双孔钢筋混凝土箱涵设计程扬精.docx
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双孔钢筋混凝土箱涵设计程扬精.docx
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双孔钢筋混凝土箱涵设计程扬精
2013年第3期(总191期)安徽建筑
安徽建
筑
图3双孔箱涵计算简图
0.25×0.25
d3=0.3
d4=0.3
d3=0.3
B=4.0B=4.0L1=4.3
L1=4.3
b1=8.9d1=0.4
d2=0.4
H=3.5
L2=3.9
图2
q2
q3
q3
q4
q4
q1
q2D
C
BA
DC
B
A
L2=3.9
L2=3.9
q1
L1=4.3
L1=4.3
L1=4.3
图1
2.0
3.5摘要:
以怀宁新县城E区还建点箱涵工程设计为例,拟对双孔钢筋
混凝土箱涵的进行荷载分析及结构计算,为双孔箱涵的设计提供一定的参考。
关键词:
双孔钢筋混凝土箱涵;荷载分析;结构计算。
中图分类号:
U449.82
文献标识码:
B
文章编号:
1007-7359(2013)03-0156-05
0前言
涵洞工程的规模相对较小,结构型式比较简单,在道路跨越小型渠道时常用;而箱涵作为涵洞的一种,一般为矩形断面现浇整体式钢筋混凝土结构,具有结构承载力高、防渗性能好、适用于软土地基的特点,流量及洞径较大或内水压力较大的涵洞多采用箱涵结构,每孔的宽度可达到6m,2孔或3孔一联。
本文以怀宁新县城E区还建点箱涵工程设计为例,拟对双孔钢筋混凝土箱涵的进行荷载分析及结构计算。
1工程概况
本工程还建点位于怀宁新县城沪蓉高速公路南侧,经一路和经二路之间,占地面积约22hm2。
小区内有一条河道由南自北穿过小区内道路景观节点,河道水面宽为8m,为保证此处河道的通畅,需设置一过水涵洞。
综合考虑河道宽度、地质情况及工程结构的安全性,确定采用双孔钢筋混凝土箱涵。
根据河道规划资料和防洪标准,确定本箱涵单孔截面尺寸为B×H=4.0×3.5m,长度为85m。
2设计参数的确定
如图1、2所示,路面至顶板的填土高度Hd=2.0m,填土内摩擦角φ=30°,洞身每孔净宽B=4.0m,净高H=3.5m,顶板及底板厚度d1=d2=0.4m,侧墙厚度d3=d4=0.3m,加腋尺寸0.25×0.25m,洞身混凝土采用C30,填土重度γ=18kN/m3
,混凝土重度
γc=25kN/m3
。
3荷载计算
作用于涵洞的主要荷载有:
土压力、水压力、车辆荷载及洞身自重等。
其中土压力包括洞顶垂直土压力及侧向水平土压
力。
本箱涵为无压涵洞,在过水情况下,侧向水压力将抵消部分作用于侧墙外侧的土压力,对结构受力有利,因此结构计算时不考虑水压力的作用。
3.1土压力计算
洞顶垂直土压力的大小不仅取决于填土高度,还与涵洞的埋设方式、基底宽度、地基刚度及填土性质等有关;本箱涵为上埋式涵洞,单位长度洞顶的垂直土压力强度标准值按(1)式计算。
qt2=KsγHd=1.04×18×2=37.44kN/m
(1)
式中:
qt2为洞顶垂直土压力强度标准值(kN/m);Ks为垂直土压力系数,根据地基刚度及比值Hd/B1(B1为洞身总宽)由表1查取;
Hd为洞顶以上填土高度(m)。
Box-CulvertDesignofDiploporeReinforcedConcrete
程扬
(安徽省安庆市城乡规划设计院,安徽安庆246000)
收稿日期:
2013-03-21作者简介:
程扬(1982-),女,安徽安庆人,工程师。
交通工程研究与应用
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安徽建
筑
3.2侧向水平土压力计算
作用于洞身侧墙外侧的水平土压力按朗肯主动土压力公式计算,呈梯形分布,分别按下式计算:
qt3=γ(Hd+d2)tg2(45°-φ)=18×(2+0.4)×tg2(45°-)=14.4kN/m
(2)qt4=γ(Hd+d2+H)tg2
(45°-φ)=18×(2+0.4+3.5)×tg2(45°-)=35.4kN/m(3)
式中:
qt3、qt4分别为顶板底面处及底面顶面处的水平土压力标准值(kN/m);d2
为顶板厚度(m);H为洞身净高度(m);φ为填土内摩擦角。
3.3汽车荷载计算
根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)规定,四级公路重型车辆较小时,车辆荷载效应可乘0.7折减系数,本工程的涵洞位于居住小区内,可套用此荷载标准。
汽车荷载布置如图所示:
计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时,车轮按其着地面积的边缘向下作30°角分布。
当几个车轮的压力扩散线相重叠时,扩散面积以最外边的扩散角为准。
根据此车辆荷载分布以及本箱涵的截面尺寸,判定最不利荷载为一个汽车的后轴重力单独作用于洞顶之上,其值为:
Q汽=P=
0.7Pd1d2=
0.7×2×140
dd=
196dd=
196
=10.65kN/m
(4)
式中:
P为汽车车辆荷载的后轴重力标准值(kN);A为后轴重力扩散至洞顶的面积(m2
);S1为行车方向(垂直于涵洞轴线方向)的后轴轮距(m);c为后轴着地长度,c=0.2m;d为后轴着地宽度,d=0.6m。
3.4自重力计算
作用于箱涵顶板自重为:
q自2=γc×d2=25×0.4=10kN/m
(5)
作用于底板底面的自重力为洞身重力产生的地基反力部分,因地基反力按均匀分布考虑,其中由底板重产生的向上作用的地基反力按均匀分布考虑,其中由底板重产生的向上作用的地基反力与向下作用的底板自重力可相互抵消,即作用于底板底面的自重力为:
q自1=q自2+γc(2d3+Nd4)H/B1
(6)
式中:
d3为侧墙厚度(m);d4为中隔墙厚度(m);N为中隔墙数。
3.5荷载的作用分项系数
当计算用于承载能力极限状态计算所需的内力时,以上各节荷载计算公式的计算值均应乘以相应荷载的作用分项系数。
按
《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)规定,永久作用效应分项系数中土的重力取1.2,土的侧压力取1.4,混凝土自重取1.2,汽车荷载分项系数取1.4。
即作用于箱涵洞顶均布荷载总和的设计值为:
q2=1.2qt2+1.2q自2+1.4Q汽
=1.2×37.44+1.2×10+1.4×10.65=71.838kN/m
作用于侧墙的水平土压力设计值:
q3=1.4×qt3=1.4×14.4=20.16kN/mq4=1.4×qt4=1.4×35.4=49.56kN/m作用于底板底面的垂直均布荷载总和设计值:
q1=q2+1.2γc(2d3+Nd4)H/B1
=71.838+1.2×25(2×0.3+0.3)×3.5/8.9=82.46kN/m
4箱涵的结构计算
箱涵的结构设计主要为内力计算及钢筋混凝土结构计算。
内力计算包括各控制截面的弯矩、
轴力及剪力的计算。
本工程中作用于箱涵的荷载为对称荷载,可利用双孔箱涵的结构对称性采用弯矩分配法进行
计算。
4.1固端弯矩计算
MF
AC=-q2×L2
1
=-2
=-110.69kN·mMF
CA=MF
AC=110.69kN·m
MF
BD=q2×L2
112=2
12
=127.06kN
·m图4
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表2
Hd0.10.51234Ks
1.04
1.20
1.40
1.45
1.50
1.45各部位控制截面内力计算成果
表3顶板
底板侧墙弯矩(kN
·m)跨间
72.6882.287.97加腋起点
-4.79左-75.53右-8.34左-85.52右-29.9上-32.59下剪力(kN)
134.24左-174.67右-155.24左199.34右-55.57上80.38下轴向力(kN)
55.57
80.38
134.24上155.24上
注:
弯矩符号以洞壁内侧受拉为正,外侧受拉为负;轴向力以压力为
正,拉为负。
结点DB
A
C杆端DB
BDBAABACCA
劲度K0.004960.002310.002310.00496分配系数μ0.682
0.3180.3180.682固端弯矩MF
-127.06
127.06
-47.9140.46-110.69110.6911.17
←22.3347.90→
23.95-30.8
←-61.60
-28.72→-14.362.29
←4.579.79→
4.90
-0.78
←-1.56
-0.73→-0.370.06
←0.120.25→
0.13
-0.02
←-0.04
-0.02→
-0.010.003
0.007弯矩合计M2-158.6663.86-63.8652.74
-52.74
139.67
弯矩分配计算表
表1
注:
弯矩符号以绕杆端顺时针旋转为正。
MFDB=-MF
BD=-127.06kN·mMF
AB=
q3×L22+(q4-q3)×L2
2=2
+2
=40.46kN
·mMF
BA=q3×L2
2-(q4-q3)×L
2
2=-20.16×3.92
-(49.56-20.16)×3.9
2
=-47.91kN·m4.2抗弯劲度计算
KAC=4×d3
21=4×0.4
3
=0.00496
MF
DB=4×d311=4×0.43
=0.00496
KAB=KBA=
4×d332=4×0.4
3
=0.002314.3杆端弯矩的分配系数计算
μAC=
KACAB==0.682μAB=KABACAB=0.00231=0.318
μBA=KBABABD==0.318
μBD=
KBDBABD==0.6824.4杆端弯矩的传递系数
各杆件向远端的传递系数均为0.5。
4.5结点弯矩分配计算(见表1)
4.6各部位剪力、轴向力及控制截面弯矩计算4.6.1剪力计算
杆件AC(顶板)及杆件BD(底板)剪力计算:
QAC=
q2×L1-MAC+MCA1=-=134.24kN
QCA=
q2×L1-MAC+MCA
1=-71.838×4.3--52.74+139.67=-174.67kN
QDB=q1×L1-MDB+MBDL1=-=199.34kN
QBD=
q1×L1-MDB+MBD
1=--=-155.24kN
杆件AB(侧墙)剪力计算:
QAB=q×L+
(q4-q3×L2-MAB+MBA
L2
=-49.56×3.9+(49.56-20.16)×3.9-52.74-63.86
=-55.57kNQBA=
q4×L2+(q4-q3×L2-MAB+MBA2
=49.56×3.9+(49.56-20.16)×3.9-52.74-63.86
=80.38kN
4.6.2各加腋起点截面弯矩及跨间最大弯矩计算
交通工程研究与应用
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加腋尺寸为0.25×0.25m,则:
底板左加腋起点截面跨结点D的距离X1左=L1-d3/2-0.25=3.9m;
底板右加腋起点截面跨结点D的距离X1
右
=0.25+d4/2
=0.4m;
顶板左加腋起点截面跨结点A的距离X2左=X1右0.25+d4/2=0.4m;
顶板右加腋起点截面跨结点A的距离X2右=X1左=L1-d3/2-0.25=3.9m;
侧墙上加腋起点截面跨结点B的距离X上
=L2-d2/2-0.25=3.45m;
侧墙下加腋起点截面跨结点B的距离X下=0.25+d1/2
=0.45m。
各加腋起点截面的弯矩分别为:
M底左=MDB+QDBX1左-
q1×X2
1左
=-158.66+199.34×3.9-2
=-8.34kN·m
M底右=MDB+QDBX1右-q1
×X2
1右
=-158.66+199.34×0.4-2
=-85.52kN·m
M顶左=MAC+QACX2左-q2
×X2
2左
=-52.74+134.24×0.4-2
=-4.79kN·m
M顶右=MAC+QACX2右-q2
×X2
2右
=-52.74+134.24×3.9-71.838×3.92
=-75.53kN
·mM侧下=MBA+QBAX下-
q4×X2
下+(q4-q3)×X3下
2
=-63.86+80.38×0.45-2
+3
=-32.59kN·m
M侧上=MBA+QBAX上-
q4×X2
上+(q4-q3)×X3
上
2
=-63.86+80.38×3.45-2
+3
=-29.9kN·m
底板(BD)、顶板(AC)、侧墙(AB)跨间最大弯矩截面位置Xol(距结点D的距离)、Xo2(距结点A的距离)、Xo3(距结点B的距离):
Xol=Q
DB1==2.417m
Xo2=Q
AC2==1.87m
Xo3=
q4-q4
2
BA43432
=
49.56-
49.56-=1.84m
底板(BD)、顶板(AC)、侧墙(AB)跨间最大弯矩:
Mo1=MDB+QDBXo1-q1
×Xo1
2
=-158.66+199.34×2.417-2
2=82.28kN
·mMo2=MAC+QACXo2-q2
×Xo2
2
=-52.74+134.24×1.87-871.838×1.87
2
=72.68kN·m
Mo3=MBA+QBAXo3-q4
×Xo32
+(q4-q3)X3
o3
=-63.86+80.38×1.84-2
2+2
6×3.9=7.97kN·m4.6.3轴向力计算
根据力的平衡原理,顶板轴向力等于侧墙上端剪力;底板轴向力等于侧墙下端剪力;侧墙轴向力等于顶板及底板板端剪力。
4.7内力计算成果(见表3)
5钢筋混凝土结构计算
根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)的规定,箱涵的顶板、底板和侧墙可按偏心受压构件,进行承载能力极限状态(正截面强度和斜截面强度)和正常使用极限状态下的裂缝宽度、刚度的验算。
5.1顶板(A-C)
钢筋按左、右对称,用最不利荷载计算。
根据表3,取最不利荷载组合M=75.53kN·m、N=55.57kN。
C30混凝土,fcd=13.8N/mm2;HRB335级钢筋,fsd=fsd'=280N/mm2;as=50mm,h=400mm;h0=h-50=350mm,l0=0.5L1=0.5×4.3=2.15m。
l0—顶板的计算长度,箱涵各端约束情况为固结,取L1的
一半。
e0=M=75.53×1000=1359mm>0.3h0,属大偏心受压构
件。
由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)第5.3.10条可得:
ξ1=0.2+2.7
eo
o=0.2+2.7×=10.68>1.0,取1.0ξ2=1.15-0.01lo
=1.15-0.01×=1.096>1.0,
取1.0η=1+
ho(l)2×ξ1×ξ2
=1+350×(2.15)2×1×1=1.005
由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)第5.3.5条
e=ηeo+-as=1.005×1359+-50=1516mm交
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(上接第114页)
图7表示群桩效应系数与桩数的关系,可以看出,群桩效
应系数随着桩数的增加逐渐减小,这是因为桩数越多,桩之间的相互影响也就越大。
4.3桩距的影响
由图8看出,随着桩距的增大,群桩的承载力逐渐增大,桩的位移也逐渐减小,这是因为桩之间的附加应力重叠减少。
图9表示群桩效应系数与桩距的关系,从图中可以看出,随着桩距从3D逐渐增大到6D时,群桩效应系数与桩距近似一种线性增长;桩距为6D时,群桩效应系数近似等于1,这是由于桩距逐渐增大,群桩的工作性能逐步趋向于单桩,当桩间距达到6D以上,桩端平面处没有明显的应力叠加,群桩中每根单桩的工作情况也接近于独立单桩。
5结
论本文通过有限元软件MIDAS/GTS建立三维模型并分析了在不同桩长、桩数和桩距情况下群桩效应发生的变化,可得到如下结论。
①不同桩长条件下,抗拔桩的竖向承载力随着桩长的增长逐渐增大。
但是随着荷载逐渐增大,桩侧摩阻力增大的幅度越来越小,说明桩长差别不大时不能明显影响群桩的位移,所以
不能仅仅通过增加桩长来提高桩的极限承载力。
②随着桩数逐渐增多,群桩中每根桩的竖向承载力逐步减小,但是减小的幅度不大。
而且群桩效应系数随着桩数的增加逐渐减小,在相同荷载的情况下,桩的位移也随着桩数的增多而增大,这对结构是不利的。
③随着桩距逐渐增大,群桩的竖向承载力逐渐增大,群桩效应系数逐渐增大,且近似于线性增长的关系。
在大于6D的时候,效应系数趋于1,群桩的受力机能近似于单桩受荷。
所以,在实际工程中,要综合考虑以上各种因素,力求在降低工程造价的同时,桩的承载能得到充分发挥。
本文仅限于有限元方法进行数值模拟,其结果需要通过模型试验和现场试验来验证,之后才能运用于工程实践。
参考文献
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[2]赵明华.基础工程[M].北京:
高等教育出版社,2010.
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中国建筑工业出版社,2003.[5]郑俊杰,彭小荣.桩土共同作用设计理论研究[J].岩土力学,2003(2).[6]汤斌,陈晓平.群桩效应有限元分析[J].岩土力学,2005(2).
e'=ηeo-h-as=1.005×1359-+50=1216mm
相对受压区高度ξb根据规范JTGD62-2004表5.2.1可知,ξb=0.56,x=ξbh0=350×0.56=196mm,将x=196代入下式:
A's=
N·e-fcd·b·x·(h0-x)
sd0=
55.57×103
×1516-13.8×103
×196×(350-196)
=-7111mm2
<0则按最小配筋率计算
A's=ρminbh0=0.2%×1000×350=700mm2
选用5Φ14钢筋,实际A's=769mm2,按A's已知求As,按下式计算出x:
fcd·b·x·(h0-x)+f'sd(h0-a's)=N·e
13.8×1000x(350-x)+280×769(350-50)=55.57×103×300
解得
x=4.1mm<2a's=2×50=100mm取x=2a's=100mm,代入下式计算As:
As=N
·e'sd0=55.57×103
×1216=804mm2
用8Φ20,实际As=2512mm2,偏安全。
ρ=100As=100×2512=0.63>0.2,配筋率满足要求。
根据规范要求,偏心受压构件全部纵向钢筋的配筋率≥0.5%。
即As+A's>0.5%bh=0.5%×1000×400=2000mm2本工程中As+A's=2513+769=3281mm2,满足要求。
5.2斜截面承载力计算
当V≤1.75ftbh0+0.07N时,可不计算斜截面承载力。
取最小轴力N=55.57kN计算:
1.75ftbh0
+0.07N=1.75×1.39×1000×350+0.07×
55.57=212.85kN
最大剪力V=199.34kN<212.85kN,故不需计算斜截面承载力,按构造配筋即可。
5.3底板(B-D)、侧板
计算方法和程序同上文,本文不再赘述。
6结语
以上是笔者在怀宁新县城E区还建点箱涵工程设计的主要计算过程,旨在核算控制截面的配筋要求,为双孔箱涵的设计提供一定的参考;在实际的计算操作中,可建立箱涵内力计算电子表格,只需将作用在箱涵上的荷载及箱涵的断面数据输入电子表格,即可得到箱涵的全部内力计算结果,使计算成为极其简单的过程,提高设计效率。
参考文献
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中国水利水电出版社,2006.[2]JTG/TD65-04-2007,公路涵洞设计细则[S].北京:
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人民交通出版社,2004.
[4]
JTGD62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:
人民交通出版社,2004.
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