桥梁工程常见钢筋混凝土临时结构设计培训.doc

1、. 临时结构培训桥梁工程常见钢筋混凝土临时结构设计课件大纲1 绪论1.1 世界桥梁与建筑材料相关的发展简史1）以木桥（公元前630年罗马人已能修建一座完善的木桥）和石桥为主的时代。2）1779年，英国建成第一座铸铁桥（为以承压为主的拱式结构），开始了修建铁桥时期。3）1874年，美国在密西西比河上建成了世界上第一座钢桥圣路易斯（St.Louis）钢拱桥，开始了大规模修建钢桥的时期。4）波特兰水泥的工厂化生产开始于1823年，但直到1867年才有混凝土桥，18751877年法国建造了第一座钢筋混凝土人行拱桥，跨度16m。约于1890年以后才出现较多的钢筋混凝土桥。20世纪40年代以前，除了拱桥以

2、外，钢筋混凝土桥基本上局限于小跨度桥梁。5）1937年第一座预应力混凝土桥建成，开始了预应力混凝土向中、大跨度大量发展的时期。混凝土是现代工程结构的主要材料，钢筋混凝土将是我国今后相当长时期内的一种重要的工程结构材料。1.2 临时结构检算工作之体会1）临时工程结构超越力学2）不同规范不同规定值3）岩土的参数和边界条件4）这些摆在咱们局工程技术人员，如何办？5）检算原则：适用、安全、经济、技术先进6）具体要求：因地制宜，就地取材，选用适当的结构形式；依据规范、规定、规程进行设计7）手段：结构所有构件及连接细部都必须进行检算；根据材料的性质、受力特点、使用条件和施工要求，采用合理的构造措施；除了使

3、用阶段外，还要满足制造、运输和安装过程中的强度、刚度和稳定性。8）结构形式需受力明确、构造简单、施工方便是。1.3 培训内容1）钢筋混凝土基本概念2）钢筋、混凝土强度3）钢筋混凝土结构设计基本原理4）构件检算流程、检算内容5）工程实例讲解1.4 参考规范和相关书籍1）钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理张树仁等编 交通版2）混凝土结构设计规范（GB50010-2010）3）建筑结构荷载规范（GB50009-2012）4）建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）5）铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB10002.3-2005）6）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范

4、(JTG D622004)7）铁路混凝土强度检验评定标准（TB10425-1994）8）混凝土强度检验评定标准（GB/T50107-2010）9）材料力学（孙训方编）2 钢筋混凝土基本概念1）钢筋混凝土：由钢筋和砼两种物理、力学性质不同的材料所组成的复合材料，其目的使它们在共同工作中能发挥各自的特点砼抗压强度相对较高=10.020.1MPa（C15C30） 抗拉强度却很低=1.272.01MPa（C15C30）钢抗拉强度均很高 =235400 MPa 2）素混凝土梁：当外荷载很小时，受拉区砼即开裂抗裂性很差. 砼一旦开裂，梁瞬即脆断而破坏脆性破坏 中性轴以上砼 未充分发挥作用 承载能力承载力小

5、3）钢筋混凝土梁矩形截面钢筋砼(C30)梁b=25cm,h=50cm,设置3&20(HRB335)的（=9.42cm2）此钢筋砼梁的承载力108.7,而相应的素砼梁的承载力为16.15, 钢筋砼梁的承载力是素砼梁的6.7倍。受钢筋的约束作用裂缝宽度大大减小，抗裂性提高.破坏自钢筋屈服开始，具有明显地征兆（塑性）破坏材料强度充分发挥承载力较高梁的荷载小于破坏荷载时，中和轴以上受压，以下受拉针对素混凝土梁，梁的荷载等于破坏荷载时，出现竖向裂缝并迅速发展，梁突然断裂，发生脆性破坏。针对钢筋混凝土梁，梁的荷载大于破坏荷载时，出现数条竖向裂缝并向上发展，中性轴上移，混凝土受压区面积不断减少，梁塑性破坏。

6、柱试验表明，钢筋混凝土柱与素混凝土柱相比，不仅承载力大为提高，而且受力性能也得到改善。钢筋砼构件：梁、板受弯剪（扭）构件 柱、拱圈轴心受压构或偏心受压构件4）钢筋与混凝土能共同工作的原因a：混凝土与钢筋之间有良好的粘结力b：两者的温度线膨胀系数较为接近c：钢筋被混凝土包裹，免遭锈蚀5）钢筋混凝土优缺点：就地取材，成本低，耐久性好，适应性强，耐火性好、整体性好、抗震性能好。6）钢筋混凝土主要缺点：自重大轻质混凝土，挖孔（薄壁）；现浇结构模板需耗用较多木材钢模、钢支架；施工受季节环境影响较大养生、防冻剂；抗裂性较差施加预应力。3材料3.1 混凝土1）组成强度抵抗荷载的能力物理力学性能主要反映在两个

7、方面：变形体积变形的能力2）强度（1）立方体抗压强度a：立方体抗压强度获得标准试件150mm边长的立方体试件（每三块为一组）标准养生202的温度和相对湿度90%空气中养护28天规范试验按“试验规程”测试（平均值、中值、无效）（GB/T50081-2002）中6.0.5第2款普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081-2002）中5.2节中有说明：铁路混凝土强度检验评定标准（TB10425-1994）中4.1节标准已知方法检验中的内容求得：b：混凝土强度的离散性所测强度较分散，相差较大表明其强度受多种复杂因素的影响。故按“数理统计”的方法计算具有95保证率的抗压极限强度值，作为砼立方体抗

8、压强度标准值砼强度等级： 混凝土强度等级：按砼立方体抗压强度标准值为指标划分的强度级别，采用符号C与立方体抗压强度标准值（以N/mm2）表示。14个等级：C15, C20, C25, C30, C35, C40, C45, C50, C55, C60, C65, C70, C75, C80（2）混凝土轴心抗压强度（棱柱体强度） 试验表明：20.866）h/b不宜太大，以免偏心而降低抗压强度普通钢筋混凝土力学性能试验方法（GB/T50081-2002）规定，以150mm150mm300mm的试件为标准试件。其标准值：（）试验表明与大致成线性关系，混凝土结构设计规范（GB50010）偏安全地取：

9、式中 0.88实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数； 棱柱与立方强度之比值；对C50及以下取0.76，对C80取0.82，中间按线性规律变化； 脆性折减系数，对C40及以下取1.0，对C80取0.87，中间按线性规律变化；（3）混凝土轴心抗拉强度（棱柱体强度）a：直接法b：间接法根据普通强度砼与高强度砼的试验资料，轴心抗拉强度与立方体抗压强度的平均值存在如下关系：混凝土结构设计规范（GB50010）给出的砼轴心抗拉强度的标准值与立方体抗压强度的标准值的关系为： （4）混凝土轴心强度设计值3）变形影响砼变形的因素：a、加载方式（一次、反复、加载速度） b、持荷时间 (短期、长期)

10、c、环境温度、湿度 d、试件的体表比（体积与表面积）等混凝土的变形分两大类：受力变形短期荷载的变形长期荷载的变形重复荷载的变形体积变形混凝土收缩温度变化引起的变形3.2 钢筋1）钢筋的强度与变形（1）有明显流幅的钢筋：屈服强度、抗拉极限强度、延伸率.特性强度较低，塑性好以屈服强度为设计强度的取值依据. （2）没有明显流幅的钢筋： 条件屈服强度、抗拉极限强度、延伸率钢绞线、高强钢丝（光面、螺旋肋、刻痕）、精轧螺纹钢筋.特性强度高，塑性较差以条件屈服强度为设计强度的取值依据。2）热轧钢筋级别、品种3）钢筋混凝土结构对钢筋性能要求（1）强度屈服强度、抗拉极限强度、合适的屈强比（2）塑性好屈强比、伸长

11、率、冷弯（3）可焊性好。（4）与混凝土间粘结力好。4）钢筋与混凝土之间的粘结（1）粘结力构件中的钢筋受到拉或压后，混凝土与钢筋之间存在水泥胶结力、摩擦力、机械咬合力，这些力统称为粘结力。钢筋与混凝土之间的粘结性能是钢筋混凝土构件必不可少的第三个材料性能，是配筋构造的基础。钢筋与混凝土之间具有可靠的粘结是保证二者共同受力、协调变形的前提。（2）粘结应力单位界面面积上粘结作用力沿钢筋轴线方向的分力，即钢筋与混凝土界面上的粘结剪应力。（3）平均粘结应力钢筋被拔出或者混凝土被劈裂时的最大平均粘结应力，（4）钢筋锚固长度当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度（投

12、影长度）可取为基本锚固长度lab的60%。4 钢筋混凝土结构设计基本原理4.1 正截面强度计算的发展钢筋混凝土结构从19世纪中叶开始出现至今已有100多年的历史了。混凝土本身是非匀质非弹性材料，而钢筋混凝土是由混凝土和钢筋两种材料组合而成，与匀质弹性材料有很大差别。早期由于缺乏试验研究和工程实践经验，只好借助于人们己经熟悉的适用于弹性材料的允许应力的设计方法。这是钢筋混凝土结构第一阶段的设计方法，至今还有一些国家的规范在沿用。我国的铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范TB1002.3-2005仍采取了允许应力的设计方法。随着工程实践经验的积累和试验研究的不断开展，人们发现在高应力水平下

13、混凝土并非具有完全的弹性性质，而具有弹塑性性质，继而出现了考虑材料塑性性能的按破损阶段进行设计的第二阶段的设计方法。第三阶段的设计方法就是现在许多国家规范采用的按极限状态理论进行设计的方法。极限状态理论目前己为国际上所公认。近些年来的发展就是把数理统计和概率论的知识应用到对作用(包括荷载作用和非荷载作用)的分析和结构或构件抗力(主要是材料强度)的分析。用概率论的观点来研究结构或构件的失效概率或可靠度，可以认为是设计概念的重大进步。4.2 容许应力法1）基本假定2）换算截面3）单筋矩形截面复核4）单筋矩形截面复核5）容许应力法的 容许应力法做为设计的一种方法延续了许多年，至今还有些国家的设计规范

14、在采用，前面已经提到。容许应力法具有概念清楚，适用面广等优点； 问题：容许应力c、s主要是由经验确定，缺乏明确的论证。混凝土材料只有在低应力情况下(c0.4fc)才表现为线弹性，而当应力较高时混凝土出现一定的塑性，显然假定混凝土的应力为线弹性分布是不合理的。在应用容许应力法时，需将钢筋面积折算为同位置的混凝土面积，其中E是一个重要的参数。aE=Es/Ec，钢筋弹性模量Es在钢筋屈服之前取为常量是合理的。混凝土的弹性模量Ec只能用来反映混凝土应力较小时的弹性性能，而当应力较高时混凝土出现塑性后Ec值要降低，也就是aE值要增大，而实际上有的规范已经注意到适当地增大aE值以与实际情况相符。 4.3

15、极限状态法1）钢筋混凝土梁正截面破坏阶段整体工作阶段梁的受力阶段划分为三个阶段： 带裂缝工作阶段破坏阶段a：整体工作阶段（阶段）受力特征b：整体工作阶段末期：计算钢筋混凝土构件裂缝出现（开裂弯矩）时，以此阶段应力图为基础。c：带裂缝工作阶段（阶段）开裂瞬间：受力变形特征：按允许应力法计算钢筋混凝土构件的弹性分析理论以此阶段为基础。d：破坏阶段（阶段）（1）钢筋屈服，裂缝向上不断延伸，中性轴上移受压区不断减小，压应力增加，合力作用点不断上移靠内力臂的增加抵抗外载的增加。（2）荷载变化幅度较小，而挠度增加幅度很大（延性特征）。（3）在跨越裂缝的较大范围内，大体上符合平截面假定。（4）混凝土被压碎，

16、标志着梁破坏。这一阶段是按承载力极限状态计算钢筋混凝土构件的基本出发点。2）受弯构件正截面破坏特征影响受弯构件正截面破坏形态的因素：（1）适筋梁塑性破坏破坏特征破坏前有明显的预兆-裂缝急剧开展，截面产生较大的塑性变形，挠度较大。受拉钢筋先屈服，受压区混凝土后压碎。（2）超筋梁脆性破坏随着配筋率增加，受拉区开裂后： （某一界限值），钢筋屈服的同时砼被压碎.-适筋梁的最大配筋率当即成为超筋梁，破坏始于混凝土压碎，钢筋未屈服破坏前无明显预兆（3）少筋梁脆性破坏破坏特征2）基本假定3）受压区混凝土应力分布的等效处理实际的曲线应力分布等效的矩形应力分布等效的原则： 1.合力的大小不变 2.合力的作用点不

17、变 正截面抗弯承载力计算：（以破坏瞬即的应力状况为依据）受压区应力分布-等效的矩形应力分布受拉区混凝土-忽略不计受拉钢筋-（实际屈服强度）-实际破坏弯矩（对试验梁）以单筋矩形截面梁为例： （A） （B）由式（A）得： （C）受压区相对高度： （D）由式（B）得： （E）由式（A）得： 将式（E）代入上式得： （F） 对试验梁而言，式（F）右边各项均为已知，即每一次试验可计算出一个，并与进行比较： 试验分析表明-与及没有明显关系 影响的主要因素是受压区相对高度 由试验规律可知：0.5时，其平均值1.1体现：混凝土结构设计规范（GB50010-2010）6.2.6条4）相对界限受压区高度的确定：界

18、限破坏时截面受压区相对高度体现1：混凝土结构设计规范（GB50010-2010）6.2.7条体现2：公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D622004)5.2.1条5）最小配筋率 的确定原则-为保证混凝土受拉边缘出现裂缝时，梁不致因配筋过少面发生破坏，钢筋混凝土梁的承载弯矩不小于同条件下素混凝土梁的开裂弯矩（按阶段末计算） 对单筋矩形截面梁，内力偶臂,而。 体现1：混凝土结构设计规范（GB50010-2010）8.5.1条。体现2：公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D622004)9.1.12条。4.4 梁的检算流程1）检算内容（1）截面（配筋）设计和承载力复核考

19、虑作用分项系数（2）验算短期效应，为安全起见，可考虑一定的分项系数2）受弯构件正截面（1）矩形单筋（非抗震，无；抗震，混规11.1.6，）【a】 混规6.2.10 【b】混规6.2.10 （2）矩形双筋（非抗震，无；抗震，混规11.1.6，）【a】 混规6.2.10 【b】 混规6.2.10 （3）T形单筋（非抗震，无；抗震，混规11.1.6，）【a】混规6.2.11 【b】混规6.2.11 3）受弯构件斜截面4)验算5）构造要求 4.5 柱的检算流程1)轴心受压柱依据混凝土结构设计规范（GB50010-2010）中6.2.15、6.2.16条进行计算：2)偏心受压柱（1）大偏心受压与小偏心受

20、压（2）大小偏心判别混凝土结构设计规范（GB50010-2010）6.2.17条规定：【a】试算法【b】大小偏心判别方法汇总（3）偏压正截面对称配筋（4）偏压斜截面（4）承载力复核【a】偏心距不变的情况下，复核Ndu【b】轴向力N不变的情况下，复核Mdu（5）截面应力验算【a】混凝土压应力：【b】受压钢筋应力：【c】受拉钢筋应力： 【d】剪应力：4.6 局压计算1）混凝土局部承压提高系数 式中，Ab局部承压的计算底面积。采用“同心对称有效面积法”确立； Al局部承压面积（考虑在钢垫板中设45刚性角扩大的面积）； 2）混凝土局部承压检算流程【a】配筋局压【b】无筋局压4.7 预埋件4.8 正常使

21、用极限状态验算5实例之梁5.1 实例1成都地铁计算方案5.1.1 工程概况天回镇南站位于成都军区总医院西侧，川陕路下方。本站共设置两组风亭，四个出入口，2.4m自来水管上跨1#风亭、A、B出入口及2#风亭，跨度依次为20m、9.4m、9.4m、31.4m。水管埋深2.5m3m，下方设置素混凝土垫层，厚度不明，管底距附属结构顶部在13.5cm31.5cm范围内。2.4m自来水管材质为PCCP管（预应力钢筒混凝土管），内径为2.4m,管壁厚度0.2m，单节有效长度为5m，自重为18t/节，过水量为22.6m3/节，节与节之间连接方式为钢制承插口（凹槽和胶圈形成了滑动式胶圈的柔性接头），管材接头极限

22、变形为0.5，供水管工作时水压为0.30.4MPa，供水量为40万吨/天（供成都市1/4用水）。1#风亭处的桩顶标高为506.58m，A、B出入口的桩顶标高为508.76m，2#风亭处的桩顶标高为506.47m，四部分安全防护结构桩基所对应地层的物理力学参数见下表。表5.1-1 1#风亭安全防护桩基地层土物理力学参数表序号地层编号岩土名称土层厚度土的状态施工方法极限侧阻力标准值（kPa）极限端阻力标准值（kPa）压缩模量（MPa）15-3中风化泥岩1.22/钻孔灌注1103000/25-2强风化泥岩1.7/钻孔灌注7010001635-3中风化泥岩9/钻孔灌注1103000/表5.1-2 A、

23、B出入口安全防护桩基地层土物理力学参数表序号地层编号岩土名称土层厚度土的状态施工方法极限侧阻力标准值（kPa）极限端阻力标准值（kPa）压缩模量（MPa）14-1-1粘土0.91硬塑钻孔灌注70/11.525-1全风化泥岩2.5/钻孔灌注70/6.235-3中风化泥岩8.7/钻孔灌注1103000/5.1.2 安全防护方案1#风亭、A、B出入口及2#风亭上方的自来水管安全防护结构均采用排架结构，排架间距为2.5m，排架结构之间的用纵梁将其连接成整体，确保结构的稳定。水管采用混凝土U型底座将其固下，底座置于立柱横梁上，横梁采用C35混凝土，1#、2#风亭横梁的尺寸为6600mm（长）1000mm

24、（宽）800mm（高），A、B出入口处横梁的尺寸为6600mm（长）1000mm（宽）600mm（高）；立柱为4个L20014等边角钢组成的缀板格构柱，横向间距4.6m，纵向间距2.5m，钢材为Q235，缀板为600mm400mm16mm，竖向中心距1.15m，1#、2#风亭处立柱高度为6.0m，A、B出入口处立柱高度为4.2m；桩基为直径1.2m的钻孔灌注桩，采用C30混凝土，角钢伸入桩基1.5m，且与桩基钢筋焊接，1#风亭、A、B出入口处桩长为3.5m，2#风亭处桩长为5.0m。5.1.3 计算依据1）成都地铁3号线6标天回镇南站DN2400自来水管保护安全专项施工方案2）军区总医院站车站

25、附属结构图3）混凝土结构设计规范（GB50010-2010）4）钢结构设计规范（GB50017-2003）5）建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）6）热轧型钢（GB/T706-2008）5.1.4 计算参数1）混凝土容重：26kN/m3；2）C35混凝土：fc=16.7MPa，ft=1.57MPa，Ec=3.15104MPa C30混凝土：fc=14.3MPa，ft=1.43MPa，Ec=3.0104MPa HRB400钢筋：fy=360MPa，fy=360MPa，Ec=2.0105MPa Q235钢：f=205MPa，fv=120MP； 角焊缝：；3）振捣混凝土产生的荷载：2.5kN/m

26、2；4）横梁挠度控制值：8mm，挠跨比1/575；5 1.5 1#风亭防护结构计算1） 荷载计算自来水管的自重：横梁承受的集中荷载承载力极限状态：正常使用极限状态：横梁承受的均布荷载承载力极限状态：正常使用极限状态：2） 横梁计算（1） 内力计算受力计算模型如下图所示：横梁受力计算简图承载力极限状态内力计算RA=1/2（243.66+28.466.6）=215.75kNM=215.752.3-1/228.463.32=341.26KNMVA=215.75-128.46=187.3kNVA/RA=187.3/215.75=0.868正常使用极限状态内力计算P=81.222.5=203.05KNq

27、=10.826=20.8RA=1/2（203.05+20.86.6）=170.165KNMq=170.1652.3-1/2(20.83.3)=278.1235KNm（2） 正截面受弯承载力计算横梁截面上、下部均布置8根直径18mm的HRB400钢筋，计算过程如下AS=AS=8254.5=2036mm2,保护层厚度C=78mm，aS=aS=78+9=87mm砼规6.2.6、6.2.7条：得1=0.8，1=1.0，b=0.518Mu=yAs（h-as-as）=3602036（800-87-87）=458.8KNm341.26KNm，正截面满足要求。（3） 斜截面受剪承载力计算砼规6.3.4、6.3

28、.7条：=a/ho=2.3/(0.8-0.87)=3.23,取=3.0，cv=1.75/(3+1)=0.4375V=187.3cvtbho=0.43751.571000（800-87）=489.74KN故可不进行斜截面受剪承载力计算。（4） 挠度验算砼规7.1.4-3、7.1.2-4式：=278.1235106/(0.877132036)=220.22N/mm=2036/(0.51000800)=0.00509 取=1.1-(0.652.2)/（0.01220.22）=0.45065砼规7.1.4-7式：砼规7.2.3条：=2036/(1000713)=0.00285=(2.0105)/(3.

29、0104)=6.67（2.010520367132）/(1.150.45065+0.2+66.670.00285)=2.4872104Nmm2砼规7.2.5条:=，=1.6，B=BS/1.6=1.55441014Nmm21=PL/48B=(203.0510346003)/(481.55441014)=2.65mm2=5ql4/384B=(520.84.641012/(3841.55441014)=0.78mm=1+2=2.65+0.78=3.43mm 满足要求。（5） 裂缝计算砼规7.1.2 CS=78mm65 取CS=65；cr=1.9sq=220.22N/mm2，te=0.01，=0.45

30、065，deq=18mm=(1.90.45065220.22)/(（2.0105）（1.965+0.0818/0.01）)=0.26mm0.3 满足要求。3） 立柱计算L20014截面特性：A1=54.642cm I1=2103.55cm4 imin=3.98cm Ix=4I1+A(35-5.46)=42103.55+54.64229.54=199139.1722cm4ix=30.1846cm参考钢规D-1 k1取0.1 k210则计算长度系数=1.7（1） 虚轴稳定性计算N=215.75+40.428946=226.05KN钢规5.1.3条x=1.7600/30.1846=33.81=75/

31、3.98=18.85钢规5.1.2条:截面分类为b类 =0.903=N/A=(226.05103)/(0.903454.642)=11.5MPa 满足要求。（2） 分肢稳定性钢规5.1.4条：1=75/3.98=18.85489.2KNm，正截面满足要求。3) 斜截面受剪承载力计算砼规6.3.4、6.3.7条：cv=0.7V=246.8cvtbho=0.71.891000（800-72）=963.1KN故可不进行斜截面受剪承载力计算。4) 挠度验算(1）支点处截面刚度砼规7.1.4-3、7.1.2-4式：砼规7.1.4-7式：砼规7.2.3条：砼规7.2.5条：，=1.6，B=BS/1.6=3

32、.75661014Nmm2(2）跨中截面刚度砼规7.1.4-3、7.1.2-4式：砼规7.1.4-7式：砼规7.2.3条：砼规7.2.5条：，=1.9055，B=BS/1.9055=7.37361014Nmm2(3）挠度计算取支点处截面刚度作为全跨的计算刚度，经计算可知：刚度满足要求。5) 裂缝验算砼规7.1.2 CS=60；cr=1.9sq=202.1N/mm2，te=0.01，=0.25092，deq=22mm 满足要求。6 实例之柱桥墩加固6.1 桥墩截面转换加强结构截面按面积、惯性矩和形心位置不变的原则换算成等效工字形截面。截面转换如下：空心部分形心距截面顶端的距离=200cm,距截面底端的距离=200cm,空心部分对形心惯性矩为I=331873149,面积为A=107416,则有：解上述方程组得=192.55cm,=557.85cm等效工字形截面尺寸如下：（如图）等效工字形截面的上翼缘板厚度：=等效工字形截面的下翼缘板厚度：=等效工字形截面的肋板厚度：图6.1-1 加强截面等效图（单位：