临时支座) ,,此时施工阶段二的恒载内力即为 ,最后利用公式 求得由结构自重徐变次g2 gtgtM1内力。计算结果需列表给出每一截面的 、 、 。g1M2gt2)预加力徐变次内力(仅考虑静定钢束)- 12 -徐变会引起的截面上预应力矩的重分布,其重分布后的弯矩计算式如下:)1)(('21 teMyyyt 式中: 为作用于先期结构上的预应力,按先期结构体系(最大双悬臂状态)计算的M1弯矩, (中跨合拢前)yy101为作用于先期结构上的预应力,按先期结构体系计算的初弯矩,01y(预应力乘偏心矩)为作用于先期结构上的预应力,按先期结构体系计算的弹性二次弯矩,yM1当先期结构为静定结构时,它为零为作用于先期结构上的预应力,按后期结构体系计算的弹性二次弯矩。y2为加载龄期 (7~60 天)时至计算所考虑时间 时(1000 天)的徐变系数,按规范附录四取,t t值。BSAS 的具体操作:首先修改数据文件,另存为其它文件名,然后将所有材料容重均设为零,将二期恒载和施工作用均设为零,将每一根静定预应力钢筋在锚固点处和转折点处的集中力分解为作用在截面重心处的竖向力、水平力和弯矩,在施工阶段二将这些力加在结构上,接着运行BSAS,仅计算结构恒载内力,所得结果中施工阶段二的恒载内力即为 ,0101yyyM即静定钢束的初预矩。此项可直接手算,即初预矩等预拉力×偏心距。然后将上面数据文件中各梁段的浇注时间改为全部在第二施工阶段完成(注意无临时支座) ,作用不变,此时施工阶段二的恒载内力即为 ,从而可求得 ,最后利用公yyyM2012y2式 求得由预加力徐变次内力。yyttM1计算结果需列表给出每一截面的 ( )、 、 及 。y10g2yt6、预加力引起的二次力矩(仅考虑超静定钢束 )静定结构该项为零,超定结构该项不为零。采用等效作用法计算,将超静定钢束的预应力用等效作用代替,然后用 BSAS 计算。BSAS 的具体操作:首先修改数据文件,另存为其它文件名,将所有材料容重均设为零,将二期恒载和施工作用均设为零,然后修改支座信息,将施工阶段四的结构变为静定结构(即去掉边跨的两个支座,且将中跨两支座分别改为固定铰支座和滑动铰支座) ,接着将每一根超静定预应力钢筋在锚固点处和转折点处的集中力分解为作用在截面重心处的竖向力、水平力和弯矩,在施工阶段四将这些力加在结构上,接着运行 BSAS,仅计算结构恒载内力,所得结果中施工阶段四的恒载内力即为超静定钢束的初预矩,此项可直接手算,即初预矩等预拉力×偏心距。然后将上面数据文件中各梁段的浇注时间改为全部在第四施工阶段完成(包括支座) ,作用不变,此时施工阶段四的恒载内力即为超静定钢束的总预矩,最后将两者相减即得预加力引起的二次力。计算结果需列表给出每一截面的初预矩、总预矩及二次力。7、温度次内力- 13 -温度变化对结构内力的影响可分为两种情况:1)均匀的温度变化,即整个结构温度变化相同,这种温度变化会使超静定刚架产生次内力;2)不均匀的温度变化,即结构不同部位或不同构件的温度变化不同,而使结构产生次内力。 (由 BSAS 直接计算)α –––砼的线膨胀系数(1.0e-5) ; –––温度变化幅值( ±20℃) ;tEh–––砼的弹性模量(0.35e+5MPa) ;计算结果需列表给出各单元的弯矩、轴力和剪力。8、砼收缩影响可作为温度的额外降低来考虑(第 3.2.8 条)计算方法同温度次内力(-20℃)9、承载能力极限状态的计算(JTJ023-85)(1) 、内力组合(2) 、计算受压区高度由《预规》第 5.1.6 和 5.1.7 条,不考虑普通钢筋影响,计算受压区高度 x.并注意满足: 和 。本设计0hxjya240.jy(3) 、计算弯矩 。)/(.2510xhbRMaPj (4) 、如受压区有预应力筋,则参考《预规》第 5.1.6 计算。10、正常使用状态的计算(JTJ023-85)(1) 、由张拉预应力筋产生的纵向力、剪力和弯矩。 《预规》第 5.2.13 条。)cos(ywyANinQyyeM此时有效预应力为 )(54213 ssk(2)计算截面的混凝土法向应力:a.预应力钢筋产生的正应力其本算式: )(oysosjjyjyh IeNAIeNA2式中:N s 为后期预应力损失( + )在预应力钢筋中产生的纵向力; 5s6简化算式: jjyjyhIe1b.使用作用产生的正应力 oPgjgyIMyI21- 14 -式中:M g1 为前期恒载产生的弯矩;M g2 为后期恒载产生的弯矩;MP 为活载弯矩;(3).预应力钢筋中的拉应力yooPgyjjgyy IMnI211(4)截面的主应力(每个截面计算上梗胁、形心轴、下梗胁三处)a.预应力产生的剪应力其本算式: oysjybISQ2式中:下标 s 为后期预应力损失( + )产生的影响; 5s6简化算式: jybIS1b.使用作用产生的剪应力 oPgjgIQI)(21c.混凝土上的法向应力(按前面方法)主拉(压)应力计算式:22)(hyxhyxzl2)(hyxhyxza如无竖向预应力筋,则上式中: 0hy(5) 检算项目:(不考虑施工阶段的检算、箍筋计算、局部承压、细部设计及预拱度等等的计算)法向应力:《预规》第 5.2.21 条。主拉(压)应力:《预规》第 5.2.24 条。预应力筋的应力:《预规》第 5.2.25 条。(铁路桥参见相应的规范)11、出图详见“任务书” 。- 15 -附录一 编制设计计算说明书提纲1 毕业设计封面(题目);2 扉页指导教师和评阅教师评语;3 任务书;4 中、外文摘要;5 目录;6 正文具体内容参考:(1) 设计总体概述。毕业设计目的和意义;本桥式结构基本构造、桥跨受力特点、施工工 艺方法及其特点。(2) 设计依据及设计计算资料小结:依据规范和技术标准、材料性能指标。(3) 桥跨总体布置及结构主要尺寸① 桥 梁结构图式及尺寸:主梁尺寸,包括梁高及其变化曲线,主梁腹板、上顶板和下底板厚度及其变化曲线等。② 主梁分段:考虑悬臂施工挂篮起吊能力并兼顾计算单元划分。(4) 作用内力计算① 结构混凝土毛截面特性计算( 用于结构内力分析);② 恒载 内力计 算:分为先期恒载( 主梁结构自重)和后期恒载( 桥面铺装和栏杆等);③ 先期恒 载徐 变次内力计算;④ 活载 内力计 算:分公路-I 级、公路-II 级、人群等活作用所产生的内力;⑤ 各施工 阶段内力 计算:包括挂篮等施工设施作用所产生内力;⑥ 按新 规范进 行内力组合;(5) 预应力钢筋设计① 主梁 纵向预应 力钢筋配筋 计算:采用张拉力控制应力,预应力损失和有效预应力计算及各梁段预应力钢筋数量计算等(建议 :对于钢绞线,张拉力控制应力 = (0.70 ~ 0.75) );kbyR② 主梁 纵向预应 力钢筋配筋布置;③ 主梁竖向预应力钢筋配筋计算与布置(建议:对于冷拉 IV 级钢筋, 张拉力控制应力 = 0.85k);。byR(6) 普通钢筋设计(本毕业设计不做强制要求)① 主梁 纵向普通 钢筋配筋计算及布置;② 主梁箍筋普通钢筋配筋计算及布置;(7) 次内力计算① 先期 预应力 产生徐变次内力计算( 工期:每梁段可按 7 天计算);② 温度次内力计算(标准温度可取为+20℃,均匀温度 变 化可按±20℃ 计算,日照温差 T1=25℃、T2=6.7℃);③ 墩台支座不均匀沉降次内力计算( 墩台支座不均匀沉降可取 1cm);④ 后期合 拢预应 力索产生的弹性次内力计算。- 16 -(8) 承载力极限状态计算作用组合;截面强度检算:主要进行正截面抗弯和抗剪强度检算。(注意:公路作用不同类型作用组合系数的不同及设计强度指标的差异。 )考查断面为:梁端、1/4、1/2、3/4 和中支点截面。(9) 正常使用极限状态计算作用组合;施工阶段应力计算及验算:考查断面为各梁跨 1/4、1/2、3/4 跨截面及中支点截面;短期效应组合验算:混凝土最小正应力和最小主应力验算,JTG D62-2004 第 6.3.1 条;长期效应组合验算:混凝土最小正应力验算, JTG D62-2004 第 6.3.1 条;效应标准值组合验算:混凝土最大正应力和最大主应力及预应力钢筋最大应力验算,JTG D62-2004 第 7.1.5~7.1.6 条;结构挠曲变形,包括先期、后期恒载挠度及徐变挠度,最大静活作用挠度计算及检算。(10) 主要工程数量计算锚具、各种钢筋、各标号混凝土等的用量。(11) 总结与讨论对全文的总结及体会;讨论设计尚未考虑的内容或项目,譬如对箱梁扭转的计算、 风载、地震以及结构动力特性等。(12) 附录外文资料翻译、BSAS 数据和各种附图等。(13) 参考文献。7 致谢。8 参考文献。9 附录。10 封底。- 17 -附录二 设计计算一、公路连续梁/刚构桥跨结构尺寸拟定的经验公式:① 中支点梁高 H 支 与中跨跨度 L 中 之比为 251~中 支H① 中跨跨中梁高 H 中 与中跨跨度 L 中 之比为 ;04中 中① 腹板总厚度(m) )501(LBt其中,B 为桥面总宽度(m);L 为主跨跨度(m)。① 刚构中间支柱双薄壁墩中心距(m) ( 135m≤L≤260m )243D薄壁墩宽度一般为 0.2~0.3 倍墩高并考虑构造。① 梁高沿跨度方向一般按 1.5~2 次抛物线变化。二、横向分布扩大系数考虑横向分布的不均匀性,把活 载弯矩和活载剪力分别增大:弯矩: LM15.0剪力: Q其中,M L为活载弯矩,Q L为活载剪力。或者弯矩:
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