[摘 要] 本设计为“鲍马河”桥设计,由三跨过河,全长60M。桥面净宽9M,由5道主梁组成,主梁采用普通装配式钢筋混凝土简支“T”形梁。设计主要内容为主梁的内力计算与钢筋的配置,支座的设计,桥墩台的设计以及全部结构施工图纸。按照一阶段施工图设计方案进行,完成该桥的全部设计。
[关键词] 简支梁桥 钢筋混凝土 横向分布系数 内力影响线 荷载
供铁路、道路、渠道、管线、行人等跨越河流、海湾、湖泊、山谷、低地或其它交通线路时使用的建筑结构称为桥或桥梁。
我国的建桥技术虽然已处于世界先进水平。但是,从总体上讲,我国现代桥梁的建桥技术还有待提高。我国幅员辽阔,人口众多,虽然改革开放以来交通基础设施取得了前所未有的巨大成就,但是和发达国家相比,不管是人均还是平均交通里程,仍处于很低水平,还有很多道路和桥梁等待着将来的建设者发挥其聪明才智。
桥梁可以分为很多种类型,其中以砼简支梁桥较为常用。砼简支梁桥构造简单,易于建造,形式多种多样,适应性强,不受基础条件限制,可标准化产生。因此,成为目前我国公路、铁路和城市桥梁中最常用的结构形式。
此次设计任务是校园内的鲍马河上采用普通装配式钢筋砼简支“T”形梁桥跨河,按施工图设计进行,完成该桥全部设计。
1.桥型方案设计
根据现场勘察与勘测,河面无通航要求,两河岸桥台之间距为60m。所以在桥纵向采用三跨过河,每跨20m,留2cm的施工缝,梁的有效跨径为19.96m,计算跨径为19.5m。由于公路Ⅱ级的桥梁,桥横向宽度采用7m+2×0.75m+2×025m=9m。人行道采用预制装配式,悬出主梁0.5m,桥面横向坡度和人行道横向坡度均采用1.5%,桥面纵向坡度为3%。行车道横坡从三角垫层开始放起,纵坡则通过桥墩标高的不同而控制。主梁截面为“T”形截面,翼板最小厚度为8cm,最大厚度为14cm,翼板宽为1.58m,两边梁翼板宽为1.59m,腹板宽为20cm。主梁总的高度为1.3m。桥梁的横向布置5道主梁,每道主梁设有5道横隔梁,桥梁以纵向,和横向均采用钢板焊接连接。桥面的铺装采用9cm厚的混凝土层和5cm厚的沥青面层。以上所采用的数据以及各种形式均符合《公路桥梁设计规范》的要求。
2.主梁设计
2.1 荷载横向分布计算
对于一座由多片主梁组成,并通过横隔梁、桥面板等横向连接构成一个整体的梁桥来说,当桥上有荷载P作用时,由于结构的横向刚性,必然会使所有主梁不同程度地分担荷载P。而且,荷载作用的横向位置不同,各梁分担的荷载及其内力,变形亦发生变化,因此桥中的各片梁是一个空间受力结构。
根据各种梁式桥不同的横向联结结构建立计算模型,有以下几种横向分布计算方法:
(1)杠杆原理法为把横向结构(桥面板和横隔梁)视作在主梁上断开而简支在其上的简支梁。
(2)偏心压力法为把横隔梁视作刚性极大的梁。
(3)横向铰接板法为把相邻板之间视作铰接,只传递剪力。
(4)横向刚性梁法为把相邻主梁之间视作刚性连接,即传递剪力和弯矩。
(5)比拟正交异性板法为将主梁和横隔梁的刚度换算成正交两个方向刚度不同的比拟弹性平板来求解。
以下重点介绍常用的杠杆法和偏心压力法,其他方法可参阅有关书籍。
2.1.1 杠杆原理法
按杠杆原理法进行计算的基本假定是忽略主梁之间横向结构的联系作用,即假设桥面板在主梁梁肋处断开,而当作沿横向支承在主梁上的简支梁或悬臂梁考虑。
杠杆原理法适用于荷载位于靠近主梁支点时的荷载横向分布影响线。此时,主梁的支承刚度远大于主梁间横向联系的刚度,荷载作用于某处时,基本上由相邻的两片梁分担,并传递给支座,其受力特性与械杆接近。另外,该方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。
利用杠杆原理法,可以计算出荷载位于支点时的各号梁的横向分布影响线,然后在影响线上按照最不利的原则,并且符合规范要求进行布置荷载。最不利位置即影响线面积最大的位置,公路Ⅱ级的第一个荷载距人行道边缘为0.5m。然后按照几何比例求出荷载在影响线图形上的投影竖标值,再利用公式即可求出荷载位于支点时的横向分布系数m。
2.1.2 偏心压力法
偏心压力法的基本前提是:其一,在车辆荷载作用下,中间横隔梁可近似的看作一根刚度无穷大的刚性梁,横隔梁全长呈直线变形;其二,忽略主梁的抗扭刚度,即不计入主梁对横隔梁的抵抗扭矩。
偏心压力法用于计算荷载横向分布适用于桥上具有可靠的横向联络,且桥的宽跨比B/L小于或接近0.5的情况时的跨中区域的荷载横向分布影响线。根据在弹性范围内,某根主梁所承受的荷载Ri与该荷载所产生的跨中弹性挠度Wi成正比的原则,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受载最大。
2.2 求最不利活载内力
求最不利活载内力首先要确定出一道梁的最不利活载位置。所谓的最不利活载位置就是简支梁在某个位置或某个截面处承受荷载的能力最小,那么,这个位置或截面就是这个梁的最不利活载位置。
根据力学计算得出结论:一道简支梁在跨中和L/4处承受的弯矩是最大的,在支点处承受的剪力是最大的,即在这三个位置承受荷载的能力是最小的。那么,我们就绘制出跨中和L/4处的弯矩影响线和支点及跨中的剪力影响线,然后在影响线面积最大的区域(按最不利原则)布置荷载,求出荷载在影响线上的竖标值,最后,对应荷载横向分布系数利用内力公式求出各号梁的最不利活载内力。
将计算出的这些内力值,结合恒载内力并考虑安全系数进行组合。在组合出的几组内力值当中,选一组最大值作为主梁的内力组合设计值。
2.3 主梁的配筋设计
简支梁作为受弯构件,其受力特征为上部受压力,而下部承受拉力。混凝土作为一种建筑材料,经过实验得出结论为:它有相当大的承受压应力的能力,即它的抗压强度很大;而它的承受拉应力的能力很小,即抗拉强度很小。混凝土简支梁是一种受弯构件,它的受力特征是:上部承受压力、下部承受拉力。混凝土有很大的抗压强度,它足够承受上部所受的压力,而钢筋有很大的抗拉强度,所以我们的配筋设计就是在混凝土梁的受拉区配置一定数量的钢筋,让钢筋和混凝土共同承受梁所受的拉力。
本设计配筋截面类型经计算确定为第一类“T”形截面,即它的中性轴位于翼板内,所以按矩形截面进行配筋计算。梁的配筋不仅要满足受力的要求还要满足配筋率的要求,要选择最合理的钢筋截面积,即不能出现超筋梁,也不能出现少筋梁。在设计规范中,通常规定最大配筋率和最小配筋率的限制来防止梁发生后两种破坏,保证梁的配筋处于适筋梁的范围,发生正常的塑性破坏。
3.横隔梁及桥面板设计
3.1 横隔梁设计
每道主梁布置5道横隔梁,横隔梁轴线之间的间距为4.8m,横隔梁高为1m与翼板同宽,横隔梁的厚为15m,横隔梁的连接采用钢板焊接连结。
计算横隔梁内力时,近似的将横隔梁看作是一道具有很大刚度并简支在主梁上的矩形梁。首先按杠杆法求出作用在中横隔梁上的计算荷载,再求出中横隔梁弯矩影响线和剪力影响线的控制竖标值,绘制出弯矩和剪力的影响线,然后在影响线上按最不利原则布置荷载,并求出荷载对应的影响线竖标值,最后利用内力计算公式求出中横隔梁的内力值。将横隔梁的内力值进行内力组合就得出最终横隔梁的内力组合设计值。
按此组合内力设计值对横隔梁进行配筋。横隔梁的配筋可近似的按照矩形截面受弯构件来计算,在受拉区配置受力钢筋,无需进行斜截面配筋计算只是按构造每隔25cm配置一道外径为10mm的箍筋。最后进行横隔梁配筋率的验算。
3.2 桥面板设计
本设计桥面板的横向采用钢板焊接连接,桥面板连接的一边每隔1m预埋一块钢板,桥梁吊装完成后在两块预埋钢板的上面再搭接一块钢板。由于桥面板的连接形式,其内力计算按多跨连续单向板计算。
计算桥面板的内力首先要求出有效工作宽度ao,当荷载以a1×b1的分布面积作用在板上时,板除了沿计算跨径 方向产生挠曲变形 外,沿垂直于计算跨径的y方向也必然产生挠曲变形Wy。这说明荷载作用下不仅使直接承受宽为a1的板条受力,其邻近的板也参加工作,共同承受车轮荷载所产生的弯矩。为了计算方便,设想以宽度为a的板均匀承受车轮荷载所产生的总弯矩,a即为板的有效工作宽度,或称为荷载有效分布宽度。求出有效分布宽度a之后再根据公式求出桥面板的内力,将内力进行组合即为桥面板的内力组合设计值。
桥面板的配筋也是近似的按照矩形截面进行配筋计算,由于桥面板在支点处承受的是负弯矩,所以制作受力钢筋时要按照桥面板正负弯矩的变化,而改变受力钢筋的形状。在横向按规范要求每隔24cm布置一根外径为10mm的分布钢筋。
4.桥梁支座设计
支座是桥梁的重要组成部分,它除了能够满足自身结构构造,受力上的要求外,还需要满足桥梁上部结构的构造,受力及变形要求。
支座设置在桥梁的上部结构与墩台帽之间,是桥梁结构的支承部分。它的作用是将上部结构的自重及其承受的各种荷载传递给墩台,并保证桥跨结构在荷载的作用和温度变化的影响下,具有适应结构必要变形的功能。如对于梁式桥,要求支座处能自由伸缩和自由转动。在满足上述要求的同时,还必须保证支座在桥梁墩台帽上的位置充分固定,不至滑落。
目前,桥梁支座大致分为简易垫层支座、钢支座、钢筋混凝土支座、橡胶支座及特种支座等。本设计采用的是矩形板式橡胶支座,支座尺寸为a×b×h=24cm×24cm×4.2cm,与其它材料的支座相比,橡胶支座具有构造简单,加工方便、节省钢材、造价低、结构刚度小、安装方便等优点。此外,橡胶支座能方便的适应任意方向的变形,故对宽桥,曲线桥和斜桥具有特别的适应性。橡胶的弹性还能消减上下部结构所受动力的作用,这对抗震十分有利。因此,近年来在公路桥梁中橡胶支座已获得广泛应用,在铁路桥梁中也开始使用这种支座。
板式橡胶支座又称弹性支座。与其它类型的支座相比,有下述优越性:
(1)构造简单,加工方便,宜于工厂成批定型生产。
(2)材料来源充足,用钢量较少。
(3)支座高度小,在以洪水位控制桥下净空的情况下,能降低桥面标高,缩短桥头引道长度。
(4)安装方便,平时无养护,更换也容易。
(5)能适应宽桥、弯桥、斜交桥的桥跨结构在各个方向的变形。
(6)支座摩阻力小,且能分布水平力,吸收部分振动,桥墩台受力缓和所受弯矩较小,对高墩,地震区的桥梁有利。
5.桥梁墩台设计
墩台是桥梁的重要组成部分,它除了能够满足自身结构构造,受力上的要求外,还需要满足桥梁上部结构的构造,受力及变形要求。
墩台是桥梁的重要组成部分之一,其作用在于它承担着上部结构的荷载,并连同自身重力,有效的传递给基础。桥墩一般指多跨桥梁中间支承结构物,它除承受上部结构的荷载外,还要承受流水压力、风力以及可能出现的地震力、浮冰、船只和漂流物的撞击力等。桥台设置于桥梁的两端,它除能起衔接路线的作用外,还能承受台背填土及填土上车辆荷载所产生的附加侧压力。因此,桥梁墩台不仅本身应具有足够的强度、硬度和稳定性,而且对地基的承载能力、沉降量、地基与基础间的摩擦力都提出一定的要求,避免在上述荷载作用下产生危害桥梁整体结构的水平位移、竖向位移和转角位移。
本设计桥台采用重力式“U”形桥台,桥墩采用重力式(实体式)圆端形墩,墩台基础均采用双层刚性扩大基础。实体式墩台由墩(台)帽,墩(台)身和基础组成。它主要依靠自身较大的重量,较大的截面尺寸和建筑材料的抗压性能,以承受垂直方向和水平方向的荷载。通常采用抗压性能较好而抗拉性能较差的实砌或混凝土污工建造。它们具有坚固耐久、施工较简易、养护工作量较小,砂石材料往往可就地取材等优点,同时对船泊、漂流物、山坡落石、滚石的撞击、磨损或冰压力的作用等的抵御能力较强。缺点是工程量大、自重大,因而对地基承载力的要求也较高,基础工程量也随之增大。
6.结论
完成了此次的桥梁设计的全部工作之后,使我清楚的认识到桥梁的设计工作是一项既复杂又尤为重要的一项工作。它要求设计者必须按照规范要求、仔细、全面的考虑每一个问题。桥梁设计的好坏将直接影响到桥梁的安全性、施工、工程造价、工程量以及桥梁使用的耐久性等很多方面,所以我们在设计一座桥的时候必须严格按照规范要求,把桥梁使用的安全性放在首位,再综合考虑工程造价、工程量、外形美观及环境保护等多种因素。这样,我们设计出的桥梁既符合规范要求,也能符合施工各方面的要求。
通过这次桥梁设计,使我对桥梁工程有了更全面、更深入的了解,为我今后 的工作奠定了一定的基础。
参 考 文 献
[1] 《公路桥涵设计通用规范》,JTJ D60-2004。
[2] 《公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范》JTJ D62-2004。
[3] 《公路工程技术标准》JTJ B01-2003。
[4] 《公路桥涵地基与基础设计规范》,JTJ D63-2007。