装配式预应力混凝土简直空心板桥设计

1 绪论 1.1 概述 在桥梁设计中，一般总是先根据使用要求、跨径大小、桥面净空、荷载等级、施工 条件等基本资料，运用对结构物的构造知识，并参考已有桥梁的设计经验，来拟定结构 物的截面形式和细部尺寸，估算结构的自重；然后根据作用在结构上的荷载，用熟知的 数学、力学方法计算出结构各部分可能产生的最不利的内力；再由已求得的内力进行强 度、刚度和稳定性的验算，以此来判断原先拟定的细部尺寸是否符合要求。 如果验算结果不能满足要求，或者尺寸选的过大，则需要修正原来所拟定的尺寸 再进行验算，直到满足为止。 装配式预应力混凝土简支空心板桥，预应力结构的桥梁作为近几年比较应用广泛的 桥梁主要承重结构采用预应力混凝土结构。预应力混凝土桥出现在20世纪30年代，50 年代以来不断取得巨大发展，在中、小跨度范围内现已占绝对优势，在大跨度范围内它 正在同钢桥展开激烈竞争。它的主要优点是：节省钢材，降低桥梁的材料费用；由于采 用预施应力工艺，能使混凝土结构的工地接头安全可靠，因而以往只适应于钢桥架设的 各种不要支架的施工方法，现在也能用于这种混凝土桥，从而使其造价明显降低；同钢 桥相比，其养护费用较省，行车噪声小；同钢筋混凝土桥相比，其自重和建筑高度较小， 其耐久性则因采用高质量的材料及消除了活载所致裂纹而大为改进。它的缺点是：自重 要比钢桥大，施工工艺有时比钢桥复杂，工期较长。但这些缺点属次要问题，且仍在不断 得到克服。因此，在50年代以来所出现的一些新型桥梁之中，它的适用范围最广，其 发展仍方兴未艾。 1.2 预应力混凝土梁桥的特点 采用预加应力来改善结构的使用性能，通过张拉高强度钢筋一一预应力筋或称力 筋，使受拉区预先储备一定的压应力，在外荷载作用时，混凝土可不出现拉应力或不出 现超过某一限值的拉应力。预应力筋既是加力工具又是抵抗构件内力的受力钢筋。随着 混凝土、钢材强度不断提高，预应力混凝土设计理论研究不断深入，预应力工艺不断改 进，预应力混凝土梁桥获得了飞速发展。尤其是20世纪50年代后，预应力混凝土梁桥 的跨越能力，以每十年百米的速度递增，目前已跻入大跨径桥梁的行列。 预应力混凝土梁桥，除了具有钢筋混凝土梁桥的所有优点以外，它的主要特点是： ① 预应力混凝土结构，由于能够充分利用高强度材料（高强度混凝土、高强度钢 筋），所以构件截面小，自重弯矩占总弯矩的比例大大下降，桥梁的跨越能力得到提高。 ② 与钢筋混凝土梁桥相比，一般可以节省钢材30%~40%,跨径愈大，节省愈多。 ③ 全预应力混凝土梁在使用荷载下不出现裂缝，即使部分预应力混凝土梁在常遇 荷载下也无裂缝，鉴于全截面参加工作，梁的刚度就比通常开裂的钢筋混凝土梁要大。 因此，预应力混凝土梁可显著减小建筑高度，使大跨径桥梁做得轻柔美观。由于能消除 裂缝，这就扩大了对多种桥型的适应性，并提高了结构的耐久性。 ④ 预应力技术的采用，不但使钢桥采用的一些施工方法，如悬臂拼装、顶推法（由 钢桥的纵向拖拉施工方法演化而成）和旋转施工法在预应力混凝土梁桥中得到新的发展 与应用，而且为现代预制装配式结构提供了最有效的接合和拼装手段。可根据需要在结 构纵、横和竖向任意分段，施加预应力，即可集成理想的整体。此外还发展了逐段或逐 孔现浇施工方法。这种分段现浇或分段预制拼装的施工方法，国外统称为节段施工法， 用这种施工方法建成的预应力混凝土梁桥统称为预应力混凝土节段式桥梁。 目前，预应力混凝土简支梁的跨径已达50~70m,最大跨径的连续刚构已达301m。 发展交通事业，实现四通八达的现代化交通，对发展国民经济，巩固国防具有非常 重要的作用。在公路、铁路、城市和农村道路交通以及水利等建设中，为了跨越各种障 碍（如河流、沟谷或其他线路）必建各种类型的桥梁与涵洞，因此，桥涵又成为陆路交 通中的重要组成部分。在经济上，桥梁和涵洞的造价一般说来平均占公路总造价的 10%-20%,特别是在现代高等级公路以及城市高架道路的修建中，桥梁不仅在工程规模 上十分巨大，而且也往往是保证全线早日通车的关键。在国防上，桥梁是交通运输的咽 喉，在需要高度快速、机动的现代战争中具有非常重要的地位。 本次设计的桥梁为XX省XX市为了跨越一段低洼地带而修建的公路桥，桥长64m , 桥面宽9m,设计荷载为公路I级。 1.3 设计资料 1. 跨径：标准跨径lk=16m，计算跨径l0=15.6m （桥墩距离支座中心线为20cm）,桥梁 全长 4xl6=64m。 2. 桥面净空：Im （人行道）+7m （行车道）+lm （人行道）=9m。 3. 设计荷载：汽车荷载，公路I级；人群荷载：3.5/CV/m2 o 4. 结构重要性系数：1. Io 5. 环境条件II类，计算收缩徐变时，考虑存梁期为90天。 6. 持力层情况：地表以下为10-15米的卵石土层，基岩位于其下方。 7. 桥面纵坡2%,桥面横坡1.5%0 8. 主梁采用C50预应力混凝土，容重为26KV/m3,弹性模量为3.4x107/3^。 9. 桥面铺装采用C50现浇混凝土，厚度为10cm,再覆盖8c秫的沥青混凝土，栏杆及人行 道板为C30混凝土，钗缝为C30细石混凝土。 2 桥面几何特性及作用效应的计算 2.1 桥面总体布置 2.1.1桥面总体布置 预制板标准跨径：lk=l6.00m； 计算跨径：lo=15.6Om； 板长：15.96m ； 桥面净空：7 + 2xl.0m=9m ； 设计荷载：公路一 I级； 人群荷载：3.5 W/m2 o 图2-1桥梁立面示意图（尺寸单位：cm） 2.1.2构造型式及尺寸选定 由桥面净宽2xl + 7=9m知，全桥采用9块C50的预制混凝土空心板，每块空心板宽 99cm （其中桥墩至支座中心线间距离为20cm,伸缩缝宽4cm）。C50混凝土空心板： fck=32.4MPa , fcd=22.4MPa , ftk=2.64MPa , ftd=1.83MPa o 全桥空心板横截面 布置如图2-2,每块空心板截面尺寸及构造尺寸见图2-3。 2.2 空心板毛截面几何特性计算 2.2.1毛毛截面面积A A = 99x74-2x38x18-4x^x192/2-2xQx7x2.5 + 7x2.5 + |x7x5^ =3603.42cm2 2.2.2毛截面重心位置 全截面对1/2高度处的静矩： Sy?板高=2x |x7x2.5x（30 + 7/3）+ 7x2.5x（30 + 7/2）+ |x7x5（23 + 7x2/3） =2706.9cm3 皎缝的面积： y^j=2x^x7x2.5 + 7x2.5 + ^-x7x5^=87.5cm2 毛截面重心对1/2高处的距离： d =SiQ板高/A = 2706.9/3603.42 = 0.75cm （向下移） 钗缝重心对1/2板高处距离： 《交=板高 / A交=2706.9/87.5 =30.9cm 2.2.3空心板毛截面对中心轴的惯性矩 由图2-4,设每个挖空的半圆面积为出： A' = 44/2/8 = 31.4x382/8 = 566.77 cm1 图2-4挖空半圆构造(尺寸单位：cm) 图2-5计算1丁的空心板截面简化图(单位：cm) 半圆重心轴: 半圆对其自身重心轴0一0的惯性矩为/，: 厂= 0.006如 0.0« 648 6= 3 8 " 则空心板毛截面对其重心轴的惯性矩7为： / = 99x7% + 99 x 74 x 0.752 — 2x(38xl% + 38xl8x0.752)—4x14304.03 —2x566.7x[(8.07 + 9 + 0.75)2+(8.07 + 9 —0.75)" —87.5x(30.9 + 0.75)2 =2.5029 x 106凯气忽略了皎缝对自身重心轴的惯性矩) 空心板截面的抗扭刚度可简化为图2-5单箱截面来近似计算： 4x(99 —8 ~x(74 —9 - f , /T =——-———=—1~~S——'—y = 3.8374 x 106 cm4 T 25/4+2以，2x(99-8)/ 2x(74-9)/ 一 79 + /8 3 作用效应计算 3.1 永久效应作用计算 3.1.1空心板效应作用计算（第一阶段结构自重）&： gx=Ad = 3603.42 xlO-4 x26 = 9.369 kN/m 3.1.2桥面系自重（第二阶段结构自重）g2： 人行道板及栏杆重力，参照其他桥梁设计资料，单侧重力取U.QkN/m，桥面铺装 采用等厚度8cm沥青混凝土。 则全桥宽铺装每延米总重为：0.08x7x23 = 12.88^V/m； 10cm厚的 C50 防水混凝土重：0.1x7x26 = 18.2伽/m； 上述自重效应是在各空心板形成整体后，再加上板桥上的，为了使计算方便近似按 各板平均分担重力效应，则每块空心板分摊到的每延米桥面的重力为： 12x2 + 12.88 + 18.2 一 g2 = = 6.12 AN/ m 3.1.3较缝重力（第二阶段结构自重）g3： g3 =（87.5 +1x 74）x ICT4 x 24 = 0.388 kN/m 3.1.4恒载内力计算 gi =gi =9.369kN/m gn = g2 + g3 = 6.12+0.388 = 6.508 AA^/m g = & + gn = 9.369+6.508 = 15.877 kN/m 由此计算出简支空心板永久作用（自重）效应，计算结果见表3-1。 表格3-1永久作用效应汇总表 \项目 作用gi 计算跨 作用效应M（kN m） 作用效应2（kN） 荷\ 载种类\ "kNIM 径 /（m） 跨中 5 1/4跨 （为2&尸） 支点 阻） 1/4跨 （加） 跨中 一期恒载 & 9. 369 15. 60 285. 005 213. 754 73. 078 36. 539 0 二期恒载 gu 6. 508 15. 60 197. 973 148.480 50. 762 25. 381 0 恒载合计 8 = &+知 15. 877 15. 60 482. 978 362. 234 123. 841 61. 920 0 3.2基本可变作用效应计算 本设计采用公路一I级汽车荷载，由车到荷载及车辆荷载组成。 么=1 o. } p =180+360~180 (15.6-5)= 222.4W k 50-5 i 7 计算剪力时，集中荷载标准值外应乘以1.2的系数，即： 弓，= 1.2弓=1.2x222.4 = 266.88W 按《桥规》车道荷载的均布荷载应满布于使结构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相应于影响线中一个最大影响峰值处。其中双车道荷载横向折 减系数取＜^ = 1。 3.2.1汽车荷载横向分布系数计算 空心板跨中和//4的横向分布系数按钗接板法计算，支点处按杠杆原理法计算，支 点至//4之间的荷载横向分布系数按直线内插法求得。 (1) 、跨中和//4处横向分布系数计算 首先计算空心板的刚度系数/ 5 8 2.5029x10-xQ 3.8374xl06 U5.6 = 0.01554 由于桥梁横断面结构对称，所以只计算1号至5号板的横向分布影响线坐标值。根 据《公路桥涵设计手册 梁桥》(上册)［徐光辉胡名义主编人民交通出版社1996年3 月］第一篇附录二中的皎接板桥荷载横向分布影响线表中的“梁9-1”至“梁9-5",由 / = 0.01及/ = 0.02内插法得到y = 0.01554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，计算结果如下表3-2,各板的横向分布影响线最不利布载见图3-1。 1号板： m汽=技地汽=J。178 + 0.120 + 0.091 + 0.06