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1、目录第一部分 课程设计任务书.21、主梁毛截面几何特性计算.42、预应力钢束估算及布置.53、主梁截面几何特性计算.94、钢束布置位置（束界）校核.115、钢束预应力损失估算.126、预加应力阶段的正截面应力验算.177、使用阶段正应力验算. .178、使用阶段主应力验算.189、截面强度计算.2010、锚固区局部承压验算2211、主梁变形（挠度）计算2412、梁的一般构造图和配筋构造图.附图13、本科生课程设计成绩评定表.附表混凝土结构设计原理课程设计任务书题 目: 永宁高速公路桥梁上部构件设计 预应力混凝初始条件：永宁高速公路桥梁基本上都采用标准跨径，上部构造采用装配式预应力混凝土、钢筋混
2、凝土简支空心板或T梁，参照公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范进行设计计算。（1）简支T型梁跨径35M;计算跨径34.2m。（2）设计荷载：汽超20级，挂车120；无人群荷载；结构重要系数取1.1；（3）环境：永宁高速公路上，类环境条件（4）材料：预应力钢筋采用5的高强钢丝，抗拉强度标准值=1570Mpa，弹性模量=2.05105MPa,普通松弛级，锚具采用墩头锚。非预应力钢筋：普通钢筋用HRB335级钢筋，抗拉强度设计值=280Mpa，弹性模量均为=2.0105Mpa;箍筋采用R235级钢筋，抗拉强度设计值=195Mpa。混凝土：采用C50，=3.45104MPa,抗压强度标准值=32.
3、4MPa,抗压强度设计值=22.4MPa:抗拉强度标准制=2.65MPa,抗拉强度设计值=1.83MPa5)设计要求：根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG D62-2004)要求，按A类预应力混凝土构件设计此板。6）施工方法：采用后张法施工，预制主梁时，预留孔道采用预埋金属波纹管成型，钢丝采用YCL型千斤顶两端同时张拉。预应力混凝土结构：1主梁毛截面几何特性计算； 2预应力钢束面积的估算及钢束的布置；3主梁截面几何特性计算； 4钢束布置位置（束界）的校核；5钢束预应力损失估算； 6预加应力阶段的正截面应力验算；7使用阶段的正应力验算； 8使用阶段的主应力验算；9截面强度计算；
4、10锚固区局部承压验算；11主梁变形（挠度）计算； 12.用电脑绘制A3幅面的图纸两张，即：构件一般构造图和钢束布置图。时间安排：时间任务第1天熟悉资料第2天计算和验算第3天计算和验算第4天绘图第5天说明书整理第6天答辩一、主梁毛截面几何特性计算1） 受压翼缘有效宽度的计算按公路桥规规定，T型截面梁受压翼缘有效宽度，取下列三者中的最小值：（1） 简支梁计算跨径的,即=34200/3=11400；（2） 相邻两梁的平均间距，对于中梁为 2000；（3） ，式中b为梁腹板宽度，为承托长，这里=0，为受压区翼缘悬出板厚度，可取跨中截面翼缘板厚度的平均值，即=（910100+100710/2）/910
5、=139，故=180+20+12139=1850所以，受压翼缘有效宽度=1850 翼缘悬出板厚度=1432） 全截面几何特性计算分块号分块面积Ai（cm2)（cm)( cm2)（cm）（cm4)（cm4)1283.510=16705835087.4612774914.0213916.6727110=71013.339466.6666779.134445586.23944.444318195=351097.5342225-5.0489079.2311112231342013.5=270188.3350850-95.872481640.282600054530=1350210283500-117.
6、5418650408.47101250合计751092.46694391.66738441628.211247424132.54I=49689051.81将主梁截面分割成如下几部分，求得几何特性如下表：跨中与L/4截面的全截面几何特性（表一） 其中 分块面积 分块面积的重心至梁顶边的距离=694391.667/7510=92.46 I=49689051.81cm4二、钢筋面积的估算及钢束的布置1）预应力钢筋截面积估算按构件正截面抗裂性要求估算预应力钢筋数量对于A类部分预应力混凝土构件，根据跨中截面抗裂要求，由式可得跨中截面所需的有效预应力为： 式中的为正常使用极限状态按作用短期效应组合计算的弯
7、矩值。由所给的资料可得：=MG1+MG2+MQS=2200+683+0.71685=4062.5KNm设与预力钢筋的重心离截面下缘为=100.则预应力钢筋的合力作用点至截面重心轴的距离为=1325-100=1225,由表可得，跨中截面全截面面积A=7510002。全截面对抗裂验算边缘的弹性抵抗矩为 ：W=I/ Yb=496890518100/1325=374904.96291033.=2.51所以有效预应力合力为： =1.952811N预应力钢筋的张拉控制应力为=0.75=0.751570=1177.5，预应力损失按张拉控制应力的20%估算，则可得到需要预应力钢筋的面积为：采用3束365的高强
8、钢丝。=33619.63=2120.04施工方法：镦头锚具，后张法施工。2）预应力钢筋的布置（1）预应力筋的布置如下图所示：全部3束预应力钢筋均锚固于梁端，这样布置符合均匀分散的原则，不仅能满足张拉要求，而且N1、N2在梁端均弯起较高，可以提供较大的预剪力。（2）其它截面钢束位置及倾角计算钢束弯起形状、弯起角及弯曲半径采用直线段中接圆弧曲线段的方式弯曲；N1的弯起角取90，N2、N3的弯起角取60；各钢束的弯曲半径为： =50000; =35000; =20000钢束各控制点位置的确定以N3号钢束为例，其弯起布置如图见CAD详图如下： 由 确定导线点距锚固点的水平距离 =400cot6o=38
9、06由 确定弯起点至导线点的水平距离 =20000tan30=1048所以弯起点至锚固点的水平距离 =3806+1048=4854则弯起点至跨中截面的水平距离为 =(34200/2+199)- =12445由圆弧切线性质，弯止点至导线的水平距离为：=1048cos6o =1042故弯止点至跨中截面的水平距离为： ()=12445+1042+1048=17299同理可得N1、 N2的控制点位置，将钢束的控制参数汇总于下表中各钢束弯曲控制要素（mm） （表二）钢束号升高值（mm）弯起角弯起半径R(mm)支点至锚固点的水平距离d(mm)弯起点至跨中距离Xk(mm)弯止点至跨中水平距离LdLb2LwL
10、b1N11950905000047900 8722 12312 3935 16247 3887N291060350001456753 17245 8658 1834 10492 1824N3400602000019912445 17299 3806 1048 4854 1042各截面钢束位置及其倾角计算计算钢束任一点 离梁底距离 及该点处钢束的倾角，式中a为钢束弯起前其重心至梁底的距离，a=100；为点所在计算截面处钢束位置的升高值。a.当时，点位于直线段还未弯起，=0，=100，i=0；b.当时，点位于圆弧段，于是有： 各截面钢束位置（）及其倾角（）计算表 （表三）计算截面钢束编号Xk(mm
11、)Lb1+Lb2(mm)Xi-Xk(mm)Ci(mm)ai=ci+a (mm)跨中截面Xi=0N19007822为负值，钢束尚未弯起00100N267533658N3124452091L/4 截面Xi=8550N190078220（Xi-Xk）=765078228.801 589689N2675336580（Xi-Xk）=179736582.943 46146N3124452091（Xi-Xk）(Lb1+Lb2)919432043N2675336586895995N31244520916379479 C.当 时，点位于靠近锚固端的直线段，此时 各截面钢束位置及倾角计算值详见上表三钢束平弯段的位
12、置及平弯角根据公路桥规预应力筋的布置构造要求，N1、N2、N3三束预应力钢绞线在跨中截面布置在同一水平面上，而在锚固端三束钢绞线都在肋板中线上，为实现此种布筋方式，N2、N3必须从两侧平弯到肋板中线上。弯转半径R=8000,长度=2750, =125 。由几何关系 , 解得=3.085 o钢束平弯示意图如下所示： 3）非预应力钢筋截面积估算及布置：构件按承载能力极限状态要求估算非预应力钢筋数量:设预应力钢筋与非预应力钢筋的合力作用点到截面底边的距离 a=80,则有 h0=h-a =2250-80=2170假定为第一类T形截面，由公式 计算受压区高度，即 1.15698106=22.41850（
13、2170-/2） 求得=70.9Lf不受反摩阻影响0.00 N2172456990 58.66 N3172996996 58.60 L/4截面N1859710463 39.19 6.99 2.33 N286955991 68.43 XLf不受反摩阻影响N387496287 65.22 支点截面N14710974 37.36 37.20 37.44 N214510692 38.35 37.83 N319910796 37.98 37.28 （3）预应力钢筋分批张拉时混凝土弹性压缩引起的应力损失（） 混凝土弹性压缩引起应力损失取按应力计算需要控制的截面进行计算。对简支梁取截面，并以其作为全梁各截面
14、预应力钢筋应力损失的均值。用下式计算： 式中 m 分批张拉数，m=3 预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值。假定为设计强度的90%，即=0.9C50=C45，查附表1-2得，=3.35104,故=6.12 全部预应力钢筋的合力，在其作用点处所产生的混凝土正应力， ，截面特性由表四中第一阶段取用;其中=（1177.5-37.05-2.33）2120.04=2412.860KN=8.106MPa 所以= =16.54MPa。(4)钢筋松弛引起的预应力损失 对于采用超张拉工艺的高强钢丝束，钢筋松弛引起的预应力损失按下式计算： 式中 张拉系数，超张拉取0.9；钢筋松弛系数，低松弛钢丝取0.3； 传
15、力锚固时的钢筋应力，采用L/4截面处的应力值=1177.5-37.05-2.33-16.54=1121.58 Mpa故 =0.90.3【0.52-0.26】1121.58=33.76 Mpa（4） 混凝土收缩徐变引起的损失混凝土收缩、徐变终值引起的受拉区预应力钢筋的应力损失按以下式：式中 、加载龄期为时混凝土收缩应变终极值和徐变系数终极值； 加载龄期，即达到设计强度80%的龄期，计算得=14d;对于二期恒载G2加载龄期，假定为90d. 该构件所属的桥位为野外一般地区，相对湿度为75，则构件得名义厚度h由图2.1截面可得2751000/6085.4247。其中，为构件的横截面面积，u为构件与大气
16、接触的周边长度，按结构设计原理表12-3查得其相应的徐变系数终值为： 1.29混凝土收缩应变终值为：。为传力锚固时在跨中和截面的全部受力钢筋截面重心（该设计部考虑构造钢筋，故亦为预应力钢筋截面重心）处，由、（考虑加载龄期不同，按徐变系数变小乘以折减系数：）所引起的混凝土正应力的平均值：跨中截面： =3.49MaL/4截面： =2.64MPa 所以 =（3.49+2.64）/2=3.06Mpa =0.00592（未计构造钢筋影响） =5.94取跨中与截面的平均值计算，则有跨中截面：=1218.8L/4 截面： =1123.5 将以上各式代入即得： 现将各截面钢束预应力损失平均值及有效预应力汇总于
17、下表 各截面钢束预应力损失平均值及有效预应力汇总表工作阶段、应力损失、计算截面预加应力阶段（Mpa）使用阶段钢束有效预应力（Mpa)预加应力阶段使用阶段跨中截面72.97016.5489.5133.7657.24911087.99996.99L/4截面37.052.3316.5455.9233.7657.24911121.581030.58支点截面0.2337.4416.5454.2133.7657.24911123.291032.29六、预加应力阶段的正截面应力验算（短暂状态的正应力验算）（1）构件在制作、运输及安装等施工阶段，混凝土标号为C50，张拉时取R0.9R，即为C45号，由附表1-
18、1内查得：2截面上、下缘混凝土正应力上缘：其中： 截面特性见表四代入上式得： （压） =（压） 预加力阶段混凝土的压应力满足限制要求。预拉区混凝土没有出现拉应力，故预拉区只需配置配筋率不小于0.2%的纵向钢筋即可。3支点截面或运输、安装阶段的吊点截面的应力验算，其方法与此相同。七、使用阶段的正应力验算（1）截面混凝土正应力验算：对于简支等截面预应力混凝土梁的正应力，由于配设曲线筋束的关系，应取跨中、L/4、L/8、支点及钢束突然变化处（截断或弯出梁顶等），分别进行验算。这里只给出跨中截面，按桥规相关规定验算。此时有 ； =1190跨中截面上边缘压应力计算值为： （1） 持久状况下预应力钢筋的应
19、力验算 由二期恒载及活载作用产生的预应力钢筋截面重心处的混凝土应力为：=5.31MPa故钢束应力为： 计算表明预应力钢筋拉力超过了规范规定值。但其比值 ，可认为钢筋应力卯足要求。 八、使用阶段的主应力验算 本例取剪力和弯矩都有较大变化的L/4截面进行验算。（1） 截面面积矩计算计算点分别取上梗肋a-a处、重心轴x0-x0处、下梗肋b-b处 现以第一阶段截面梗肋a-a以上截面面积对净截面重心轴x0-x0的面积矩Sna计算为例： Sna=1600100(959.4-100/2)+180100(959.4-100-100/2)+1/21007102(959.4-100-100/3)=1.774108
20、3同理可得，不同计算点处的面积矩，现汇总与下表：L/4截面处面积矩计算表截面类型第一阶段净截面对其 重心轴（X=959.4)第二阶段换算截面对其重心轴（X=988.2)第三阶段换算截面对其重心轴（X=957.9)计算点位置a-ax0-x0b-ba-ax0-x0b-ba-ax0-x0b-b面积矩符号SnaSnx0SnbSoaSox0SobSoaSox0Sob面积矩（3108）1.7742.2932.1672.2592.8182.2232.412.9272.287(2)主应力计算以上梗肋a-a处的主应力计算为例。 剪应力 ; ; ; =1.01Mpa正应力 =1030.581413.40.9935
21、+1030.58706.64-57.242454=2034.94103N = =960.6 主应力 同理，可得x0x0及下梗肋bb的主应力如下表：L/4截面主应力计算表计算点位置面积矩（3108）剪应力（Mpa)正应力（Mpa)主应力（Mpa)第一阶段净截面Sn第二阶段换算截面S0第三阶段换算截面S0aa1.7742.2592.411.016.40-0.166.56x0x02.2932.8182.9271.085.96-0.216.23bb2.1672.2232.2870.824.87-0.115.97（3）主压应力的限值混凝土的主压应力限值为，与上表的计算结果比较，可见混凝土主压应力计算值均
22、小于限值，满足要求。（4）主应力验算将上表中主压应力值与主压应力限制进行比较，均小于相应限制值。最大主拉应力为，按公路桥规要求，仅需按构造布置箍筋。九、持久状况截面承载能力极限状态计算（截面强度计算）1）正截面承载能力计算一般取弯矩最大的跨中截面进行正截面承载能力计算。（2） 求受压区高度 X先按第一类T型梁，不计构造钢筋影响，混凝土受压区高度 X，即=71.3mm (=1.15698=6267.8KNm)即跨中截面正截面承载能力满足要求。2）斜截面承载能力计算（1）斜截面抗剪承载力计算 预应力混凝土简支梁应对按规定需要验算的各截面进行斜截面抗剪承载力验算。对于跨中截面，进行斜截面抗剪承载力验
23、算： 由公式进行截面抗剪强度上、下限复核： 式中 =156KN；（混凝土强度等级）；b=180（腹板厚度）;h0=2162.8（截面有效高度）；（预应力提高系数）； 代入公式得 =445.266Mpa=1.1156=171.6KN故只需按构造要求配置箍筋：箍筋选用双肢直径为10的R235级钢筋，钢筋间距=150。 对于支点截面处，进行斜截面抗剪承载力验算： 纵向受拉钢筋的合力点距截面下缘的距离为: =910.2 故 ho=h-a=2250-910.2=1339.8mm 代入公式 =689.58Mpa=1.1758=833.8 Mpa =833.8 Mpa采用全部3束预应力钢筋的平均值，即=0.
24、1219.所以，=1.01.251.10.4510-34501339.8=1047.096KN10702120.040.1219=207.392KN=1047.096+207.392=1254.488KN=833.8KN支点处截面抗剪满足要求 斜截面抗弯承载力由于钢束均锚固于梁端，钢束数量沿跨长方向没变化，且弯角缓和，其斜截面抗弯强度一般不控制设计，故不另行验算。十.锚固区局部承压验算根据三束预应力钢筋锚固点的分析，N2钢束的局部承压条件最为不利，现在对N2锚固端进行局部承压验算。1）局部受压区尺寸要求配置间接钢筋的混凝土构件，其局部受压区的尺寸应满足下式要求： 式中 结构重要系数，取1.1；
25、局部受压面积上的局部压力设计值，后张法锚头局压区取1.2倍张拉是的最大压力，即=1.21177.5706.7=998.57103N混凝土局部承压修正系数去1.0张拉锚固时混凝土抗压设计值，即0.9C50=C45,查表=20.5Mpa混凝土局部承压承载力提高系数， 、混凝土局部受压面积。为扣除洞后面积，为不扣除孔洞面积；本设计采用孔径为70的喇叭管状锚具。（垫板取160160） 故 局部受压计算底面积；根据公路桥规计算方法，局部承压计算底面为宽450，长（160+160+160）=480的矩形，此时N1、N2的局部承压计算底面无重叠。 故 =所以 =1.31.02.920.521752=1681
26、.1103N (=1098.42103N)计算表明，局部承压区尺寸满足要求。2）局部抗压承载力计算配置间接钢筋的局部受压构件，其局部抗压承载力计算公式为： 且需满足 式中 局部压力设计值，=998.57103N 混凝土核心面积，这里配置螺旋钢筋，得 =1.05241 间接钢筋影响系数；混凝土强度等级为C50以下时，取2.0 间接钢筋体积配筋率；局部承压区配置直径为10的HRB335钢筋，单根钢筋截面积78.542，故 C45混凝土的=20.5Mpa;将以上结果代入局部抗压承载力计算公式，可得到 =1640.34103N (=1098.42103N) 故N2钢束满足局部抗压承载力要求。同理课对N
27、1、N3号钢束进行局部承压计算。 十一.主梁变形（挠度）计算根据主梁截面在使用阶段混凝土正应力验算结果，可知主梁属于部分预应力混凝土A类构件，即主梁在使用荷载作用下截面不开裂。1）短期荷载作用下主梁挠度验算主梁计算跨径L34200mm，C50混凝土的弹性模量Ec=3.45104Mpa。由表四可知，主梁在各控制截面的惯性矩各不相同，这里为了简化，取L/4处截面惯性矩I0526.851109mm4作为全梁的平均值来计算。由式（13-86）可得到主梁挠度的验算式为 （1）可变荷载作用引起的挠度 将可变荷载作为均布荷载作用在主梁上，则主梁跨中挠度系数，荷载短期效应可变荷载值为 考虑长期效应的可变荷载引起的挠度值为 （2）考虑长期效应的一期恒载、二期恒载引起的挠度2）预加力引起的上拱度计算采用L/4截面处的永存预加力矩作为全梁的平均预加力矩计算值，即在使用阶段的预加力矩为： =1030.581413.40.9935+1030.58706.64-57.242454=2034.94103N = =960.6 截面惯性矩应采用预加应力阶段的截面惯性矩，作为全梁的平均值，则主梁反拱度（跨中截面）计算为 考虑长期效应的预加应力引起的上拱值为
