桥梁基础工程课程设计.docVIP

- 1 - 目录目录 一、哈尔滨工业大学课程设计任务书 2 二、地基和基础的方案比较. 4 三、高承台桩基的设计与计算 5 3.1 桩基的设计5 3.2 桩的设计9 3.3 单桩桩顶所受外荷载计算.11 3.4 验算 .20 - 2 - 一、哈尔滨工业大学课程设计任务书一、哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）： 专 业： 班 号： 任务起至日期：2012年 11 月 26 日 至 2012 年 11 月 30 日 课程设计题目：某公路桥 B 号桥墩的基础与地基设计 工工 程程 概概 况况 本设计对象为某 I 级公路干线上的桥梁，该桥由 5 跨 30m 预应力钢筋混凝土梁组成， 桥墩为混凝土实体桥墩，该桥位于直线平坡段上，与河流正交，该地区无流冰及地震， 该河道不通航。该桥梁的上部结构及桥墩部分设计已经完成，本课程设计的任务是完成 B 号桥墩基础与地基的设计与检算。墩帽尺寸简图及墩身坡度见图 1。 图 1 墩帽尺寸 （单位：cm） 墩帽宽 =3.2m；墩帽长 b=8.7m；墩帽厚 d=0.52m 墩身坡 1:m=1:20，墩帽顶面标高 145.32m。 工程地质和水文地质工程地质和水文地质 表 1 土的物理力学性质表 土层 编号 土的名 称 土层顶面标 高(m) 土层厚 度(m) 饱和容重 sat r 相对密度 Dr 土的 状态 # 1细砂130.03.5 19.530.35中密 # 7粉砂126.54.5 19.010.52中密 - 3 - # 3中砂122.0 19.660.40中密 续表 2 土的物理力学性质表 土层 编号 土的 名称 内摩擦角 粘聚力C (kPa) m kN/m4 基本允许承载力 fa0 ( kPa ) 侧摩阻力标准 值 qik（kPa） # 1 细砂 40/1500027050 # 7粉砂 33/1600019050 # 3中砂 45/2000037060 水文情况： 高水位：142.0m 施工水位：132.0m 常水位：132.0m 一般冲刷深度：河底以下河底以下 1.60m 局部冲刷深度：河底以下河底以下 5.30m 荷载情况荷载情况 上部结构为 30 m 预应力钢筋混凝土梁，桥面净宽 7m20.75m，设计汽车荷载为公 路 I 级，人群荷载标准值为 3.0kN/m2。因桥墩为实体墩故不计冲击力，同时因为线路为直 线也不计离心力。以顺桥向计算为主，计得至墩台顶的各作用标准值见表 3。 表 3 墩台顶各作用标准值 荷载情况P/kNH/kNM/(kNm) 结构重力(两跨)2700.00.00.0 汽车双列双孔1302.00.0336.0 人群双孔135.00.00.0 汽车双列单孔987.00.0493.5 人群单孔67.50.033.8 单孔制动力0.0165.00.0 风压强度：1.25kPa。 设设 计计 要要 求求 - 4 - 1综合分析设计资料，对三种常用的桥梁基础类型（刚性扩大基础、桩基础和沉井 基础）的技术合理性进行比较（限于课时，本次课程设计不考虑造价因素），选择较为 合理的基础方案。 2对选定的基础方案进行详细设计。 3将以上全部成果整理成设计计算说明书和设计施工图。 二、地基和基础的方案比较二、地基和基础的方案比较 基础类型方案比较 浅基础 浅基础一般埋深较浅，且基础侧面土体的横向抗力很小而 可以忽略不计，对浅层土质的要求较高。然而在本设计资 料中，浅层土体承载力较低。故不适用。 低承台桩基 低承台桩基稳定性好，但在水中施工难度大，适用于季节 性河流或冲刷深度较小的河流，有利于提高基础的稳定性。 高承台桩基 高承台桩基适用于常年有水，水位较高，冲刷深度大且施 工时不易排水的河流，施工较低承台桩基方便，然而在稳 定性方面不如低承台桩基。由于该河道不通航，无流冰。 故此处比较选择高承台桩基。 沉 井 深井适用于地基深层土的承载力大，而上部土层比较软， 易于开挖的地层。但由于沉井在下沉过程中，在穿过地下 水位以下的细、粉砂层时，大量砂土涌入井内，使沉井倾 斜，对沉井的施工造成困难。对于本铁路桥梁基础而言， 沉井基础施工不易，性价比过低。故不适用。 - 5 - 三、高承台桩基的设计与计算三、高承台桩基的设计与计算 3.1 桩基的设计桩基的设计 （一）承台尺寸的确定 1承台底面的标高：132.0.0m 对于高承台桩基，为了节省圬工或便于施工，可将底面标高放于施工水位 以上。故此处，将承台底面的标高放于施工水位上。 2承台高度的确定：选用 C30 混凝土，厚度选用 2.0m。 承台板的厚度不宜小于 1.5m，混凝土强度等级不得低于 C25。 3承台平面尺寸的确定：承台长为 10.5m，宽为 5.0m 已知墩帽顶面标高为 145.32m。 墩帽的长为 8.7m，宽为 3.2m，墩身坡为 1:20。 承台底面标高为 132.0m，承台厚度为 2.0m。即承台顶面标高为 134.0m。 墩身高度为145.320.52 13410.8m 由此可计算得出，墩身底面长度为 8.5+ 2(10.8/20)=9.58m，宽度为 4.08m。 考虑到材料刚性角要求，选取墩底加襟边。故选取承台长为2 tan452c 10.5m，宽为 5.0m。 （二）作用在承台底面重心处的荷载设计 1主力：包括恒载（包括浮力） 、活载、冲击力和离心力，因为桥墩为实体故 不计冲击力，同时当线路为直线也不计离心力。 垂直静载(结构重力+墩帽重+墩身重+承台重+承台台阶上土重) （1）结构重力：2700kN （2）墩帽重：333.32kN 墩帽重 2 =d（b-2）+ 24 - 6 - 4 2 3. 23. 14 3. 2 =0. 52 25 3. 2 (8. 7-2)+ 2 =333. 32kN （3）墩身重：7287.01kN 墩身体积1212()AAA A H V= 3 其中，墩身顶部面积 2 11111 1 b 4 A 22 1 3.14 3.08.53.03.0=23.57m 4 墩身底部面积 2 22222 1 b 4 A 22 1 3.14 4.089.584.084.08=35.51m 4 故墩身体积 3 10.8 (23.5735.5123.57 35.51)316.83m 3 V= 墩身重316.83 237287.01VkN （4）承台重：2625kN 承台体积 3 10.5 5 2105mV 承台重105 252625kNV （5）承台台阶上土重：0 因承台底面标高处于施工水位上，承台台阶上没有土层覆盖，故承台台阶 上土重为。0 浮力 常水位时：承台处于水位线以上。故浮力0F 高水位时：3340.56kNF 承台和部分墩身处于水位线以下。 对于承台： 3 10.5 5 2105mV 1 9.8 1051029kNFg V 对于墩身：， 其中， ， 1212 () 3 H VAAA A8Hm - 7 - 2 11111 2 2 1 b 4 1 3.14 3.79(9.293.79) 3.79 4 32.125m A 2 22222 2 2 1 b 4 1 3.14 4.089.584.084.08 4 =26.92m A 故 3 8 (32.12526.9232.125 26.92)235.87m 3 V 2 9.8 235.872311.56kNFg V 综上， 12 10292311.563340.56kNFFF 活荷载 一孔活载：车辆 987.0kN ，人群 67.5kN 二孔活载：车辆 1302.0kN , 人群 135kN 2附加力： 制动力：165kN 风力（忽略横向风力，只考虑纵向风力） 从不利荷载考虑，包括常水位和高水位时的风荷载：风压强度为：1.25kPa 墩帽： 11 8.7 0.52 1.255.655kN,5.6550.26 12.873.854kN mpM 墩身：常水位时：整个墩身皆位于水平面以上，此时 ， 2 8.70.29.58 10.897.63m 2 A 97.63 1.25122.03kNP 122.03 7.4903.02MkN m 高水位时： 3 2.8 (3.53.78) 1.2512.74kN 2 p 3 12.74 (102.8/ 2)145.24kN mM 承台风力： =2 5 1.25=12.5 kNp =12.5 1=12.5kN mM 3、作用力系表(考虑主力和纵向的附加力) 承台底面重心处荷载组合计算表 - 8 - - 9 - 表表 1 承台底面重心处荷载组合计算表承台底面重心处荷载组合计算表 双跨布载，高水位双跨布载，常水位单跨布载，高水位单跨布载，常水位 荷载类型 NH力臂MNH力臂MNH力臂MNH力臂M 上部结构重力2700270013501350 墩帽自重333.32333.32333.32333.32 墩身自重7287.017287.017287.017287.01 承台自重2625262526252625 水浮力-3340.560000-3340.560000 汽车荷载1302302.41302423.2987302.4987423.2 人群荷载13513567.525.967.525.9 制动力16513.722263.816513.722263.816513.722263.816513.722263.8 墩帽5.6513.0673.795.6513.0673.795.6513.0673.795.6513.0673.79 墩身12.7412.9145.24122.038.71061.6612.7412.9145.24122.038.71061.66 风荷 载 承台12.5112.512.5112.5 N9312.8914623.89756.6911260.41 H176.32245.26158.26251.33 短期 效应 组合 M589.681103.262106.973209.84 - 10 - 3.2 桩的设计桩的设计 1、桩材选择：根据本工程的特点，选择钢筋混凝土钻孔灌注桩。 2、桩径：初步选定桩径为 1.0m，成孔桩径 1.05m。 3、桩长和桩数的估算： 根据构造措施，钻孔中径不小于 2.50m，边桩外侧距承台边缘的距离不 小于 0.5 倍桩径。设置 8 根桩，行列式排列，布置图如下： 该地基土由三层土组成，根据公路基规中确定单桩轴向受压承载力容 许值的经验公式初步反算桩长。设该灌注桩局部冲刷线以下的桩长为良好地基， 则由轴向受压承载力要求得： 2 - yi iRa i M x N NR nx 桩身自重置换土重（局部冲刷线以下） Ni为一根桩受到全部竖向荷载，桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时， 置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑。采用正常使用极限状态的短期效 应组合，各系数取值如下： 桩身混凝土重度： 3 25/kN m 每米桩重（考虑浮力）： 22 ()1.0(25 10)11.78/ 44 w qdkN m 上层土的有效重度为： 3 19.53 109.53KN/ m 中层土的有效重度为： 3 19.01 109.01KN/ m 底层土的有效重度为： 3 19.66 109.66KN/ m 桩身截面积为： 222 1.00.79m 44 Ad 桩的自由长度：桩顶标高-局部冲刷线标高=132-125.5=6.5m 0 l - 11 - 桩数：8 当两跨布载，常水位时 max0 2 ( +h)-2(2) yi i M x N Nq lAhA nx 2 14623.891103.26 1.75 19.90 (7)9.01 2 1.549.66 (2) 1.54 88 1.75 hh 2326.855.02h 当单跨布载，常水位时 max0 2 ( +h)-2(2) yi i M x N Nq lAhA nx 2 11260.413209.84 1.75 19.90 (7)9.01 2 1.549.66 (2) 1.54 88 1.75 hh 2921.61 5.02h 为单桩轴向受压容许承载力的抗力系数，按公桥规基表 5.3.7 选用。 R 因计算使用阶段，短期效应组合，荷载仅包括结构自重、汽车和人群荷载，所 以，。1 R 为摩擦桩钻孔灌注桩的单桩轴向受压承载力容许值 a R 1 1 2 n aik ipr i Ruq lA q 00223 (3) ra qmfkh 桩的设计直径 d=1.0m,采用旋转钻施工，则5cmd （1） 桩周长：1.03.14mu （2） 桩端面积： 22 1.300.79m 44 Ad （3） 清底系数： 0 0.8m （4） 修正系数 ，按，桩端为透水性土选用，=0.704 20 L d （5）为桩端土的承载力基本容许值，第三层土 0a f 0 370kPa a f （6）为承载力容许值随深度的修正系数，中密中砂取 2 k 2 4.0k （7）为桩端至一般冲刷线各土层的加权平均重度，当持力层为透水性 2 土时，水中部分土层取浮重度。近似取#3 号土的浮重度： 3 2 19.66 109.66KN/ m - 12 - （8）为桩端的埋置深度，对有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算 3 h 3 3.2hh 00223 1 (3) 2 aik ipa Ruq lA mfkh 1 4.0850 2602+1.33 0.8 0.73704 9.663.23 2 hh （kN）240.54 151.18h 当双跨，常水位时，由得 iRa NR 2326.855.02240.54 151.18hh 求得13.68hm 当单跨，常水位时，由得 iRa NR 2921.61 5.02240.54 151.18hh 求得16.98hm 桩总长：，取，即局部冲刷线以下桩 0 6.5 16.9823.48Llhm25Lm 长为，桩底标高 107.0m。19.7hm 此时桩端处的承载力容许值为 3 2 9.533.5 1.69.01 4.59.66 17 9.52kN/m 130.4 107.0 00223 (3) ra qmfkh =0.8 0.73704 9.5219.73.73 max 642.03kPa1450kPa r q 由上式验算，可知桩的轴向承载力满足要求。 3.3 单桩桩顶所受外荷载计算单桩桩顶所受外荷载计算 1.桩的各参数确定 （1）地基系数的比例系数 m 假设为弹性桩，局部冲刷线以下选取 m 值的计算深度 hm为： 2(1) m hd 桩间净距 0 L2.5 11.5m 构件局部冲刷线以下的计算深度 2 1 14m m h （） - 13 - 在 hm深度内有两层土时，应将两层土的比例系数换算成一个 m 值，作为 整个深度的 m 值。 1 22 1 2.7 40.2, 1 1.25(1) =1-1.25 (1-2.7/4) =0.59 m m h h h h 12 (1)=0.59 16000+0.41 20000=17640mmm （2） 桩的计算宽度 b1 ，故 。由于，n2c0.6 0=3 (d+1)=6 h 00 L2.51.5m0.6h3.6md 所以 0 0 11 0.61.5 0.60.97 0.60.66 Lc kc h 故 1 (1) =0.9 0.97 (1+1)=1.78m f bkkd ，要求满足：1.0dm当时 11 2 ,1bd nbB （3） 桩的抗弯刚度 EI，受弯构件 7462 0.8=0.8 2.8 101 =1.1 10 KN m 64 c EIE I 2、桩的变形系数 1 55 6 17640 1.78 =0.43 1.1 10 mb EI ，按弹性桩计算。=8.692.5h 3、单位“力”作用局部冲刷线处，桩在该处变位 (0)(0)(0)(0) MMQQMQQM 、 （1）式中系数 Kh：当桩底置于非岩石类土上，且 h2.5，令 Kh=0。 （2）式中系数 Ai、Bi、Ci、Di值，根据查表确定，当=3.35hh 时，按查表确定。4.0h4.0hh (0)-5 3443 336 3443 11 =2.441=1.94 10 0.431.1 10 QQ B DB D EIA BA B (0)-6 3443 226 3443 ()11 =1.625=6.87 10 ()0.431.1 10 MQ A DA D EIA BA B - 14 - (0)-6 3443 6 3443 11 =1.751=3.67 10 0.43 1.1 10 MM ACA C EIA BA B 4. 单位“力”作用桩顶时，桩顶变位计算 HHMHHMMM 、 3 (0)(0)(0)2 0 00 -4 2 3 =2.39 10 HHQQMQMM l ll EI 2 (0)(0) 0 0 -4 2 =0.43 10 MHHMMQMM l l EI (0)-4 0 =0.09 10 MMMM l EI 5.桩顶发生单位变位时，桩顶产生内力计算（单桩桩顶刚度系数）。 、计算 1 已知条件：=0.5，L0=1.5m，h=19.7m， 6 h E =32 10 kPa EA= 7 2.512 10 kN 且 53 00 C =m h=20000 19.7=3.94 10 kN/m D0=d+2Ltan(/4)=， 39.33 1.0+2 18.5 tan=6.95m 4m 4 则： ，故： 22 0 A =(4/2) =12.566m = 1 0 00 1 1lh EAC A 6 6 1 0.16 10 kN m 5.30.5 19.71 0.79 3.2 10394000 12.566 、计算 234 4 2 2 =1.62 10 () MM HHMMMH 4 3 2 =7.28 10 () MH HHMMMH - 15 - 4 4 2 =43.87 10 () HH HHMMMH 00 =20000 19.7=194000 10Cm hh 桩底土受压面积 22 0 22 139.33 (tan) =3.14 (19.7tan) =48.60 2424 min=10.26 3.14 =2.5 =10.26 44 d h A S 6.承台发生单位变位时，所有桩顶对承台作用反力之和 6 1=0.89 10bb n 4 2 10.27 10 aa n 4 3= 45.76 10 a n 26 41 1 =8.02 10 m ii nK X 7.承台变位计算、 0 b 0 a 0 内力按承载能力极限状态下作用效应基本组合计算，除汽车荷载效应外， 还考虑人群荷载、汽车制动力、风荷载的可变效应。将汽车荷载作为最大的可 变作用，即 0011 =1j=2 (+) mn ubGiGikQQ kcQjQjk i SSSS 0=1 =1.2 Gi 1=1.4Q =1.4 Qj =1.1 Qj 000 22 , ()() aaaa bbaaaaaa HMMH N ba 8.任一桩顶分配的作用效应组合设计值，表 2 i N i M i H 00 0203 0403 () ii i i pbX Ha Ma 桥梁基础工程课程设计 - 16 - 表表 2 承台底部中心荷载承台变位桩顶分配荷载 荷载形式 NHMb0a00NimaxNiminHiMi 双跨布载，高水 位 9312.89176.32589.680.0078950.0015790.00045312630.21001.26-35.367276.368 单跨布载，高水 位 7566.69158.262106.970.0064480.0015790.00100812689.07321.08-131.579963.257 双跨布载，常水 位 14623.89245.261103.260.012380.0032980.0007921025.6815730.68-51.0578398.357 短 期 效 应 组 合 单跨布载，常水 位 11260.41251.333209.840.013020.0032980.00134521985.3513980.48-146.3891010.258 双跨布载，高水 位 10987.26149.682536.270.009210.0009670.0008621598.6311258.37-121.699868.654 单跨布载，高水 位 9835.60149.682538.260.008210.0009670.00086714598.579763.25-122.415858.388 双跨布载，常水 位 19012.25217.3631000.013020.0020760.00110326021.182001.35-128.987979.587 基 本 组 合 单跨布载，常水 位 17835.98217.363124.050.013980.0020760.00110824256.361864.32-132.268967.354 桥梁基础工程课程设计 - 17 - 表表 3 校核承台底部中心荷载局部冲刷线处的内力和位移 荷载形式 NHMN0maxN0min H0M0X00 双跨布载， 高水位 9312.89176.32589.6812402.6810109.22-36.482438.44826-0.016470.001987 单跨布载， 高水位 7566.69158.262106.9712496.627389.093-132.57793.98107-0.060220.007678 双跨布载， 常水位 14623.89245.261103.2621060.2817057.93-50.942664.91198-0.022910.002662 短 期 效 应 组 合 单跨布载， 常水位 11260.41251.333209.8421154.2214337.8-147.037120.4448-0.066660.008353 双跨布载， 高水位 10987.26149.682536.2715887.0411543.06-122.61681.88027-0.055740.007151 单跨布载， 高水位 9835.60149.682538.2614347.189976.459-123.5382.40802-0.056150.007205 双跨布载， 常水位 19012.25217.36310025803.7420237.18-135.335101.2057-0.061430.007785 基 本 组 合 单跨布载，常 水位 17835.98217.363124.0524263.892414.450779-136.249101.7335-0.061850.007839 桥梁基础工程课程设计 - 18 - 9.校核:各桩顶所分配的力总和是否等于承台底面所受力。 6 1 i i p i nH 6 1 iii i p XnM 10.计算局部冲刷线上的外力、 0 N 0 H 0 M 000 00 iG i NNq l NNq l 桩 桩 基本组合 短期效应组合 0i HH 00 ii MMH l 11.局部冲刷线处桩柱变位计算，表 3 (0)(0) 000HHQM XHM (0)(0) 000 () MHMM HM 12.局部冲刷线以下深度 z 处桩身各截面内力 Mz、Qz 计算（基本组合） 000 01111 23 000 02222 23 000 03333 223 000 04444 323 Z Z Z Z MQ XX ABCD EIEI MQ X ABCD EIEI MQM X ABCD EIEIEI MQQ X ABCD EIEIEI 桥梁基础工程课程设计 - 19 - 表表 4 局部冲刷线以下深度桩身各截面内力局部冲刷线以下深度桩身各截面内力 Mz rzzA3B3C3D3双跨，高水 位 单跨，高水 位 双跨，常水 位 单跨，常水位 0.20.507614-0.00133-0.000130.999990.2000031.8701155.7914936.0152582.81997 0.41.015228-0.01067-0.002130.999740.399989.3834365.9744741.4012697.98837 0.61.522843-0.03600-0.010800.998060.599749.57083973.7683845.40977109.603 0.82.030457-0.08532-0.034120.991810.798549.50700578.6418947.7424116.8733 12.538071-0.16652-0.083290.975010.994459.19041780.4521448.32717119.5862 1.23.045685-0.28737-0.172600.937831.183428.64336879.3244647.24662117.9276 1.43.553299-0.45515-0.319330.865731.358217.90738875.6137644.71438112.4251 1.64.060914-0.67629-0.543480.738591.506957.03407869.8118141.02093103.8099 1.84.568528-0.95564-0.867150.529971.611626.07764362.4749636.4908892.90932 25.076142-1.29535-1.313610.206761.646285.09206654.1849431.4610880.5886 2.25.583756-1.69334-1.90567-0.270871.575384.12592245.4949226.2491967.6706 2.46.091371-2.14117-2.66329-0.948851.352013.22033236.899621.1370554.89132 2.66.598985-2.62126-3.59987-1.877340.916792.40708828.8099216.3566442.86223 2.87.106599-3.10341-4.71748-3.107910.197291.71017621.5687312.0993232.09358 37.614213-3.54058-5.99979-4.68788-0.891261.14561515.428798.50509222.96162 3.58.883249-3.91921-9.54367-10.3404-5.854020.3458455.8357842.9240178.690773 桥梁基础工程课程设计 - 20 - 当桩的入土深度4h时，4z深度以下桩身截面作用效应可忽略不计。 由表求得 桩身最大弯矩 。其轴向力设计值 Z=1Z=2.4处，即时 max=119.58KNz M =2414.94+1.2 (19.9 2.4-9.53 1.33 2.4-0.5 4.08 53.33 2.4)=2121.94 d N 如 hm范围内有两层土，桩身实际最大弯矩可按下式进行修正： maxmaxz MM 02 001 1 maxmax 136.2520000 =lg=lg=0.0065 +0.1136.25+0.1 18670.5816000 1 ( +2)=0.334 6 24+ =+=1.0018 -44- =119.58 1.0018=119.80KN m z Hm HMm h h MM 按偏心受压构件进行配筋设计： 根据和按偏心受压构件进行配筋计算： max=119.80KN N =2121.94d M max MN 采用 C30 混凝土，二级钢筋 计算偏心增大系数为 6 max 0 3 119.8 10 56.45 2121.94 10 M ecm N 长细比，应考虑纵向弯曲对偏心距的影响。取 18500 12.6815 1400 o l d ,则截面有效高度。0.90.9 650585 s rrmm 0 6505851235 s hrrmm 0 1 0 0.22.70.3231.0 e h 0 2 0 1.150.011.300 l h 22 0 12 0 0 1118500 1()1()0.323 1.3001.33 56.45 1300 1400()1400() 1235 l e h h 则， 0 1.33 56.4575.08emm 计算受压区高度系数 桥梁基础工程课程设计 - 2