桥梁下部构造设计

1、桥梁设计参考资料之二十四桥梁下部构造设计参考资料中交公路规划设计院有限公司贵州分公司2010-6前言 根据最近收集的高速公路空心板桥、组合小箱梁桥和T梁桥的桥墩墩身、盖梁、承台和桩基构造尺寸和配筋设计资料以及近期关于桩基和承台设计计算的论文和专著，择其主要内容编写这份资料供我公司内部参考使用。1 空心板、组合小箱梁与T梁桥桥墩常用尺寸及配筋表1-1 空心板、组合小箱梁与T梁桥桥墩常用尺寸及配筋跨径（m）13162025304050上部构造空心板空心板空心板 、小箱梁、T梁小箱梁、T梁小箱梁、T梁小箱梁、T梁T梁墩身及主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身高度H(m)1

2、5mH2d11024222d12026222d13028222d14028352d16030252d16036252d200502515H202d12026222d13028222d14028252d15030352d16032252d18040252d220602520H252d14030222d15030252d16032252d17034252d20044252-200×200682825H302d16032252d17034252d18040252d22052252-220×220762830H352d17034252d18036252d20040252-200&#

3、215;2006828650×24016432、1322035H402d20040252d22044252-220×2207628650×26017032、1382040H452d22044252-200×2006828650×22015828、12620650×28017432、1422045H502-200×2207628650×24016428、13220650×30017832、1462050H55650×22011028、8220650×26017028、13820650&#

4、215;32018432、15220表1-1 空心板、组合小箱梁与T梁桥桥墩常用尺寸及配筋跨径（m）13162025304050上部构造空心板空心板空心板 、小箱梁、T梁小箱梁、T梁小箱梁、T梁小箱梁、T梁T梁墩身及主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身主筋墩身高度H(m)55H60650×24011628、8820650×28017428、14220650×34019032、1582060H65650×26012232、9420650×30017832、14620650×36020032、1682065H70650

5、×3201843215220650×38021832、1742070H75650×3401903215820表1-1说明：适用于桥面宽13m的梁桥，设计荷载：公路I级。“墩身”栏：2d110表示双柱式圆形截面直径为110cm；2-200×200表示双柱式方形截面边长为200×200cm；650×220表示空心薄壁墩横桥向宽650cm×顺桥向宽220cm。650×220650×300壁厚a=50cm；650×320650×380a=55cm，双柱式C30，空心薄壁C40砼。双柱墩系梁间距

6、约15m左右。系梁矩形断面80×100cm（d120）、100×120（d130）、110×130（d140及d150）、120×150（d160、d170）、130×160（d180）、150×180（d200、d220及200×200）、160×200（220×220）。系梁钢筋：圆柱式上、下层主筋20，15，腹筋12，15；箍筋10，15；方柱式200×200、220×220上、下层主筋25，15；腹筋12，15。系梁C30砼。“主筋”栏：指墩身竖向主筋，对于双柱式墩，表中为一个

7、柱的主筋；对空心薄壁墩，上排为横桥向布置的主筋，下排为顺桥向布置的主筋。圆柱式桥墩桩基直径D=柱直径+20cm。桩主筋与墩身主筋根数相等，直径可提高一级。C25砼。承台A.方形墩柱承台：280×280×200（200×200方柱），系梁150×200（主筋25，15，腹筋12，15，箍筋10，15），桩d220（主筋4828），承台及系梁C30，桩基C25。B.方形墩柱承台：300×300×200（220×220方柱），系梁160×200（主筋25，15，腹筋12，15，箍筋10，15），桩d240（主筋5828）

8、。承台及系梁C30，桩基C25。C.空心薄壁墩承台a）承台750×700×300cm（墩身650×220650×300），承台主筋25，15，腹筋16，15；桩4d180（主筋3628）；b）承台750×750×300cm（墩身650×320650×340），承台主筋25，15，腹筋16，15；桩4d200（主筋4428）；c）承台800×800×300cm（墩身650×360650×380），承台主筋25，15，腹筋16，15；桩4d220（主筋5228）。2 空心板、组合

9、小箱梁与T梁桥桥墩盖梁尺寸及配筋表2-1 空心板、组合小箱梁与T梁桥桥墩盖梁尺寸及配筋跨径（m）13162025桥型空心板空心板空心板小箱梁T梁小箱梁T梁桥墩柱式柱式柱式柱式柱式柱式柱式柱中距（cm）720720720650680650680盖梁宽×高（cm）160×120160×130（160-180）×140（160-180）×140（160-180）×140（180-240）×150（180-240）×150长度（cm）1300130013001150121011501210砼等级C30C30C30C30C3

10、0C30C30盖梁钢筋主筋支点上缘2625302528282428262828283228下缘1325152514281228132814281628中点上缘1325152514281228132814281628下缘2625302528282428262828283228斜筋悬臂段2025242524282428222830282828跨内段2025242524282428222830282828箍筋61060610610610610610腹筋2-6122-6122-7122-7122-7122-8122-812表2-2 空心板、组合小箱梁与T梁桥桥墩盖梁尺寸及配筋跨径（m）304050桥型

11、小箱梁T梁小箱梁T梁T梁桥墩柱式薄壁式柱式薄壁式柱式薄壁式柱式薄壁式柱式薄壁式柱距或墩厚（cm）650220260680220260650220340680220340690240380盖梁宽×高（cm）（200-240）×160（240-280）×200（200-240）×160（240-280）×200（220-240）×180（240-360）×220（220-240）×180（240-360）×220（220-240）×200（260-400）×240长度（cm）1150115

12、012201220115011501230123012351235砼等级C30C40C30C40C30C40C30C40C40C40盖梁钢筋主筋支点上缘3628362840284028402840284428462848285028下缘1828182820282028202820282228232824282528中点上缘1828362820284028202840282228462824285028下缘3628182840282028402820284428232848282528斜筋悬臂段3628542832286028402860283628692840287528跨内段36280322

13、80402803628040280箍筋810810810812810101281010128121212腹筋2-9122-12122-12122-12122-11122-14122-11122-4122-12122-1612表2-1及表2-2说明设计荷载：公路-I级；桥宽13m；桥墩：双柱式（圆柱或方柱）；空心薄壁墩外轮廓：650cm（宽）×（220380）cm（厚）。上部构造：空心板10块，顶宽1300cm，底宽1250cm，中距125cm。 小箱梁4片，顶宽1300cm，中距323.3cm。 T梁 6片，顶宽1300cm，中距220cm。盖梁：两侧悬臂段变高度，端部高度为中部高度

14、的1/2。盖梁宽不够时可适当加宽，配筋不变。盖梁支点负弯矩筋为有效受力筋，另有支点顶面通过的非受力筋未列入。盖梁箍筋间距按JTGD62-2004第条规定设置。腹筋为盖梁两侧的防裂钢筋。3 高速公路部分高架桥下部构造数据表3-1高速公路部分高架桥下部构造主要数据序号桥名L（m）B（m）盖梁（m）桥墩型式墩身断面（m）墩身高度承台厚（m）桩基（m）长×宽×高顺桥向横桥向桩径桩长1底至高架桥401312.05×2.4×1.8双柱实体方形2.2×2.235.1272.00单排2根2.4012.002流阴洞高架桥401312.05×2.8

15、15;2.2薄壁外6.5×2.6，内5.5×1.651.1523.00双排2根1.8018.003流阴洞高架桥401312.05×3.2×2.2薄壁外6.5×3.0，内5.5×2.068.8593.00双排2根2.0026.004流阴洞高架桥401312.05×4.0×2.2薄壁外6.5×3.8，内5.4×2.784.7453.50双排2根2.2026.005莲花高架桥401312.05×2.0×1.8双柱实体方形2×231.7872.00单排2根2.2030.00

16、6梅家庄高架桥401312.05×2.4×1.8双柱实体方形2×235.2362.00单排2根2.4014.007马山高架桥4013.5/12.012.05×2.4×1.8薄壁外8.5×2.2，内7.5×1.249.4273.00双排2根1.8015.008核桃箐高架桥5012.2511.15×2.4×1.7双柱实体矩形1.6（纵）×1.845.7133.00双排2根1.8035.009牛坡高架桥301311.95×2.6×2.0薄壁外6.5×2.4，内5.5

17、15;1.452.0003.00双排2根1.5017.0010四方坡1号桥301311.95×2.6×2.0薄壁外6.5×2.4，内5.5×1.439.0713.00双排2根1.5015.00表3-1说明序号7、8为贵遵高速公路扎南段高架桥，其余均为贵阳至都均高速公路高架桥。为施工图设计资料。序号16设计单位为中交公路规划设计院有限公司；序号710设计单位为中交第二公路勘察设计研究院。表中L为上部构造一跨的跨径。B为左（右幅）桥面宽度，分数表示左宽/右宽。上部构造为T梁。表中墩身高度为墩高最大值；桩长为各桩中的最长者。薄壁墩断面均为箱形，内外轮廓线均为矩

18、形，箱内设有横隔板。盖梁端部高度为中部高度的一半，盖梁长度包括挡块宽度2×30cm。序号16高架桥，桩基均为嵌岩桩，要求嵌入中风化基岩不小于4m，桩底以下连续岩层厚度不小于6m。高架桥中，有些墩为墩梁固结，有些墩上设支座。序号7、8高架桥，桩基嵌入弱风化基岩不小于6m；序号9高架桥桩基按摩擦桩设计；序号10高架桥按嵌岩桩设计序号8高架桥，上部构造为（4×50+3×50m）T梁，先简支后连续刚构，共两联，第16号墩高为16.622m、34.789m、45.713m、40.328m、27.493m、15.113m。其中1号、5号、6号墩顺桥向为单排桩，横向2根桩、桩径

19、2m。2号、3号和4号墩顺桥向为双排桩，横向 2根桩，桩径1.8m。4 群桩等代结构的近似计算方法实际结构 等代结构图4-1 群桩等代结构图4-1为群桩实际结构与等代结构示意图。符号意义如下： h 实际桩长；L 等代结构桩长；F 单桩截面积，实际结构与等代结构相同。Ks 等代结构桩端竖向弹簧系数，弹簧杆元长度为1m。等代结构的两个参数如下：L=1.82/ （4-1） (4-2)式中： 桩的变形系数， m m法计算中地基系数的比例系数，见JTGD63-2007附录P，单位KN/m4 b1 单桩计算宽度，见JTGD63-2007附录P，b1按单桩计算。单位：m EI 单桩桩身抗弯刚度，单位：KN&

20、#183;m2 C0 岩石地基抗力系数，单位：KN/m3 A0 桩底截面积，等截面桩A0=F；变截面桩，A0=F的平均截面积。对于摩擦桩，A0取以下两者中之较小者、。其中d为桩直径，S为桩中距，为桩所穿过各岩土层的平均内摩擦角。A0单位m2。 系数，端承桩=1；摩擦桩为钻（挖）孔桩时=1/2. E 单桩桩身砼弹性模量，单位KN/m2。 等代结构中桩底竖向弹簧元的长度取1m，其截面为 As=Ks/E （4-3） 上述公式可用于单桩、单排桩和群桩。每根桩应分别计算L、Ks及As，可用平面杆系有限元程序，也可用空间杆系有限元程序进行上、下部结构联合计算。可获得上部结构和承台中心及墩台身的内力及变位。

21、求出承台中心的内力后，便可用m法计算出各根桩的实际内力。承台的变位即群桩桩顶的变位。 上述近似计算方法与精确解比较，误差在7.5%以内。5 承受较大水平力的桩按复合桩基设计 （1）高、低桩承台的划分水平力较大时，高、低桩承台受力性状出入较大。应首先明确承台类型。铁路桥涵设计规范（1959年版）的划分方法承台底面埋入地面以下的深度hhc时为低桩承台，否则应为高桩承台。/2） （5-1） 式中：B 垂直于水平力方向的承台宽度（m）。 H 作用于承台的水平力（KN）。 承台侧面（靠B一侧）填土的内摩擦角。r 承台侧面填土的容重（KN/m3）。 上式的物理意义是：水平力H全部由承台侧面填土的被动土压力

22、平衡。即低桩承台的桩不承受水平力，高桩承台的桩则承受一部分或全部水平力（视h的大小确定）。上述划分方法存在以下问题： a）产生被动土压力所需的土体压缩变形远大于产生主动土压力所需的土体变位，而桥梁桩基在地面处的容许水平位移，一般不应大于10mm（重要工程则宜6mm），而被动土压力引起的土体变位超过10mm。 b）随着时间的增长，主动土压力逐渐增大，而被动土压力逐渐减小。时间很长时，两者均趋近于静止土压力。所以，用全部被动土压力来平衡水平荷载不可靠。用库仑理论计算的被动土压力会产生很大误差，根据经验，从安全考虑，一般只取被动土压力计算值的1/3。目前工程界普遍采用的划分方法当承台顶面位于永久地面

23、以下，且承台四周为稳定土层时，属于低桩承台，否则为高桩承台。此时桩承台的物理意义是：承台侧面及底面可以分担一部分水平荷载和竖向荷载。分担数额的大小，主要决定于承台侧面及底面土层抗力及承台容许水平位移的大小。即水平荷载与竖向荷载由承台与桩基共同承担。桩基工程手册（史风栋主编，人民交通出版社2008年7月第1版）指出：“考虑承台底效应等分项群桩效应系数后，群桩中的任一根桩称为复合基桩”（该书P105）。建筑桩基技术规范（JGJ96-2008）对复合桩基的定义是：“由基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础”。 （2）低桩承台设计要点 承受较大水平力的低桩承台，采用复合桩基，即由承台、桩协同工作并计入

24、土的弹性抗力作用，以抵抗水平力的体系较为高效合理6。根据复合桩基计算，可以得到桩身分担的水平力及相应的桩身最大弯矩，并据此进行截面设计和配筋。较大水平力作用下，应控制桩顶（取承台顶）的水平位移。一般情况下应10mm，对于水平变位敏感的结构物，应6mm。承台埋入稳定土层和强风化岩层，且承受水平力H作用时复合桩基计算。 实际桩基 计算图式 图（5-1）水平荷载H作用时复合桩基计算如图（5-1）所示，沿水平力作用方向，在每一排桩侧布置水平二力杆元（即两端为铰的链杆）。按计算精度考虑，链杆的间距a应满足： （5-2）式中：Eho 桩砼抗弯弹性模量（KN/m2） Ih 单桩截面抗弯惯矩（m4） d 单桩

25、截面直径（m），如为矩形截面，近似取截面积相等的圆截面直径。 Kh 系数。当桩周为土层时，Kh=m（地基土水平抗力系数的比例系数），单位KN/m4；当桩周为岩层时，Kh=C0（岩石地基系数，单位KN/m3）式（5-2）计算所得的a，单位为m。如果允许计算误差为5%，则可取 （5-3）靠近地面处，a应小一些，桩的下段a可以大一些。承台厚度范围，应取较小的a值，一般可取a=承台厚度/5水平链杆的截面积 （5-4）式中：mi 深度hi处地基土水平抗力系数的比例系数（KN/m4）； li 第i根水平链杆的长度（m），可直接取li=1m。 hi、hi 如图（5-1）所示。 boi 计算点i处桩的计算宽度

26、（m）。桩与承台的boi均按JTGD63-2007附录P的规定取计算宽度。 En 桩或承台砼抗压弹性模量（KN/m2）。 式中（5-4）计算的Ai，单位m2。 当桩身进入岩层时，岩层段的水平链杆的截面积为 （5-5） 式中：Co 岩石地基系数（KN/m3）。 桩底支承约束，分述如下：（A）摩擦桩桩底约束如图（5-2），弹簧元的长度为1，截面积为A1单排桩时： （5-6）图（5-2）摩擦桩桩底约束 式中：Co 桩底土的竖向地基系数（KN/m3），Co=mo·h mo 桩底土的地基系数比例系数（KN/m4） h 桩的入土深度（m）。A0 桩的计算底面积（m2）。对于摩擦桩，为每一桩四周自

27、地面按向下扩散至桩底处的面积。为桩所穿过土层的平均内摩擦角。当此面积大于按桩底中心距为直径计算的圆面积时，则采用按桩底中心距计算的面积。 En 桩身砼抗压弹性模量（KN/m2） A 单桩截面积（m2）弹簧元长度（m），可取=1m。多排桩时： （5-7）式中： 桩侧摩阻力影响系数，摩擦桩=1/2（钻、挖孔桩）；支承桩或嵌岩桩=1，其余符号同前。（B）支承桩（桩底支承于岩面，或嵌入岩层0.5m）桩底约束如图（5-3）所示。不论单排桩或多排桩A1均按式（5-6）计算。刚性元A2及均可取为A2=1m2，=1m，但A2弹性模量取100En。图（5-3）支承桩桩底约束（C）嵌岩桩（嵌入完整基岩0.5m时）

28、，桩底按固端约束采用。 承台可按实际尺寸计算截面积及有关参数。当承台嵌入较完整的硬质岩层中（），且在水平力H作用下，侧壁基岩的压应力岩石承载力基本容许值，则认为水平力H完全由侧壁基岩平衡，桩不承受水平力，不需进行上述计算。 规范3第条条文说明指出：“桩基抵抗水平力很大程度上依赖于承台底阻力和承台侧面抗力”，“在低桩承台的前提下应注重采取措施充分发挥承台底面及侧面土的抗力作用”。规范4第8.1.9规定：“在承台与基坑侧壁间隙回填土前，应排除积水，清除虚土和建筑垃圾，填土应按设计要求选料，分层夯实，对称进行”（强制性条文）。必要时可对承台底及四周土体采取灌浆固化等提高承载力的措施。6 嵌入软岩的桩

29、基承载力计算在54根桥梁工程嵌入软岩桩承载力和桩基内力测试数据的基础上，与两种规范的计算结果进行了比较，论文9认为规范1过于保守，规范4偏危险，并提出了推荐的计算公式。表6-1为实验结果与公式计算的比较表6-1 试桩测试结果与规范公式比较项目试桩6试桩7效果承载力（Kpa）误差（%）承载力（Kpa）误差（%）推荐的计算公式37077.82.1241731.910.98较好，偏于安全桥规1公式20974.744.627139.341.90过于保守桩基规范4公式42196.0-11.449713.1-6.50偏于危险自平衡测试结果378800466800 软岩指饱和单轴抗压强度标准值的基岩。 推荐

30、的计算公式： （6-1）式中：Qu 单桩竖向极限承载力标准值。安全系数K=2时，单桩竖向承载力容许值为Qu/K。 Qs 桩身通过土层区段极限侧阻。 （6-2）Ui， 第i段土层桩身周长及桩身长度。共有n段土层，单位均为m。qsik 第i段土层桩侧极限摩阻力（Kpa）。土层中桩身侧阻系数。 （用于15/d50） （6-3） （用于/d50） （6-4）/d为桩身长、径比。Qr 桩身嵌岩段（软质岩）极限侧阻 （6-5） 软岩饱和单轴抗压强度标准值（Kpa）。u 桩身嵌岩段周长。hr 桩身嵌岩段长度。 嵌岩段侧阻系数。 （用于0hr/2） (6-6) （用于2hr/d16） (6-7)Qp 桩端阻极

31、限值 （6-8）Ap 桩底截面积。 端阻系数。 （用于0hr/d12） （6-9） （用于hr/d12） （6-10）7 厚、薄承台划分及计算概念论文7通过对国内外桩基承台试验数据的分析，提出了厚、薄承台的划分，并对梁式模型法的冲切和剪切公式进行了修正。当D/h01.1时为厚承台，否则为薄承台。D 承台上墩柱边缘至最远桩中心的最近距离。ho 承台的有效厚度，即承台底层受力主筋至承台顶面的距离。厚承台应采用桁架理论计算（即撑杆系杆模式）；薄承台采用梁式模型计算，但需考虑纵向配筋率对受剪切、受冲切的有利影响，即在抗剪、柱冲切和角桩冲切承载力计算时分别加上0.06Pft·B·h0

32、，以计入纵向钢筋配筋率对桩基承台承载力的提高值。其中P为纵向钢筋配筋率，ft为砼轴心抗拉强度设计值；B为对应于地基规范抗剪、柱冲切和角桩冲切计算的假定破坏面在底部纵筋平面内的计算长度。论文10认为，受弯构件最小配筋率的计算原则为相同尺寸的配筋砼承载力不小于素砼的承载力，但在桩基厚承台中，由于拉压杆效应的存在，在满足拉杆承载力的基础上，承台压杆的承载力还有足量富余，承台的承载力仍有足够上升空间。厚承台在破坏中大多以冲切控制，而承台内钢筋对于冲切承载力计算无贡献。所以，在很多情况下以承台的最小配筋率来控制承台配筋量，准确而合理的确定最小配筋率对于工程设计具有重要意义。论文12指出：在承台中如果达不到使承台内部发生开裂的承载力（大约为承台破坏承载的30%50%），在承台内部的空间桁架应力流体系不够明显。承台开裂之前，很大一部分拉力应由砼承担，砼拉杆效应不可忽略。通过考虑墩、柱结构的具体位置进行承台设计，可减少承台厚度和配筋。承台配筋设计，应符合JTGD62-2004第条的规定：“在系杆计算宽度bs内的钢筋截面面积应符合本规范第9.1.12条规定的受弯构件受拉钢筋最小配筋百分率”。同时应进行抗压、抗拉（厚承台）和抗剪、抗冲切承载力计算，方可获得合理的承台设计，即优化的承台设计。8 桩