混凝土结构设计基本原理课程设计

混凝土结构设计基本原理课程设计目录设计资料 21 道碴槽板的设计 3 1.1 结构形式及基本尺寸 3 1.2 荷载与内力 3 1.2.1 恒载 3 1.2.2 活载 4 1.2.3 活载组合 5 1.2.4 内力组合 6 1.3 道碴槽板的设计与检算 7 1.3.1 板厚检算 7 1.3.2 配筋及检算 8 1.3.3 混凝土压应力、钢筋拉应力及混凝土拉应力检算 8 1.3.4 裂缝宽度检算102 主梁的设计12 2.1 结构形式及基本尺寸12 2.2 荷载与内力12 2.2.1 恒载及恒载内力计算12 2.2.2 活载及其内力计算13 2.2.3 内力组合15 2.3 梁的设计与检算16 2.3.1 跨中钢筋设计及检算16 2.3.2 主拉应力的检算18 2.3.3 剪应力计算及剪应力图19 2.3.4 箍筋设计20 2.3.5 斜筋设计20 2.3.6 弯矩包络图与材料图21 2.3.7 跨中截面裂缝宽度计算21 2.3.8 跨中截面挠度计算22参考文献23附图设计资料1 结构形式及基本尺寸采用分片形式T形截面梁梗中心距道碴槽宽每片梁顶宽计算跨度梁全长梁高跨中腹板厚180cm390cm192cm1600cm1650cm190cm30cm2 桥上线路与人行道桥上线路为平坡、直线、单线线路，道碴桥面；设双侧带栏杆的人行道。3 材料混凝土：250号钢筋：T20MnSi及A3。板内：受力钢筋；分布钢筋。梁内：纵向受力钢筋；箍筋及纵向水平钢筋，架立钢筋。4 荷载活载：列车活载：中活载；人行道活载：距梁中心2.45米以内10kPa； 距梁中心2.45米以外4kPa；恒载：人行道板重1.75kPa； 栏杆及托架重0.76kN/m； 道碴及线路设备重10kPa； 道碴槽板及梁体自重，按容重25计算。 板重可近似按平均厚度计算。5 规范铁路桥涵设计规范TBJ285 梁体横截面图（单位：cm）：1 道碴槽板的设计1.1 结构形式及基本尺寸采用分片式T形截面。梁梗中心距为180cm。道碴槽板宽390cm。每片梁顶宽192cm。跨中腹板厚30cm，距梁端3m范围内腹板厚50cm。其他尺寸见梁体横截面图1.设计时以1m长度的道碴槽板进行计算。1.2 荷载与内力1.2.1 恒载（1） 道碴及线路设备重（2） 槽板自重 由CAD的面积查询功能可得 所以槽板的平均厚度 因此槽板自重（3） 挡碴墙重 挡碴墙的横截面尺寸如图1所示：图1 挡碴墙横截面尺寸（单位：mm） 由CAD的查询功能得： 挡碴墙面积：586.0500 挡碴墙周长：104.0535 边界框坐标：162.139407.139 ：-107.593192.407 质心坐标：261.592，：317.000 因此可得， 受合力作用点距挡碴墙外缘距离为其质心与边界框边缘横坐标之差，即： 261.592-162.139=99.453（4） 人行道板重（5） 栏杆及托架重 （作用点距栏杆内侧约0.04m处）综合（1）（5），得恒载计算图：图2 道碴槽板恒载计算图1.2.2 活载（1） 人行道活载 距梁中心2.45米以内，（至挡碴板墙边） 距梁中心2.45米以外， （至栏杆处的内侧）（2）列车活载（列车荷载以45角扩散） 普通列车产生“中活载”如下 特种列车产生的“中活载”如下 （道碴槽板的列车活载按特种活载计算，每一个集中荷载按45角扩散。）横向扩散宽度：纵向荷载宽度：所以动荷载需要考虑动力系数：，L为悬臂板的长度，所以 ，。故 1.2.3 活载组合（1） 有车 列车活载+2.45米以外的人行道活载，即 ，如下图：图3 有车时道碴槽板的荷载组合（2）无车：全部人行道活载，即 如图所示图4 无车时道碴槽板的荷载组合1.2.4 内力组合取顺跨方向1米长的板进行计算，以A截面和C截面计算为例，其余点的计算结果见表1和表2。A截面：C截面：表1 道碴槽板剪力组合（单位：）恒载13.33917.34610.6026.6292.598活载125.29850.18466.40641.4902.240活载27.2407.2400.0000.0007.240控制剪力38.63767.53077.00848.1199.838表2道碴槽板弯矩组合 （单位：）恒载7.16911.3163.8171.4911.819活载16.04116.22923.9069.3351.747活载27.5589.5130.0000.0002.997控制弯矩14.72727.54527.72310.8264.8161.3 道碴槽板的设计与检算1.3.1 板厚检算取板的保护层厚度为20mm，板的受力钢筋取 ，查表知；混凝土取250号，查表知，。根据平衡设计的有关原理检算板厚是否合理，检算公式如下：（1） 确定理想受压区高度：（2） 确定混凝土截面尺寸b及h：，取，列表计算如下：表3板厚检算EABCD4.81614.72727.54527.71610.8269.63229.45455.0955.43221.652269182281538915485604952911241247877116149150103120150240240150由上表可知，所以板厚均满足要求。1.3.2 配筋及检算板各截面的配筋按如下公式计算： ，计算结果见下表表4 道碴槽板的配筋及检算EABCD4.81614.72727.54527.71610.82612015024024015095125215215125330.289767.601834.7099839.8918564.273配筋4627709249246160.004860.006160.004300.004300.00493板的最小配筋率，所以满足要求1.3.3 混凝土压应力、钢筋拉应力与混凝土主拉应力检算采用以下公式，利用查表法计算： ,，其中。计算结果如下表5 混凝土压应力检算EABCD4.81614.72727.54527.71610.826951252152151259.02515.62546.22546.22515.6257.0856.517.407.407.05（）3.86.14.44.44.9（）9.59.59.59.59.5结论合格合格合格合格合格表6钢筋拉应力的检算EABCD4.81614.72727.54527.71610.826951252152151259.02515.62546.22546.22515.625230.48183.6258.6258.6226.9123173154155157180180180180180结论合格合格合格合格合格表7.混凝土主拉应力的检算EABCD9.83838.65967.53076.99048.119951252152151250.8950.8850.9000.9000.89485.025110.625193.5193.5111.75850251106251935001935001117500.120.350.350.400.430.660.660.660.660.66结论合格合格合格合格合格1.3.4 裂缝宽度检算桥规中对受弯构件截面受拉的裂缝宽度：，的计算公式如下：，这里计算裂缝宽度（mm），钢筋表面形状系数，对光钢筋=1.0，带肋钢筋=0.8活载作用下的弯矩恒载作用下的弯矩全部计算荷载作用下的弯矩对梁和板，可分别取1.1或1.2受拉钢筋直径受拉钢筋的有效配筋率表8道碴槽板各控制截面的裂缝宽度的检验EABCD2.9977.55816.22923.8989.3351.8197.16911.3163.8181.4914.81614.72727.54527.71610.8260.80.80.80.80.81.3761.3971.3821.3281.3281.21.21.21.21.2123.0173.1154.1155.1157.20.00920.01540.01850.01850.01230.160.200.160.160.180.20.20.20.20.2结论合格合格合格合格合格2 主梁的设计2.1 结构形式及基本尺寸 计算跨度16.00m，梁全长16.50m,梁高1.90m，跨中腹板厚30.0cm,距粱端3m范围内腹板厚50cm。2.2 荷载与内力2.2.1 恒载及恒载内力计算（1）主梁自重（一恒）： 梁的自重作均布荷载处理，距梁端3m处腹板宽度，如下图所示：图5 主梁腹板的变化 由CAD面积查询功能得： 窄腹板区段横截面积： 宽腹板区段横截面积： 梁的平均横截面积：（2）道碴、线路设备、人行道板、栏杆及托架重（二恒）：=19.7 kN/m（3）一恒和二恒的和： 由上面可得恒载计算结果，如下图所示：图6 主梁恒载计算图示（4）恒载内力计算 以变截面和跨中为例进行计算，其他点的计算结果见表9。 首先计算支座反力： 变截面处： 处： 表 9 恒载作用下梁内各控制截面的内力截面支座L/8变截面处L/4L/2支座385.120288.840252.525192.5600.000385.120-1.504672.456874.8191153.8561537.697-1.5042.2.2 活载及其内力计算 在计算移动荷载作用下结构上某一量值的最大值，我们通过运用预先编制好的中活载的换算荷载表查换算均布荷载K。事实上K所产生的某一量值，与所给的中活载产生该量值的最大值相同，即：，式中是量值的影响线面积。活载还要考虑冲击系数：，其中为梁顶填土厚度，L为梁的计算跨度，由此可得1.261。此外，该梁由两片梁拼成，因此每一片还要乘以。 综上可得活载作用下内力的计算公式为： =（）由以上理论，分别作出5个控制截面的剪力影响线和弯矩影响线，进而求出各个控制截面最大活载，5个控制截面是：支座截面、L/8处、变截面处、L/4处和跨中截面。计算如下：（1） 各控制截面的最大剪力:表10 各控制截面最大剪力的计算图7 各控制截面剪力影响线支座L/8变截面处L/4L/2161413.2512886.1255.4864.52137.7143.3145.96150.4172.268.971.773.075.286.1551.2439.2400.5338.4172.21.2611.2611.2611.2611.261695.063553.831505.031426.722217.144（2）各控制截面的最大弯矩：图8 控制截面弯矩影响线表11 各控制截面最大弯矩的计算支座L/8变截面处L/4L/2161616161601418.2424320125.5124.4123.8119.4062.7562.261.959.70878.51134.91485.61910.41.2611.2611.2611.2611.26101107.7891431.1091873.3422409.0142.2.3 内力组合表12 内力组合后各截面控制剪力（kN） 支座L/8变截面处L/4L/2恒载385.120288.840252.525192.5600.000活载695.063553.831505.031426.722217.144控制剪力1080.183842.671757.556619.282217.144表13 内力组合后各截面控制弯矩（） 支座L/8变截面处L/4L/2恒载-1.504672.456874.8191153.8561537.697活载0.0001107.7891431.1091873.3422409.014控制弯矩-1.5041780.2452305.9283027.1983946.7112.3 梁的设计与检算2.3.1 跨中钢筋设计及检算：（1）配筋设计： 跨中截面所受弯矩：M=3946.711， 估计=80mm, =1908=182cm 假定Z=0.92，=0.92182=167.44（cm） 选用20，计算所需钢筋的数目,实配42根。因此实际所配的钢筋面积：=13196.4，跨中截面配筋如下图所示：图9 跨中截面配筋图（2）跨中截面混凝土及钢筋正应力检算 根据实际配筋核算应力： 已知资料：，=180MPa， =9.5 MPa。 跨中截面的有效高度：跨中截面钢筋的合力作用点距受拉翼缘的距离a:， 配筋率： 求出简化后的翼缘板厚度： 假设中性轴在翼缘板内，求出受压区高度： 因此中性轴在腹板内，与假定不符，要重新计算x值。由拉压静矩相等的原理，即得： 得 超出，但超出不超过5%，可行。混凝土的最大应力：综上可知跨中截面设计满足要求。2.3.2 主拉应力的检算 主拉应力的检算的主要部位为各控制截面，按以下公式进行检算： 为了更加精确地计算各截面的主拉应力，可根据跨中截面的最大剪应力等于最大主拉应力的原理来计算，其结果如下表所示：表14 主拉应力的检算支座变截面左变截面右跨中1079.68757.59619.28217.14505030306.646.416.418.61183.36183.59183.59181.3942.0860.8660.8669.8233.3049.6949.6957.34174.58172.42172.42168.911.240.881.200.431.701.701.701.70结论合格合格合格合格2.3.3 剪应力计算及剪应力图 假设在变截面处钢筋弯起25%,即10.5根，取11根；在支座截面处钢筋弯起60%，即25.2根，取26根，根据假定确定在支座截面已弯起的钢筋的位置，如图10、11所示： 图10 假定变截面处弯起钢筋 图11 假定支座截面处弯起钢筋 由此根据2.3.2中的计算步骤得到变截面处以及支座截面处的有效高度，受压区高度、受压区合力作用点至中性轴的距离，以及内力偶臂。从而根据，由于主拉应力，其计算结果如下：表15 剪应力的计算支座变截面左变截面右跨中1079.68757.59619.28217.14505030306.646.416.418.61183.36183.59183.59181.3942.0860.8660.8669.8233.3049.6949.6957.34174.58172.42172.42168.911.2370.8791.1970.4292.3.4 箍筋设计箍筋的设计通常按照构造要求和工程经验先确定其直径、肢数和间距，然后计算它所能承受的主拉应力值或剪应力值。由于梁肋较宽，一层内又多于5根钢筋，故采用4肢，选用8钢筋，箍筋间距=25cm，沿梁长等间距布置。 由得箍筋所能承受的剪应力： b=50cm时, b=30cm时, 综合上述计算结果，得剪应力图：图12 剪应力图2.3.5 斜筋设计 当b=50cm时，剪应力图中由斜筋承受的面积 ， 取。 当b=30cm时，剪应力图中由斜筋承受的面积 ， 取。2.3.6 弯矩包络图与材料图 根据弯起钢筋时先中间后两边、先上面后下面以及尽量对称弯起的原则，将需弯起的24根钢筋按八批弯起，第一批弯起一根，第二批、第三批每次弯起两根，第四批弯起四根，第五批弯起两根，第六批弯起三根，第七批弯起两根，第八批弯起八根，如下图所示：图13 钢筋弯起顺序布置斜筋时，应使各斜筋承受的斜拉力大小相等，这样就必须确定各斜筋弯起的位置，斜筋起弯点的确定，根据2.3.5中的剪应力图采用作图法确定。按上述方法布置斜筋时，还应检查纵筋弯起后所余部分能否满足各截面抗弯强度的要求，但这也可以通过作图法确定。先确定梁截面的承载能力： 每根钢筋弯起的位置以及材料图、弯矩图在附图中。 2.3.7 跨中截面裂缝宽度计算 根据1.3.4中的步骤计算跨中的裂缝宽度：，故： 2.3.8 跨中截面挠度计算 由于恒载造成的挠度可以通过施工时的预拱来消除，因此正常使用阶段主要考虑活载造成的挠度，下面分别计算由恒载和活载产生的挠度值。均布荷载作用下的钢筋混凝土铁路简支梁的跨中挠度按下式计算 其中， 受压区高度要根据实际的钢筋弹性模量和混凝土弹性模量来求由得：解得因此 将上述各量值代入到得：恒载挠度： 活载挠度：所以，跨中挠度满足要求。参考文献1 袁锦根，姚健.混凝土结构设计原理.中国建筑工业出版社2 肖佳，宋兆全.计算机绘图实用教程.中南大学出版社3 宋兆全.画法几何及工程制图.中国铁道出版社- 24 -