某铁路桥梁18号桥墩基础设计计算说明书.docx
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某铁路桥梁18号桥墩基础设计计算说明书
桥梁基础工程课程设计
——某铁路桥梁18号桥墩基础
设计计算说明书
指导老师:
第1章概述
1.1工程概况和设计任务
该桥梁系某I级铁路干线上的特大桥(单线),线路位于直线平坡地段。
该地区地震设防烈度为VI度,不考虑地震设防问题。
桥梁及桥墩部分的设计已经完成,桥跨由38孔32m后张法预应力混凝土梁【图号:
专桥(01)2051】组成,该梁全长32.6m,梁高2.65m,跨中腹板厚度0.18m,下翼缘梁端宽0.88m,上翼缘宽1.92m,为分片式T梁,两片梁腹板中心距为2.0m,桥梁跨中纵断面示意如图1-1所示。
每孔梁的理论重量为2276kN,梁上设双侧人行道,其重量与线路上部建筑重量为35.5kN/m。
梁缝10cm,桥墩支承垫石顶面高程1178.12m,轨底高程1181.25m,全桥总布置见图1—2。
图1—1 桥梁跨中纵断面示意图
图1—2全桥总布置图
桥墩采用圆端形桥墩【图号:
叁桥(2005)4203】和空心桥墩【图号:
叁桥(2005)4205】2种,其中1#~6#、33#~37#采用圆端形桥墩,7#~32#采用空心桥墩。
圆端形桥墩支承垫石采用C40钢筋混凝土,顶帽采用C30钢筋混凝土,墩身采用C30混凝土。
空心桥墩支承垫石采用C40钢筋混凝土,顶帽采用C30钢筋混凝土,墩身采用C30混凝土,空心桥墩构造图见图1-4。
桥梁支座采用SQMZ型铸钢支座【图号:
通桥(2006)8057】,支座铰中心至支承垫石顶面的距离为40cm。
本人承担第18号桥墩基础的设计与检算,桥墩为空心桥墩,地面高程为1124.84m。
图1—318号桥墩钻孔柱状图
图1-4 空心桥墩构造图
1.2工程地质和水文地质资料
本段线路通过构造剥蚀低中山区、河谷阶地、河流峡谷区等地貌单元,大部分穿行山前缓坡,地形起伏大,海拔在1000~1500m,地形起伏大,相对高差100~200m,山顶覆盖新黄土或风积砂,沟谷发育。
根据岩土工程勘察报告,大桥地层自上而下依次为新黄土、白垩系泥岩夹砂岩,河谷处主要为冲积砂及砾石土,各桥位的地层分布详见钻孔柱状图(图1-3为18号桥墩所在图)。
各地层的主要物理、力学参数见表1-1。
场地勘察未发现滑坡、岩溶、断层、破碎带等不良地质现象。
本区蒸发量远大于降水量,为贫水地区,地下水量一般不大且埋藏较深,局部地段有泉水出露。
按其赋存条件可分基岩裂隙水、第四系孔隙潜水。
地下水主要靠大气降水补给,局部受地表水补给。
其排泄路径主要为蒸发。
地下水及地表水对普通混凝土不具侵蚀性。
地表河流为常年流水,设计频率水位1122.60m,设计流速1.8m/s,常水位1121.50m,流速1.2m/s,一般冲刷线1119.50m,局部冲刷线1118.30m。
该桥所在地区的基本风压为800Pa。
表1-1 地层的主要物理、力学参数
注:
①W4泥岩为全风化泥岩,相关的参数按照黏性土取值,W3泥岩和W3砂岩为强风化泥岩和强风化砂岩,相关的参数按照碎石土取值,W2泥岩和W2砂岩为微风化泥岩和微风化砂岩。
②新黄土不需要考虑湿陷性。
1.3设计依据
(1)铁路桥涵地基和基础设计规范(TB10002.5-2005)
(2)铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-2005)
(3)铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10002.3-2005)
(4)铁道第三勘察设计院编.铁路工程设计技术手册-桥涵地基和基础
(5)西南交通大学岩土工程系编.桥梁基础工程
(6)桥梁基础工程课程设计指导书
第2章方案设计
2.1初步设计
2.1.1地基持力层的选择
地基持力层的确定需要在各土层中找一个埋得较浅、压缩性较低、强度较高的土层作为持力层。
根据18号桥墩地质资料,第一层新黄土结构疏松、压缩性较低,承载力较差,第四层W3泥岩承载力高,承载力高,满足最小埋置深度,故选其为持力层。
2.1.2基础尺寸拟定
墩身高H=1178.12-1124.84-0.35-0.05=52.88m,基础顶部标高取至地表1124.84m,基础底部标高1122.84m。
空心桥墩底面尺寸
2.2荷载计算
2.2.1主力计算
1.恒载
(1)由桥跨传来的恒载压力
等跨梁的桥墩,桥跨通过桥墩传至基底的恒载压力为单孔梁重及左右孔梁跨中间的梁上线路设备、人行道的重量,即
(2)顶帽重量
顶帽体积
顶帽重量
(3)墩身重量
墩身体积
墩身重量
(4)基础重量
基础重量4712.5kN
(5)作用在基地上的恒载
2.活载
(1)列车竖向静活载
①单孔重载
图2-1单孔重载
根据.可得支点反力为
作用在基底上的竖向活载为
基底横桥方向中心轴为轴,顺桥方向中心轴的轴,则对基底的力矩为
单孔轻载
图2-2单孔轻载
支点反力为
作用在基底上的竖向活载为
对基底的力矩为
③双孔重载
图2-3双孔重载
根据确定最不利荷载位置,本桥梁为等跨梁,故,和分别为左右两跨上的活载重量,
由得。
则支点反力为
作用在基底上的竖向活载为
④双孔空车荷载
图2-4双孔空车荷载
支点反力
作用在基底上的竖向活载为
对基底的力矩
(2)离心力
直线桥离心力为0。
(3)横向摇摆力
横向摇摆力取为,作为一个集中荷载取最不利位置,以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。
(4)活载土压力
桥墩两侧土体已受扰动,活载土压力为0。
2.2.2附加力计算
(1)制动力(或牵引力)
①单孔重载与单孔轻载的制动力(或牵引力)
H1对基底x-x轴的力矩:
②双孔重载的制动力(或牵引力)
左孔梁为固定支座传递的制动力(或牵引力)
右孔梁为滑动支座传递的制动力(或牵引力)
传到桥墩的制动力(或牵引力)
故双孔重载时采用的制动力(或牵引力)为
H2对基底x-x轴的力矩
(2)纵向风力
①风荷载强度
W=K1K2K3W0=1.1×1.28×1.2×800=1.35kPa
其中根据长边迎风的圆端形截面,由课本表2—8查得为1.1,
根据轨顶离常水位的高度(1181.25+0.192-1133.15=48.3),线性内插得,根据桥址所处地形为构造剥蚀山区,河谷阶地,河流峡谷区,所以取1.2。
②顶帽风力
对基底x—x轴的力矩为
③墩身风力
对基底x—x轴的力矩为
④纵向风力在承台底产生的荷载
(3)流水压力
因为该桥墩不处于水流中,所以流水压力为0
2.2.3荷载组合
外力组合
单孔重载
双孔重载
N(kN)
H(kN)
M(kN.m)
N(kN)
H(kN)
M(kN.m)
主力
恒载
29746.62
0
0
29746.62
0
0
活载
1896.42
0
663.75
2973.95
0
42.18
附加力
制动力
0
341.84
18896.92
0
341.84
18896.82
风力
0
541.71
15435.44
0
541.71
15435.44
2.3基础类型的比选
根据荷载的大小和性质、地质和水文地质条件、料具的用量价格(包括料具的数量)、施工难易程度、物质供应和交通运输条件以及施工条件等等,经过综合考虑后决定以下四个可能的基础类型,进行比较选择,采用最佳方案。
方案比较表
基础类型
方案比较
浅基础
一般指基础埋深小于基础宽度或深度不超过5m的基础。
建筑物的浅平基多用砖、石、混凝土或钢筋混凝土等材料组成,因为材料的抗拉性能差,截面强度要求较高,埋深较小,用料省,无需复杂的施工设备,因而工期短,造价低,但只适宜于上部荷载较小的建筑物。
低承台桩基
稳定性较好,但水中施工难度较大,故多用于季节性河流或冲刷深度较小的河流,航运繁忙或有强烈流水的河流。
位于旱地、浅水滩或季节性河流的墩台,当冲刷不深,施工排水不太困难时,选用低承台桩基有利于提高基础的稳定性。
高承台桩基
当常年有水,且水位较高,施工不易排水或河床冲刷较深,在没有和不通航河流上,可采用高承台桩基。
有时为了节省圬工和便于施工,也可采用高承台桩基。
然而在水平力的作用下,由于承台及部分桩身露出地面或局部冲刷线,减少了及自由段桩身侧面的土抗力,桩身的内力和位移都将大于低承台桩基,在稳定性方面也不如低承台桩基。
沉井
沉井基础占地面积小,施工方便,对邻近建筑物影响小,沉井内部空间还可得到充分利用。
沉井法适用于地基深层土的承载力大,而上部土层比较松软,易于开挖的地层。
通过研究设计资料,我把持力层选为W3泥岩,W3泥岩为强风化泥岩,天然重度为20kN/m3,压缩模量120MPa,基本承载力400kPa,庄周土的极限侧阻力100kPa。
场地勘察未发现滑坡、岩溶、断层、破碎带等不良地质现象。
本区蒸发量远大于降水量,为贫水地区,地下水量一般不大且埋藏较深,
地下水及地表水对普通混凝土不具侵蚀性。
桥墩所处位置无流水,施工较容易,上部荷载较大。
综合以上原因,选用低承台桩基,承台底面的标高为
1178.12-0.4-52.88-2=1122.84m<1118.30(局部冲刷线),
打入桩适用于稍松至中密的沙类土、粉土和流塑、软塑的粘性土;震动下沉桩适用于沙类土、粉土、粘性土和碎石类土;桩尖爆扩桩硬塑粘性土以及中密,密实的沙类土、粉土;钻孔灌注桩可用于各类土层,岩层;挖孔灌注桩可用于无地下水或少量地下水的土层。
根据地质条件,这里选用钻孔灌注桩,选用摩擦桩。
2.4基础尺寸的拟定
2.4.1承台尺寸的确定
墩身底面尺寸:
承台平面尺寸:
承台厚度:
承台采用C30混凝土,厚度定为2m。
承台底面标高:
1178.12-0.4-52.88-2=1122.84m,
2.4.2桩长与桩径
钻孔灌注桩的设计桩径一般采用0.8m、1.0m、1.25m、1.5m,不宜小于0.8m.
这里初步拟定桩径为1.5m。
初步拟定桩长为26m。
2.4.3确定桩数及其平面布置
1单桩轴向容许承载力的确定
表2-3各层土的参数
土层
天然重度(kN/m3)
桩周土极限摩阻力
厚度(m)
#1新黄土
15.5
60
9.5
#2W3泥岩
20
100
9.5
#3W3砂岩
22
120
4.5
#4W3泥岩
20
100
2.5
平均重度
钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数,经查表,土质较好,取为。
,,因为h>10d
=++6d
其中,W3泥岩参数按碎石取,物理状态为中密,查表知,
=400kPa,,==2.5
所以=518.70(4)+6=1101.25kPa
=
承台重量
桩长和桩数的估算:
桩数5.72,取n=8
钻孔灌注摩擦桩的中心距不应小于2.5倍成孔直径,2.5d=3.93m,取4m。
各类桩的承台板边缘至最外一排桩的净距当桩径d时,不得小于0.3d,且不得小于0.5m。
行列式排列,布置图如下:
第3章技术设计
3.1桩基础的平面分析
3.1.1b0、m、a的确定
=0.9(d+1)kn
桩间净距,计算深度m
构件数n=2,C=0.6
桩的相互影响系数k=
=
查铁路桥梁桩基础非岩石地基系数的比例系数表知,
假设是弹性桩,其主要影响深度=2(d+1)=2m
新黄土=15,在深度范围内只有一层土,则m==15
C30受压弹性模量,
按照铁路规范
ah=11.54m>2.5m,所以应按弹性桩设计。
3.1.2单桩的刚度系数计算
钻孔灌注桩ξ=0.5,桩在局部冲刷线以上长度=0m;桩在局部冲刷线以下l=26m
内摩擦角φ取所穿越土层平均值
故
=h=
EA=32
kNm
由
查表得
kNm
3.1.3群桩的刚度系数计算
计算桩基总刚度系数
kNm
=84.77
==-8=-9.92
=1.48kNm
,
==5.24
==-9.61
==1.48kNm
3.1.4桩顶位移及次内力计算
1、荷载组合为纵向主+附,双孔重载
水平力
竖向力
对承台x-x轴力矩
(1)计算承台位移
①承台竖向位移
②承台水平位移
③承台转角
(2)计算桩顶位移及内力
①桩顶竖向位移
②桩顶水平位移
③桩顶转角
④桩顶处轴向力
⑤桩顶处横向力
⑥桩顶处力矩
2、荷载组合为纵向主+附,单孔重载
水平力
竖向力
对承台x-x轴力矩
(1)计算承台位移
①承台竖向位移
②承台水平位移
③承台转角
(2)计算桩顶位移及内力
①桩顶竖向位移
②桩顶水平位移
③桩顶转角
④桩顶处轴向力
⑤桩顶处横向力
⑥桩顶处力矩
3.2横向荷载下单桩的位移和位移计算
计算采用的荷载组合为常水位时,纵向主+附,单孔重载产生的单桩内力及位移
水平力
对承台x-x轴的力矩
,故可用简洁算法。
(1)任意深度y处桩身横向位移
=+
=1.06+2.68
(2)任意深度y处桩身转角
=+
=4.69+1.18
4.69)+1.18rad
(3)任意深度y处桩身截面上的弯矩
(4)任意深度y处桩身截面上的剪力
=+0.444=59.22
(5)任意深度y处桩侧土的横向压应力
=+=3.58
(6)和列表计算如下
单孔重载桩身内力计算表
ay
y
Am
Bm
My
Aσ
Bσ
σxy
0.0
0.00
0.000
1.000
337.66
0.000
0.000
0.000
0.1
0.23
0.100
1.000
351.00
0.228
0.145
2.131
0.2
0.45
0.197
0.998
363.26
0.424
0.258
3.858
0.3
0.68
0.290
0.994
374.31
0.588
0.342
5.207
0.4
0.90
0.377
0.986
383.22
0.721
0.400
6.209
0.5
1.13
0.458
0.975
390.31
0.825
0.435
6.899
0.6
1.35
0.529
0.959
394.37
0.902
0.450
7.311
0.7
1.58
0.592
0.938
395.69
0.952
0.447
7.462
0.8
1.80
0.646
0.913
394.45
0.979
0.430
7.405
0.9
2.03
0.689
0.884
390.39
0.984
0.400
7.151
1.0
2.25
0.723
0.851
383.78
0.970
0.361
6.747
1.1
2.48
0.747
0.814
374.49
0.940
0.315
6.222
1.2
2.70
0.762
0.774
362.98
0.895
0.263
5.590
1.3
2.93
0.768
0.732
349.60
0.838
0.208
4.887
1.4
3.15
0.765
0.687
334.01
0.772
0.151
4.133
1.5
3.38
0.755
0.641
317.14
0.699
0.094
3.355
1.6
3.60
0.737
0.594
298.87
0.621
0.039
2.577
1.7
3.83
0.714
0.546
279.60
0.540
-0.014
1.806
1.8
4.05
0.685
0.499
259.86
0.457
-0.064
1.056
1.9
4.28
0.651
0.452
239.45
0.375
-0.110
0.345
2.0
4.50
0.614
0.407
219.32
0.294
-0.151
-0.317
2.2
4.95
0.532
0.320
179.01
0.142
-0.219
-1.478
2.4
5.41
0.443
0.243
141.14
0.008
-0.265
-2.375
2.6
5.86
0.355
0.175
106.44
-0.104
-0.290
-3.003
2.8
6.31
0.270
0.120
76.53
-0.193
-0.295
-3.367
3.0
6.76
0.193
0.076
51.40
-0.262
-0.284
-3.514
3.5
7.88
0.051
0.014
11.53
-0.367
-0.199
-3.119
4.0
9.01
0.000
0.000
0.00
-0.432
-0.059
-2.082
桩身弯矩和桩侧土横向压力分布图
My
σxy
故Mmax=395.69kN·m,y=1.58m;7.462,y=1.58m
3.3桩身截面配筋
3.3.1计算偏心距
由单桩的内力计算得知:
Mmax=395.69kN·m,Nmin=kN,Nmax=kN
初始偏心距:
m
主力+附加力,所以K=1.6。
影响系数
计算长度:
偏心距放大系数==1.0002
3.3.2基础配筋
根据灌注桩构造要求,桥梁桩基主筋宜采用光圆钢筋,主筋直径不宜小于16mm,净距不宜小于120mm,且任一情况下不得小于80mm,主筋净保护层不应小于60mm。
在满足最小间距的情况下,尽可能采用单筋、小直径的钢筋,以提高桩的抗裂性,所以主筋采用I级钢筋。
桩身混凝土为C25,根据《桥规》规定,取=0.5%,则
钢筋的面积为:
现选用20根的HRB335钢筋,钢筋的面积为
采用对称配筋,则主筋净距为:
符合要求
实际配筋率为:
5.12
桩与承台的联结方式为主筋伸入式,桩身伸入承台板0.1m,主筋伸入承台的长度(算至弯钩切点)对于光圆钢筋不得不小于45倍主筋直径(即1080mm),取1200mm,主筋应配到4/α处以下2m处(约为6.3m),取其长度为8m,则主筋总长为10m。
箍筋采用Φ8@200mm,为增加钢筋笼刚度,顺钢筋笼长度每隔2m加一道φ18的骨架钢筋。
桩身截面配筋见附录设计图纸。
3.3.3判断大小偏心
换算截面面积:
换算截面惯性矩
核心距
故属小偏心构件。
小偏心构件,竖向力越大越不利,故应取Nmax。
3.3.4应力计算
换算截面惯性矩
满足要求。
3.3.5单桩的材料表
(1)钢筋
直径mm
根数
单根长m
单重kg/m
总长m
总重kg
受力纵筋
24
20
33.2
3.556
664
2361.18
螺旋箍筋
8
1
723.46
0.395
723.46
285.77
加劲箍筋
18
15
4.52
2
67.8
135.6
(2)混凝土
等级
直径m
长度m
体积m3
单桩
C30
1.57
24
46.46
3.3.6承台配筋
在14.5m×6.5m×2m的承台里配置2层100mm×100mm的钢筋网和构造钢筋的配置已满足受力和构造要求。
3.4单桩轴向承载力检算
1.按土的阻力计算单桩允许承载力
该桩桩底置于不透水土中,所以在计算单桩自重和与桩入土部分同体积的土重时不考虑水的浮力。
摩擦桩桩顶承受的轴向压力加上桩身自重与桩身入土部分所占同体积土重之差,不得大于按土压力计算的单桩受压容许承载力,当主力+附加力作用时,轴向允许承载力可提高20%。
又在双孔重载时,轴向力最大,为最不利组合。
N+G
桩身自重:
G=
与桩同体积土重:
=19.29
在双孔重载时,轴向力最大,最不利荷载组合为纵向主+附
N+G=6055.19+1148.64-915.24=6288.59kN
通过验算。
3.5墩台顶的水平位移检算
位于地面上的墩台可以看做弹性悬臂梁来处理,采用最不利荷载组合为纵向主+附(单孔重载)进行检算
H=883.55kN,M=34996.11kN,N=31643.04kN
计算墩台身弹性变形引起的台顶水平位移
+=16.83mm
(此处指从垫石顶面至承台底面的竖向距离)
由弹性桩墩台顶水平位移检算公式
=16.83
通过验算。
3.6群桩基础的承载力和位移检算
桩的体积
桩的重量
内摩擦角
计算群桩的实体边长a,b
.
.
土的体积
土的重量
桩基底面面积
群桩实体基底纵向截面模量为W=671.02
将群桩基础视为实体基础检算时,应按下式计算
单孔重载:
N==1896.42++=194742.88kN
M=kN
=711.92=1123.38kPa
=607.61
双孔重载:
N==2973.95++=196897.94kN
M=kN
=718.29=1123.38kPa
=615.84kPa
均满足要求
第4章初步的施工组织设计
4.1 基础的施工工艺流程
(1)施工准备
施工准备包括:
选择钻机、钻具、场地布置等。
钻机是钻孔灌注桩施工的主要设备,可根据地质情况和各种钻孔机的应用条件来选择。
(2)桩位放线
1.桩位放线依据:
建设单位提供的放线依据和设计图纸要求。
2.桩位放线:
依据放线依据采用经纬仪、钢尺,以通视测量法放出轴线、桩位,确保轴线、桩位的位置准确。
3.桩位检测:
放出桩位后,填写放线记录与技术复核,报请总包、监理验收,验收通过后,准备开始施工。
4.桩位复测:
施工期间对桩位定期复测,如发现问题会同有关人员及时处理解决。
(3)开挖泥浆池、排浆沟
(4)护筒埋设
钻孔成败的关键是防止孔壁坍塌。
当钻孔较深时,在地下水位以下的孔壁土在静水压力下会向孔内坍塌、甚至发生流砂现象。
钻孔内若能保持壁地下水位高的水头,增加孔内静水压力,能为孔壁、防止坍孔。
护筒除起到这个作用外,同时好有隔离地表水、保护孔口地面、固定桩孔位置和钻头导向作用等。
制作护筒的材料有木、钢、钢筋混凝土三种。
护筒要求坚固耐用,不漏水,其内径应比钻孔直径大(旋转钻约大20cm,潜水钻、冲击或冲抓锥约大40cm),每节长度约2~3m。
一般常用钢护筒。
(5)钻机就位,孔位校正
安装钻孔机的基础如果不稳定,施工中易产生钻孔机倾斜、桩倾斜和桩偏心等不良影响,因此要求安装地基稳固。
对地层较软和有坡度的地基,可用推土机推平,在垫上钢板或枕木加固。
为防止桩位不准,施工中很重要的是定好中心位置和正确的安装钻孔机,对有钻塔的钻孔机,先利用钻机的动力与附近的地笼配合,将钻杆移动大致定位,再用千斤顶将机架顶起,准确定位,使起重滑轮、钻头或固定钻杆的卡孔与护筒中心在一垂线上,以保证钻机的垂直度。
钻机位置的偏差不大于2cm。
对准桩位后,用枕木垫平钻机横梁,并在塔顶对称于钻机轴线上拉上缆风绳。
(6)泥浆制备钻孔泥浆由水、粘土(膨润土)和添加剂组成。
具有浮悬钻渣、冷却钻头、润滑钻具,增大静水压力,并在孔壁形成泥皮,隔断孔内外渗流,防止坍孔的作用。
调
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