论文总字数：47130字
摘 要
在我国桥梁建筑领域，预应力混凝土空心板使用极其广泛。在当下，对于跨径不是很大的永久性桥梁，预应力混凝土空心板都是首要考虑的材料之一，众所周知，预应力混凝土结构拥有抗裂性好，刚度大，节省材料，减小自重，优化构件的抗剪能力，改善受压构件的稳定性等优点。
本设计根据相应的规范拟定了上部构造的尺寸，计算了荷载内力，并运用空间有限元分析软件Midas对设计桥梁进行了分析验算。
关键词：预应力； 空心板； Midas
Abstract
Prestressed concrete hollow slab is widely used in bridge construction in China. At present, the prestressed concrete hollow slab is one of the first materials to be considered for the permanent bridge whose span is not very large. As is known to all, the prestressed concrete structure has the advantages of good crack resistance, large stiffness, material saving, reducing dead weight, optimizing the shear capacity of components and improving the stability of compression components.
In this design, the size of the superstructure is determined according to the corresponding specifications, the load internal force is calculated, and the spatial finite element analysis software Midas is used to analyze and check the design bridge.
Keywords: prestressed；hollow slab；Midas
目录
摘 要 I
Abstract II
一、基本信息 1
1.1工程概况 1
1.2 技术标准 1
1.3 主要规范 1
1.4 结构概述 1
1.5 主要材料及材料性能 2
1.5.1混凝土 2
1.5.2普通钢筋 2
1.5.3预应力材料 2
1.5.4其他材料 2
1.6 计算原则、内容及控制标准 3
二、模型建立与分析 4
2.1 计算模型 4
2.2 主要钢筋布置图及材料用表 4
2.3 截面特性及有效宽度 5
2.4 荷载工况及荷载组合 5
三、内力图 8
四、持久状况承载能力极限状态验算结果 24
4.1 截面受压区高度 24
4.2 正截面抗弯承载能力验算 24
4.3 斜截面抗剪承载能力验算 24
4.4 抗扭承载能力验算 25
4.5 支反力计算 25
五、持久状况正常使用极限状态验算结果 26
5.1 结构正截面抗裂验算 26
5.2 结构斜截面抗裂验算 26
六、持久状况构件应力验算结果 28
6.1 正截面混凝土法向压应力验算 28
6.2 正截面受拉区钢筋拉应力验算 28
6.3 斜截面混凝土的主压应力验算 29
七、短暂状况构件应力验算结果 30
八、详细计算表格 31
九、施工要点 47
一、基本信息
1.1工程概况
该桥为预应力混凝土空心板桥，跨径组合为1x20m，桥梁全宽16.75m。桥梁设计荷载为公路－Ⅰ级，结构设计安全等级为一级。
1.2 技术标准
表1.1主要技术指标表
公路等级 | 汽车荷载 等 级 | 行 车道数 | 桥面 宽度 (m) | 斜 交 角 (°) | 单幅桥梁块数 | 中距(m) | 预制 板长 (m) | 预制 板高(m) | 预制板 最大吊装重量(kN) | 设计安全等级 | 环境类别 |
高速公路 | 公路Ⅰ级 | 6 | 2×16.75 | 0 | 13 | 1.25 | 19.96 | 0.95 | 边板 391；中板313 | 一 级 | Ⅰ类 Ⅱ类 |
1.3 主要规范
1)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）
2)《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）
3)《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）
4)《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）
5)《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）
6)《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）
1.4 结构概述
本设计的桥梁为一跨20m的简支梁桥，属于中型桥，采用公路I级荷载为设计荷载，人群荷载3.5kN/m2。经综合比较，采用预应力混凝土空心板桥，并且采用A类部分预应力混凝土，张拉方法为后张。比较优势分析如下:
1.板桥的优点:
桥梁建筑高度小，适用于桥下净空受限制的桥梁，与其它类型桥梁相比而言，可以降低桥头引道路堤高度，缩短引道的长度，减少了施工作业量。板桥外形简单，制造方便，既便于采用土模技术，又便于在工厂进行规模化生产，且空心板桥自重较小，运输、安装均比较方便。预应力混凝土简支板桥常用跨径在20米以下。
2.预应力优点:
充分发挥现代高强度材料的性能，减小了构件截面大小，降低自重，增大跨越能力，节省钢材用量，经济效益显著提高。预应力桥梁刚度大，在长期荷载作用下，裂缝发生的可能性降低，提高构件的耐久性。并且部分预应力混凝土同时拥有全预应力混凝土和钢筋混凝土的优越性能，不仅能控制使用条件下的裂缝挠度和反拱，使裂缝出现的可能性降低，而且具在破坏前有较高的延性和能量吸收能力，不致于突然发生脆性破坏，造成严重后果。其减少了高强度钢筋用量，改善了结构受力和变形性能，故而被广泛使用。后张法不需固定的台座设备，不受场地限制，适用于施工现场生产，大型预应力混凝土构件采用后张法施工工艺能够充分发挥材料强度，改善构件受力性能，提高桥梁的安全性。
3.装配式的优点:
构件的尺寸及形式趋于统一，形成标准化构件，故而可采用大规模工业化制造。装配式构件可以减少劳动力的使用，降低劳动强度，提高工程质量和产出，降低了工程造价，形成了显著的经济效益。构件制造不受季节、气候影响，保证了预制构件的质量，上下部一起施工也加快了施工进度，缩短了工期，节省了大量模板、支架材料的消耗。
综上所述，后张法部分预应力混凝土空心板桥较为经济、合理。
1.5 主要材料及材料性能
1.5.1混凝土
表1.2 混凝土表格
强度等级 | 弹性模量(MPa) | 容重 | 线膨胀系数 | ||||
C50 | 34500 | 25.00 | 0.000010 | 32.40 | 2.65 | 22.40 | 1.83 |
(1) 水泥：应采用高品质的强度等级为62.5，52.5和42.5的硅酸盐水泥，同一座桥的板梁应采用同一品种水泥。
(2) 粗骨料：应采用连续级配，碎石宜采用锤击式破碎生产。碎石最大粒径不宜超过20mm，以防混凝土浇筑困难或振捣不密实。
(3) 混凝土：预制空心板、封锚端、铰缝和桥面现浇层均采用C50；封端混凝土采用C40; 有条件时，铰缝混凝土可选择抗裂、抗剪、韧性好的钢纤维混凝土；桥面铺装采用沥青混凝土。
1.5.2普通钢筋
表1.3 普通钢筋表格
普通钢筋 | 弹性模量(MPa) | 容重 | |||
R235 | 210000 | 76.98 | 235 | 195 | 195 |
HRB335 | 200000 | 76.98 | 335 | 280 | 280 |
HRB400 | 200000 | 76.98 | 400 | 330 | 330 |
KL400 | 200000 | 76.98 | 400 | 330 | 330 |
普通钢筋采用R235和HRB335钢筋，钢筋应符合《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB13013-1991）和《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499 -1998）的规定。
本册图纸中R235钢筋主要采用了直径d=6、8mm两种规格；HRB335钢筋主要采用了直径d=8、10、12、14、16mm五种规格
1.5.3预应力材料
表1.4 预应力材料表格
预应力钢绞线 | 弹性模量(MPa) | 张拉控制应力(MPa) | 孔道磨阻系数 | 孔道偏差系数 | 钢绞线松弛系数 | 一端锚固回缩值(m) |
15-5 | 195000 | 1395 | 0.300 | 0.00660 | 0.3 | 0.00600 |
采用抗拉强度标准值fpk =1860MPa，公称直径d=15.2mm的低松弛高强度钢绞线，其力学性能指标应符合《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224 -2003）的规定。
1.5.4其他材料
1)钢板：应采用《碳素结构钢》(GB700－1988)规定的Q235B钢板。
2)锚具：采用15-4型、15-5型和15-6型系列锚具及其配件；预应力管道采用圆形金属波纹管。
3)支座：可采用板式橡胶支座，其材料和力学性能均应符合现行国家
和行业标准的规定。
1.6 计算原则、内容及控制标准
计算书中将采用midas Civil对桥梁进行分析计算，并以《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）为标准，按A类预应力混凝土结构进行验算。
1、该桥梁的结构体系为简支结构，按部分预应力A类构件设计。
2、设计计算采用平面杆系结构计算软件计算，桥面现浇层参与结构受力，荷载横向分配系数按铰接板法计算，并采用空间结构计算软件校核。
3、设计参数
1)混凝土：重力密度γ=26.0kN/，弹性模量为E=3.45×MPa。
2)沥青混凝土:重力密度γ=24.0kN /。
3)预应力钢筋:弹性模量Ep=1.95×105 MPa，松驰率ρ=0.035，松驰系数ξ=0.3。
4)锚具: 锚具变形、钢筋回缩按6mm(一端)计算; 金属波纹管摩阻系数μ=0.25，偏差系数κ=0.0015。
5)竖向梯度温度效应：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）规定取值。
4、一块板板端支点最大反力：
项目 | 恒载（kN） | 恒 汽（kN） |
边板反力 | 317 | 504 |
中板反力 | 260 | 440 |
二、模型建立与分析
2.1 计算模型
图2.1计算模型图
1)节点数量：21 ；
2)单元数量：20 ；
3)边界条件数量：2 ；
4)施工阶段数量：3 ，施工阶段步骤如下：
施工阶段1 ：架设主梁 ，持续时间60天；
施工阶段2 ：二期 ，持续时间30天；
施工阶段3 ：收缩徐变 ，持续时间3650天；
2.2 主要钢筋布置图及材料用表
图2.2主要钢筋布置图
表2.1材料用表
位置 | 数量 | 间距（m） | 直径 |
顶板 | 16 | 0.1 | D16 |
底板 | 19 | 0.064 | D16 |
箍筋 | 10 | 0.1 | D10 |
2.3 截面特性及有效宽度
表2.2边板
| ||||
A(m 2) | Asy(m 2) | Asz(m 2) | z( )(m) | z(-)(m) |
0.676 | 0.000 | 0.000 | 0.440 | 0.510 |
Ixx(m 4) | Iyy(m 4) | Izz(m 4) | y( )(m) | y(-)(m) |
0.000 | 0.075 | 0.142 | 0.875 | 0.745 |
2.4 荷载工况及荷载组合
1)自重
自重系数：-1.04
2)二期
桥面宽度（m） | 桥面铺装材料 | |||
2x16.75 | 现浇C50(m3) | 砂浆M15（m3） | 沥青砼（m3） | 防水层（m2） |
114.8 | 1.1 | 62.9 | 628.7 | |
二期恒载：=(0.1×15.75×26 0.1×15.75×24)
=78.75(KN/m)
上式中，桥面铺装铺以10cm厚C50桥面现浇层和10cm厚沥青砼桥面铺装，宽度为15.75m；混凝土容重按26KN/m3计，沥青混凝土容重按24KN/m3计。
3)梁截面温度
表2.3升温梯度（升温）（单元1）
序号 | 宽度(m) | 到箱梁顶距离(m) | 温度([C]) |
1 | 1.24 | 0.00 | 14.00 |
2 | 1.24 | 0.10 | 5.50 |
3 | 1.24 | 0.40 | 0.00 |
表2.4 升温梯度（降温）（单元1）
序号 | 宽度(m) | 到箱梁顶距离(m) | 温度([C]) |
1 | 1.24 | 0.00 | -7.00 |
2 | 1.24 | 0.10 | -2.75 |
3 | 1.24 | 0.40 | 0.00 |
4)徐变收缩
收缩龄期：3天;
构件理论厚度：1m；
理论厚度自动计算：由程序自动计算各构件的理论厚度。公式为：
5)可变荷载
活载：汽车荷载，桥梁等级为公路Ⅰ级；
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