橋梁的基本知識

橋梁的基本知識一、橋梁的組成與分類二、現(xiàn)行橋梁設(shè)計施工規(guī)范三、橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法四、橋梁設(shè)計荷載五、鋼筋混凝土構(gòu)件六、預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件一、橋梁的組成與分類

橋梁上部結(jié)構(gòu)：橋面系,主要承重結(jié)構(gòu),支座

橋梁下部結(jié)構(gòu)：橋墩、橋臺,基礎(chǔ)二、橋梁的分類1.按用途分，有公路橋、鐵路橋、城市橋等。2.按跨越障礙分，有跨河橋、跨線橋、高架橋等3.按上部結(jié)構(gòu)的主要建筑材料分，如鋼筋混凝土橋和預(yù)應(yīng)力混凝土橋、鋼橋等。4.按承重結(jié)構(gòu)的靜力體系分，有梁橋、拱橋、剛構(gòu)橋、懸索橋、斜拉橋和組合體系橋。5.按橋面系的位置分，上承式橋，下承式橋。6.按平面造型分，有正橋、斜橋和彎橋。7.按工程的規(guī)模分，按多孔跨徑總長公路橋涵按跨徑分類表-6-1

橋梁分類多孔跨徑總長L（m）單孔跨徑Lo（m）特大橋L≥500Lo≥100大橋100≤L＜50040≤Lo＜100中橋30＜L＜10020≤Lo＜40小橋8＜L＜305≤Lo＜20涵洞L＜8Lo＜5三、現(xiàn)行橋梁設(shè)計施工規(guī)范《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ01—88）（1995版）；《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ021—89）；《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ022—85）；《公路混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ023—85）；《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTJ024—85）；《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ025—86）;《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》（JTJ064—85）；《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（JTJ004—89）；《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041—89）。四、橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ022—85）、 《公路混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTJ023—85）采用半概率極限狀態(tài)設(shè)計法，（一）極限狀態(tài)設(shè)計法（1）承載能力極限狀態(tài)的強度設(shè)計準(zhǔn)則， S*≤R*S*是荷載（作用）效應(yīng)的設(shè)計值，S*=Sd(γgG；∑γqQ)(6-4)G——永久荷載（結(jié)構(gòu)重力）；Q——可變荷載及永久荷載中混凝土收縮徐變影響力，基礎(chǔ)變位影響力等；γg=1.2、γq=1.4——荷載安全系數(shù)；Sd——荷載（作用）效應(yīng)函數(shù)。R*是結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)的設(shè)計值。R*=γbRd(Rc/γc；RS/γS)Rc、RS---材料的設(shè)計強度γc=γS=1.25---材料安全系數(shù)γb≤1---結(jié)構(gòu)工作條件系數(shù)（2）正常使用極限狀態(tài)計算，以彈性理論或以彈塑性理論為基礎(chǔ)。一般進(jìn)行下列三項校核：限制應(yīng)力：σd≤σL短期荷載下的變形fd≤fL各荷載組合的裂縫寬度：δd≤δL以上σL、fL、δL為應(yīng)力、變形、裂縫寬度的限 值。（3）建規(guī)與現(xiàn)行橋規(guī)的不同點：建規(guī)將的荷載分為兩類，一類是施加結(jié)構(gòu)上的力（仍稱荷載），一類是引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因（如地震、基礎(chǔ)變位、溫度變化等），并將這兩類統(tǒng)稱為“結(jié)構(gòu)上的作用”。建規(guī)按概率分布0.05下分位值，統(tǒng)一定義了材料強度的標(biāo)準(zhǔn)值fK；并以fK／γ為材料強度的設(shè)計值。建規(guī)實用極限狀態(tài)表達(dá)式為：γGSGK＋γQSQK＝RK／γK雖然與橋規(guī)表達(dá)式相似，但考慮了作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力的聯(lián)合分布，結(jié)構(gòu)失效概率Pf，和結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)β。建規(guī)的可靠度較橋規(guī)低。（二）容許應(yīng)力設(shè)計法《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTJ024—85）《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTJ025—86）仍采用容許應(yīng)力設(shè)計法。(1).強度設(shè)計準(zhǔn)則，構(gòu)件任意截面的最大計算應(yīng)力σmax不應(yīng)大于規(guī)范規(guī)定的材料容許應(yīng)力〔σ〕。σmax≤〔σ〕(2).經(jīng)常的效應(yīng)為主要組合，加入其他荷載和外力的效應(yīng)為附加組合。(3).按照線彈性論并用毛截面幾何特征求解內(nèi)力，利用材料力學(xué)公式計算各構(gòu)件的強度,剛度和穩(wěn)定性。(4).材料的彈性極限（或極限強度或流限）除以大于1的安全系數(shù)（公路橋取1.7～2.0）而得。核算主要組合的效應(yīng)時，使用基本容許應(yīng)力。核算附加組合的應(yīng)力時，依照規(guī)范的規(guī)定其容許值提高25%～50%。(5).要算其剛度(變形)和穩(wěn)定性。有的還應(yīng)驗算裂縫寬度和疲勞之力。五、橋梁設(shè)計荷載（一）荷載分類：永久荷載(恒載)：計有結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加應(yīng)力、土的重力和土側(cè)壓力，混凝土收縮及徐變影響力、基礎(chǔ) 變位影響力和水的浮力?？勺兒奢d：基本可變荷載(活載)有汽車及其影響力（汽車沖擊力、離心力、汽車引起的土側(cè)壓力）、人群、平 板掛車或履帶車及其影響力其他可變荷載有風(fēng)力、汽車制動力、流水壓力、冰壓力、溫度影響力、支座摩阻力等。偶然荷載：如地震力、船只或漂流物撞擊力等。規(guī)范中規(guī)定了上述荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。（二）.車輛荷載橋梁設(shè)計的車輛荷載等級、根據(jù)該路的性質(zhì)、任務(wù)和將來發(fā)展確定。如高速公路用汽車—超20級。（1）車輛荷載等級

汽車—超20級、掛車—120；汽車—20級、掛車—100；汽車—15級、掛車—80；汽車—10級、履帶—50。

級別數(shù)字，表示一輛主車的重量。汽車荷載為汽車車隊。車重、軸重、軸距、輪距。車輛后輪的著地寬度和長度，100和150kN重的車輛為0.5m×0.2m,其他車輛為0.6m×0.2m。橋梁橫向布置的車隊數(shù)，按表6-3確定。橫向布置的車隊數(shù)多于2時，計算荷載效應(yīng)應(yīng)按表6-4規(guī)定的橫向折減系數(shù)進(jìn)行折減，橋梁的計算跨徑L大于150m時，計算荷載效應(yīng)乘以縱向折減系數(shù)。（2）汽車沖擊力

鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土、混凝土橋涵

和磚石橋涵的沖擊系數(shù)表6-6

結(jié)構(gòu)種類跨徑或荷載長度(m)沖擊系數(shù)μ

梁、剛構(gòu)、拱上構(gòu)造、

柱式墩臺、涵洞蓋板L≤50.30

L≥450.00

拱橋的主拱圈、拱肋L≤200.20

L≥700（3）汽車離心力

（4）人群荷載：一般為3kN／m2并以1.2kN的集中力，核算一塊人行道板的強度。

（5）平板掛車和履帶車荷載全橋以通過一輛計算外側(cè)車輪的中線，離人行道或安全帶邊緣的距離，應(yīng)不小于1m。平板掛車和履帶車不計沖擊力。（6）車輛荷載引起的土壓力（三）其他可變荷載（1）．風(fēng)力（2）．汽車制動力（3）．溫度影響力（4）．支座摩阻力（四）.荷載效應(yīng)組合（1）承載能力極限狀態(tài)：以鋼筋混凝土橋為例組合Ⅰ：結(jié)構(gòu)重力與汽車(人群)主要的組合。S*=1.2SG+1.4SQ1，組合Ⅱ:組合Ⅰ與其它可變荷載,是附加組合。S*=1.1SG+1.3SQ1，+1.3SQ2組合Ⅲ：結(jié)構(gòu)重力與掛車,是驗算組合S*=1.2SG+1.1SQ1組合Ⅳ:組合Ⅰ與撞擊力效應(yīng),是偶然組合。組合Ⅴ：是施工組合。組合Ⅵ：結(jié)構(gòu)重力與地震力,是地震組合。S*=SG+Sd(2)正常使用極限狀態(tài),累計時不乘系數(shù)六、鋼筋混凝土受彎構(gòu)件1．正截面強度符合平均應(yīng)變平截面假定；混凝土、鋼材符合應(yīng)力，應(yīng)變設(shè)計曲線；混凝土受拉區(qū)開裂后，其抗拉作用可忽略。圖中I是整體工作階段。Ia是整體工作階段的末期。εh=εhlmax，σg趨近εhlmax·Eg圖中Ⅱ是帶裂縫工作階段。該階段末期（Ⅱa）上翼緣εh趨于0.002，應(yīng)力趨于Ra。鋼筋中的應(yīng)力為：σg＝εgEg＝εh′Eg＝εh′Eh·Eg/Eh則鋼筋的拉力為:zg＝σg·Ag=σh′·nAg替代鋼筋的混凝土與受壓區(qū)混凝土，與原鋼筋混凝土截面等效。這就是“換算截面法”的原理。圖中Ⅲ是破壞階段，

受拉區(qū)鋼筋的抗力Zg=RgAg，

受壓區(qū)混凝土的應(yīng)力圖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——混凝土受壓區(qū)高度界限系數(shù)，Ⅰ級鋼筋為0.65，Ⅱ、Ⅲ級鋼筋為0.55。x≥2ag′。ag′是受壓鋼筋合力點至受壓邊緣的距離?！纠?－1】簡支T梁跨中截面如圖6-11所示，混凝土標(biāo)號25號，8φ20Ⅱ級鋼筋A(yù)g=25.12cm2，M恒＝120kN·m，M汽＝110kN·m?！拨襣〕＝185MPa，〔σw〕＝1.OMPa，n=10（取自《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》，1975）。Rg=340MPa，Ra=14．5MPa，γg=1.2，γq=1.4，γc=γa=1.25，γb＝1.0。（1）用換算截面法計算使用階段正截面應(yīng)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，實質(zhì)是矩梁。換算截面的慣矩：

I01=1／3b′x3＋nAg（h0-x）2=1／3?100×14.13+10×25.12(53.5-14.1）2

=483393cm4

主要組合（組合Ⅰ）的內(nèi)力:M=M恒+M汽=230kN·m。應(yīng)力為：

(2)按極限狀態(tài)法計算破壞階段正截面強度破壞階段該截面受壓區(qū)高度：x3=RgAg/Ra·b′＝340×25.12/14.5×100＝5.89cmx3＜15cm，實質(zhì)上是矩形梁。x3≤ξjg·h0=0.55×53.5=29.4cm不會發(fā)生脆性破壞。＝1.0×1/1.25×14.5×100×5.89×（53.5-5.89/2）×103＝345411×103N·mm＝345.411kN·m組合Ⅰ的計算彎矩：Mj＝γgM恒＋γq·M汽＝1.2×120＋1.4×110＝298kN.m＜MR2.斜截面的強度（1）按抗剪強度配置剪力鋼筋等高簡支梁的斜截面抗剪強度計算圖支點計算剪力（Q0j=γgQ0恒＋γqQ0汽）符合Q0j≤0.051R1/2bh0（kN）的梁段由混凝土、箍筋、彎起鋼筋共同承擔(dān)。式中：R的單位為MPa，b、h0的單位為cm，Q0j的單位為kN。Qj≤0.038RLbh0（kN）的梁段僅按構(gòu)造配置箍筋。Qj>0.038RLbh0的梁段上，應(yīng)配置剪力鋼筋。Qj′的60％（Qj′為距支座中心h／2處截面的計算剪力）由混凝土與箍筋共同承擔(dān)； Qj′的40％由彎起鋼筋（按45°彎起）承擔(dān)。箍筋間距Sk式中:Qj′——距支座中心h／2處截面上計算剪力值（kN）；p——斜截面內(nèi)縱向受拉主筋的配筋率，p=100μ，μ=Ag/bh0。當(dāng)p＞3．5時，取P=3．5；Rgk——箍筋的抗拉設(shè)計強度（MPa）各排彎起鋼筋的截面積式中:Qwi為第i排彎起鋼筋分擔(dān)的計算剪力。第一排為0.4Qj′，其他排取前一排彎起鋼筋彎起點處由彎起鋼筋承擔(dān)的那部分計算剪力。以后各排彎起鋼筋的末端彎折點坐落在或超過前一排彎起鋼筋彎起點截面。各主筋的彎起點要經(jīng)梁的彎矩承載能力圖和計算彎矩包絡(luò)圖相互核對，調(diào)整后確定。（JTJ023——85）明調(diào)指出：這個算法僅適用于等高簡支梁。（2）按主拉應(yīng)力圖配置剪力鋼筋鋼筋混凝土梁在使用過程中處于帶裂縫工階段（Ⅱ階段），受拉區(qū)的水平剪應(yīng)力、主拉應(yīng)力為σzl＝τ0=Q/bz式中:σzl——梁內(nèi)受拉區(qū)的主拉應(yīng)力；τ0——梁內(nèi)受拉區(qū)的剪應(yīng)力；Q——計算截面的剪力，Q=Q恒＋Q汽；b——計算截面受拉區(qū)的寬度；z=h0–x/3≈0.86h0——計算截面的內(nèi)力偶臂

支點處主拉應(yīng)力σzl0＝Q0/bz，跨中主拉應(yīng)力σL/2=QL/2/bz，主拉應(yīng)力圖的面積為A。半跨梁的斜向拉力 Zzl=A·b按照《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》(1975）:當(dāng)σ0Zl≤〔σZl〕〔σZl〕≈Rlb)，梁的截面不必加大；當(dāng)σzl≥〔σZl′〕(〔σZl′〕≈0.4Rlb），主拉應(yīng)力由混凝土、箍筋及斜筋分別承擔(dān)，L標(biāo)＞13m時：σ2l＜0.5〔σZl′〕，且a1≯0.2A部分由混凝土承受；a2≮0.7（A—a1）由斜筋承受；a3=A-(a1+a2)由箍筋承受，據(jù)此可以得到箍筋應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的主拉應(yīng)力τk。按構(gòu)造要求擬定箍筋的肢數(shù)nk和每肢面積ak，并用下式得出箍筋間距Sk:Sk=nkak〔σg〕/τk·b式中:〔σg〕是箍筋的容許應(yīng)力(〔σg〕≈0.55Rgb,Ⅰ級鋼〔σg〕=135MPa)，其他符號同前。斜鋼筋所需的面積Aw，Aw＝ZW/〔σg〕式中:〔σg〕是斜筋的容許應(yīng)力（Ⅱ級鋼〔σg〕〕=185MPa）。將主應(yīng)力圖形，按每批斜筋面積的比例劃分，并把每批斜筋放在對應(yīng)的主應(yīng)力圖形的形心處。這樣確定的斜筋位置，每批斜筋的應(yīng)力是相近的。斜筋中由受彎主筋彎起的，彎起點要與正截面抗彎要求相互協(xié)調(diào)。橋規(guī)（JTJ023—85）第4．3．1～4．3．5條規(guī)定鋼筋混凝土梁施工階段的應(yīng)力這些公式驗算，只是將應(yīng)力限值提高了30％，將〔σZl〕改為1．3Rlb,0.5〔σZl〕改為0．25Rlb3．梁的變形汽車荷載（不計沖擊力）主梁跨中最大豎向撓度，不應(yīng)超過以下容許值；f≤L/600平板掛車或履帶車驗算時，容許值可提高20％。截面剛度0.85EhI01，I01為開裂截面的換算慣性矩。4.裂縫寬度鋼筋混凝土受彎構(gòu)件最大裂縫寬度δfmax（mm）：式中:c1,c2,c3——考慮鋼筋形狀，荷載作用及構(gòu)件形式等因素的系數(shù)；σg——使用荷載下鋼筋應(yīng)力d——主筋直徑；μ——主筋配筋率。裂縫寬度的限值，組合Ⅰ為0.2mm，七、預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件(一)基本構(gòu)思:在混凝土構(gòu)件上施加一個預(yù)定的力，使構(gòu)件在這個力和任何預(yù)期的荷載，共同作用下的合成應(yīng)力，保持在規(guī)定的限度內(nèi)。(二)三種加筋混凝土結(jié)構(gòu)全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)（A類、B類）、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力度λ的定義為：λ＝M0/M式中：M0——消壓彎矩，即使構(gòu)件控制截面受拉 邊緣的有效預(yù)壓應(yīng)力(σh）抵消至 零的彎矩，M0=σh·W0。 W0——構(gòu)件受拉邊緣的換算截面抵抗矩；M——使用荷載（組合Ⅰ）作用下控制截面的彎矩。這三種加筋混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性也是不同的?？沽研钥捎妹x拉應(yīng)力（σhl）判斷。式中：σ——使用荷載下，控制截面受拉邊緣的彎拉應(yīng)力，σ=M/W，W截面抵抗矩；σh——該點的有效應(yīng)力，其中Ny、ey是有效預(yù)加力和偏心矩。加筋混凝土結(jié)構(gòu)比較表序號項目全預(yù)應(yīng)力混凝部分預(yù)應(yīng)力混凝土筋混凝土A類B類1預(yù)應(yīng)力度λ＝M0/Mλ≥10＜λ＜10＜λ＜1λ=02裂縫控制名義拉應(yīng)力;σhl≤0σhl≤0.8Rlb(Ⅰ)σhl≤[σ名〕σhl不限σhl=σ-σh≤0.9Rlb(ⅡⅢ),δfmax≤〔δ〕3受力筋配置全部預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力筋略少預(yù)應(yīng)力筋更少全部普通鋼筋少量普通鋼筋適量普通鋼筋4承載能力S≤R（p）S≤R（p+s）S≤R（p+s）S≤R（s）·抗裂最好·抗裂較好·抗裂尚可·施工簡便5結(jié)構(gòu)特性·抗疲勞好·反拱較小反拱小·抗裂差反拱大·延性改善··延性好·高強材料不·延性較差錨具少發(fā)揮作用··跨越能力小注：1．容許名義拉應(yīng)力〔σ名〕見（JTJ023-85）表5.2.34-12．容許裂縫寬度〔δf〕見（JTJ023-85）第4.2.6條。（三）張拉控制應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失用L標(biāo)=30m預(yù)應(yīng)力簡支梁的數(shù)據(jù)（見邵容光：結(jié)構(gòu)設(shè)計原理P266～283）說明有關(guān)公式符號見（JTJ023—85）第5.2.5～5.2.11條。1.張拉控制應(yīng)力σk鋼絲、鋼絞線在構(gòu)件的錨下張拉控制應(yīng)力應(yīng)符合下列規(guī)定：σk≤0.75Ryb任何情況下不應(yīng)超過0.8Ryb。2.預(yù)應(yīng)力損失后張預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失序號項目公式損失值(L標(biāo)=30m簡支梁)1管道壁摩阻σs1=σk〔1-e－（μθ＋kx）〕127.9MPa2錨具變形、σs2=29.8MPa鋼絲回縮3蒸汽養(yǎng)生(先張法）4混凝土彈性壓縮σs4=nyΣΔσha60.1MPa5預(yù)應(yīng)力筋松弛σs5＝0.07σk（一此張拉）54.0MPa6混凝土收縮徐變194.3Mpa預(yù)加力階段損失σsⅠ=σs1+σs2+σs4=217.8MPa使用階段損失σsⅡ=σs5+σs6=248.3MPa預(yù)加力階段預(yù)應(yīng)力筋中的實有的預(yù)應(yīng)力:σyⅠ=σk-σs1=0.75×1600-217.8=982.2MPa使用階段預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力σyⅡ=σk-σsⅠ-σsⅡ＝1200-217.8-248.3=733.9MPa有效預(yù)應(yīng)力僅為0.61σk和0.459Ryb。3．提高預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力的措施；·選用合理的張拉程序O——→1.05σk——→σk（后張）持荷5分鐘（錨固）·兩端張拉·超張拉·重復(fù)張拉·采用高強低松弛鋼材（四）預(yù)加力階段與使用階