17m预应力混凝土空心板桥设计含施工方案.docx
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1、 毕业论文(设计) 题 目:X市至P市高速公路跨京广线417+23+417m预应力混凝土空心板桥设计前言公路桥梁是国民经济发展、人民生活水平提高的重要基础性公共设施,也是衡量一个国家现代化水平的重要指标。作为一个毕业在即的土木人,有义务把自己所学融会贯通,为将来的发展打下坚实的基础。板式桥是公路桥梁中量大、面广的常用桥型,构造简单、受力明确的特点使其成为中、小跨径桥梁的首选方案。结构可采用现浇钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土,亦可做成实心板或空心板,就地现浇可适应各种形状的弯、坡、斜桥,同时,板式桥可以减低路堤填土高度,少占耕地和节省土方工程量。全文为X市至P市高速公路K4+103.9处的跨京广铁
2、路立交板式桥设计方案,共分两个部分,第一部分为预应力混凝土板桥设计,第二部分为板桥重要部位施工方案说明。在第一部分中,由于时间和篇幅原因,全设计仅进行了跨径为17m的预应力空心板的设计。设计采用先张法预应力混凝土空心板结构,桥梁全长159m,除主跨外,其余部分单跨17m,共计8跨,桥宽14m,板宽1.22m,共计11块。全设计首先根据规范拟定桥梁截面尺寸,并通过荷载作用效应确定预应力钢筋的布置,下来通过承载能力验算、预应力损失计算、主梁变形验算、应力验算等的校核,符合规范规定。在第二部分中,设计仅对基础、承台、墩台、预应力空心板等的施工方法进行了简单说明,由于存在一定限制,仅供参考之用。由于公
3、路桥梁工程技术的不断进步,技术标准的不断更新,加之本人能力有限,设计过程中难免出现一些错误和疏漏,敬请各位老师给予批评指正。目 录第一部分:先张法预应力混凝土空心板设计1. 设计资料- 8 -1.1 工程概况- 8 -1.2 跨度和桥面宽度- 8 -1.3 技术指标- 9 -1.4 主要材料- 9 -2. 设计要点- 10 -2.1 方案比选- 10 -2.2 结构设计- 11 -2.3 设计参数- 13 -3. 空心板截面几何特性计算- 14 -3.1 截面面积- 14 -3.2 截面重心位置- 14 -3.3 空心板毛截面对其重心轴的惯性矩计算- 14 -4. 作用效应计算- 16 -4.
4、1 永久作用效应计算- 16 -4.2 可变作用效应计算- 17 -4.3 作用效应组合- 27 -5. 预应力钢筋数量估算及布置- 28 -5.1 预应力钢筋数量的估算- 28 -5.2 预应力钢筋的布置- 30 -5.3 普通钢筋数量的估算及布置- 30 -6. 换算截面几何特性计算- 33 -6.1 换算截面面积A0- 34 -6.2 换算截面重心位置- 34 -6.3 换算截面惯性矩- 35 -6.4 换算截面弹性抵抗矩- 35 -7. 承载能力极限状态计算- 36 -7.1 跨中截面正截面抗弯承载力计算- 36 -7.2 斜截面抗剪承载力计算- 37 -8. 预应力损失计算- 41
5、-8.1 锚具变形、回缩引起的预应力损失l2- 41 -8.2 预应力钢筋与台座之间的温差引起的预应力损失l3- 41 -8.3 预应力钢绞线由于钢筋松弛引起的预应力损失l5- 42 -8.4 混凝土弹性压缩引起的预应力损失l4- 42 -8.5 混凝土收缩和徐变引起的预应力损失l6- 44 -8.6 预应力损失组合计算- 47 -9. 正常使用极限状态计算- 48 -9.1 正截面抗裂性计算- 48 -9.2 斜截面抗裂性验算- 52 -10. 主梁变形验算- 59 -10.1 正常使用阶段的挠度计算- 59 -10.2 预加力引起的反拱度计算及预拱度的设置- 60 -11. 持久状况应力验
6、算- 63 -11.1 跨中截面混凝土正压应力kc的验算- 63 -11.2 跨中截面预应力钢绞线拉应力p的验算- 64 -11.3 斜截面主应力验算- 64 -12. 短暂状况应力验算- 70 -12.1 跨中截面- 71 -12.2 l/4处截面- 73 -12.3 支点截面- 74 -13. 最小配筋率复核- 77 -14. 铰缝计算- 79 -14.1 铰缝剪力计算- 79 -14.2 铰缝抗剪强度计算- 82 -第二部分:桥梁重要部位施工说明15. 施工方案说明简述- 84 -16. 桥梁基础施工- 85 -17. 钻孔灌注桩施工- 88 -18. 承台施工- 90 -19. 墩台施
7、工- 92 -20. 先张法预应力混凝土空心板施工- 95 -20.1 准备工作- 95 -20.2 预应力钢绞线施工- 96 -20.3 混凝土的浇筑及养护- 98 -20.4 钢绞线放张- 98 -20.5 板的起吊、存放、养护- 100 -参考文献- 101 -附录- 102 -第一部分:先张法预应力混凝土空心板设计1. 设计资料1.1 工程概况X市-P市高速公路跨京广铁路立交桥,位于京广线许昌至石桥区间,与京广上下行线正交,铁路里程为K769+373,公路里程为K4+103.9,设计公路北侧紧邻刘王村,铁路两侧地形平坦开阔,大多为农田,铁路西侧约500米有南北方向县乡公路一条,交通状况
8、一般。该场地为冲积平原系属第四纪全新世地质构造,地形平坦,地层较均匀,表层以下均为亚粘土、粘土互层,地基基本容许承载力160KPa,极限摩阻力50-80KPa,地下水位埋深于地表以下8m左右,该区为6度地震区。1.2 跨度和桥面宽度(1)标准跨径lk:17m(墩中心距)。(2)计算跨径l:16.56m。(3)主梁全长:16.96m。(4)桥面宽度(桥面净宽):净13+20.5m(防撞护栏)。采用混凝土防撞护栏,线荷载为7.5kN/m。1.3 技术指标设计荷载:公路-级。环境标准:类环境。设计安全等级:二级。1.4 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C
9、30沥青混凝土和C40防水混凝土。(2)钢筋: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14mm2,标准强度fpk=1860MPa,设计强度fpd=1260MPa,弹性模量Ep=1.95105MPa。2. 设计要点2.1 方案比选在桥梁方案比选中,主要考虑以下四个方面:安全、功能、经济与美观。其中以安全与经济为重。安全是指所设计桥梁结构有足够的强度、刚度和稳定性,防撞设施满足安全要求。功能要求所设计桥型满足当前以及今后规划年限内的交通流量,桥梁结构在通过设计荷载时不出现过大的变形和过宽的裂缝,下部结构有利于交通和管线的需要。经济要求桥型的造价和养护费用
10、综合最省,并有利于促进当地经济发展。美观是指桥型不仅外形优美,而且空间比例和谐,与周围环境相协调。同时,桥型设计及施工应尽量采用成熟的新结构、新设备、新材料和新工艺,并不断学习国外先进技术,努力创新。桥型设计应考虑环境保护和可持续发展的要求。在初始设计时,考虑到三种方案的比选,一是从桥型角度出发,做出创新,采用单塔斜拉桥设计;二是从主梁截面角度出发,采用T型截面,即连续式T梁;三是从经济适用的角度出发,采用预应力空心板桥。同时根据当地实际地形,参考当地地质条件及施工条件,初步拟定主桥部分如下3种方案:预应力混凝土空心板方案、单塔斜拉桥方案和连续式T型梁桥方案。现作如下方案比选,见表2-1。表2
11、-1 各方案桥型比选方案预应力混凝土空心板单塔斜拉桥方案连续式T型梁桥方案经济型造价较低造价较高造价中等适用性(a)主梁截面采用空心板,减轻自重充分利用材料;(b)建筑高度小,外形简单,制作方便;(c)构件质量小,架设方便。(a)主跨59米,跨度适中,宜跨越沟壑和铁路;(b)便于无支架施工。(a)主梁截面采用T形截面,稳定性高;(b)制造简单、整体性好、接头方便。安全性(a)全桥跨度适中,采用预制安装法施工,施工方便,质量可靠,工期短;(b)全桥后期营运养护费用少;(c)行车平顺舒适。(a)全桥跨度适中,用悬臂浇筑法施工,且在施工过程中不需大吨位悬臂吊机,但是,在浇筑一个节段混凝土过程中要分阶
12、段调索,工艺复杂,且挂篮和斜拉索之间的套管定位难度较大,故施工繁琐,工期较长;(b)全桥后期营运养护费用较高;(c) 行车较平顺。(a)全桥跨度适中,用预制安装法施工,建桥速度快、工期短、模板支架少;(b)全桥后期营运养护费用少;(c)行车较平顺。美观性全桥线条简洁明快,与周围环境协调好。气势宏伟,与周围环境协调好,桥型美观,但周围多为农田,观赏价值低。全桥线条简洁明快,与周围环境协调好。综合上述比选原则以及该地的实际情况,预应力混凝土空心板桥方案为最佳方案。因此,X市-P市高速公路跨京广铁路立交桥采用预应力混凝土空心板方案。2.2 结构设计(1)本空心板按部分预应力混凝土A类构件设计。(2)
13、桥面板横坡为2%单向横坡,各板均平置,横坡由上部桥面铺装层调整。(3)空心板断面:空心板高度0.8m,宽度1.22m,各板之间留有0.01m的缝隙。(4)桥面铺装:上层为0.10m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:预制预应力空心板采用先张法施工工艺。(6)桥梁横断面与构造及空心板截面尺寸如图1-1、图1-2所示。图1-1 桥梁横断面及构造图(单位:cm)图1-2 空心板截面细部尺寸图(单位:cm)2.3 设计参数(1)相对湿度为80%。(2)体系整体均匀升温25,均匀降温25。(3)C50混凝土的材料特性:fck=32.4MPa,
14、fcd=22.4MPa,ftk=2.65MPa,ftd=1.83PMa。(4)沥青混凝土重度按23kN/m3,预应力混凝土结构重度按26kN/m3,混凝土重度按25kN/m3计。3. 空心板截面几何特性计算3.1 截面面积空心板截面面积为3.2 截面重心位置全截面对1/2板高处的静矩为:铰缝的面积为则毛截面重心离1/2板高的距离为,即毛截面重心离板上缘距离为41.03cm铰缝重心与1/2板高处的距离为3.3 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。铰缝对其自身重心轴的惯性矩为空心板截面的抗扭刚度可化简为如图1-3所示的
15、箱形截面来近似计算:图1-3 截面抗扭刚度简化计算图示(单位:cm)抗扭刚度可按下式计算:4. 作用效应计算4.1 永久作用效应计算(1)空心板自重(一期结构自重)G1(2) 桥面系自重(二期结构自重)G2:由于是高速公路,没有人行道及护栏,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,则全桥铺装层每延长米重力为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。为了计算方便,近似按各板平均分配桥面铺装重量来考虑,则每块空心板分配到的每延长米
16、桥面重力为(3)铰缝自重计算(二期结构自重)G3由上述计算得空心板每延长米总重力为(一期结构自重)(二期结构自重)由此可计算出简支空心板永久作用效应,计算结构见表4-1。表4-1 永久作用效应计算表作用种类作用集度/(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G14.31316.56490.6382367.9786118.511659.25580G8.324516.56285.3572214.017968.926834.46340G22.637516.56775.9953581.9965187.438593.719204.2 可变作用
17、效应计算公路-级车道荷载的均匀荷载标准值为qk和集中荷载标准值Pk为qk=10.5kN/m计算弯矩时,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f有关,故应先计算结构的基频,可计算的简支空心板桥的基频其中:由于1.5Hzf14Hz,故可有下式计算出汽车荷载的冲击系数当车道大于两车道时,应进行车道折减,四车道折减33%,但折减后不得小于用两车道汽车荷载布载的计算结果。为简化计算,本设计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:本设计空心板跨中和1/4处的荷载横向分布系数按铰接板法计算,支点按杠杆原理法计算,支点至1/4处
18、之间截面的荷载横向分布系数通过直线内插求得。1)跨中及1/4处的荷载横向分布系数计算首先计算空心板的刚度参数,由前面计算知,I=4.033106cm4,IT=9.0903106cm4,单板宽b=123cm,计算跨度l=16.56m=1656cm,代入上式的在求得刚度参数后,即可依板块个数及所计算板号按值查表得各板块轴线处的影响线坐标。由=0.01=0.02内插得到=0.01419时16号板在车道荷载作用下的荷载横向分布影响线值,内插计算结果见表4-2。由表4-2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,求得两车道及四车道两种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
19、利布载见图4-1,由于桥梁横断面结构对称,故只需计算16号板的横向分布影响线坐标值。表4-2 各板横向分布影响线坐标值计算表板号123456789101110.2020.1700.1350.1070.0860.0710.0580.0490.0460.0390.03720.1700.1660.1430.1130.0910.0740.0610.0510.0450.0410.03930.1350.1430.1440.1270.1010.0820.0680.0570.0490.0450.04340.1070.1130.1270.1330.1180.0950.0780.0660.0570.0510.04
20、950.0860.0910.1010.1180.1260.1130.0930.0780.0680.0610.05860.0710.0740.0820.0950.1130.1240.1130.0950.0820.0740.071图4-1 各板的荷载横向分布系数影响线及横向最不利荷载布置图(尺寸单位:cm)各板的荷载横向分布系数计算见表4-3:计算公式为: 表4-3 各板荷载横向分布系数计算表板号1号板2号板3号板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0.19890.19890.16980.16980.13610.13610.150
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