苏通辅桥连续刚构箱梁横向计算书.doc

1、.苏通长江公路大桥（初步设计阶段）专用航道桥预应力混凝土连续刚构箱梁桥面板分析设 计 计 算 书设计人： 日期：核对人： 日期：复核人： 日期：预应力箱梁横向设计计算一、箱梁横断面构造专用航道桥采用三跨预应力混凝土连续刚构，其标准横断面布置如图1所示，全桥采用分离式双幅单箱单室截面，按三向预应力混凝土设计。单幅箱梁支点梁高14.6m，腹板宽度0.7m，底板厚度1.6m；跨中梁高4.0m，腹板宽度0.4m，底板厚度0.32m；桥面板悬臂端部厚度0.15m，悬臂根部厚度0.95m，箱室顶板跨中厚度0.28m。为了保证荷载传递顺畅，所有的顶板、腹板和底板连接处均设置相应尺寸的倒角。桥面铺装层采用5c

2、m钢筋混凝土和8cm沥青混凝土。图1 箱梁标准横断面构造图二、箱梁横向分析1结构离散箱梁采用单箱单室截面形式，横向分析按纵桥向单位长度箱形框架考虑，同时设计计算桥面板的横向预应力筋和腹板竖向预应力粗钢筋，框架腹板处的支承形式按弹簧刚度（取纵桥向相应部位的变位倒数）考虑。箱梁横向分析计算采用桥梁结构综合分析程序BSACS进行结构分析，取箱梁为受力分析对象，共划分为28个单元和32个节点，结构按施工及受力顺序划分为4个阶段，其箱梁结构离散图详见图2所示。图2 箱梁结构离散示意图2桥面板有效分布宽度根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，汽车横桥向距路缘石的最小距离为0.5m，挂车横桥向距路缘

3、石的最小距离为1.0m，桥面板采用双悬臂梁结构图式，计算车轮在桥面板上的分布宽度。汽车超20级和挂车120的荷载主要技术指标详见表1。桥面板上车轮荷载及板的有效分布宽度示意见图3所示。图3 板的荷载有效分布宽度示意图桥梁设计技术规范规定，箱梁横断面位置上汽车荷载可以按14车道布置，其横向布置可以在悬臂板或中板上，而挂车全桥只能布置一辆，且位置一般情况下在专用车道上，因而挂车荷载仅按作用在中板上考虑。以下仅介绍汽车荷载作用下板的有效分布宽度计算过程：(1)、悬臂板荷载有效分布宽度悬臂板上的集中荷载在垂直于板跨方向的分布宽度，按下式计算：式中：垂直于板跨方向车轮通过铺装层后的分布于板顶的尺寸； 集

4、中荷载通过铺装层分布于板顶的宽度外缘至腹板边的距离。则汽车荷载作用下，两个车轮产生重叠，其悬臂板荷载有效分布宽度为：(2)、跨中板荷载有效分布宽度a) 车轮作用于板的跨中时： 对于一个车轮荷载，板的有效分布宽度为：，但不小于。对于两个或几个相同车轮荷载，当一个车轮荷载计算的分布宽度有重叠时，车重取其总和，而分布宽度则按边轮分布外缘计算：，但不小于。式中：垂直于板跨方向车轮通过铺装层后的分布于板顶的尺寸； 板的计算跨径；多个车轮时，外轮的中距。则汽车荷载作用下，两个车轮产生重叠，其跨中板荷载有效分布宽度为：故取b) 车轮作用于板的支承处时： 对于一个车轮荷载，板的有效分布宽度为：式中：垂直于板跨

5、方向车轮通过铺装层后的分布于板顶的尺寸； 板的厚度； 则汽车荷载作用下，板的有效分布宽度为：c) 车轮作用于板的支承附近处时： 在车轮荷载作用下，按支承处板的有效分布宽度45o刚性扩散角与跨中板有效分布宽度接顺，如图3板的有效分布宽度中虚线所示。 从上述汽车荷载板的有效分布宽度计算中可知，一个车轮作用下纵桥向单位长度各控制点的荷载纵向分布系数如表2和表3所示。 汽车荷载纵向分布系数 表2部 位悬臂板端部悬臂板根部中板支承处中板距支承1.42m处节点号3、165、167、149、12数值0.2190.7250.7250.357挂车荷载纵向分布系数 表3部 位悬臂板端部悬臂板根部中板支承处中板距支

6、承1.42m处节点号4、175、167、149、12数值0.6410.7810.7810.370单箱单室预应力混凝土箱型截面，其箱梁顶板横向预应力采用ASTM A416-92（270级）低松弛钢绞线，以50cm的间距布设，采用交替单端张拉施工工艺，张拉端采用BM15-3型扁锚，非张拉端采用BM15-3固定端P型锚。OVM锚固体系，其锚下张拉控制应力为（不包括锚圈口摩阻损失和千斤顶的内摩阻），其设计张拉吨位为585.9KN。预应力管道采用加强型镀锌钢波纹管成形，其壁厚不小于0.35mm，波高不小于3.5mm。预应力损失计算中孔道偏差系数，管道摩擦系数，一端锚具回缩量，混凝土徐变系数，收缩应变，钢

7、束松弛率4.5%。箱梁腹板内设置竖向预应力筋，采用冷拉级精轧螺纹粗钢筋，钢筋直径32mm，锚下张拉控制应力为，其单根粗钢筋设计张拉吨位为542.7KN。采用一端反复张拉施工工艺，锚具采用钢垫板加螺帽型。竖向预应力筋在箱梁两侧腹板内以100cm等间距布置，同时为了方便施工，竖向预应力筋可以作为悬臂施工中挂篮的后锚点。预应力损失计算中孔道偏差系数，管道摩擦系数，一端锚具缝隙压密量，螺纹钢筋松弛率5.0%。预应力张拉采用张拉吨位和钢束引伸量双控即应力和应变双控原则，其箱梁横断面桥面板预应力钢束和腹板竖向预应力筋的布置详见图4所示。图4 箱梁横断面预应力布置图3荷载组合 采用桥梁结构综合分析程序BSA

8、CS对纵桥向单位长度箱形框架进行横向分析，成桥状态下对箱梁结构自重、桥面铺装、桥面附属荷载、活载、预应力、混凝土收缩徐变和温度变化（日照温差取5oC的温度场）等荷载作用下分别进行计算。计算中按有关规范规定对各种荷载进行不同的荷载组合。运营阶段荷载按以下四种方式组合：组合一：恒载+汽车组合二：恒载+汽车+升温组合三：恒载+汽车+降温组合四：恒载+挂车桥梁结构综合分析程序BSACS构件内力规定：轴力以截面受拉为正；弯矩以构件下缘受拉为正；剪力以使截面左侧的计算构件脱离体绕左端顺时针旋转为正；计算点处拉应力为正值、压应力为负值。结构自重、铺装层及桥面附属重量、预应力、混凝土收缩徐变等荷载产生的结构内

9、力和正应力如表4所示。结构内力及应力数值汇总表 表4单元号节点号恒载弯矩剪力轴力上缘正应力下缘正应力(KNm)(KN)(KN)(MPa)(MPa)1718-8.32 14.02 -0.80 -6.85 -1.73 1617-99.71 44.37 -23.27 -3.67 -0.40 1616-127.10 54.96 -28.82 -2.82 0.88 1314-148.35 -40.06 -35.72 -2.45 0.82 1313-124.56 -23.11 -27.68 -2.99 -1.13 1011-86.28 -5.60 -14.99 -2.35 -4.87 1010-85.91

10、 4.85 -15.20 -2.38 -4.85 图5 恒载作用下桥面板正应力图（单位：） 温度变化（日照温差按+5oC的温度场考虑）荷载产生的结构内力和正应力如表5所示。结构内力及应力数值汇总表 表5单元号节点号局部升温弯矩剪力轴力上缘正应力下缘正应力(KNm)(KN)(KN)(MPa)(MPa)17180.05 -0.07 -1.60 -0.01 0.00 16170.84 -2.42 -4.79 -0.09 0.03 16163.60 -3.98 -7.93 -0.01 0.01 131417.44 2.18 -4.30 -0.06 0.07 131315.08 0.26 -0.45 -

11、0.53 0.47 101114.81 0.03 1.80 -1.09 1.13 101014.79 0.03 1.80 -1.09 1.13 图6 桥面板局部升温的正应力图（单位：） 汽车超20级活载引起的结构内力如表6所示。结构内力数值汇总表 表6单元号节点号汽车荷载最大弯矩剪力轴力最小弯矩剪力轴力(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)17181617-120.53 52.45 -27.50 1616-171.94 102.22 -53.60 131459.30 12.33 33.25 -187.46 -86.98 -48.73 131355.40 -41.23 -8.72

12、-126.36 -71.66 -39.57 101140.84 1.31 -31.25 -32.46 0.21 48.13 101041.13 -1.89 -31.18 -32.68 0.21 48.13 恒载和汽车活载组合（组合一）引起的结构正应力如表7所示。恒载和汽车组合的应力数值汇总表 表7单元号节点号MminMmax上缘正应力下缘正应力上缘正应力下缘正应力(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)1718-6.85 -1.73 -6.85 -1.73 1617-0.23 -4.01 -3.73 -0.46 1616-1.75 -0.31 -2.82 0.88 1314-1.65 -0.0

13、6 -2.69 1.12 13130.59 -4.93 -4.61 0.48 10110.25 -7.18 -5.52 -1.87 10100.24 -7.17 -5.57 -1.82 图7 恒载和汽车作用下桥面板正应力图（单位：）恒载、汽车活载和桥面板局部升降温的最不利荷载组合引起的结构正应力（即包络正应力）如表8所示。结构包络应力数值汇总表 表8单元号节点号上缘正应力下缘正应力minmaxMinmax(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)1718-6.86 -6.84 -1.73 -1.73 1617-3.82 -0.14 -4.04 -0.36 1616-2.83 -1.74 -0.3

14、2 0.89 1314-2.75 -1.59 -0.13 1.19 1313-5.14 1.12 -5.40 0.95 1011-6.62 1.35 -8.31 -0.73 1010-6.66 1.33 -8.30 -0.69 图8 桥面板包络正应力图（单位：）挂车120活载引起的结构内力如表9所示。结构内力数值汇总表 表9单元号节点号挂车荷载最大弯矩剪力轴力最小弯矩剪力轴力(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)171816171616-59.36 133.31 -69.90 131429.05 6.03 16.33 -89.69 -37.60 -54.44 131352.07

15、-102.28 -64.78 -63.51 -29.93 -50.33 101171.36 42.71 -32.02 -13.93 -12.04 12.03 101071.70 -43.23 -30.27 -13.88 12.02 11.29 恒载和挂车活载组合（组合四）引起的结构正应力如表10所示。恒载和挂车组合的应力数值汇总表 表10单元号节点号MminMmax上缘正应力下缘正应力上缘正应力下缘正应力(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)1718-6.85 -1.73 -6.85 -1.73 1617-3.70 -0.40 -3.67 -0.37 1616-2.82 0.42 -2.51

16、 0.88 1314-2.57 0.37 -2.10 0.97 1313-4.64 -3.11 -1.25 0.26 1011-7.81 -5.89 -1.26 0.45 1010-7.86 -5.87 -1.30 0.51 图9 恒载和挂车作用下桥面板正应力图（单位：）4计算结论 纵桥向单位长度的框架箱梁横向静力分析，对该结构在四种荷载组合工况的作用下，其结构的强度和应力做了验算。 a) 正常使用能力状态法综合上述结构应力可知，桥面板在恒载和汽车荷载作用下，跨中板中部上缘最大拉应力0.59MPa（节点14号处），板根部下缘最大拉应力1.12MPa（节点14号处）；恒载、汽车和桥面板升降温最不

17、利组合下，其跨中板上缘最大拉应力1.35MPa（节点11号处），板根部下缘最大拉应力1.19MPa（节点14号处）仍然属于部分预应力混凝土A类构件。在按部分预应力混凝土构件进行设计中，当截面受拉区混凝土中设置非预应力钢筋，其容许拉应力可以提高，其增量按非预应力钢筋截面面积与混凝土截面面积的百分比计算，每1%其后张法构件的容许值提高4.0MPa，但在任何情况下，提高后的容许拉应力不超过混凝土设计标号的1/4。 b) 承载能力极限状态法 在恒载、汽车和桥面板升降温最不利荷载作用下，箱型截面控制点的内力组合值如表11所示。预应力混凝土箱梁采用C50混凝土，其混凝土弹性模量，轴心抗压设计强度，抗拉设计

18、强度。桥面板钢筋采用级钢，其弹性模量，抗拉和抗压设计强度。结构包络内力数值汇总表 表11单元号节点号剪力Qj弯矩Mjminmaxminmax(KN)(KN)(KNm)(KNm)161745.67 179.79 -288.40 -108.60 161655.27 240.39 -393.24 -135.13 1011-84.26 58.71 -163.22 3.33 1010-59.42 82.94 -163.05 3.96 按承载能力极限状态法，对桥面板进行强度计算，考虑预应力钢筋和普通钢筋共同作用，经过分析计算，结构抗力大于设计荷载效应的最不利组合值，截面的抗弯强度和抗剪强度均满足设计规范要求。桥面板内的普通钢筋配置为：悬臂板上缘设置20钢筋，下缘设置12钢筋，跨中板下缘设置20钢筋，而所有加腋设置12钢筋，其所有横向钢筋沿纵桥向间距均为10cm。11