20m跨预应力混凝土空心板计算示例(手工计算)

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20m 预应力混凝土空心板计算示例1 计算依据与基础资料 1.1 标准及规 1.1.1 标准•跨径:桥梁标准跨径20m ;计算跨径(正交、简支)19.6m ;预制板长19.96m •设计荷载:公路-Ⅰ级•桥面宽度:(路基宽26m ,高速公路),半幅桥全宽12.5m0.5m(护栏墙)+11.25m(行车道)+ 0.5m(护栏墙)或0.75m(波型护栏)=12.25m 或12.5m •桥梁安全等级为一级,环境条件Ⅱ类 1.1.2 规•《公路工程技术标准》JTG B01-2003•《公路桥梁设计通用规》JTG D60-2004(简称《通规》)•《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规》JTG D62-2004(简称《预规》) 1.1.3 参考资料•《公路桥涵设计手册》桥梁上册(人民交通2004.3) 1.2 主要材料1)混凝土:预制板及铰缝为C50、现浇铺装层为C40、护栏为C302)预应力钢绞线:采用钢绞线15.2s φ,1860pk f Mpa =,51.9510p E Mpa =⨯3)普通钢筋:采用HRB335,335sk f Mpa=,52.0104S E Mpa =⨯1.3 设计要点1)本计算示例按先法部分预应力混凝土A 类构件设计,桥面铺装层100mmC40混凝土不参与截面组合作用;2)预应力拉控制应力值0.75con pkf σ=,预应力拉台座长假定为70m ,混凝土强度达到80%时才允许放预应力钢筋;3)计算预应力损失时计入加热养护温度差20℃引起的预应力损失; 4)计算混凝土收缩、徐变引起的预应力损失时传力锚固龄期为7d; 5)环境平均相对湿度RH=80%; 6)存梁时间为90d 。

2 横断面布置2.1 横断面布置图(单位:m )2.2 预制板截面尺寸 单位:mm边、中板毛截面几何特性 表2-13 汽车荷载横向分布系数、冲击系数的计算 3.1 汽车荷载横向分布系数计算 3.1.1 跨中横向分布系数本桥虽有100mm 现浇桥面整体化混凝土,但基本结构仍是横向铰接受力,因此,汽车荷载横向分布系数按截面8块板铰接计算。

由于边中板的抗弯、抗扭刚度稍有差别,为简化计算,参考已有资料,取中板的几何特性,板宽b=1.5m,计算跨径l =19.6m,毛截面的面积25944m .0A =,抗弯惯矩4072467m .0I =,抗扭惯矩4T 147696m .0I =。

计算刚度参数22T I b 0.0724671.55.8 5.80.0167I l 0.14769619.6γ⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭参见“公路桥涵设计手册《梁桥》上册” 人民交通2004.3由附表(二)铰接板(梁)桥荷载横向分布系数影响线表,依板块数8,及所计算板号按 γ=0.0167值查取各块板轴线处的影响线坐标影响线坐标表 表3-1求1号(边板)、2号板汽车荷载横向分布系数:在影响线上布置车轮,相应位置处的竖标总和即为荷载分布系数3.1.2 支点横向分布系数:按杠杆法布载分别计算边、中板的横向分布系数。

支点截面汽车荷载横向分布系数,因一列车辆的轮距为1.8m,1号、2号两块板上只能布一排汽车轮载,所以支点横向分布系数0.5η=支。

3.1.3 车道折减系数双车道车道折减系数为1。

3.2 汽车荷载冲击系数μ值计算3.2.1汽车荷载纵向整体冲击系数μ简支板结构基频1f=——《通规》条文说明4C50混凝土2104cm/N103.45Mpa1045.3E⨯=⨯=板跨中处单位长度质量:gG m c =, 其中G —跨中延米结构自重(N/m ),g —重力加速度)s /m (81.9g 2=∴ )m /NS (10577.19.815944.01026m 2233c ⨯=⨯⨯=Hz 15.5101.577074267.0103.4519.6 2f 31021=⨯⨯⨯⨯=π按照《通规》第4.3.2条,冲击系数μ可按下式计算: 当14Hz f 5Hz .1≤≤时,0157.0)f (1767ln .0-=μ ∴0.2740157.0)15.5(1767ln .0=-=μ 3.2.2 汽车荷载的局部加载的冲击系数 采用3.0=μ。

4 作用效应组合 4.1 作用的标准值 4.1.1 永久作用标准值 • 一期恒载1q :预制板重力密度取3m /26KN =γ边板 ()KN/m 659.176792.026A q 1=⨯==边γ(计入悬臂部重)中板 ()KN/m 454.155944.026A q 1=⨯==中γ • 二期恒载2q :1)100mm C40混凝土或100mm 沥青混凝土铺装重力密度取3m /24KN =γ2)铰缝混凝土m /038m .03,重力密度取3m /25KN =γ3)护栏(单侧)m /35m .03,重力密度取3m /25KN =γ,并八块板平分。

边板 ()KN/m 11.048/35.02522/038.025745.11.0242q 2=⨯⨯+⨯+⨯⨯⨯= 中板 ()KN/m 10.348/35.0252038.0255.11.0242q 2=⨯⨯+⨯+⨯⨯⨯=恒载效应标准值计算 表4-14.1.2 汽车荷载效应标准值 •公路-Ⅰ级车道荷载计算图式根据《通规》第4.3条,公路—Ⅰ级车道荷载均布标准值为5KN/m .10q k =,集中荷载标准值:当计算跨径小于5m 时,180KN P k =;当计算跨径等于或大于50m ,360KN P k =。

本例计算跨径为19.6m()4KN .2385-5056.19180180P k =-+=计算剪力时,286.0KN 4.2382.1P k =⨯=•计算跨中、4L 截面荷载效应标准值 ()()k k k S 1q A P y μξη=++ξ,A为力影响线面积,y为力影响线竖标值。

两列车布载控制设计,横向折减系数1=L、支点截面汽车荷载力影响线•跨中、4L、支点截面公路—Ⅰ级荷载产生的力表4-2 跨中、4 Array支点剪力横向分布系数采用与影响线面积相应的横向分布系数平均值。

4.2 作用效应组合4.2.1 基本组合(用于结构承载能力极限状态设计)m o ud o Gi Gik Q1Q1k c Qjk i 12S S S S n Qj j γγγγγ==⎛⎫=++ψ ⎪⎝⎭∑∑ 《通规》4.1.6-1式1)其中各分项系数的取值如下0γ――结构重要性系数,0γ=1.1;G γ――结构自重分项系数, G γ=1.2 1Q γ――汽车荷载(含冲击力)的分项系数,取1Q γ=1.42)基本组合计算永久作用的设计值与可变作用设计值组合表4-3-1、4-3-2 永久作用的设计值与可变作用设计值组合表 表4-3-1(边板)永久作用的设计值与可变作用设计值组合表表4-3-2(中板)4.2.2 作用短期效应组合(用于正常使用极限状态设计)永久荷载作用为标准值效应与可变作用频遇值效应组合,其效应组合表达式为111m nsd Gik j Qjk i j S S S ψ===+∑∑ 《通规》4.1.7-1式式中 1ψ-可变作用效应的频遇值系数: 汽车荷载(汽车荷载不计冲击力)1ψ=0.7,温度梯度作用1ψ1=0.8。

4.2.3 作用长期效应组合(用于正常使用极限状态设计)永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合,其效应组合表达式为:2nl d Gik 2j jk i 1j 1S S S Q ψ===+∑∑ 《通规》4.1.7-2式式中2ψ—第j 个可变作用效应的准永久值系数,汽车荷载(不计冲击力)2ψ=0.4,温度梯度作用2ψ=0.8;d l S —作用长期效应组合设计值,结构抗裂验算时,其中可变作用仅考虑汽车等直接作用于构件的荷载效应。

作用短期和长期效应组合计算 表4-44.3 截面预应力钢束估算及几何特性计算4.3.1 A 类部分预应力混凝土受弯构件受拉区钢筋面积估算1、根据《预规》第6.3条,A 类构件正截面抗裂混凝土在作用(或荷载)短期效应组合下应符合:0.7st pc tk f σσ-≤ 《预规》 6.3.1-3 式式中 00st Msy I σ=000000000001()P p pc P P p NP N e y y A e A I A I σσ=+=+估算预应力钢筋时,近似取毛截面积A ,抗弯惯炬I ,y p 分别代替公式中的A 0、I 0、e p0。

y 0为截面重心轴到截面受拉边缘(底边)的距离,用0()u x y h y =-代替;0p σ为受拉区钢筋合力点的预应力钢筋的应力,取控制应力的70%计: 0p σ=0.7×0.75×1860=976.5Mpa 。

近似取0p u p e y a =-。

令0.7st pc tk f σσ-=则02(0.7)(1)su tk p p u p M y f AI A y y rσ-=+ 2I r A =。

2. 假定混凝土受压区高度x 位于截面顶板,根据《预规》第5.2.2条:00()2d cd x M f b x h γ≤- 《预规》 5.2.2-1 式令 0cd x h b=- cd pd ps sdf b x f A A f -=《预规》 5.2.2-2 式式中 b :截面顶宽;0h :截面有效高度(h-a ),此处,近似取h 0=h-a p =899mm, a p 为预应力钢筋合力中心到底板的距离=61mm ;c50混凝土:cd f =22.4pa M ,0.70.7 2.65 1.86tk pa f M =⨯=;HBR 钢筋:pa sd M f 280=; 钢绞线:1260pd pa f M =;215.22121139,1113.1,sp s A mm A mm φφ=-==-=预应力钢筋、普通钢筋面积估算表 表4-5为防止板端上缘拉应力过大,部分预应力钢筋在1/4到板端需采取分批失效措施,普通钢筋全截472;,p mm e 469;,p mm e 1260280cd pa b A f M M 22.422.4As -=22.4-面配置。

板截面配筋 表4-6表中:As Ap--、受拉区普通钢筋、预应力钢筋截面积;s p a --、a 受拉区普通钢筋、预应力钢筋合力点到受拉边缘的距离; 0h --截面有效高度,0ps h =h-a 截面有效高度4.3.2 换算截面几何特性计算 注:截面配筋示意图单位mm换算截面几何特性表4-7注:0x y 为换算截面重心轴到板顶面距离s y p y 、—预应力钢筋、普通钢筋截面重心到截面重心的距离Ao 、Io 、So —换算截面和抗弯惯距、面积距()0a-a S 0.350.34对应:b=,()0b-b S 0.330.31对应:b=,()0c-c S 0.320.28对应:b=括号、外数字分别用于中、边板 5 持久状态承载能力极限状态计算 5.1 正截面抗弯承载能力 荷载基本组合表达式n o sd o Gi Gik Q1Q1k i 1M M M γγγγ=⎛⎫=+ ⎪⎝⎭∑ 《通规》4.1.6-1式当受压区高度位于顶板其正截面抗弯承载力应符合:o d ud cd 0x M M f b x h 2γ⎛⎫≤=⋅⋅- ⎪⎝⎭《预规》5.2.2-1式 bf A f A f x cd pPd s sd ⋅+=《预规》5.2.2-2式00x h 0.4 h ξ≤=钢筋采用钢绞线,混凝土标准强度为C40查《预规》第5.2.1相对界限受压区高度ξb =0.4。