附件小偏心壓柱式張拉臺設(shè)計與驗算

附件17小偏心壓柱式張拉臺設(shè)計與驗算附件17工程概況：高唐至邢臺公路高唐至臨清段工程第一合同段共有先張法預(yù)應(yīng)力空心預(yù)制板646片，其中10m板226片（板高50cm），13m板264片（板高60cm），16m板84片（板高75cm），20m板72片（板高90cm）。設(shè)計資料2.1設(shè)計依據(jù)：《高唐至邢臺公路高唐至臨清段兩階段施工圖設(shè)計》圖紙；《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）2.2根據(jù)設(shè)計圖紙“第六冊第一分冊”第1頁設(shè)計說明可知：鋼絞線公稱直徑15.2mm，公稱面積140mm2，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度錨下張拉控制應(yīng)力2.3根據(jù)設(shè)計圖紙可知各種長度預(yù)制板中以20m預(yù)制板邊板所用的鋼絞線根數(shù)最多，為16根，為此20m邊板作為張拉臺座的驗算荷載。即2.4張拉臺材料選用C30混凝土、縱向鋼筋選用II級鋼筋。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）中表3.1.4和表3.2.3-1分別查得C25混凝土強(qiáng)度設(shè)計值，普通II級鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為臺座設(shè)計3.1臺座結(jié)構(gòu)形式的選擇張拉臺座可分為：墩式、槽式、構(gòu)架式、換埋式等，本設(shè)計選擇槽式臺座進(jìn)行設(shè)計，其優(yōu)點為傳力性能好、穩(wěn)定性好、其形式有利于模板安裝及混凝土澆筑施工、造價相對較低、易于拆除復(fù)耕等。根據(jù)預(yù)制板生產(chǎn)周期的需要，張拉臺設(shè)共2座，每座張拉臺為3槽。兩座張拉臺間距3米，并進(jìn)行硬化以作為相關(guān)施工機(jī)具和材料運輸?shù)耐ǖ馈?.2臺座長度的擬定（見圖1）本工程以10m、13m的梁板居多約占總量的75%，因此臺座的長度以13m板為參考進(jìn)行計算，按每槽一次生產(chǎn)6片，每片板間預(yù)留1m施工空間，臺座兩端張拉、錨固各留5m施工空間，則臺座總長L=5+13*6+1*5+5=93m，臺座兩端設(shè)置2m張拉工作區(qū)。3.3傳力柱及底板結(jié)構(gòu)尺寸3.3.1根據(jù)設(shè)計圖紙“第六冊第一分冊”第8~27頁可知：中板（20m）最大寬度為99.5cm，邊板（10m）的最大寬度為144.5cm。以邊板的最大寬度做為傳力柱間距的計算參考，考慮裝摸施工作業(yè)要求每側(cè)再增加25cm的作業(yè)空間，則凈距=25+144.5+25=194.5cm，取整后擬定傳力柱間凈距B=2m。3.3.2傳力柱采用矩形截面（見圖2），擬定尺寸為寬0.5米，高0.8米，埋于地下0.4米，外漏0.4米。3.3.3傳力柱間設(shè)10cm厚底板，用與傳力柱相同標(biāo)號的混凝土澆筑，底板形心與傳力柱形心對齊，底板上設(shè)2cm厚水磨石作為底模。3.3.4根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）表9.1.1，鋼筋保護(hù)層厚度取4cm。圖2臺座設(shè)計斷面圖圖2臺座設(shè)計斷面圖圖3空心板斷面圖圖1臺座設(shè)計斷面圖圖3空心板斷面圖圖1臺座設(shè)計斷面圖3.4傳力柱受力計算（見圖4）3.4.1因傳力柱的剛度比地基要大，因此按傳力柱獨立抗壓、抗彎的情況來圖4截面受力圖進(jìn)行傳力柱受力計算。圖4截面受力圖3.4.2根據(jù)上面擬定的傳力柱尺寸及梁板鋼絞線位置可計算出偏心距=形心以上臺面+底模+鋼絞線形心至底模=5cm+2cm+4.5cm=11.5cm3.4.3由第3.4.2條≠0可知傳力柱屬于偏心受壓構(gòu)件，根據(jù)經(jīng)驗公式，初步判定為小偏心受壓（由于地基的約束作用，柱的撓度將很小，因此不考慮偏心距增大系數(shù)）。由縱向外力之和為零得：（1）式中：—受拉鋼筋截面積—受壓鋼筋截面積—截面寬度—受壓區(qū)高度—鋼筋應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力由截面上所有力對合力點力矩為零得：（2）式中：—軸向受力點至截面受拉鋼筋合力點距離—軸向力對截面重心軸的偏心距—截面受壓較大邊緣至受拉邊縱向鋼筋合力點的距離、—鋼筋保護(hù)層厚度3.4.4因為和均為未知，所以必須補(bǔ)充條件，對于小偏心受壓受拉區(qū)鋼筋得到屈服強(qiáng)度的可能性很小，所以暫以取最小配筋率0.2%計算，則（3）3.4.5小偏心受壓構(gòu)件縱向鋼筋的應(yīng)力的按下式計算：（4）式中：—截面受壓區(qū)高度—鋼筋的彈性模量—截面受壓區(qū)矩形應(yīng)力圖高度與實際受壓區(qū)高度的比值，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C50及以下時，=0.8—混凝土的極限壓應(yīng)變，混凝土強(qiáng)度等級為C50及以下時，=0.0033、—同前3.4.6由式（1）、式（2）、式（3）和式（4），可得到以混凝土受壓區(qū)高度為未知數(shù)的方程：（5）其中：3.4.7根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTGD62-2004）表5.2.1，查得C50以下混凝土、II級鋼筋混凝土構(gòu)件的相對界限受壓區(qū)高度=0.56。3.4.8根據(jù)以上參數(shù)及計算公式先求出受壓區(qū)高度，然后將帶入式（1）求得，整個過程列表計算如下（其中式（5）的一元三次方程利用Excel的單變量求解功能求出）：傳力柱偏心受壓受力計算表3.4.9通過以上計算，，可確定為小偏心受壓構(gòu)件，因此第3.3.2條所擬定的截面尺寸：較合理。受拉鋼筋滿足要求。3.5配筋設(shè)計（見圖5）根據(jù)上面計算可知受拉區(qū)鋼筋截面積=800mm2，選取3根φ20的II級鋼筋，截面積為942mm2。受壓區(qū)鋼筋截面積=119mm2，選取3根φ12的II級鋼筋，截面積為339mm2。為滿足構(gòu)造要求，每30cm設(shè)I級φ8箍筋一道，在傳力柱兩端4m范圍內(nèi)間距加密為15cm。傳力柱端頭位置受壓區(qū)范圍內(nèi)預(yù)埋12mm鋼板以使其受力均勻。圖5傳力柱及底板配筋斷面圖為加強(qiáng)臺座的整體性，在每道箍筋處設(shè)置φ8橫向構(gòu)造鋼筋，同時作為臺面板受力鋼筋。圖5傳力柱及底板配筋斷面圖3.6穩(wěn)定性驗算3.6.1雖然傳力柱有93米長，但由于傳力柱埋于地下40cm，延傳力柱斷面在水平方向上均受到了地基的約束，且傳力柱與底板用鋼筋混凝土連接，從而使所有傳力柱和底板形成一個整體共同受力，因此傳力柱水平方向的穩(wěn)定性不需進(jìn)行驗算。圖6縱向受力簡圖3.6.2在豎直方向臺座的最不利狀態(tài)為，在偏心張拉壓力的作用下，產(chǎn)生傾覆力矩，因此需進(jìn)行驗算。取臺座中心位置驗算，可將其看作固定端（見圖6）。圖6縱向受力簡圖混凝土傳力柱每延米重力g=0.5m×0.8m×1m×2450kg/m3×9.8N=9604N由此可得自重力矩M重=g×L/2×L/4=（9604N/m×93m/2）×93m/4=10383125N.m=10383KN.m張拉力產(chǎn)生的傾覆力矩M張=Nj×e0=3124.8KN×0.115m=359KN.m因為M重>M張所以傳力柱的自重足以保證其抗傾覆穩(wěn)定性。4、端橫梁設(shè)計4.1端橫梁為受彎及局部受壓構(gòu)件（千斤頂作用部位）構(gòu)件，由于鋼結(jié)構(gòu)具有制作快、自重小而不易傾覆、可循環(huán)再用等優(yōu)點，對于公路臨時設(shè)施是非常有力的，故此端橫梁采用型鋼材料來制作。圖7端橫梁斷面布置圖4.2端橫梁采用兩個I63C工字鋼并排用壁厚12mm鋼板焊接制作，兩工字鋼間預(yù)留40mm空間用于穿放傳力桿，在與傳力柱接觸部位預(yù)埋鋼板，以使傳力柱受力均勻（見圖7）。圖7端橫梁斷面布置圖4.3端橫梁為整個臺座連續(xù)布置，長度與臺座總寬度相同為8米，根據(jù)其受力結(jié)構(gòu)特點分別求出其最大彎矩和最大剪力，端橫梁所受荷載按鋼絞線張拉力Nj在鋼絞線布線范圍內(nèi)（按1m寬）的均布荷載考慮即為簡化計算，本設(shè)計采用《結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器》軟件來計算彎矩和剪力，并繪制彎矩圖（圖8）和剪力圖（圖9）如下：圖8彎矩圖圖8彎矩圖圖9剪力圖圖9剪力圖4.4橫梁截面復(fù)核：根據(jù)《路橋施工計算手冊》附表3-20查得16Mn鋼I63C工字鋼容許彎曲應(yīng)力，容許剪應(yīng)力。根據(jù)附表3-31查得I63C工字鋼截面抵抗矩，截面慣性矩，半截面面積矩，腹板厚度。4.4.1端橫梁彎應(yīng)力驗算：通過第4.3條計算可知端橫梁所受彎矩最大值=803.732KN，則每根工字鋼橫梁所受彎應(yīng)力：所以端橫梁彎應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。4.4.2端橫梁剪應(yīng)力驗算：通過第4.3條計算可知端橫梁所受剪力最大值=1964.366KN，則每根工字鋼橫梁所受剪應(yīng)力：所以端橫梁剪應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。4.4.3端橫梁變形驗算：端橫梁變形最大位置在兩傳力柱中間處，該處鋼梁在張拉均布荷載的作用下每根工