和顺大桥桥台桩基计算书.doc

目 录一、 概 述1二、 设计标准2三、 计算依据2四、 桥台桩基计算24.1计算参数取值及计算34.2桩基强度及裂缝验算84.3桩基承载力验算11五、 结论与建议11邵光高速A4标段和顺大桥右桥江西桥台计算书一、概述邵光高速A4标段K27+152和顺大桥采用1330mT梁结构，其江西侧桥台原设计左桥采用“板凳式”桥台（台帽直接支撑于承台上，且台帽中心线位于承台中心附近），右桥采用肋板式桥台。左右桥台均采用4根D120cm桩基础。在施工过程中，施工方认为右桥大部分范围内地面线高程与左桥相近，仅靠近右侧边线的23米范围内地势较低，为减少基坑土石方开挖，降低工程造价，缩短施工工期，施工方实施时取消了右桥江西台肋板台身，抬高承台，将肋板式台改为了板凳式台。但在此过程中，施工方没有调整桩基位置，仍按原设计肋板式台的桩基位置施工，导致台帽位置偏离了承台中心位置，而严重的偏向了后排桩（靠近台尾的一侧的桩基），目前，台帽中心线已与后排桩中心线对齐。原设计桥台与实施桥台的构造对比见图1.图1 设计桥台与实施桥台构造对比图在桥台构造改变后，桥台的受力模式发生了一定的变化：对于台帽，原设计台帽支承在肋板上，改变后支承于承台上，由于肋板中心线与承台中心线一致，因此台帽的受力状态变化不大；对于承台，原设计肋板台将上部荷载相对均匀的的施加在承台上，承台受力可看成承受均布荷载的框架梁，而改变后由于台帽中心与后排桩中心一致，后排桩附近的承台类似于“桩帽”的作用，主要起传递竖向荷载的作用，其受力主要为受压，而其他位置的承台则受力很小，因此，可认为构造改变后承台是偏于安全的；而对于桩基，构造的改变使得结构受力产生了不利影响：一方面，由于台帽位置偏向后排桩，前后两排桩间的竖向力差异很大，对于桩基承载力及桩身强度均不利；另一方面，由于承台的抬高，承台由低桩承台变为了高桩承台，台后土压力产生的水平力全部依靠桩基来承受，这是很不利的。为验证桥台构造改变后结构受力是否能满足要求，同时针对可能出现的病害提出适当的补强处治措施，现对实施的桥台结构进行验算，主要内容包括桩基承载力、桩身强度及裂缝验算等。二、设计标准1、桥面标准宽度：12m（单幅）11.00（行车道）+ 20.5m（人行道）2、汽车荷载等级：公路级3、设计安全等级：一级4、环境类别：I类环境5、设计洪水频率：1/1006、地震动参数：地震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s三、计算依据1、公路工程技术标准JTG B01-20032、公路勘测规范 JTJ C10-20073、公路桥涵设计通用规范JTG D60-20044、公路圬工桥涵设计规范JTG D61-20055、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-20046、公路桥涵地基与基础设计规范JTG D63-20077、公路桥梁抗震设计细则JTG/T B02-01-20088、公路桥涵施工技术规范JTG/T F50-20119、邵光高速A4标段和顺大桥施工图设计文件、地勘资料四、桥台桩基计算根据2014年12月21日现场工作会议的精神，为确保结构安全，计算时各种参数及荷载组合均按最不利状态取值，同时，不考虑台前锥坡填土对于桥台的反压及约束作用。4.1 计算参数取值及计算（1）桩基混凝土弹性模量计算桩基混凝土的强度等级为C25，根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004条文说明公式（3-7）算得：结构抗弯时的弹性模量（2）桩基惯性矩及计算宽度b0 计算桩基直径,惯性矩，桩基的计算宽度，其中，（3）桩基变形系数计算桩基覆盖层为素填土、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩，根据公路桥涵地基与基础设计规范JTG D63-2007，其（4）桥台位置描述按最不利的原则，取桥梁右侧12.25米处的地面线去掉顶层素填土后做为计算地面线，如此承台底到地面线的高度，地面线至桩底的高度；背墙台帽总高度为3.642m，宽度为12.24m；承台厚度为2.0m，宽度按5.4m计算。（5）台后土压力计算（算单排桩）1）由活载引起的水平土压力参数取值填土的内摩擦角；台背或背墙与填土间的摩擦角；填土容重。桩基的计算宽度为破坏棱体破裂面与竖直线间夹角的正切值为台后填土的破坏棱体长度车轮的总重力等代土层厚度单位土压力各部分土压力计算背墙台帽 承台 桩基部分到承台底活载引起的土压力弯矩总和到承台底活载引起的土压力水平力总和2）由台后填土自重引起的土压力各截面单位土压力计算，台帽底 承台底 冲刷线处桩基 各部分土压力计算台帽背墙 承台 各截面土压力总和及其所产生的弯矩（6）结构自重及活载产生的荷载计算（单排桩）恒载计算上部结构恒载：(（858.522+924.564）/2+(1478.4+600)/2)/2=1873.4kN搭板、耳背墙、台帽、搭板：(3.27+16.67+25.66)26/2+0.4511826/4=850.2kN承台：62.9626/2=818.5kN恒载竖向力总和：1873+850.2+818.5=3541.7kN（其中承台自重按承台宽度布置）汽车活载计算单车道汽车活载产生的竖向力：2801.2+10.538/2=535.5kN冲击系数为1.303，按杠杆法计算横向分布系数为1.775汽车活载：535.51.30331.775=1238.5kN支座位置水平力为：1873.40.06=112.4kN支座水平力对承台底产生的弯矩：112.43.5=393.4kN.m（7）承台底面承载能力极限状态下对应内力计算竖向力：P=1.23541.7+1238.51.4=5984.4kN（下图偏心荷载P需要扣除承台自重818.51.2=982.2kN，承台按自重设置） 水平力：H=1.2307.2+1.4112.4+1.1277.4=601.7kN弯矩：M=1.2719.3+1.4393.4+1.12231.03=1661.8kN.m（8）计算桩基在承载能力极限状态下内力效应现采用桥梁博士3.2.0进行结构计算，计算模式如下图，承台和桩基采用主从关系连接，按土压力计算q1=49kN，q2=77.6kN；冲刷线以上桩基按自由端建模，土中桩基按m法进行计算添加桩基的水平向弹性约束。图2 桩基计算模式表1.M法计算水平向约束刚度列表弹簧刚度抗力系数单元长度k(KN/m)C(KN/m3)a(m)h(m)k14950010k2396002000011k3792004000012k41188006000013k51584008000014k619800010000015k723760012000016k827720014000017k931680016000018k1035640018000019k11193050200000110注：其中m0=20000KN/m4取值。承载能力极限状态下桩基弯矩见下图：图3 承载能力极限状态桩基弯矩图从图中可知，桩基最大弯矩位置为桩顶，故选取该截面进行验算。在两排桩中，后排桩弯矩较小，轴力较大；前排桩弯矩较大，轴力较小。因此，对后排桩和前排桩分别取以下荷载组合进行计算。,对应弯矩为，剪力 ，对应弯矩为，剪力（9）正常使用状态长期组合、短期组合、标准组合作用下的内力效应计算过程同承载能力极限状态。长期组合作用下，恒载的系数是1，活载的系数是0.4；短期组合作用下恒载的系数是1，活载的系数为0.7；标准组合作用下，恒载系数是1，活载的系数也为1。成桥阶段轴力、弯矩计算结果如下：项目最大轴力（kN）对应弯矩（kN.m）最小轴力（kN）对应弯矩（kN.m）长期组合2270-9711760-1270短期组合2560-10101850-1320标准组合2850-10601930-1370表4.1.3 桩基内力组合表4.2桩基强度及裂缝验算（1）桩身强度验算桩基下部受土体约束，顶部受承台约束，为一桩顶固结偏心受压构件，其计算长度可取，式中为桩顶至地面冲刷线的自由长度。桩基纵向钢筋沿墩子为2620，重要性系数为1.1。1）承载能力极限状态最大轴力时验算如下：Nd=3630kN Md=1280kN.m偏心距增大系数式中，h0为截面有效高度，取1.108mh为截面高度，取1.2m为荷载偏心率对截面曲率的影响系数，为构件长细比对截面曲率的影响系数，计算可得，1.066初偏心距eo Md/Nd 0.353meo 0.39mC25混凝土，fcd 11.5MPaHRB335钢筋，fsd 280MPa假设0.58,自规范附录表C.0.2，A1.4269 B0.6615 C0.396 D 1.8226自规范公式(C.0.2-1):eo (Bfcd+Dgfsd)/(Afcd+Cfsd) 0.374m,接近于eo 0.376m。(允许偏差在2%以内)受压区高度xo与直径2r的比值假设为0.58，可行。按规范公式(5.3.9-1)、(5.3.9-2)验算柱的承载力。按公式5.3.9-1验算：oNd 3993.000086546kNAr2fcd+Cr2fsd 6195.69kNoNdAr2fcd+Cr2fsd,符合规定！按公式5.3.9-2验算：oNdeo 1500.72kN.mBr3fcd+Dgr3fsd 2317.29kN.moNdeoBr3fcd+Dgr3fsd,符合规定！2） 承载能力极限状态最小轴力时验算如下：与最大轴力时验算过程一样，结果如下Nd=2350kN Md=1610kN.m偏心距增大系数=1.034初偏心距eo Md/Nd 0.685meo 0.708mC25混凝土，fcd 11.5MPaHRB335钢筋，fsd 280MPa假设0.37,自规范附录表C.0.2，A0.778 B0.5073 C-0.619 D 1.8494自规范公式(C.0.2-1):eo (Bfcd+Dgfsd)/(Afcd+Cfsd) 0.7018m,接近于eo 0.708m。(允许偏差在2%以内)受压区高度xo与直径2r的比值假设为0.37，可行。按规范公式(5.3.9-1)、(5.3.9-2)验算柱的承载力。按公式5.3.9-1验算：oNd 2585.000056028kNAr2fcd+Cr2fsd 2770.23kNoNdAr2fcd+Cr2fsd,符合规定！按公式5.3.9-2验算：oNdeo 1831.03kNBr3fcd+Dgr3fsd 1944.17kNoNdeoBr3fcd+Dgr3fsd,符合规定！（2）裂缝验算1）正常使用状态下最大轴力时验算如下：按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004式6.4.5计算，式中，C1为钢筋表面形状系数，取1.0C2为作用长期效应影响系数，取1.44为受拉区最外缘钢筋应力，Ns=2560kN，Ms=1010kN.md为纵向钢筋直径，d=20mm为截面配筋率，C为混凝土保护层厚度，C=80mm为使用阶段偏心距增大系数，（）将各参数代入，计算可得：，满足要求。2）正常使用状态下最小轴力时验算如下：Nd=1850kN Md=1320kN.m与最大轴力时计算过程相同，结果如下，从以上计算可知，成桥阶段该桩基的强度满足规范要求，基本可保证结构安全，但富余不大；前排桩基裂缝略有超标，对结构耐久性有一定影响。4.3 桩基承载力验算标准组合作用下桩顶最大反力为2850kN，按照公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）：地质报告中描述：砂土状强风化花岗岩qik=85kPa，碎块状强风化花岗岩对中风化灰岩qik=140kPa，fa0=750kPa。根据上述规范公式，桩长按变更后实际长度计算，桩基承载力富余超过50%，富余度相对较大，结构安全。