桥墩课程设计.doc

第部分 钻孔灌注桩、双柱式桥墩的计算一、 设计资料1. 设计标准及上部构造设计荷载:公路级;桥面净空:净7m+20.75m;计算跨径16.10m;上部构造:钢筋混凝土T形梁。2. 水文地质条件(本设计系假设条件)冲刷深度:最大冲刷线为河床线下2.3m处;地质条件:软塑黏性土;按无横桥向的水平力(漂流物、冲击力、水流压力等)计算。3. 材料钢筋:盖梁主筋用HRB335钢筋,其它均用R235钢筋;混凝土:盖梁、墩柱用C30,系梁及钻孔灌注桩用C25。4.桥梁尺寸考虑原有标准图,选用如图1所示结构尺寸。图1 (尺寸单位:cm)5.设计依据 (JTG D63-2007)。二、 盖梁计算(一)荷载计算1.上部结构永久荷载见表1。 表1每片边梁自重(kN/m)每片中梁自重(kN/m)一孔上部构造自重(kN)每一个支座恒载反力(kN)1、5号2、4号3号16.7717.0916.901362.38边梁1、5中梁2、4中梁3135.00137.57136.052.盖梁自重及作用效应计算 (1/2盖梁长度) (图2)图 2(尺寸单位:cm)见表2。盖梁自重产生的弯矩、剪力效应计算表2截面编号自重 (kN)弯矩 (kNm)剪力 (kN)V左V右1-1q1=0.50.51.225+(0.5/2)0.31.225 =7.5+2.25=9.75M1=7.5(0.5/2)2.25(0.5/3)=1.8750.375=2.259.759.752-2q2=(1/2) (0.8+1.1) 0.51.225=14.25M2=0.51.01.2250.5(1/2) 0.61.01.225(1/3)=7.53.0=10.5024.0024.003-3q3=1.10.61.225 =19.80M3=0.51.01.2251.1(1/2) 0.61.01.22.5(1/3)+0.619.8(0.6/2)=16.58.45.94=30.8443.8069.304-4q4=1.10.51.225 =16.50M4=113.10.5(19.8+16.5) (1.1/2)151.69(1/3)+1.1=56.5519.96524.0012.897=0.3152.8052.805-5q5=1.11.61.225 =52.80M5=113.121(19.8+16.5+52.8) (2.7/2)153.29(1/3)+27=237.51120.2854827.27=41.9600kN3. 可变荷载计算（1） 可变荷载横向分布系数计算：荷载对称布置时用杠杆发，非对称布置时用偏心受压法。公路I级a.单车列，对称布置（图3）时：B.双车列。对称布置（图4）时： 图 3（尺寸单位：cm） 图4 （尺寸单位：cm）C.单车列，非对称布置（图5）时图5（尺寸单位：cm）由，已知 则d. 双车列，非对称布置（图5）时：已知： ， ， ，则：人群荷载a. 两侧有人群，对称布置时（图6）：b. 单侧有人群，对称布置时（图6）：已知： ， ，图6（尺寸单位：cm）则：(2)按顺桥向可变荷载移动情况，求得支座可变荷载的反力值(图7)图7（尺寸单位：cm） 公路-I级双孔布载单列车时：双孔布载双列车时：单孔布置单列车时：单孔布载双列车时： 人群荷载（图 8）单孔满载时：(一侧)双孔满载时(一侧)：图8（尺寸单位：cm）(3)可变荷载横向分布后各梁支点反力（计算的一般公式为），见表3 各梁支点反力计算 表3荷载横向分布情况公路-级荷载（KN）人群荷载（KN）计算方法荷载布置横向分布系数单孔双孔单孔双孔BR1BR1BR1BR1对称布置按杠杆法算单列行车公路-I级1=04=0.2813=0.4382=0.2815=0308.93086.81135.3186.810393.450110.56172.33110.560双列行车公路-I级1=0.2662=0.4383=0.5944=0.4385=0.266617.85164.35270.62367.00270.62164.35786.90209.32344.66467.42344.66209.32人群荷载1=1.4222=-0.4223=04=-0.4225=1.42218.2625.97-7.710-7.7125.9736.5251.94-15.420-15.4251.94非对称布置按杠杆法算单列行车公路-I级1=0.4634=0.3313=0.2002=0.0695=-0.063308.93143.03102.2661.7921.32-19.46393.45182.17130.2378.6927.15-24.79双列行车公I级 1=0.2692=0.2343=0.2004=0.1665=0.131617.85166.20144.58123.57102.5680.94786.90211.68184.13157.38130.63103.08人群荷载1=0.6842=0.4223=0.2004=-0.0425=-0.28418.2612.497.713.65-0.77-5.1936.5224.9815.427.30-1.54-10.37(4)各梁永久荷载、可变荷载反力组合：计算见表4，表中均取用各梁的最大值，其中冲击系数为：1+=1+0.3176=1.3176各梁永久荷载、可变荷载基本组合计算表（单位：kN） 表4编号荷载情况1号梁R12号梁R23号梁R34号梁R45号梁R5恒载270.00275.14272.10275.14270.00公路-I级双列对称287.10472.74641.11472.74287.10公路-I级双列对称290.34252.55215.86179.17141.38人群对称51.94-15.420-15.4251.94人群非对称24.9815.427.30-1.54-10.37+609.04732.46913.21732.46609.04+582.08763.3920.51746.34546.73+612.28512.27487.96438.89463.32+585.32543.11495.26452.77401.014. 双柱反力G计算（图9），所引用的各梁反力见表5 双柱反力G计算 表5荷载组合情况计 算 式反力（KN）组合公路I级双列对称 人群对称（609.045.3+732.463.7+913.212.1+732.460.5609.041.1）=1798.111798.11组合公路I级双列对称 人群非对称（582.085.3+763.303.7+920.512.1+746.340.5546.731.1）=1812.871812.87组合公路I级双列非对称 人群对称（612.285.3+512.273.7+487.962.1+438.890.5463.321.1）=1398.811398.81组合公路I级双列非对称 人群非对称（585.325.3+543.113.7+495.262.1+452.770.5401.011.1）=1413.581413.58由表5可知，偏载左边的立柱反力最大（GG），并由荷载组合时（公路I级、双列非对称布置与人群对称组合）控制设计。此时G=1812.87kN，G=1746.09kN。（二）内力计算1. 恒载加活载作用下各截面的内力（1） 弯矩计算（图9）截面位置见图9示。为求得最大弯矩值，支点负弯矩取用非对称布置时数值，跨中玩具取用对称布置时数值。按图9给出的截面位置，各截面弯矩计算式为： M-=0 M-=-R0.60 M-=-R1.10 M-=-R1.60+ G0.50 M-=-R3.20+ G2.10R1.60 图9（尺寸单位：m）各种荷载组合下的各截面弯矩计算见表6，注意的是，表中内力计算未考虑施工荷载的影响。各截面弯矩计算 表3-24荷载组合情况墩柱反力（kN）梁支座反力（kN）各截面弯矩G1R1R2截面-截面-截面-截面-组合公路-级双列对称1798.11609.04732.46-365.42-669.94-75.41655.17组合公路-级双列对称1812.87582.08763.3-349.25-640.29-24.89723.10组合公路-级双列非对称1398.81612.28512.27-367.37-673.51-280.24158.57组合公路-级双列非对称1413.58585.32543.11-351.19-643.85-229.72226.51（2）相当于最大弯矩时的剪力计算一般计算公式为：截面1-1：V左=0, V右=-R1截面2-2：V左=V右=-R1截面3-3：V左=-R1, V右=G1-R1截面4-4：V左=G1-R1, V右=G1-R1-R2截面5-5：V左=G1-R1-R2, V右=G1-R1-R2-R3计算值见表7各截面剪力计算 表7荷载组合情况墩柱反力G1（KN）梁支座反力（KN）各截面剪力（KN）截面-截面-截面-截面-截面-R1R2R3V左V右V左V右V左V右V左V右V左V右组合公路-级1798.11609.04732.46913.210-609.04-609.04-609.04-609.041189.071189.07456.61456.61-456.61组合公路-级1812.87582.08763.3920.510-582.08-582.08-582.08-582.081230.791230.79467.49467.49-453.02组合公路-级1398.81612.28512.27487.960-612.28-612.28-612.28-612.28786.53786.53274.26274.26-213.70组合公路-级1413.58585.32543.11495.260-585.32-585.32-585.32-585.32828.26828.26285.15285.15-210.112.盖梁内力汇总（表8）表中各截面内力均取表6和表7中的最大值。按表8可绘制内力计算的包络图。 盖梁内力汇总表 表8 截面号 内力-弯矩（kN*m）M自重-2.25-10.50-30.84-0.3141.96M荷载0-367.37-673.51-280.24723.10M计算-2.25-377.87-704.25-280.55765.06剪力（kN）V自重左-9.75-24.00-43.8052.800右-9.75-24.0069.3052.800V荷载左0-612.28-612.281230.79467.49右-612.28-612.281230.79467.49-456.61V计算左-9.75-636.28-656.081283.59467.49右622.03-636.281300.09520.29-456.61（三）截面配筋设计与承载力校核采用C30混凝土，主筋选用HRB335，22，保护层5cm（钢筋中心至混凝土边缘）。fcd=13.8MPa，fsd=280MPa。1.正截面抗弯承载能力验算以下取-截面作配筋设计，其他截面雷同，在此不做详细计算。已知：bh=120cm110cm，Md=765.06kN*m，取0=1.0，=110-5=105（cm）。即：化简后为：解方程得到x=44.96mm，用22钢筋，其根数根，实际选用10根，配筋率：。该截面实际承载力Mu为：就正截面承载能力与配筋率而言，配筋设计满足公预规要求。其他截面的配筋设计如表9所示。 各截面钢筋量计算表 表9截面号M （KNm）所需钢筋面积As （cm）所需22（根数）实际选用含筋率（%）根数As（cm）-2.25622.810.266-377.8712.993.42830.410.241-704.2524.436.431038.010.302-280.559.622.53830.410.241-765.0626.597.001038.010.302对此可知，原标准图的配筋是适合的，均大于计算值。2. 斜截面抗剪承载能力验算按公预规 5.2.10条要求，当截面符合： （KN） 可不进行斜截面抗剪承载力计算，仅需按公预规 9.3.13 条构造要求配置箍筋。式中：a预应力提高系数，本设计取a=1.0； f混凝土抗拉设计强度，本设计取f=1.39MPa。对于-截面： 0.510对于-截面-截面： 0.510按公预规 5.2.9条规定：对照表8Vj值，本例可按构造要求设置斜筋与箍筋，见图10所示。图10尺寸单位：cm）3. 全梁承载力校核已知h，一根主筋22所能承受的弯矩值为：， 其中z=0.92h=966mm，代入后得（kNm)，据此绘制弯矩包络图和全梁承载力校核图。如图11所示图11三、 桥墩墩柱设计 墩柱一般尺寸见图1 所示，墩柱直径为100cm，用C30混凝土，R235钢筋。（一） 荷载计算1. 恒载计算由前式计算得：（1） 上部构造恒载，一孔重1362.38KN（2） 梁盖自重（半根梁盖）113.10KN（3） 横系梁重 （1.000.73.225）=56（KN）（4） 墩柱自重 3.14160.51.925=37.31（KN）作用墩柱底面的恒载垂直力为： N恒=1/21362.38+37.31=718.50(KN)2. 汽车荷载计算 荷载布置及行驶情况见前述图3图4，由盖梁计算得知：（1） 公路-I级单孔荷载单列车时： 相应的制动力：T=308.9320.1=61.79（KN）按公预规制动力不小于90KN，故取制动力为90KN。双孔荷载单列车时：B=84.52KN B=308.93KN相应的制动力：B+B=393.45KNT=393.4520.1=78.69KN90（KN），取制动力为90KN。人群荷载：单孔行人（单侧） 双孔行人（单侧） 图12（尺寸单位：cm）汽车荷载中双孔荷载产生支点处最大反力值，即产生最大墩柱垂直力，汽车荷载中单孔荷载产生最大偏心弯距，即产生最大墩柱底弯矩。3双柱反力横向分布计算（汽车荷载位置见图12）单列车时：双列车时：人群荷载单侧时： 双侧时：4荷载组合（1）最大最小垂直反力时，计算见表10可变荷载组合垂直反力计算 （双孔） 表10编号荷载状况最大垂直反力（KN)最小垂直反力（KN）横向分布横向分布1公路-I级单列车1.000518.41002双列车0.631654.230.369382.593人群荷载单侧行人1.42351.97-0.423-15.454双侧行人0.50036.520.50036.52表中汽车-I级已乘以冲击系数1+=1.3176,人群荷载不乘。（2）最大弯矩时，计算见表11可变荷载组合最大弯矩计算（单孔） 表 11编号荷载情况墩柱顶反力计算式 B1（1+）垂直力（kN）水平力对柱顶中心弯矩（kNm）B1B2B1+B2H（KN）0.25(B1-B)1.14H1上部构造与盖梁计算794.29002单孔双列车308.9320.6311.3176513.690513.6990/2=45128.4251.303人群单孔双侧36.5220.50036.5236.529.13表10内水平力由两墩柱平均分配。（二）截面配筋计算及应力验算1作用于墩柱顶的外力（图13）（1） 垂直力最大垂直力： Nmax汽=794.29+654.23+51.97=1500.49（kN）（汽车）最小垂直力：（需考虑与最大弯矩值相适应）由表11得到： Nmin=794.29+513.69+36.52=1344.50(kN)（2）水平力 H=45kN（3） 弯矩 Mmax=128.42+51.30+9.13=188.85（kNm)2. 作用于墩柱底的外力Nmax=1500.49+37.31=1537.80（kN）Nmin=1344.50+37.31=1381.81（kN） Mmax=188.85+451.9=274.35（kNm） 图11（尺寸单位：cm）3. 截面配筋计算 已知墩柱顶用C30混凝土，采用1216 HRB235钢筋，Ag=24.13cm，则纵向钢筋配筋率=。由于/（2r）=21.9/（20.5）=3.87，故不计偏心增大系数，取=1.0； （1） 双孔荷载，按最大垂直力时，墩柱顶按轴心受压构件验算，根据公预规 5.3.1条： =0.91（13.80.78510+28024.1310） =11508.64（kN）=1500.49（kN）满足规范要求。 (2)单孔荷载，最大弯矩时，墩柱顶按小偏心受压构件验算：=1344.50kN =188.85kNm 故。根据公预规5.3.9条偏心受压构件承载力计算应符合下列规定：设g=0.88，代入后，经整理得：按公预规提供的附录C表C.0.2“圆形截面钢筋混凝土偏压构件正截面抗压承载力计算系数”表，经试算查得各系数A，B，C，D为：设，A=2.1540，B=0.5810，C=1.6811，D=1.0934，代入后则墩柱承载力满足规范要求。四、 钻孔桩计算钻孔灌注桩直径为1.20m，用C25混凝土，16R235级钢筋。灌注桩按m法计算，m值为（软塑粘性土）。桩身混凝土受压弹性模量。（一） 荷载计算每一根桩承受的荷载为：（1）一孔恒载反力（图14）（2） 盖梁恒重反力（3） 系梁恒重反力（4） 一根墩柱恒重 5灌注桩每延米自重 q= /41.215=16.95（KN） （已扣除浮力）6可变荷载反力（1）.两跨可变荷载反力： N=654.23kN（公路-I级） （人群荷载、单侧）（2）.单跨可变荷载反力： （公路-I级） （人群荷载、双侧） ( 3) .制动力T=45kN,作用点在支座中心，距桩顶距离为： （4）.纵向风力：风压取0.7442=309.4（Pa），由盖梁引起的风力：对桩顶的力臂为：1.101/21.9=2.45（m）墩柱引起的风力：=0.85(kN)对桩顶的力臂为：1/21.9=0.95（m）横向风因墩柱横向刚度较大，可不予考虑。7.作用于桩顶的外力（图15） 图14 图15=859.60+654.23+51.97=1565.80（kN） （双孔）=859.60+513.69+36.52=1409.81（kN） （单孔）H=45+1.157+0.85=47.01 （kN）M=N60.25+T3.201+W12.45+W20.95+0.25（单跨可变荷载时） =128.42+135.95+2.83+0.81+9.13 =277.14（kNm）8.作用于地面处桩顶上的外力 Nmax=1565.80+16.96=1582.76（kN） Nmin=1409.81+16.96=1426.77(kN) H0=45+1.157+0.85=47.01(kN) M0=277.14+47.011.0=324.15（kNm）（二）桩长计算 由于假定土层是单一的，可由确定单桩容许承载力的经验公示初步计算桩长。灌注桩最大冲刷线以下的桩长为h，则： N=1/2Ulii+m0A0+k22（h3-3） 式中：U-桩周长，考虑用旋钻机，成孔直径增大5cm，则U=1.25=3.93（m）; i -桩壁极限摩阻力，按表值取为40KPa,即40KN/m2; li-土层厚度（m）；-考虑桩入土深度影响的修正系数，取为0.75；m0-考虑孔底沉淀厚度影响的清底系数，取为0.80；A-桩底截面积，A=R2=1.13m2；0-桩底土层容许承载力，取0=220KPa; k2-深度修正系数，取k2=1.5；2-土层的厚度，取2=8.0KN/m3(已扣除浮力)；h3-一般冲刷线以下深度（m）.代入得： N=1/23.93（2.3+h）40+0.750.81.13220+1.58（2.3+h-3） =180.78+78.6h+0.678（211.6+12h） =324.24+86.74h桩底最大垂直力为： Nmax=1582.76+2.316.96+1/2qh=1621.77+8.48h即： 1621.77+8.48h=324.24+86.74h故： h=(1621.77-324.24)（86.74-8.48）=16.58（m）取h=20m，即地面以下桩长为22.3m，由上式反求： N=324.24+86.7420=2059.04（kN） Nmax=1621.77+8.4820=1791.37(kN)可知桩的轴向承载力能满足要求。（三）桩的内力计算 （m法）1桩的计算宽度b2.桩的变形系数 式中：，。受弯构件：故：h =0.35422.30=7.8942.5可按弹性桩计算3地面以下深度z处桩身截面上的弯矩 与水平压应力的计算已知作用于地下处桩顶上的外力为：N0=1582.76kN ，H0=47.01kN， M0=324.15kNm（1） 桩身弯矩 式中的无纲量系数Am ，Bm 可由表格查得，计算见表12， 桩身的弯矩分布示于图16。桩身弯矩计算 表120.280.561.131.692.262.823.674.245.657.068.479.8911.300.10.20.40.60.81.01.31.52.02.53.03.54.04.04.04.04.04.04.04.04.04.04.04.04.04.00.099600.196960.377390.529380.645610.723050.767610.754660.614130.398960.193050.050810.000050.999740.998060.986170.958610.913250.850890.731610.686940.406580.147630.075950.013540.0000913.2326.1650.1270.3085.7496.02101.94100.2281.5652.9825.646.750.007324.07323.52319.67310.73296.03275.82237.15222.67131.7947.8524.624.390.03337.29349.68369.78381.03381.76371.83339.09322.89213.34100.8350.2611.140.04（2）桩身水平压应力zx式中无纲量系数 ， 可由表格查得，z为换算深度，。计算见表13，桩身的水平压应力分布示于图16 图16水平压力zx计算 （单位： kN/m2） 表13AxBxzx0.280.561.131.982.543.114.245.658.4711.3000.20.40.70.91.11.52.03.04.02.117991.802731.360241.093610.854410.466140.14696-0.08741-0.107881.290881.000640.638850.444810.286060.06288-0.07572-0.09471-0.0148703.566.068.008.277.895.872.47-2.20-3.6205.308.219.188.216.461.94-3.11-5.83-1.2208.8614.2717.1816.4814.357.81-0.64-8.03-4.84（四） 桩身截面配镜与承载力验算（图 17）验算最大弯矩z=2.26m处的截面强度，该处的内力值为： M=381.76kNm N=1582.76kN桩内竖向钢筋按0.2%配置，则 选用1216，As=24.13cm2，=0.21%。桩的换算面积为：A0=Ah+nAs=+1024.13=1.155（m2）桩的换算截面模量W0为： W0=R3+nAsr2s/2R=0.175m3 图17 lp为桩额计算长度，当ah4时，取lp=0.7（l0+4.0/）=7.19（m）。根据公预规5.3.9调和5.3.10条相关规定：1=0.2+2.7e0/（r0+rs）=0.768,2=1.15-0.01l0/2r=1.07091，取2=1。偏心增大技术： e0=M0/N0=241.20mm则e0=268.2mm270mm。按桥墩墩柱一节所示方法，查公预规附录C相关表格，可得到相关系数。经试算：当=0.6386时，从表中查得A=1.6144，B=0.6662，C=0.7250，D=1.7132。另设g=0.88,=0.21%，fcd=11.5MPa,fsd=195MPa,代入下式： 则： r0Nd=1582.76kNAr2fcd+Cr2fsd=(Afcd+cfsd)r2 =18.866002=6790（kN） r0Nde0=381.76KN.mBr3fcd+Dgr3fsd=(Bfcd+Dgr3fsd=(Bfcd+Dgfsd)r3=8.286003=1788.48（kN.m）钻孔桩的正截面受压承载力满足要求。（五）墩顶纵向水平位移验算1.桩在地面处的水平位移和转角（x0，0）计算 当ah4，z=0时，查表得： Ax=2.44066,Bx=1.621 a3EI=(0.354)32.61070.670.102=0.788105 a2EI=(0.354)22.61070.670.102=2.227105故： =1.45610-3+2.35910-3 =3.81110-3（m）=3.811(mm)6（mm）(符合m法计算要求)同上查表得到; 代入得：4. 墩顶纵向水平位移验算（图18） 图18 由于桩露出地面部分为变截面，其上部墩柱截面抗弯刚度为，下部桩截面抗弯刚度为，假设,则墩顶的水平位移公式为： 式中: