现行规范下盖板涵的结构验算.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,现行,规范下盖板涵的结构验算,一 概述,1.当前国内高速公路的发展趋势,我国是一个多山的国家，尤其是西南和西北部分地区，地势起伏大。随着我国经济的发展和山区高等级公路的大量修建，路基填土高度不断增大，高填土涵洞更是屡见不鲜。由于以往的通用图无法满足现有高填土涵洞的设计需求，如何能安全经济的设计涵洞也就成为了摆在设计人员面前的一个难题。,一 概述,2.,不同涵洞类型的优缺点以及比选,一 概述,2.,不同涵洞类型的优缺点以及比选,公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004），以下简称通用规范,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004），以下简称公桥规,公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005），以下简称圬工规范,公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ 024-85），以下简称基础规范,一 概述,4.,盖板涵结构验算中所需用到的技术规范,二 盖板验算,1.,计算假定及参数的选取,L,0,为净跨径,L,1,为盖板总长,d,1,为盖板端部厚度,d,2,为盖板跨中厚度,C,5,为盖板搭接宽度,H,为填土高度,b,为盖板宽度,计算跨径,L,取,L,0,+,d,1,或,L,0,+,C,5,中较小值。,圬工规范,7.0.6,中对于盖板计算作出了如下假定：盖板按两端简支的板计算，可不考虑涵台传来的水平力。,二 盖板验算,2.计算内容,持久状况承载能力极限状态,正截面抗弯,最小配筋率,斜截面抗剪,持久状况正常使用极限状态,裂缝,挠度,耐久性设计,目前对于涵洞的垂直土压力计算主要有以下三种方法：,1）马斯顿等沉面理论,2）卸荷拱理论,3）土柱法,3.,作用,3.1,永久作用,二 盖板验算,公路设计中涵洞垂直土压力理论模型为上埋式管垂直土压力理论模型。卸荷拱理论主要应用于沟埋式或顶管施工的涵洞，在隧道设计中应用较多，而在新填土涵洞中较难实现,“,卸荷拱,”,；而马斯顿等沉面理论计算结果虽和新填土涵洞实测结果较为接近，但其计算过程较为复杂；土柱法计算方法简单，对高填土涵洞的计算结果与实测结果还是较为接近的。因此现行,通用规范,中对于新填土涵洞的垂直土压力计算仍然使用土柱法。,3.,作用,3.1,永久作用,二 盖板验算,3.,作用,3.2,可变作用（车辆荷载）,二 盖板验算,3.,作用,3.2,可变作用（车辆荷载）,二 盖板验算,将作用以最不利情况布置，最大弯矩,M,发生在跨中，最大剪力,V,发生在涵台内侧。,（1）永久作用引起的内力,由于永久作用是均布荷载，所以弯矩,M,1,及剪力,V,1,的计算公式为：,3.,作用,3.3,内力计算,二 盖板验算,当,L,a,L,时，由车辆荷载引起的外荷载的均布荷载在计算弯矩和剪力时所布的位置不同,当,L,b,0.02时，取,0.02，当,0.006时，取,0.006；,ss,为受拉钢筋应力。,5.,持久状况正常使用极限状态,5.1,裂缝宽度验算,二 盖板验算,公桥规（6.4.4-2）,M,s,为短期效应组合的弯矩值，即,M,s,N,s,各类环境对裂缝宽度对限制：,类和类环境 0.20mm,类和类环境 0.15mm,5.,持久状况正常使用极限状态,5.1,裂缝宽度验算,二 盖板验算,钢筋混凝土受弯构件，在正常使用极限状态下的挠度，可根据给定的构件刚度用结构力学的方法计算。,盖板跨中截面挠度计算采用荷载短期效应组合。,简支梁在均布荷载作用下，跨中最大挠度：,B,为开裂构件等效截面的抗弯刚度,5.,持久状况正常使用极限状态,5.2,挠度验算,二 盖板验算,公桥规（6.5.2-1）,公桥规（6.5.2-2）,公桥规（6.5.2-7）,B,0,为全截面的抗弯刚度，,B,0,=0.95,E,c,I,0,；,B,cr,为开裂截面的抗弯刚度，,B,cr,=,E,c,I,cr,；,M,cr,为开裂弯矩；,为构件受拉区混凝土塑性影响系数；,f,tk,为混凝土轴心抗拉强度标准值；,I,0,为全截面换算截面惯性矩；,I,cr,为开裂截面换算截面惯性矩；,S,0,为全截面换算截面重心轴以上部分面积对重心轴的面积矩；,W,0,为换算截面抗裂边缘的弹性抵抗矩。,5.,持久状况正常使用极限状态,5.2,挠度验算,二 盖板验算,开裂弯矩,M,cr,的计算是以阶段,a,为基础，此阶段受拉区下缘应力达到混凝土抗拉强度极限值，应变达到混凝土抗拉应变极限值，即达到将要出现裂缝的临界阶段。,5.,持久状况正常使用极限状态,5.2,挠度验算,二 盖板验算,需通过计算,I,0,、,S,0,和,W,0,来确定开裂弯矩,M,cr,换算截面的等效换算原理，即保持钢筋所受总压力（或总拉力）及钢筋重心不变的情况下，将钢筋换算为混凝土,A,co,为混凝土面积，,A,s,为钢筋面积，,a,Es,为钢筋与混凝土弹性模量之比,全截面换算截面重心轴距盖板顶的距离,x,0,5.,持久状况正常使用极限状态,5.2,挠度验算,二 盖板验算,全截面换算截面惯性矩,I,0,全截面换算截面重心轴以上部分面积对重心轴的面积矩,S,0,全截面换算截面抗裂边缘的弹性抵抗矩,W,0,5.,持久状况正常使用极限状态,5.2,挠度验算,二 盖板验算,开裂截面换算截面惯性矩,I,cr,的计算是以阶段,为基础，此时受拉区混凝土作用甚小，可不考虑其参加工作，全部拉力由钢筋承受，钢筋应力并未达到屈服阶段，混凝土受压区应力尚未抗压强度极限值，此时仍为弹性阶段。,5.,持久状况正常使用极限状态,5.2,挠度验算,二 盖板验算,首先确定开裂截面换算截面的受压区高度,x,0,，其数值由换算截面各分块面积对截面中性轴的面积矩之和为零的条件求得,求得开裂截面受压区高度,x,0,后，即可求得,I,cr,5.,持久状况正常使用极限状态,5.2,挠度验算,二 盖板验算,至此，即可算出荷载短期效应组合下盖板跨中挠度,f,s,公桥规,6.5.3,规定，受弯构件在使用阶段的挠度应考虑荷载长期效应的影响，需乘以挠度增长系数,，且在消除结构自重产生的长期挠度后的最大挠度不应超过计算跨径的,1/600,。,5.,持久状况正常使用极限状态,5.2,挠度验算,二 盖板验算,公桥规在总则中加入了有关耐久性设计的内容，提出了公路桥涵应根据不同的环境类别进行耐久性设计的概念。,以往规范对于耐久性设计虽然有所要求，但并没有充分体现到设计条文中，设计人员对耐久性设计的重视度也有所不足。,提高混凝土耐久性的根本途径是增强混凝土密实度，防止或控制混凝土开裂，阻止水分的侵入；同时加大混凝土保护层的厚度，防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏。,二 盖板验算,6.,耐久性设计,控制混凝土的最大水灰比和最小水泥用量是十分重要的，不仅影响混凝土的强度，更是影响混凝土耐久性的主要因素。,在构造要求上注意保护层厚度、箍筋等级和箍筋间距。,二 盖板验算,6.,耐久性设计,承载能力极限状态验算中，一般是以斜截面抗剪强度控制设计。,当将盖板设计为双筋截面时，可提高延性，提高结构的抗震性能，减小挠度。,即使在承载能力极限状态验算通过的情况下，也有可能出现正常使用极限状态验算中裂缝宽度及挠度无法通过的情况，因此要重视正常使用极限状态的验算。,通过对混凝土材料指标的限定和构造要求来满足耐久性设计。,二 盖板验算,7.,小结,L,0,为涵洞净跨径，,C,1,为基础襟边宽，,C,2,为台身宽，,C,3,为基础宽，,C,4,为背墙宽，,C,5,为盖板搭接宽度，,H,0,为涵洞净高，,H,1,为计算高度；台身宽度为,b,三 台身验算,1.,计算假定及参数的选取,计算台身时，可作如下假定：,（1）当涵洞基础为分离式基础时，台身按上端与盖板不可移动的铰接、下端与基础也按不可移动的铰接计算，此时计算高度为盖板中心线与支撑梁中心线之间的距离。,（2）当涵洞基础为整体式基础时，台身按上端与盖板不可移动的铰接、下端与基础固接计算，此时计算高度为盖板中心线与基础顶之间的距离。,三 台身验算,1.,计算假定及参数的选取,偏心受压承载力验算,正截面受弯承载力验算,直接受剪验算,三 台身验算,2.,计算内容,将车辆荷载等代为填土厚,h,：,通用规范（4.3.4-1）,式中，,l,0,为破坏棱体长度；,B,为破坏棱体宽度，,B,L,b,；,2,为填土重力密度；,G,为在破坏棱体长度和破坏棱体宽度范围内的车辆总荷载。,三 台身验算,3.,作用和内力,破坏棱体长度,l,0,：,式中，,为台背填土的内摩擦角。,三 台身验算,3.,作用和内力,土的侧压力系数：,台背非均布荷载,q,1,、,q,2,的值：,式中，,d,3为支撑梁高,三 台身验算,3.,作用和内力,（1）当台身以上下端均为铰接计算时：,台身最大剪力在A端，台身最大剪力,V,A,：,台身最大弯矩在,x,0,位置处。,可以算出，台身最大弯矩,M,max,：,三 台身验算,3.,作用和内力,（2）当台身以上端铰接、下端固接计算时：,A,端处弯矩,M,A,：,A,端处最大剪力,V,A,：,台身最大弯矩在,x,0,位置处。,式中，台身最大弯矩,M,max,：,三 台身验算,3.,作用和内力,计算最大弯矩处,x,0,以上的竖向力,P,、偏心距,e,及所产生的弯矩,M,。,如图所示，,P,1,为盖板自重及盖板上土重；,P,2,为台背上土重；,P,3,为台背重；,P,4,为最大弯矩处以上台身重；,P,9,为盖板计算时涵台内侧剪力。,偏心距,e,i,为竖向力,P,i,相对于台身中心,O,点的距离,三 台身验算,3.,作用和内力,恒载产生的总竖向力,恒载总竖向力产生的总弯矩,作用效应组合,台身截面总偏心距,三 台身验算,3.,作用和内力,（,1,）当台身为砌体时（包括砌体与混凝土组合）,圬工规范,（,4.0.5,）,式中，,A,为构件截面面积；,f,cd,为台身材料轴心抗压强度设计值；,为轴向力偏心距,e,和长细比,对受压构件承载力的影响系数：,圬工规范,（,4.0.6-1,）,4.,截面验算,4.1,偏心受压承载力验算,三 台身验算,x,、,y,分别为,x,方向和,y,方向偏心受压构件承载力影响系数；,x,、,y,分别为,x,方向、,y,方向截面重心至偏心方向的截面边缘的距离，如图8所示；,e,x,、,e,y,分别为轴向力在,x,方向、,y,方向的偏心距；,m,为截面形状系数，对于矩形截面，,m,8.0；,i,x,、,i,y,为弯曲平面内的截面回旋半径；,a,为与砂浆强度等级有关的系数，砂浆等级大于等于M5时，,a,0.002，砂浆等级为0时，,a,0.013；,x,、,y,分别为构件在,x,方向、,y,方向的长细比。,，,4.,截面验算,4.1,偏心受压承载力验算,三 台身验算,圬工规范（4.0.7）,为长细比修正系数,l,0,为构件计算长度，当台身计算模型为上下端铰接时，,l,0,1.0,H,1,，当为上端铰接、下端固接时，,l,0,0.7,H,1,4.,截面验算,4.1,偏心受压承载力验算,三 台身验算,（2）当台身为素混凝土时，单向偏心受压承载力验算公式如下：,圬工规范（4.0.8-1）,式中，,A,c,为混凝土受压区面积；,为弯曲平面内轴心受压构件弯曲系数，查圬工规范表4.0.8。,4.,截面验算,4.1,偏心受压承载力验算,三 台身验算,（3）当涵台受压偏心距大于0.6s时（s为C,2,/2），偏心受压承载力公式就不能再用上述公式计算，此时应以下列公式计算：,圬工规范（4.0.10-1）,式中，,W,为构件受拉边缘的弹性抵抗矩，；,f,tmd,为台身材料的弯曲抗拉强度设计值；,计算方法分别如上。,4.,截面验算,4.1,偏心受压承载力验算,三 台身验算,在公路砖石及混凝土桥涵设计规范（JTJ 02285）中，对于容许偏心距,e,的限制为荷载组合小于等于0.5,y,（,y,亦为C,2,/2），荷载组合、小于等于0.6,y,，而在公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）中更改为基本组合小于等于0.6,s,，此为新旧规范变化之一。,4.,截面验算,4.1,偏心受压承载力验算,三 台身验算,圬工规范（4.0.12）,式中，,M,d,为弯矩设计值；,W,为截面受拉边缘的弹性抵抗矩；,f,tmd,为构件受拉边缘的弯矩抗拉强度设计值。,4.,截面验算,4.2,正截面受弯承载力验算,三 台身验算,当台身与基础间不为整体浇筑时，需验算通缝的直接抗剪强度：,圬工规范（4.0.13）,式中，,f,vd,为台身材料抗剪强度设计值；,f,为摩擦系数，取0.7；,N,k,为与受剪截面垂直的压力标准值。,4.,截面验算,4.3,直接受剪承载力验算,三 台身验算,验算偏心受压承载力，控制设计的主要因素为偏心距,e,的大小，当偏心距,e,大于0.6,s,的限值时，偏心受压承载力下降迅速，因此要合理确定台身宽度及盖板搭接长度。,当偏心受压承载力验算通过时，一般正截面受弯承载力验算及直接受剪承载力验算均能通过。,三 台身验算,5.,小结,P,1,为盖板自重及盖板上土重；,P,2,为台背上土重；,P,3,为台背重；,P,5,为台身重；,P,6,为基础重；,P,7,为襟边上土重；,P,8,为铺底（支撑梁）重；,P,9,为盖板计算时涵台内侧剪力；,P,10,为过水断面内水的自重,四 基础验算,1.,基底应力,（1）分离式基础,偏心距,e,i,为竖向力,P,i,相对于基底中心,O,点的距离。,假定基底应力均匀分布，基底应力,：,基础规范（3.2.2-2）,式中，,A,为基础底面积；,W,为基础底面弹性抵抗矩,四 基础验算,1.,基底应力,基础规范3.2.4规定：非岩石地基的桥涵台身基础的合力偏心距,e,0,0.75,为基底截面核心半径,基础规范（3.2.4-1）,e,0,为基底以上外力合力作用点对基底重心轴的偏心距,基础规范（3.2.4-2）,四 基础验算,1.,基底应力,当设置在基岩上的墩台基础的合力偏心距,e,0,超出0.75倍核心半径,时，仅按受压区计算基底最大压应力,max,基础规范（3.2.3）,四 基础验算,1.,基底应力,（2）整体式基础,由于是整体式基础，弯矩合力为0,基底应力,：,基础规范（3.2.2-1）,四 基础验算,1.,基底应力,（1）分离式基础（刚性基础）,如果基础尺寸满足刚性角,a,的扩散范围，则不用进行强度验算。,当用强度等级为M5的砂浆砌筑时，刚性角,a,不应大于30；当用M5以上的砂浆砌筑时，不应大于35；对于混凝土，不应大于40。,四 基础验算,2.,基础强度验算,（2）整体式基础,作用于基础的均布荷载为地基反力与洞内水重之和，因为地基反力按均匀分布考虑，基础自重与洞内水重均与地基反力相抵消。,将整体式基础考虑为两端悬臂的受弯构件计算其内力及验算。,四 基础验算,2.,基础强度验算,涵洞虽然构造简单，单道造价低，但由于其分布在全线，其工程总量在全路的构造物中所占比重也很大。因此，合理的结构设计对于整条公路的造价和使用质量都有很大的影响。,在以往涵洞设计中，对于涵洞尺寸及配筋的确定均以参照通用图为准。随着新规范的实施以及高填土涵洞的不断出现，以往的通用图不再适用。,这也要求小桥涵工程师们能够与时俱进，安全经济的对涵洞结构进行设计和验算。,五 结语,谢 谢,