先张法台座设计.docx
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先张法台座设计.docx
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先张法台座设计
第二绕城高速A2标段
先张预制梁
台
座
设
计
编制:
审核:
审批:
一、结构设计
二、台座稳定性验算
1、抗倾覆验算
2、抗滑动验算
三、牛腿设计
1、开裂验算
2、配筋设计
3、承载力验算
四、传力柱设计
1、受力类型判别
2、配筋设计
3、承载力验算
五、钢横梁设计
1、尺寸设计
2、正应力强度验算
3、剪应力强度验算
4、刚度验算
5、剪力校核
六、施工台座的施工
本合同段先张梁预应力筋采用φj15.24高强低松弛钢绞线,Ry=1860Mpa,设计张拉应力为0.75Ry(1395Mpa)。
φj15.2钢绞线公称面积S=140mm2,本工程先张梁设计单根钢绞线张拉力为N=195.3KN,台座按照单片梁17根钢绞线的应力荷载设计,梁体单片最大张拉力为:
Nj=195.3×17=3320KN,按3500KN荷载进行台座设计。
一、结构设计:
牛腿采用C40、传力柱采用C30钢筋混凝土结构,断面尺寸50cm×60cm,为防止传力柱失稳,传力柱每隔8米设一道联系地梁,中间共设10道地梁,地梁断面尺寸为20cm×50cm,台座底板采取在碾压密实(密实度达到95%)的地基土上面整体浇筑15cm厚C30砼,再在其上浇筑一层10cm厚C30台面砼。
用槽钢架控制台面宽度及平整度。
台面上铺10mm厚钢板。
台座长度设计:
L=l.n+(n-1)×0.5+2·K=20×4+(4-1)×0.5+2×8=97.5m【L—台座长度(m),l—构件长度(m);n—一条生产线内生产的预制梁数(片);1—两构件相邻端头间的距离(m);K—台座横梁到第一根构件端头的距离。
二、张拉台座稳定性验算(包括倾覆稳定性和滑动稳定性验算)
1、计算公式
(1)、倾覆稳定性按下式验算:
K0=M1/M=M1/Ne≥1.50
(2)、滑动稳定性按下式验算:
Kc=N1/N≥1.30
式中:
K0—抗倾覆安全系数;
KC—抗滑动安全系数;
M1—抗倾覆力矩,由台座自重和土压力等产生;
M—倾覆力矩,由预应力筋的张拉力产生;
N—预应力筋的张拉力;
e—张拉力合力作用点到传力墩倾覆转动点O的力臂;
N1—抗滑动的力,由台面承受的水平反力、土压力和摩擦力等组成。
2、有关计算数据
(1)、台座受力计算宽度:
B=14.0m(见平面布置图);
(2)、台座前土体的容重:
γ=18KN/m3;(地基土物理力学强度指标)
(3)、台座前土体的内摩擦角:
φ=35˚;
(4)、台座与土体间的摩擦系数:
f=0.30;
3、抗倾覆验算(对O点取矩)
(1)、抗倾覆力矩(忽略台座后面的土压力和牛腿自重):
M1
=G1L1+G2L2
=2.5×3.7×14×24×6.25+0.85×4.5×14×24×2.25=
=22316.7KM·m
(2)、倾覆力矩:
每条生产线张拉控制力:
N=17×1395×140/1000=3320.1KN,按3500KN
验算。
最不利情况是四条线同时生产
M=Ne
=4×3500×0.35=4900KN.M。
(3)、抗倾覆安全系数:
K0=M1/M
=23246/4900=4.74>1.50(安全,满足抗倾覆要求)。
注:
本计算中绞线保护层0.05m,细石混凝土台座厚0.15+0.1m,倾覆点O取台面底部下0.05m处,所以e=0.05m+0.2m+0.05m=0.35m
4、抗滑动验算
抗滑移验算按
(1)、台面反力:
N0=Bμ
=1.5×4×300=1800KN。
(2)、台座与土体间的摩擦力:
F=F1+F2
=(G1+G2)×f
=(2.5×3.7×14×24+0.85×4.5×14×24)×0.4
=(3108+1285.2)×0.4
=1757.3KN。
(3)、台座后最大的土压力Ep:
p=γH[tg2(45º+φ/2)-tg2(45º-φ/2)]
=126.1KN/m
Ep=[(p+p)/2×(H-h)]×B
=2124.2KN
下式计算:
K=N1/N≥1.3
后面传力柱配筋进行验算。
三、牛腿设计
1、尺寸确定开裂验算
Fvs≤β(1-0.5Fhs/Fvs)ftkbl0/(0.5+a/l0)
其中:
Fvs—作用于牛腿顶部的水平力,即钢绞线拉力的合力的一半取0.5N=2100KN
Fhs—作用于牛腿顶部的竖向力,此为零
β—裂缝控制系数,静载取β=0.8
ftk—混凝土轴心抗拉强度标准值,C30取2.01N/mm2
a—合力作用点距台面距离,取a=0.05m
b—牛腿宽度取1m
h0—牛腿长度的有效值,既牛腿高度减去钢筋保护层厚度h0=2.2-0.05=2.15m
则Fvs=2100KN<βftkbh0/(0.5+a/h0)
=0.8*2010*2.15*1/(0.5+0.05/2.15)
=6610KN(安全,满足开裂控制要求)
2、牛腿受拉配筋
As≥γdFva/0.85fyh0
式中:
As—牛腿受拉钢筋截面面积
γd—钢筋混凝土结构系数,取1.2(承载极限状态计算)
Fv—作用在单个牛腿上的钢绞线拉力,取1750KN
a=0.3h0=0.3(0.9-0.05)=0.255m
h0—牛腿有效高度,即扣除保护层后的牛腿高度
fy—Ⅱ级钢筋抗拉强度设计值取310N/mm2
所以As≥1.2*1750000*0.255/0.85*310*0.85=2390.9mm2
设计规范规定:
承受竖向所需的水平纵向受拉钢筋的配筋率(按全断面计算)不应小于0.2%。
现Ag小于规范规定,故取
Ag=0.002×A=0.002×900×2200=3960mm2
选用Ⅱ钢筋12Φ22mm,
Ag=12×380.1=4561mm2>3960mm2满足要求
3、牛腿采用水平箍筋Ⅰ钢筋Φ12且双支箍,间距150mm,满足规范要求(规范要求:
在牛腿上部2/3h0的范围内水平箍筋总截面积不少于承受竖向力的受拉钢筋截面积的1/2)。
4、牛腿支承面混凝土强度验算(此采用C40砼)
N/A=3500/(0.9×1)=3.889Mpa
<0.75fc=0.75×19.1=14.325Mpa(安全,满足承压强度要求)
四、传力柱配筋设计
1、计算ηei判断截面类型(张拉端部传力柱)
C40,fcm=21.5N/mm2,fc=19.1N/mm2,a1=1.0,HRB335,fy=fy`=300N/mm2,ξb=0.550,
as=as`=40mm,ho=560mm,b=500mm,ρmin=ρmin`=0.2%,T=3500KN
lo/h=8000/600=13.3>5,所以需要考虑二阶弯矩的影响。
N=T-(NO+F+EP)=3500-(1800+1757.3+2124.2)/4=2079.6KN
Mmax=N·a=2079.6×0.3=623.88KN·m(a取张拉应力作用在传力柱上时相对高度300mm)
e0=Mmax/N=623.88×103/2079.6=300mm
ea=max{h/30,20}=20mm
ei=e0+ea=300+20=320mm
ζ1=0.5fcbh/N=0.5×19.1×500×600/2052.6×103=1.4>1,ζ1=1
lo/h=8000/600=13.3<15,ζ2=1.0;
η=1+(lo/h)2·ζ1ζ2/1400(ei/ho)=1.22
ηei=1.22×320=390.4mm>0.3ho=168mm
x=N/a1fcb=215mm>2as`=80mm
ξ=χ/ho=0.384<ξb=0.550(按大偏心公式计算。
)
e=ηei+(h/2-as)=650.4mm
As=As`=[Ne-a1fcbχ(ho-x/2)]/fy`(ho-as`)=1251mm2>ρminbho=560mm2
配筋选用4Φ22+4Φ22
既8×380.1=3040mm2>Ag=As+As`=2502mm2
2、抗滑动复验算:
’
’’
传力柱断面为A=b*h=50×60=3000cm,C40砼轴心抗压设计强度为
Ra=20Mpa,压柱内纵向采用8φ22Ⅱ级钢筋,箍筋φ8,箍筋间距
200mm以满足规范要求。
配筋如图所示。
Ag=3040mm2,A=300000mm2,其配
筋率为μ=3040/300000=1%>0.5%(满足设计规范要求)。
二级钢筋抗
压设计强度Rg=300Mpa(配筋计算见下页偏心受压既配筋验算)
长细比λ=L0/b=8000/500=16,查表得纵向钢筋弯曲系数⎫=0.97,
由公式Nu=γb⎫(ARa/γc+RgAg/γs)
γb为工作条件系数取0.95,γc为砼安全系数取1.25,γs为钢筋安全
系数取1.25.
Nu'=0.95×0.97×(20×300000/1.25+300×3040/1.25)=5096KN
Nu=4Nu'=4×5096=20384KN(按4个传力柱计算,实际应为5个。
)
≥1.3N=1.3×3500×4=18200KN(安全,满足抗滑动要求)
五、钢横梁设计
根据台座布置图以及预应力钢绞线的布置,横梁拟选用56a型工字钢
焊接而成,横梁长2.5米,两端与传力柱端头钢板焊接成固结状态,其受
力(N考虑安全系数取4200KN)如图所示。
钢横梁横断面
钢
板
3
钢板1
Ⅰ45
钢板2
钢板2'
b工字钢
钢
板
3'
43
钢板1'
(1)、求A、B处的支反力:
根据静力平衡方程得
RA=RB=QC=QD=ql/2=4200×1/2=2100KN
(2)、跨中截面最大弯矩
Mmax=2800×1.5×2.5(2-1.5/2.5)/8=1837.5(KN.m)
作弯矩、剪力图(见附件):
(3)
钢横梁组合截面的惯性矩计算
1
由材料型钢表查得:
I56a工字钢惯性矩Ia=65585.57cm4
2
钢板1和钢板1’的惯性矩I1=b×h3/12=2×563/12=29269.33cm4
其对钢横梁组合截面重心轴的惯性矩之和:
I1.1=2×I1=2×29269.33=58538.66cm4
(4)
钢板2和钢板2’的惯性矩I2=b×h3/12=2×523/12=23434.67cm4
4
其对钢横梁组合截面重心轴的惯性矩之和:
I2.2=2×I2=2×23434.67=46869.34cm
(5)
钢板3和钢板3’的惯性矩
I3=b×h3/12=43×23/12=28.67cm4
其对钢横梁组合截面重心轴的惯性矩之和:
I3.3
=2×(Ⅰ3+b×h×y2)=2×(28.67+43×2×292)=144709.34cm4
(6)
钢横梁组合截面的惯性矩Iz=(2×Ia
)+I1.
+I2.2
+I3.
=381288cm4
(7)钢横梁正应力强度验算:
钢横梁下边缘截面抵抗矩
Wz=Iz/Y=381288/(28+2)=12709.6cm3
最大正应力(下边缘截面处)为:
3
6
σmax
=
Mmax
/Wz
=
1837.5×10/(12709.6×10)=144.6MPa
σmax
<[σ]=210
MPa
满足正应力要求.
2、钢横梁剪应力强度验算:
由材料型钢表查得:
I56a工字钢对重心轴静矩Sz=1374.18cm3
钢横梁组合截面重心轴静矩
Szmax=1374.18×2+2×(28×2)×11+2×(26×2)×13+2×(43×2)×
29=10656.36cm3
钢横梁组合截面最大剪力:
Qmax=2100×1.3=2730KN
最大剪应力τ
=(Q
×S
)/(Iz×b)
max
max
zmax
3
6
-8
=
2730×10656.36×10×10/(381288×10×0.43)
3、
=17.7MPa<[τ]=100MPa
钢横梁刚度验算
4
满足剪应力强度要求
按公式f=5ql/384EI
4
5
4
fMax
=5×2800×2.5/(384×2×10×381288×10)
=1.87mm<[f]=l/400=2.5/400=6.25mm
满足刚度要求
2
3-6
故横梁采用2根I56a型工字钢(16Mn钢)焊接而成,其各项指标符合
要求,结构安全。
为了防止工字钢偏心受压扭动,在工字钢内侧加肋,间
隔30cm焊接厚20㎜的加劲肋钢板。
4、端锚钢板尺寸选择
端锚钢板采用普通A3钢板制成,普通A3钢板的力学性能:
[τ]=85Mpa
根据先张梁钢绞线位置,端锚板选择:
长×宽×厚=200×40×4cm的钢板作承压端锚钢板,传力杆采用直径
为25mm的精轧螺纹钢,端锚板上孔的间距同预应力钢绞线的间距(以5cm
计),孔径为30mm。
剪应力校核:
端锚板采用厚度为δ=40mm钢板制成,或由2片2.0cm厚钢板焊成。
剪切面积A=L*δ=2500*40-30*21*40=58000mm,剪力Q=4200KNZ则
τ=Q/A=4200×10/(58000*10)=72.4Mpa≤[τ]=85Mpa(剪切强度安
全)
六、先张法预应力台座的施工
1、预制场基础的处理
预制场在台座开始施工前,在台座范围内用砾石回填40cm,使台座的
基础比四周的原地面稍高,用压路机碾压密实,并在纵向距台座0.5m的地
方挖好排水沟,这样就能使在雨天及养生用水可以顺利地排出台座,不至
于积聚于台座周围,影响施工作业。
2、台座的施工
台座两端的施工台座的张拉端及锚固端的混凝土因其体积较大,可
采用片石混凝土。
需要注意的是,在张拉端台座与滑动钢梁的位置,应预
埋厚2cm的钢板,钢板上应焊接钢筋伸入张拉端台座内部,使砂箱所受的
张拉力能均匀地传到台座上,使该部位不会因局部压力过大而产生混凝土
破坏。
锚固端则应在台座上预埋焊接固定钢横梁的钢板,所有预埋钢板的
位置均应预埋准确。
传力柱的施工因混凝土传力柱为细长受力构件,施工顺直度的好坏,
将会影响到台座的受力性能。
因此,在混凝土传力柱施工时,应使用经纬
仪观测传力柱模板的顺直度。
传力柱内的钢筋可分节段制作,再运至开挖
好的基础内进行焊接连接,以保证钢筋顺直。
系梁的施工传力柱间横向设置10道混凝土系梁,尺寸为b×h=200
×500mm,系梁底面标高应比传力柱底面相同,在与传力柱相交处,系梁钢
筋应伸入传力柱的钢筋,以使台座连成一个整体。
钢绞线在两端的限位装置,钢铰线在张拉完成后,钢铰线的轴心应与
传力柱的轴心基本在一条直线上。
因此,钢铰线在张拉端及锚固端的限位
装置应定位精确。
附梁场布置详图(平面图、剖面图、配筋图)
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- 先张法 台座 设计