学习情境3 梁式桥设计.ppt
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1、学习情境3 梁式桥设计梁式桥设计1工作任务任务1.认识简支梁桥;任务2.简支梁桥的设计与计算。2学习目标学习目标1.叙述板桥的构造与设计内容;2.叙述装配式简支梁桥的构造与设计内容;3.叙述杠杆原理法和偏心受压法计算荷载横向分布系数的方法;4.叙述计算简支梁桥的各类行车道板的荷载分布及有效工作宽度;5.叙述主梁梁肋内力计算的方法;6.叙述桥面板内力计算的方法;7.能运用设计规范、手册和标准图进行公路中、小桥梁的设计,并计算工程数量。3任务一任务一 认识简支梁桥认识简支梁桥 简支体系梁式桥简称简支梁桥,属静定结构,受力明确,在竖直荷载作用下支撑处只有竖向反力,梁体以受弯为主,同时承受剪力。简支梁
2、桥结构适用于修建中小跨径桥梁,其构造相对较简单。简支梁桥可以按照截面形式、施工方法、有无预应力的不同进一步分类。4按截面形式分,常见的有简支板、简支T梁、简支箱梁、组合简支梁。按施工方法分,有整体现浇板、预制安装板(梁)。按是否施加预应力分,有钢筋混凝土(板)梁桥、预应力混凝土(板)梁桥。在已建成的桥梁中,中小跨径的桥梁占了大多数,特别是城市桥梁中,以中小跨径的桥梁为主。简支体系梁式桥是最常用的桥型。5板桥的优点:板桥的优点:建筑高度小;建筑高度小;外形简单,制作方便;外形简单,制作方便;装配式板重量不大,架设方便。装配式板重量不大,架设方便。缺点:缺点:跨径小跨径小6整体式简支板桥整体式简支
3、板桥截面形式截面形式实心板、矮肋板、异形板实心板、矮肋板、异形板7施工方法施工方法整体现浇整体现浇适用跨径适用跨径8m以下以下尺寸拟定尺寸拟定板厚一般为板厚一般为(1/121/16)l受力状态受力状态跨径与板宽接近,双向受力跨径与板宽接近,双向受力钢筋构造钢筋构造主筋直径不小于主筋直径不小于10mm,间距不,间距不 大于大于20cm;分布钢筋直径不小于;分布钢筋直径不小于 8mm,间距不大于,间距不大于20cm等等8图3-1-49截面形式截面形式实心板、空心板实心板、空心板 1)装配式实心矩形板桥)装配式实心矩形板桥 形状简单,施工方便,建筑高度小。适用形状简单,施工方便,建筑高度小。适用跨径
4、跨径1.58m,板高,板高0.160.36m。101112 2)装配式空心板桥)装配式空心板桥 将截面中部部分挖空形成的截面,减小自将截面中部部分挖空形成的截面,减小自重,充分利用材料。重,充分利用材料。开孔型式:开孔型式:单孔:挖空率大,质量小,需横向受力钢单孔:挖空率大,质量小,需横向受力钢筋;筋;多孔:挖空率小,质量大。多孔:挖空率小,质量大。1314151617适用范围及截面尺寸适用范围及截面尺寸顶、底板厚不小于顶、底板厚不小于80mm。18192021横向连接横向连接 企口混凝土铰连接、钢板连接企口混凝土铰连接、钢板连接 1)企口混凝土铰接)企口混凝土铰接 铰的形式:圆形、菱形、漏斗
5、形铰的形式:圆形、菱形、漏斗形 铰缝填料:铰缝填料:C25C40细骨料混凝土细骨料混凝土 若要桥面铺装参予受力,需将预制板中钢若要桥面铺装参予受力,需将预制板中钢筋伸出与相邻板中同样钢筋帮扎,浇筑在铺装筋伸出与相邻板中同样钢筋帮扎,浇筑在铺装层内。层内。22 为保证桥梁的整体刚度,现浇混凝土铺装为保证桥梁的整体刚度,现浇混凝土铺装厚度不宜小于厚度不宜小于8cm。铰的上宽度需满足施工要求。铰的上宽度需满足施工要求。铰槽深度宜为预制板高的铰槽深度宜为预制板高的2/3。232425 2)钢板连接)钢板连接 企口混凝土铰接需待混凝土达设计强度后企口混凝土铰接需待混凝土达设计强度后才能通车,为加快工程进
6、度可采用钢板连接。才能通车,为加快工程进度可采用钢板连接。用一块钢板焊在相邻两构件的预埋钢板上。连用一块钢板焊在相邻两构件的预埋钢板上。连接构造的纵向中距通常为接构造的纵向中距通常为80150cm,中间较,中间较密,两端渐疏。密,两端渐疏。261、构造布置、构造布置适用跨径适用跨径8.0 20m主梁布置主梁布置 主梁间距通常在主梁间距通常在1.52.2米之间米之间横梁布置横梁布置 横隔梁起着保证各根主梁相互连接成整体横隔梁起着保证各根主梁相互连接成整体的作用。的作用。装配式钢筋混凝土简支装配式钢筋混凝土简支T梁桥梁桥2728 它的刚度越大,桥梁的整体性越好,荷载它的刚度越大,桥梁的整体性越好,
7、荷载作用下各主梁越能更好的共同工作。但横隔梁作用下各主梁越能更好的共同工作。但横隔梁的设置使主梁模板工作复杂,施工较麻烦。的设置使主梁模板工作复杂,施工较麻烦。钢筋混凝土钢筋混凝土T形梁必须设置端横隔梁,跨形梁必须设置端横隔梁,跨内横隔板随跨径的大小宜每隔内横隔板随跨径的大小宜每隔5.010.0m设置设置一道。一道。2.截面尺寸截面尺寸主梁梁肋尺寸主梁梁肋尺寸 主梁高跨比经济范围约为(主梁高跨比经济范围约为(1/111/16)跨径大的取用偏小的比值。跨径大的取用偏小的比值。29 主梁梁肋宽度在满足抗剪强度需要的前提主梁梁肋宽度在满足抗剪强度需要的前提下,尽量薄些,但考虑梁肋稳定和施工也不能下,
8、尽量薄些,但考虑梁肋稳定和施工也不能太薄,一般取太薄,一般取1518cm。横隔梁尺寸横隔梁尺寸 中横隔梁高取主梁高的中横隔梁高取主梁高的3/4;有马蹄时,;有马蹄时,横隔梁要延伸至马蹄加宽处。横隔梁要延伸至马蹄加宽处。端横隔梁高,可取与中横隔梁同高;也可端横隔梁高,可取与中横隔梁同高;也可取与主梁同高。取与主梁同高。横隔梁厚度一般为横隔梁厚度一般为1216cm,中部可挖,中部可挖空。空。30313233主梁翼板尺寸主梁翼板尺寸 翼板采用变厚形式,翼缘根部厚度不小于翼板采用变厚形式,翼缘根部厚度不小于梁高的梁高的1/10,边缘厚度不小于,边缘厚度不小于10cm;板间横;板间横向整体现浇时,悬臂端
9、厚不应小于向整体现浇时,悬臂端厚不应小于14cm。主。主梁间距小于梁间距小于2.0m的铰接梁桥,板边厚可取的铰接梁桥,板边厚可取12cm或或10cm;主梁间距大于;主梁间距大于2.0m的刚接梁的刚接梁桥,桥面板跨中厚度不小于桥,桥面板跨中厚度不小于15cm,边缘板边,边缘板边厚不小于厚不小于14cm。钢筋布置需满足规范要求。钢筋布置需满足规范要求。3.主梁钢筋构造主梁钢筋构造 主梁钢筋分为:纵向主筋、架立钢筋、斜主梁钢筋分为:纵向主筋、架立钢筋、斜筋及弯起钢筋、箍筋、分布钢筋。筋及弯起钢筋、箍筋、分布钢筋。34354、横向连接、横向连接 桥面板横向连接构造、横隔梁横向连接构桥面板横向连接构造、
10、横隔梁横向连接构造。横向连接构造应有足够的强度保证结构的造。横向连接构造应有足够的强度保证结构的整体性,并使在营运过程中安全承受荷载的反整体性,并使在营运过程中安全承受荷载的反复作用和冲击作用而不发生松动。复作用和冲击作用而不发生松动。桥面板横向连接构造桥面板横向连接构造焊接接头焊接接头用钢板连接用钢板连接湿接接头湿接接头将翼缘伸出钢筋连成整体将翼缘伸出钢筋连成整体36焊接接头焊接接头湿接接头湿接接头37横隔梁横向连接构造横隔梁横向连接构造钢板焊接连接钢板焊接连接施工后可立即承受荷载,施施工后可立即承受荷载,施工困难工困难扣环连接扣环连接现浇混凝土较多,施工后不能立现浇混凝土较多,施工后不能立
11、即承受荷载即承受荷载381、构造布置、构造布置适用跨径适用跨径20 50m主梁布置主梁布置 主梁间距通常在主梁间距通常在1.82.3米之间米之间横梁布置横梁布置 横隔梁布置基本与钢筋混凝土简支梁桥相横隔梁布置基本与钢筋混凝土简支梁桥相同。同。装配式预应力混凝土简支装配式预应力混凝土简支T梁桥梁桥392.截面尺寸截面尺寸主梁尺寸主梁尺寸 主梁高跨比经济范围约为(主梁高跨比经济范围约为(1/151/25)跨径大的取用偏小的比值。跨径大的取用偏小的比值。主梁梁肋宽度一般取主梁梁肋宽度一般取1820cm。主梁翼板尺寸与钢筋混凝土梁桥相同。主梁翼板尺寸与钢筋混凝土梁桥相同。横隔梁尺寸横隔梁尺寸 横隔梁尺
12、寸与钢筋混凝土梁桥相同。横隔梁尺寸与钢筋混凝土梁桥相同。40下马蹄尺寸下马蹄尺寸占截面总面积的占截面总面积的10 20%(1)马蹄总宽度约为肋宽的)马蹄总宽度约为肋宽的2 4倍,并注意马蹄倍,并注意马蹄部分(特别是斜坡区),管道保护层不宜小于部分(特别是斜坡区),管道保护层不宜小于60mm。(2)下翼缘高度加)下翼缘高度加1/2斜坡区高度约为梁高的斜坡区高度约为梁高的(0.15 0.20)倍,斜坡宜陡于)倍,斜坡宜陡于45。梁端,梁宽与下马蹄同宽梁端,梁宽与下马蹄同宽414243 3.主梁钢筋构造主梁钢筋构造 预应力钢筋、普通钢筋。预应力钢筋、普通钢筋。预应力钢筋布置预应力钢筋布置 布置形式与
13、桥梁结构体系、受力情况、布置形式与桥梁结构体系、受力情况、构造形式、施工方法等有密切关系。构造形式、施工方法等有密切关系。44普通钢筋构造普通钢筋构造 普通钢筋的布置和构造要求与钢筋混凝普通钢筋的布置和构造要求与钢筋混凝土简支梁桥相同。土简支梁桥相同。45纵向预应力筋的锚固4647任务二任务二 简支梁桥的设计与计算简支梁桥的设计与计算 主要介绍主梁、桥面板的内力及主梁挠度、预拱度的计算。主梁是桥梁结构的主要承重构件,是桥梁的重要组成部分。桥面板(或称行车道板)直接承受车辆的集中荷载,通常又是主梁的受压翼缘,它的工作状态不但影响到行车质量,而且还涉及主梁的受力。通常在桥梁上部结构计算时,可先计算
14、主要承重构件(主梁),其次计算次要受力构件(桥面板、横隔梁)。48一、主梁内力计算一、主梁内力计算主梁的设计内力包括恒载内力、活载内力和其他作用引起的内力(如风力或离心力引起的内力)。桥梁设计内力中恒载的计算比较简单,除了考虑实际的结构自重外,通常可以近似地将桥面铺装、人行道、栏杆等的质量分摊给各片主梁来承担,按平面问题来计算各片主梁的内力。4950 由于实际结构的复杂性,对这种空间的计算问题一般是由于实际结构的复杂性,对这种空间的计算问题一般是化成平面问题来求解。化成平面问题来求解。(x,y)(x,y)表示结构某点截面的内力影响面表示结构某点截面的内力影响面S S表示结构某点截面的内力值表示
15、结构某点截面的内力值S=P S=P (x,y)(x,y)51 由于实际结构的复杂性,对这种空间的计算问题一般是由于实际结构的复杂性,对这种空间的计算问题一般是化成平面问题来求解。化成平面问题来求解。(x,y)(x,y)表示结构某点截面的内力影响面表示结构某点截面的内力影响面S S表示结构某点截面的内力值表示结构某点截面的内力值S=P S=P (x,y)(x,y)52 若将影响面函数若将影响面函数(x,y)(x,y)近似分解为两个单值函数的乘近似分解为两个单值函数的乘积即积即1 1(x)(x)2 2(y)(y),则对某根主梁的某一截面的内力值就,则对某根主梁的某一截面的内力值就表示为:表示为:S
16、=P S=P (x,y)=P (x,y)=P 2 2(y)(y)1 1(x)(x)1 1(x)(x)单梁某一截面的内力影响线单梁某一截面的内力影响线2 2(y)(y)单位荷载沿横向作用在不同位置时对某梁所分单位荷载沿横向作用在不同位置时对某梁所分配的荷载比值曲线,(对于某梁的荷载横向分布影响线)配的荷载比值曲线,(对于某梁的荷载横向分布影响线)P P=P=P (x,y)(x,y),相当于,相当于P P作用在作用在a(x,y)a(x,y)点时沿横向分点时沿横向分配给主梁的荷载。配给主梁的荷载。53 如图所示,桥上作用着一辆前后轴重各为如图所示,桥上作用着一辆前后轴重各为P P1 1和和P P2
17、2的汽车荷的汽车荷载相应的轮重分别为载相应的轮重分别为P P1 1/2/2和和P P2 2/2/2。这样这样,就可完全像图所示平面问题一样就可完全像图所示平面问题一样,求得某梁上某截求得某梁上某截面的内力值。将空间问题简化成平面问题面的内力值。将空间问题简化成平面问题,引入荷载横向分引入荷载横向分布影响线并推算各梁分担的荷载布影响线并推算各梁分担的荷载,这就是利用荷载横向分布这就是利用荷载横向分布来计算多主梁结构内力的基本原理。来计算多主梁结构内力的基本原理。542.2.荷载横向分布系数的计算方法荷载横向分布系数的计算方法 (1 1)杠杆原理法)杠杆原理法(3 3)修正的刚性横梁法)修正的刚性
18、横梁法(4 4)铰接板、梁法)铰接板、梁法(5 5)刚接板、梁法)刚接板、梁法(6 6)比拟正交异性板法()比拟正交异性板法(G-MG-M法)法)以上六种实用计算方法所具有的共同特点是:从分析荷载在桥上以上六种实用计算方法所具有的共同特点是:从分析荷载在桥上的横向分布出发,求得各主梁的荷载横向分布影响线,再通过横向最的横向分布出发,求得各主梁的荷载横向分布影响线,再通过横向最不利加载来计算荷载横向分布系数不利加载来计算荷载横向分布系数m m。(2 2)偏心压力法(刚性横梁法)偏心压力法(刚性横梁法)55杠杆原理法杠杆原理法杠杆原理法的基本假定:忽略杠杆原理法的基本假定:忽略主梁之间的横向结构的
19、联系,主梁之间的横向结构的联系,假设桥面板在主梁上断开并与主梁铰接,把桥面板视为横向在假设桥面板在主梁上断开并与主梁铰接,把桥面板视为横向在主梁上的简支梁或悬臂梁。主梁上的简支梁或悬臂梁。采用杠杆法计算时采用杠杆法计算时 ,应当计算几根主梁的荷载横向分布系数,以便于,应当计算几根主梁的荷载横向分布系数,以便于得到承载能力最大的主梁内力作为设计依据。得到承载能力最大的主梁内力作为设计依据。杠杆原理法适用于计算杠杆原理法适用于计算荷载位于靠近主梁支点时的荷载横向分荷载位于靠近主梁支点时的荷载横向分布系数布系数m0,此时主梁的支承刚度远大于主梁问横向联系的刚度,受力特性此时主梁的支承刚度远大于主梁问
20、横向联系的刚度,受力特性与杠杆原理法接近。与杠杆原理法接近。外该法也可用于双主梁桥,或横向联系很弱的无中间横隔梁的外该法也可用于双主梁桥,或横向联系很弱的无中间横隔梁的桥梁。桥梁。56汽车:汽车:挂车:挂车:人群:人群:表示于轮载或人群荷载的线集度对应的影响线纵标值。表示于轮载或人群荷载的线集度对应的影响线纵标值。57585960(2 2 2 2)偏心压力法)偏心压力法)偏心压力法)偏心压力法a a)偏心压力法使用条件)偏心压力法使用条件c c)偏心压力法的分析过程偏心压力法的分析过程b)偏心压力法的基本前提)偏心压力法的基本前提61 偏心压力法计算荷载横向分布适用于桥上具有可偏心压力法计算荷
21、载横向分布适用于桥上具有可靠的横向联接,桥的宽跨比小于或接近靠的横向联接,桥的宽跨比小于或接近0.50.5的情况的情况(一般称为窄桥(一般称为窄桥),用于计算跨中截面荷载横向分布,用于计算跨中截面荷载横向分布系数系数m mc c。a a a a)偏心压力法使用条件)偏心压力法使用条件)偏心压力法使用条件)偏心压力法使用条件 62 I.在车辆荷载作用下,中间横隔梁可近似地看做在车辆荷载作用下,中间横隔梁可近似地看做一根刚度为无穷大的刚性梁,横隔梁全长呈直线变化。一根刚度为无穷大的刚性梁,横隔梁全长呈直线变化。b)偏心压力法的基本前提)偏心压力法的基本前提 II.忽略主梁的抗扭刚度,即不计入主梁对
22、横隔梁的忽略主梁的抗扭刚度,即不计入主梁对横隔梁的抗扭矩。抗扭矩。6364 根据在弹性范围内,某根主梁所承受到的荷载根据在弹性范围内,某根主梁所承受到的荷载Ri与与该荷载所产生的跨中弹性挠度该荷载所产生的跨中弹性挠度 成正比例的原则,我们成正比例的原则,我们可以得出:在中间横隔梁刚度相当大的窄桥上,在沿横可以得出:在中间横隔梁刚度相当大的窄桥上,在沿横向偏心布置的活载作用下,总是靠近活载一侧的边主梁向偏心布置的活载作用下,总是靠近活载一侧的边主梁受载最大。受载最大。65c c)偏心压力法的分析过程偏心压力法的分析过程I.I.中心荷载中心荷载P Pl l的作用的作用II.偏心力矩的作用偏心力矩的
23、作用III.偏心力矩为偏心力矩为e 的单位荷载的单位荷载P=1对各主梁的总作用对各主梁的总作用6667I.I.中心荷载中心荷载P Pl l的作用的作用 由于中心荷载作用下,刚性中横梁整体向下平移则由于中心荷载作用下,刚性中横梁整体向下平移则各主梁的跨中挠度相等,即:各主梁的跨中挠度相等,即:根据材料力学,作用于简支梁跨中的荷载根据材料力学,作用于简支梁跨中的荷载(即土梁所分即土梁所分担的荷载担的荷载)与挠度的关系为:与挠度的关系为:或或桥梁横截面内各主梁的惯性矩。桥梁横截面内各主梁的惯性矩。68根据静力平衡条件,有:根据静力平衡条件,有:当各主梁截面相等时,即当各主梁截面相等时,即则则则中心荷
24、载则中心荷载P=1在各梁间的荷载分布为:在各梁间的荷载分布为:则则69 在偏心力矩在偏心力矩M1e 作用下,桥的横截面产生绕中心点作用下,桥的横截面产生绕中心点O的转角,因此各主梁的跨中挠度为的转角,因此各主梁的跨中挠度为:II.偏心力矩的作用偏心力矩的作用根据力矩平衡条件,有:根据力矩平衡条件,有:各片主梁梁轴到截面形心的距离。各片主梁梁轴到截面形心的距离。即即再根据反力与挠度成正比的关系,有再根据反力与挠度成正比的关系,有70再根据力矩平衡条件有:再根据力矩平衡条件有:有:有:又因:又因:当各主梁截面相等时,即当各主梁截面相等时,即则:则:71当当P=1位于位于i号梁轴上时号梁轴上时 e=
25、a ai i 对对k号主梁的总作用为:号主梁的总作用为:III.偏心力矩为偏心力矩为e 的单位荷载的单位荷载P=1对各主梁的总作用为对各主梁的总作用为72图图6.3.11中中1号梁的荷载横向分布影响线,即可通过求:号梁的荷载横向分布影响线,即可通过求:73各主梁截面相同时,上式可简化为:各主梁截面相同时,上式可简化为:74当横截面沿桥纵轴线对称时当横截面沿桥纵轴线对称时,只需取一半主梁只需取一半主梁(包括位于桥纵轴线上的包括位于桥纵轴线上的主梁主梁)作为分析对象作为分析对象;荷载沿横向的布置荷载沿横向的布置(车轮至路缘石的距离车轮至路缘石的距离,各车横向间距等各车横向间距等)应满足有应满足有关
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