注册结构师专业桥梁结构讲义.docx
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注册结构师专业桥梁结构讲义
桥梁结构
前言
⏹2001年一级注册结构工程师专业考试大纲与以往的注册考试大纲相比,对搞建筑结构的工程师来说,桥梁结构的份额加重了。
必须狠狠抓住常用桥梁结构的体系、和有别于建筑结构的特点,紧紧把握常用桥梁结构的范围。
⏹基本受力构件:
讲钢筋混凝土、预应力混凝土梁;其他略作介绍。
⏹常用桥梁:
讲钢筋混凝土、预应力混凝土简支梁桥,拱桥;其他略作介绍。
⏹桥梁基础:
讲浅基础、桩基础;其他略作介绍。
第一讲桥梁的基本知识
一、桥梁的组成与分类
二、现行桥梁设计施工规范
三、桥梁结构的设计方法
四、桥梁设计荷载
五、钢筋混凝土构件
六、预应力混凝土受弯构件
一、桥梁的组成与分类
桥梁上部结构:
桥面系,主要承重结构,支座
桥梁下部结构:
桥墩、桥台,基础
二、桥梁的分类
1.按用途分,有公路桥、铁路桥、城市桥等。
2.按跨越障碍分,有跨河桥、跨线桥、高架桥等
3.按上部结构的主要建筑材料分,如钢筋混凝土桥和预应力混凝土桥、钢桥等。
4.按承重结构的静力体系分,有梁桥、拱桥、刚构桥、悬索桥、斜拉桥和组合体系桥。
5.按桥面系的位置分,上承式桥,下承式桥。
6.按平面造型分,有正桥、斜桥和弯桥。
7.按工程的规模分,按多孔跨径总长
公路桥涵按跨径分类表-6-1
桥梁分类多孔跨径总长L(m)单孔跨径Lo(m)
特大桥L≥500Lo≥100
大桥100≤L<50040≤Lo<100
中桥30<L<10020≤Lo<40
小桥8<L<305≤Lo<20
涵洞L<8Lo<5
三、现行桥梁设计施工规范
《公路工程技术标准》(JTJ01—88)(1995版);
《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021—89);
《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》(JTJ022—85);
《公路混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023—85);
《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85);
《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025—86);
《公路桥位勘测设计规范》(JTJ064—85);
《公路工程抗震设计规范》(JTJ004—89);
《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041—89)。
四、桥梁结构的设计方法
《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》(JTJ022—85)、
《公路混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023—85)
采用半概率极限状态设计法,
(一)极限状态设计法
(1)承载能力极限状态的强度设计准则,S*≤R*
S*是荷载(作用)效应的设计值,
S*=Sd(γgG;∑γqQ)(6-4)
G——永久荷载(结构重力);
Q——可变荷载及永久荷载中混凝土收缩徐变影响力,基础变位影响力等;
γg=1.2、γq=1.4——荷载安全系数;
Sd——荷载(作用)效应函数。
R*是结构抗力效应的设计值。
R*=γbRd(Rc/γc;RS/γS)
Rc、RS---材料的设计强度
γc=γS=1.25---材料安全系数
γb≤1---结构工作条件系数
(2)正常使用极限状态计算,
以弹性理论或以弹塑性理论为基础。
一般进行下列三项校核:
限制应力:
σd≤σL
短期荷载下的变形fd≤fL
各荷载组合的裂缝宽度:
δd≤δL
以上σL、fL、δL为应力、变形、裂缝宽度的限值。
(3)建规与现行桥规的不同点:
⏹建规将的荷载分为两类,一类是施加结构上的力(仍称荷载),一类是引起结构外加变形或约束变形的原因(如地震、基础变位、温度变化等),并将这两类统称为“结构上的作用”。
▪建规按概率分布0.05下分位值,统一定义了材料强度的标准值fK;并以fK/γ为材料强度的设计值。
⏹建规实用极限状态表达式为:
γGSGK+γQSQK=RK/γK
虽然与桥规表达式相似,但考虑了作用效应与结构抗力的联合分布,结构失效概率Pf,和结构可靠性指标β。
▪建规的可靠度较桥规低。
(二)容许应力设计法
《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—85)
《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025—86)
仍采用容许应力设计法。
(1).强度设计准则,构件任意截面的最大计算应力σmax不应大于规范规定的材料容许应力〔σ〕。
σmax≤〔σ〕
(2).经常的效应为主要组合,加入其他荷载和外力的效应为附加组合。
(3).按照线弹性论并用毛截面几何特征求解内力,利用材料力学公式计算各构件的强度,刚度和稳定性。
(4).材料的弹性极限(或极限强度或流限)除以大于1的安全系数(公路桥取1.7~2.0)而得。
核算主要组合的效应时,使用基本容许应力。
核算附加组合的应力时,依照规范的规定其容许值提高25%~50%。
(5).要算其刚度(变形)和稳定性。
有的还应验算裂缝宽度和疲劳之力。
五、桥梁设计荷载
(一)荷载分类:
▪永久荷载(恒载):
计有结构重力、预加应力、土的重力和土侧压力,混凝土收缩及徐变影响力、基础变位影响力和水的浮力。
⏹可变荷载:
基本可变荷载(活载)有汽车及其影响力(汽车冲击力、离心力、汽车引起的土侧压力)、人群、平板挂车或履带车及其影响力
其他可变荷载有风力、汽车制动力、流水压力、冰压力、温度影响力、支座摩阻力等。
⏹偶然荷载:
如地震力、船只或漂流物撞击力等。
规范中规定了上述荷载的标准值。
(二).车辆荷载
桥梁设计的车辆荷载等级、根据该路的性质、任务和将来发展确定。
如高速公路用汽车—超20级。
(1)车辆荷载等级
汽车—超20级、挂车—120;汽车—20级、挂车—100; 汽车—15级、挂车—80; 汽车—10级、履带—50。
⏹级别数字,表示一辆主车的重量。
⏹汽车荷载为汽车车队。
⏹车重、轴重、轴距、轮距。
⏹车辆后轮的着地宽度和长度,100和150kN重的车辆为0.5m×0.2m,其他车辆为0.6m×0.2m。
⏹桥梁横向布置的车队数,按表6-3确定。
⏹横向布置的车队数多于2时,计算荷载效应应按表6-4规定的横向折减系数进行折减,
⏹桥梁的计算跨径L大于150m时,计算荷载效应乘以纵向折减系数。
(2)汽车冲击力
钢筋混凝土及预应力混凝土、混凝土桥涵
和砖石桥涵的冲击系数表6-6
结构种类 跨径或荷载长度(m)冲击系数μ
梁、刚构、拱上构造、
柱式墩台、涵洞盖板 L≤50.30
L≥450.00
拱桥的主拱圈、拱肋L≤200.20
L≥700
(3)汽车离心力
(4)人群荷载:
一般为3kN/m2
并以1.2kN的集中力,核算一块人行道板的强度。
(5)平板挂车和履带车荷载
全桥以通过一辆计算
外侧车轮的中线,离人行道或安全带边缘的距离,应不小于1m。
平板挂车和履带车不计冲击力。
(6)车辆荷载引起的土压力
(三)其他可变荷载
(1).风力
(2).汽车制动力
(3).温度影响力
(4).支座摩阻力
(四).荷载效应组合
(1)承载能力极限状态:
以钢筋混凝土桥为例
组合Ⅰ:
结构重力与汽车(人群)主要的组合。
S*=1.2SG+1.4SQ1,
组合Ⅱ:
组合Ⅰ与其它可变荷载,是附加组合。
S*=1.1SG+1.3SQ1,+1.3SQ2
组合Ⅲ:
结构重力与挂车,是验算组合
S*=1.2SG+1.1SQ1
组合Ⅳ:
组合Ⅰ与撞击力效应,是偶然组合。
组合Ⅴ:
是施工组合。
组合Ⅵ:
结构重力与地震力,是地震组合。
S*=SG+Sd
(2)正常使用极限状态,累计时不乘系数
六、钢筋混凝土受弯构件
1.正截面强度
符合平均应变平截面假定;混凝土、钢材符合应力,应变设计曲线;混凝土受拉区开裂后,其抗拉作用可忽略。
⏹图中I是整体工作阶段。
Ia是整体工作阶段的末期。
εh=εhlmax,σg趋近εhlmax·Eg
⏹图中Ⅱ是带裂缝工作阶段。
该阶段末期(Ⅱa)上翼缘εh趋于0.002,应力趋于Ra。
钢筋中的应力为:
σg=εgEg=εh′Eg=εh′Eh·Eg/Eh
则钢筋的拉力为:
zg=σg·Ag=σh′·nAg
替代钢筋的混凝土与受压区混凝土,与原钢筋混凝土截面等效。
这就是“换算截面法”的原理。
图中Ⅲ是破坏阶段,
受拉区钢筋的抗力Zg=RgAg,
受压区混凝土的应力图形可用等效的矩形代替,其抗力Nh=Ra.b·x。
x≤ξjg.h0
式中:
h0——截面的有效高度;
ξjg——混凝土受压区高度界限系数,Ⅰ级钢筋为0.65,Ⅱ、Ⅲ级钢筋为0.55。
x≥2ag′。
ag′是受压钢筋合力点至受压边缘的距离。
【例5-1】简支T梁跨中截面如图6-11所示,混凝土标号25号,8φ20Ⅱ级钢筋Ag=25.12cm2,M恒=120kN·m,M汽=110kN·m。
〔σg〕=185MPa,〔σw〕=1.OMPa,n=10(取自《公路桥涵设计规范》,1975)。
Rg=340MPa,Ra=14.5MPa,γg=1.2,γq=1.4,γc=γa=1.25,γb=1.0。
⏹
(1)用换算截面法计算使用阶段正截面应力
S0=1/2b′x2-nAg(ho-x)=0
1/2×100·x2-10×25.12(53.5-x)=0
解出x=14.1cm<h′=15cm,实质是矩梁
。
换算截面的惯矩:
I01=1/3b′x3+nAg(h0-x)2
=1/3•100×14.13+10×25.12(53.5-14.1)2
=483393cm4
主要组合(组合Ⅰ)的内力:
M=M恒+M汽=230kN·m。
应力为:
(2)按极限状态法计算破坏阶段正截面强度
破坏阶段该截面受压区高度:
x3=RgAg/Ra·b′=340×25.12/14.5×100
=5.89cm
x3<15cm,实质上是矩形梁。
x3≤ξjg·h0=0.55×53.5=29.4cm不会发生脆性破坏。
⏹
⏹
=1.0×1/1.25×14.5×100×5.89×(53.5-5.89/2)×103
=345411×103N·mm=345.411kN·m
组合Ⅰ的计算弯矩:
Mj=γgM恒+γq·M汽
=1.2×120+1.4×110=298kN.m<MR
2.斜截面的强度
(1)按抗剪强度配置剪力钢筋
等高简支梁的斜截面抗剪强度计算图
支点计算剪力(Q0j=γgQ0恒+γqQ0汽)符合Q0j≤0.051R1/2bh0(kN)的梁段由混凝土、箍筋、弯起钢筋共同承担。
式中:
R的单位为MPa,b、h0的单位为cm,Q0j的单位为kN。
Qj≤0.038RLbh0(kN)的梁段仅按构造配置箍筋。
Qj>0.038RLbh0的梁段上,应配置剪力钢筋。
Qj′的60%(Qj′为距支座中心h/2处截面的计算剪力)由混凝土与箍筋共同承担;
Qj′的40%由弯起钢筋(按45°弯起)
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