高速公路桥梁4×20米预应力T梁设计

刘健辉

(湖北工业大学,湖北 武汉 430068)

1 设计资料

设计荷载：公路—Ⅰ级；桥梁跨径：80m=4*20m；路面横坡：2%；纵坡：1%；桥面净宽：10m；通航标准：三级通航标准；工程地质条件：以黏土、粉土、粉砂为主。

结构形式：上部结构为T形预应力钢筋混凝土简支梁桥,梁全长80=4×20m。下部结构采用重力式墩台。

2 上部结构设计

2.1 主梁尺寸拟定

(1)主梁间距：主梁翼板宽度为2375mm,工作截面b=1675+700*2=2375mm,桥面采用四片主梁。

(2)主梁高度：本设计的主梁的高度采用2000mm。

(3)细部尺寸：翼板厚度取用150mm,翼板根部加厚到250mm,腹板厚度200mm。

2.2 横截面沿跨长的变化

此设计桥梁的梁高采取等高度的设计,横截面的T梁翼板宽度在全桥长度上是不变的,在距离梁的端部1530mm范围内将腹板宽度加厚到和马蹄宽度相等。

2.3 横隔梁的设置

本设计每跨加端部共设置六道横隔梁,间距(20000-480×2-40)/5=3800mm,端横隔梁宽度为250mm,跨中横隔梁宽度为160mm。

2.4 桥面铺装

设计总厚度170mm,其中,水泥混凝土厚度80mm,沥青混凝土厚度90mm,两者之间加设防水层。

3 作用效应计算

3.1 永久作用计算

依次对桥进行预制梁自重、二期恒载进行计算。其中预制梁自重包括跨中段自重、马蹄抬高端到腹板变宽梁段自重、支点段自重、边主梁横隔梁。计算得主梁永久作用集度边主梁：

q1=22.0355(KN/m),中主梁：g1=22.9915(KN/m)；二期恒载包括横隔梁、铺装、防撞栏。计算的边梁二期永久荷载作用集度：g2=13.2124KN/m。再对其进行永久作用效应计算。

3.2 可变效应计算

3.2.1 冲击系数和车道折减系数

估算基频：f按照公式计算可得为4.2812Hz,其中计算所需m根据自重计算得2226.68kg/m。

根据上述计算最终得到汽车荷载冲击系数：μ为0.2412[1]。

3.2.2 计算横向分布系数

(1)跨中横向分布系数抗扭惯性矩。翼缘板部分：t1为17.30,t3为32.5。

(2)抗扭修正系数β。根据规范给出的公式,式中：G=0.4E,l=31m,∑Ιn=8×0.011638014=0.093104112m3,Ιn=0.443227962m3,解得：β=0.9462。

(3)横向影响线竖坐标值ηij。计算荷载横向分布系数, 1号梁的可变作用向分布系数：根据可变作用类型及公路级别,mc=0.6593,mo=0.5。

3.2.3 车道荷载的取值

车道荷载的取值需要按照下面的取值：均布荷载为10.5KN/m,集中荷载为240KN/m。

计算剪力时,按1.2倍集中荷载计算得288KN/m。

4 预应力刚束的估算及其布置

4.1 跨中截面钢束的估算和确定

4.1.1 按正常使用极限状态的应力要求估算钢束数

钢束的估算公式为：

一号梁：计算得n=4.9。

4.1.2 按承载能力极限状态估算钢束数

根据极限状态的应力计算图式,钢束数的估算公式为：

计算得一号梁为5.7,二号梁为5.3。根据上述两种极限状态,取钢束数n为6。

4.2 预应力钢束的布置

钢束群重心至梁底的距离为(9+16.7)/2=12.85cm。

跨中截面钢束布置为底板位置双层排列,每排四根,锚固端为底板四根两层,腹板竖向两根。

5 钢束预应力损失计算

(1)预应力钢束与管道壁之间的摩擦一起的预应力损失计算,一般情况下考虑因素有钢束与管道壁的摩擦系数；从张拉端到计算截面曲线管道部分切线的夹角；管道每米局部偏差对摩擦的影响系数等。

(2)由锚具变形、钢束回缩引起的预应力损失σ12。根据《公预规》附录D：在反摩擦影响长度内,距张拉端x处的锚具变形、钢筋回缩损失：σl2=2Δσd(lf-x)。在反摩擦影响长度外,锚具变形、钢筋回缩损失：σl2=0。

(3)混凝土弹性压缩引起的预应力损失σl4。

由于本例为小型桥,混凝土弹性压缩不计[2]。

6 主梁截面承载力与应力验算

(1)持久状态承载力极限状态承载力验算。其包括正截面承载力验算、斜截面承载力验算。其中斜截面又需要考虑斜截面抗剪承载力验算、斜面抗剪承载力验算。

(2)持久状况正常使用极限状态抗裂验算。其中包括正截面抗裂验算、斜截面抗裂验算。

(3)持久状况构件的应力验算。其中包括正截面混凝土压应力验算、预应力筋拉应力验算、截面混凝土主压应力验算。

(4)短暂状况构件的应力验算。包括预加应力阶段的应力验算。

7 主梁变形验算。

(1)计算由预加力引起的跨中反拱度。根据规范计算预加力引起反拱度值。

(2)结构刚度验算。按照《公预规》6.5.3条规定,“预应力混凝土受弯构件计算的长期挠度值,在消除自重产生的长期挠度后两的最大挠度不应超过计算结构的1/600”,即：fs1-fs2=3.322cm<2000/600=3.33cm。 故本设计满足要求[3]。

8 横隔梁计算

对于横隔梁的计算,先确定作用在跨中横隔梁上的可变作用,再做出横隔梁的作用效应影响线,其包括弯矩影响线和剪力影响线。再根据前面计算进行截面作用效应计算,横隔梁截面配筋与验算。

9 行车道板计算

首先进行悬臂板荷载效应计算。行车道板按单向板计算,悬臂长度为1.0875m。依次进行永久作用和承载能力极限状态基本组合。然后进行连续板荷载效应计算。先计算永久作用和可变作用。然后进行作用效应组合。最后进行截面设计、配筋及承载力验算。

10 桥台下部结构设计计算

(1)设计材料：台帽用C25钢筋混凝土,密度γ=25kN/m3,台身采用C20混凝土,重度γ=25kN/m3,轴心抗压强度fcd=7.82MPa,基础采用15号混凝土砌块石,重度γ=23kN/m3,轴心抗压强度fcd=5.17MPa。

(2)与上部结构设计方法相差不大,先根据受力性质及地质结构,进行尺寸拟定,再进行荷载计算。计算顺序为上部结构荷载、台身侧墙及填土重力、基础及襟边上土重,然后进行台身特征值计算。最后进行台身截面强度验算。

11 结束语

本文旨在通过对简支T梁的简略计算。让各位读者熟悉桥梁设计的步骤。熟悉桥梁建筑过程中对各种材料的使用情况。笔者着重考虑建筑材料的革新对桥梁施工设计的影响。随着建筑用材各种性能的改善,甚至发生质的变化,笔者相信,桥梁的设计与施工同样会发生翻天覆地的变化。在工艺上更科学,在建设中更经济。