一种快速施工的轨道桥梁结构及复合连接榫配筋计算方法 |
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申请号 | CN202310619742.1 | 申请日 | 2023-05-30 | 公开(公告)号 | CN116837667A | 公开(公告)日 | 2023-10-03 |
申请人 | 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司; 公路交通节能与环保技术及装备交通运输行业研发中心; | 发明人 | 吴志刚; 殷亮; 谢玉萌; 沈国栋; 杨大海; 杨凯; 慈伟主; 李剑鸾; 周云; | ||||
摘要 | 本 发明 提出了一种快速施工的轨道 桥梁 结构及复合连接 榫 配筋计算方法,涉及桥梁工程技术领域,纵向为简支体系,由 混凝土 梁、外部加固原件、 钢 筋组成,混凝土梁横截面为矩形开槽断面, 槽口 内放置轨道,所述 钢筋 包括约束钢筋、横向抗剪箍筋、梁底纵向通长钢,T型型钢、约束钢筋、横向抗剪箍筋共同形成复合连接榫,传递纵向剪 力 ,同时,提出一种复合连接榫的配筋计算方法。本发明的混凝土梁横截面为矩形开槽断面,槽口内放置轨道,与传统桥梁解决方案相比,可以显著降低总高度,根据计算方法配置钢筋,可有效防止复合连接榫下方出现撬出问题,从而确保主梁的延性和承载性能。 | ||||||
权利要求 | 1.一种快速施工的轨道桥梁结构,其特征在于:纵向为简支体系,跨径为L,L≤20m;由混凝土梁、外部加固原件、钢筋组成; |
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说明书全文 | 一种快速施工的轨道桥梁结构及复合连接榫配筋计算方法技术领域[0001] 本发明涉及桥梁工程技术领域,尤其涉及一种快速施工的轨道桥梁结构及复合连接榫配筋计算方法。 背景技术[0002] 近年来,城市交通发展迅速,部分主干道建设时,在空间关系上存在一定的重叠交叉,如何有效运用有限的空间资源,提高施工速度,既保证轨道交通,又能保证城市道路建设是当前面临的重要问题。常用的中小跨径轨道桥梁结构形式为预应力混凝土简支箱梁和简支T梁,这两种形式的桥梁梁高较高,且施工速度相对较慢,在城市空间交叉构造物较多时,由于梁高受限,无法采用。因此迫切需要寻求一种可快速施工的低梁高结构,以适应城市轨道桥梁建造的需要。 [0003] 本发明提出的一种快速施工的轨道桥梁结构,横截面为一种矩形开槽断面,槽口内设置轨道。每个槽口横截面的顶部和底部组装四个外部加固原件。轨道设置在特定的槽口内,可节省桥梁高度,特别是对于桥梁下方空间受到限制的城市轨道桥梁,应用非常广泛。顶部和底部外部加固元件采用具有回旋线形状的T型型钢,整个截面具有较强的刚度和承载能力。 [0004] 混凝土梁和外部加固原件组合截面的配筋非常重要,合理的配筋形式可提供相当大的延性承载能力,从而确保结构安全及避免混凝土层剥落。现有规范提供的纵向剪力计算按照未开裂的分析方法,仅给出横向钢筋总面积,无法准确指导本发明提供的创新性的横截面配筋。 发明内容[0006] 为实现上述目的,本发明所采取的技术方案是: [0007] 一种快速施工的轨道桥梁结构,纵向为简支体系,跨径为L,L≤20m;由混凝土梁、外部加固原件、钢筋组成; [0008] 所述混凝土梁,横截面为矩形开槽断面,槽口内放置轨道,槽口高度根据轨道高度确定; [0009] 所述外部加固原件设置在混凝土梁上; [0010] 所述钢筋包括约束钢筋、横向抗剪箍筋、梁底纵向通长钢筋,所述T型型钢、约束钢筋、横向抗剪箍筋共同形成复合连接榫,传递纵向剪力。 [0012] 本发明的进一步技术:复合连接榫配筋计算方法,其特征是包括以下步骤: [0013] 步骤1:根据应力应变关系及内力与外力的平衡关系,获得承载能力极限状态下底部截面复合连接榫处开裂阶段T型型钢的拉应力σT,拉应力σT由式(1)计算获得; [0014] [0015] 式(1)中: [0016] MD为桥梁弯矩设计值,h为梁高; [0017] 为开裂截面中性轴至截面上缘的距离; [0018] 为开裂截面的换算截面惯性矩; [0019] 步骤2:根据应力应变关系及内力与外力的平衡关系,获得承载能力极限状态下顶部截面复合连接榫处混凝土的压应力σC,压应力σC由式(2)计算获得; [0020] [0021] 式(2)中: [0022] MD为桥梁弯矩设计值, 为开裂截面中性轴至截面上缘的距离; [0023] tt为顶部截面T型型钢的翼缘厚度; [0024] 为开裂截面的换算截面惯性矩,n0为钢与混凝土弹性模量比; [0025] 步骤3:T型型钢的拉应力σT与T型型钢强度设计值fd进行对比,σT [0026] 步骤4:混凝土的压应力σC与混凝土的抗压强度设计fcd进行对比,σC [0027] 步骤5:根据桥梁剪力设计值QD,及内力与外力的平衡关系获得承载能力极限状态下复合连接榫处所需要的单位长度横向钢筋总面积AS,以及横向抗剪箍筋面积Ab和约束钢筋面积ASc,横向钢筋总面积AS由式(3)和式(4)计算获得; [0028] AS=QD×S/(fsd×Z) (3) [0029] Z=h‑Cut‑Cub‑hD‑tt‑tb (4) [0030] 式(3)中: [0031] QD为桥梁剪力设计值,S为纵向间距,通常取1m; [0032] fsd为钢筋的抗拉强度设计值; [0033] 式(4)中: [0034] h为梁高,Cub为底部截面T型型钢底座到回旋形状底部距离; [0035] Cut为顶部截面T型型钢底座到回旋形状底部距离; [0036] hD为回旋形状的高度,hD=0.4ex,ex为复合连接榫T型型钢底座纵向长度; [0037] tt为顶部截面T型型钢的翼缘厚度; [0038] tb为底部截面T型型钢的翼缘厚度; [0039] 步骤6:基于塑性理论计算纵向剪力,根据开裂前和开裂后截面特性分别计算纵向剪力,选择纵向剪力最大值,单位长度的纵向剪力PED由式(5)和式(6)计算获得,最终选取计算结果最大值作为PED; [0040] [0041] [0042] 式(5)中: [0043] QD为桥梁剪力设计值, 为未开裂截面的面积矩; [0044] 为未开裂截面的换算截面惯性矩; [0045] 式(6)中: [0046] 为开裂截面的面积矩; 为开裂截面的换算截面惯性矩; [0047] 步骤7:基于复合连接榫处的钢筋混凝土和T型型钢的抗剪承载力最小值,获得复合连接榫处单位长度纵向抗剪承载能力PRD,PRD由式(7)和式(8)计算获得,最终选取计算结果最小值作为PRD; [0048] [0049] PRD=0.25×ex×fd×tw (8) [0050] 式(7)中: [0051] γ为安全系数,通常取1.25; [0052] ηD为复合连接榫处的钢筋混凝土面积折减系数; [0053] ex为复合连接榫T型型钢底座纵向长度; [0054] fck为混凝土抗压强度标准值,n0为钢与混凝土弹性模量比; [0055] Ab为横向抗剪箍筋面积; [0056] AD为复合连接榫处的钢筋混凝土面积,根据几何关系采用 计算; [0057] 式(8)中: [0058] fd为T型型钢强度设计值,tw为T型型钢腹板厚度; [0059] 步骤8:基于步骤6计算的单位长度的纵向剪力PED和基于步骤7计算的单位长度纵向抗剪承载能力PRD进行对比,PED [0060] 步骤9:基于单位长度的纵向剪力PED,获得横向抗剪箍筋的面积,横向抗剪箍筋的面积Ab由式(9)计算获得,钢筋可采用矩形箍筋形式; [0061] Ab=0.5×PED/fsd (9) [0063] ASc=0.3×PED/fsd (10) [0064] 步骤11:通过以上步骤1‑10,实现一种快速施工的轨道桥梁结构的复合连接榫配筋计算方法。 [0065] 本发明的有益技术效果是: [0066] 本发明针对桥梁下方空间受到限制的城市铁路桥梁,创新性的提供一种快速施工的轨道桥梁结构,横截面为矩形开槽断面,槽口内放置轨道,每条铁轨,轨道本身设置在槽口内,以节省施工高度。由于轨道直接安装在混凝土槽口内,与传统桥梁解决方案相比,可以显著降低总高度。 [0067] 针对这种桥梁结构提供复合连接榫处的配筋计算方法,复合连接榫构造代替了传统剪力钉、槽钢等抗剪连接件。规范中无相应的配筋计算方法,本发明针对复合连接榫构造,根据主梁的剪力设计值及内外力的平衡关系获得单位长度的钢筋总面积AS,总面积包括横向抗剪箍筋面积Ab和约束钢筋面积ASc。根据主梁的单位纵向剪力最大值,分别计算出的横向抗剪箍筋面积Ab和约束钢筋面积ASc,且Ab+ASc>AS,分别配置相应的横向抗剪箍筋和约束钢筋,根据本发明计算方法配置钢筋,可有效防止复合连接榫下方出现撬出问题,从而确保主梁的延性和承载性能。附图说明 [0068] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0069] 图1为本发明结构总体示意图; [0070] 图2为本发明外部加固原件和混凝土梁组合示意图; [0071] 图3为本发明横断面构造示意图; [0072] 图4为本发明横断面钢筋配置示意图; [0073] 图5为本发明相关参数示意图; [0074] 图6为本发明复合连接榫纵向配筋示意图; [0075] 上述图中序号:1‑混凝土梁、2‑槽口、3‑T型型钢、4‑约束钢筋、5‑横向抗剪箍筋、6‑梁底纵向通长钢筋。具体实施方式: [0076] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本说明,并不用于限定本发明。 [0077] 实施例1 [0078] 如图1‑3所示,一种快速施工的轨道桥梁结构,纵向为简支体系,跨径为L,L≤20m;由混凝土梁1、外部加固原件、钢筋组成。 [0079] 如图1‑3所示,混凝土梁1,横截面为矩形开槽断面,槽口2内放置轨道,槽口2高度根据轨道高度确定,混凝土梁1采用普通混凝土或高强混凝土在工厂预制。 [0080] 如图1‑3所示,外部加固原件为钢结构,所述钢结构为轧制H型钢,通过切割工艺形成两片具有回旋线形状的T型型钢3,T型型钢3嵌入混凝土梁1内。 [0081] 如图4所示,所述钢筋包括,约束钢筋4、横向抗剪箍筋5、梁底纵向通长钢筋6组成。 [0082] 如图5所示,所述T型型钢3、约束钢筋4、横向抗剪箍筋5共同形成复合连接榫,传递纵向剪力。 [0083] 本发明所述的一种快速施工的轨道桥梁结构的复合连接榫配筋计算方法,按照如下步骤给出具体实施例: [0084] 选取的铁路桥梁结构跨径为12.75m,纵向简支体系,截面高度h=660mm,截面顶部T型型钢厚度tt=40mm,截面底部T型型钢厚度tb=44mm,Cut=82.6mm,Cub=102.6mm,ex=250mm。 [0085] 根据截面计算得出: [0086] 根据桥梁外部荷载计算得出桥梁弯矩设计值MD=3168kN.m,桥梁剪力设计值QD=961KN。 [0087] 根据规范:T型型钢强度设计值fd=275MPa,钢筋强度设计值fsd=415MPa,混凝土抗压强度标准值fck=32.4MPa。 [0088] 根据步骤5计算得出横向钢筋总面积AS; [0089] Z=h‑Cut‑Cub‑hD‑tt‑tb [0090] =660‑82.6‑102.6‑0.4×250‑40‑44 [0091] =290.8mm [0092] AS=QD×S/(fsd×Z)=961×1000/(415×290.8)×103 [0093] =7963mm2 [0094] 横向为双轨道,每个轨道需要的钢筋面积为 [0095] 假设横向抗剪箍筋直径为16mm,纵向间距为250mm,1m范围内横向抗剪箍筋Ab=2 201.1×2×2×4=3217.6mm; [0096] 假设约束钢筋的直径为12mm,纵向间距为250mm,1m范围内约束钢筋面积ASc=2 113.1×2×4=904.8mm;经验证:Ab+ASc>AS。 [0097] 根据步骤6计算得出单位长度的纵向剪力PED: [0098] 式5: [0099] 式6: [0100] 取PED=1465.4KN/m,横向为双轨道,每个轨道PED=1465.4×0.5=732.7KN/m[0101] 根据步骤7计算得出复合连接榫处单位长度纵向抗剪承载能力PRD: [0102] [0103] [0104] 根据假设的约束钢筋一个复合连接榫处Ab=2×201.1=402.2mm2 [0105] [0106] 式7: [0107] [0108] 式8:PRD=0.25×fd×ex×tw [0109] =0.25×275×ex×27=464.0KN [0110] 取单位长度纵向抗剪承载能力 [0111] 基于步骤6计算的单位长度的纵向剪力PED和基于步骤7计算的单位长度纵向抗剪承载能力PRD进行对比,PED=732.7KN/m [0112] 基于步骤9计算获得横向抗剪箍筋的面积Ab: [0113] 式9: [0114] [0115] 横向抗剪箍筋每个复合连接榫处Ab=201.1×2=402.2mm2 [0116] 220.6mm2<402.2mm2,满足要求。 [0117] 基于步骤9计算获得横向抗剪箍筋的面积ASc: [0118] 式10:ASc=0.3×PED/fsd [0119] =0.3×732.7×250/1000/415=132.4mm2 [0120] 约束钢筋面积ASc=113.1×2=226.2mm2 [0121] 132.4mm2<226.2mm2满足要求。 |