桥梁下部结构设计.docx

0 前言随着经济不断发展，桥梁建设得到了飞速发展，它已从最开始的方便人们过河、跨海之用，已广泛应用于各种场合，它的用途不断多样化，它的形式也在最基本的三种受力体系上逐渐多样化，不仅从功能上、规模上，还从美观上、经济效益上，逐渐与时代发展相协调。所以桥梁建筑已不仅是交通线上的重要载体，也是一道美丽的风景被人津津乐道。面对着新工艺、新挑战，原有的桥梁建设正面对历史的考验，当代建设者肩负着光荣而又艰巨的任务，为明天创造历史。本设计说明书所编写的是沈阳至阜新公路桥的下部设计方案。通过上部荷载传力，拟定桥墩尺寸，以确定相应的尺寸是否满足要求，配置以合适的钢筋，使提高桥墩的承载力，使达到桥梁的耐久性要求。在桥梁的使用期内，完成桥梁墩台的使命。通过本次设计，我基本上掌握了桥梁下部设计的基本内容，从选截面尺寸，到配置钢筋，每一个细节都是经过多次考虑，通过反复验算，使桥梁墩台满足要求，且以经济合理的材料用量完成。所以下部设计是要求桥梁设计者，从上部得到内力组合后，设计以适应下部使用的尺寸结构进行验算。本次设计旨在使我巩固、加深本科期间所学理论知识，使自己具备在以后工作中利用知识解决问题的的能力。1 桥型方案比选沈阳至阜新公路桥，桥孔布置为535m的预应力混凝土箱型简支梁桥，桥梁全长175m。本桥上部为预应力混凝土箱型梁，下部结构为钻孔灌注桩墩台。1.1 技术设计标准1桥面净宽：43.75m+0.5m=15.5m；2荷载等级：公路-级荷载；3设计洪水频率：1/100；4环境类别：类环境；5设计安全等级：二级，结构重要性系数。1.2 主要设计依据1公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)2公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）3公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D632007）4公路桥涵设计手册-墩台与基础5沈阳至阜新公路桥设计资料1.3 工程地质资料根据地质勘察，揭露的地层岩性主要为素黏土、砾石、亚砂土、粉砂、泥岩。土层情况如下：素黏土：干强度、韧性中等，厚约1.21.5米；砾石：松散，很少有胶结，坚硬， 厚约3.54.7米；亚砂土：粗糙，厚约5.2-6.3米；粉砂：厚约1.5米左右；泥岩：用手可碾碎，原岩结构已破坏，厚约2.3-3.1米；泥岩：强风化，该层未穿透。土的各项系数为：1地基土横向抗力系数的比例系数；2桩身与土的极限摩阻力；3土的内摩擦角35度；4土的弹性抗力系数；5桩尖以上土的容重；6桩底土的比例系数；7地基土的承载力；8考虑入土长度影响的修正系数。1.4 水文资料设计桥所在位置为独流水域，流量随季节变化较大，年平均水深为0.5m左右。地下水类型为第四季空隙水，水位埋深4.0m左右，含水层主要为砾砂，厚3m左右。桥位滩面广阔，主河槽沟形相对明显，较为窄，河道弯曲。测量时无水。设计洪水频率为1/100，设计流量为504.23m/s，设计水位为11.5米，设计流速为2.48m/s，最大冲刷线为12.56m。1.5 气候资料阜新市地处北温带大陆性气候，冬寒夏热，昼夜温差大，年平均最高气温为34，年平均最低气温为-23，年平均降水量为450mm550mm，无霜期为145160天。1.6 桥型拟定从桥梁受力体系可以将桥梁分为梁式桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥和刚架桥，从安全、适用、经济和美观四个方面分析。同时，桥型的选择应充分考虑施工及养护维修的便利程序。根据水文，气象、地质等条件，初拟桥型方案有三种。方案一：梁式桥梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构，由于外力（恒载和活载）的作用方向与桥梁结构的轴线接近垂直，因此与相同跨径的其他结构相比，桥梁内产生的弯矩最大，因此需要用抗弯、抗拉能力强的材料来建造，适合标准跨径的中等跨径桥。这种桥结构简单、施工方便，且对地基承载力要求也不高。（图1-1）图1-1 简支梁桥Fig 1-1 Simple beam Bridge方案二：刚架桥图1-2 刚架桥Fig 1-2Rigid Frame Bridge方案三：拱式桥拱桥主要承重结构是主拱圈或拱肋，在竖向荷载作用下，桥墩和桥台将承受水平推力。同时，墩台向拱圈或拱肋提供水平反力，这将大大抵消拱圈或拱肋中的由荷载产生的弯矩。因此，与同跨径的梁式桥相比，拱桥的弯矩、剪力和变形却要小得多，拱圈或拱肋以受压为主。拱式桥不仅跨越能力大，外形也比较美观，在允许条件按下，修建拱桥往往是经济合理的。但而为了确保安全，下部结构（特别是桥台）和地基必须具备能承受很大水平推力的能力。（图1-3）图1-3 拱式桥Fig 1-3 Arch Bridge1.7 比选结果对上述三种桥梁结构形式的对比，经过对桥位所在附近地质的探测，包含其土壤的分层、物理力学性能、地下水等；调查和测量河流的水文情况（勘测时无水），包括河道性质，历年洪水资料等；当地有关气象资料：气温，雨量等。综合上述资料以及查得该地区地基承载力不是很高。且当地盛产建筑材料（砂、石料等），水泥钢材运输也方便。综合而言，预应力简支梁桥具有造价经济，施工工艺相对更成熟，施工工序相对简单，工期短，且最主要的是桥墩对基础承载能力要求不是很高等特点，这就对于地基承载力不高的基础的要求就不大。故为使该桥做到结构先进可靠，施工方便，行车舒适，故选择预应力简支梁桥方案。2 支座的设计2.1 板式橡胶支座的选用板式橡胶支座由多层橡胶片与薄钢板镶嵌、粘合压制而成。有足够的竖向刚度以承受垂直荷载，能将上部构造的反力可靠地传递给墩台；有良好的弹性，以适应梁端的转动；又有较大的剪切变形，以满足上部构造的水平位移。板式橡胶支座与原用的钢支座相比，有构造简单，安装方便；节约钢材，价格低廉，养护简便，易于更换等优点；且建筑高度低，对桥梁设计与降低造价有益；有良好的隔震作用，可减少活载与地震力对建筑物的冲击作用。因此本设计选用板式橡胶支座。采用天然橡胶，适用温度为-4060（环境温度-2337.4），硬度取60。2.2 计算支座反力根据上部结构计算结果，梁体自身构造产生的支座反力标准值为，其结构自重引起的支座反力标准值为，公路级荷载引起的支座反力标准值为229.15kN，人群荷载标准值57.13kN,公路级和人群荷载作用下产生的跨中挠度为；根据当地的气象资料，主梁的计算温差。2.3 支座平面尺寸的确定所需支座面积： （2-1）于主梁底板宽为1.6m，故初步选定板式橡胶支座的平面尺寸为：a=600mm（顺桥向），b=700mm，故采用中间层橡胶片厚度t=15mm。2.3.1 计算支座的平面形状系数S，并且 (2-2)2.3.2 计算橡胶支座的抗压弹性模量 (2-3)式中：为常温下支座抗剪弹性模量，取。2.3.3 验算橡胶支座的承压强度，满足规范要求。 (2-4)式中：为橡胶支座使用阶段的平均压应力限值。2.4 确定支座的厚度1假设支座水平放置，且不考虑混凝土收缩和徐变的影响。主梁的计算温差为，温度变形由主梁两端均摊，则每一支座的水平位移为： (2-5)式中：为混凝土的线膨胀系数； 为简支梁的计算跨径。2为了计算汽车荷载制动力引起的水平位移，首先要确定作用在每一支座上的制动力：对于34.02m桥跨，一个设计车道上公路级车道荷载总重为：，则其制动力标准值为,但按桥规，不得小于90kN，故取总制动力为90kN参与计算，5片梁共10个支座，作用于一个支座上的制动力。3确定需要的橡胶片总厚度：不计汽车制动力： (2-6)计入汽车制动力： (2-7)式中：为支座剪变模量，常温下。同时，考虑到橡胶支座的稳定性，桥规规定应满足：（a为矩形支座短边尺寸）选用5层橡胶片组成的支座，上下层橡胶片厚8mm，中间层厚15mm，薄钢板厚5mm，则橡胶片总厚度：且小于9cm（合格）4支座总厚： 2.5 支座偏转情况的验算1由下式计算支座的平均压缩变形：(2-8)式中：为橡胶体积模量，。按桥规规定，满足，即，合格。2计算梁端转角：由关系式和可得： (2-9)设结构自重作用下，主梁处于水平状态。已知公路级荷载作用下的跨中挠度，代入上式得：3验算偏转情况：即，验算合格，支座不会落空。2.6 验算支座的抗滑稳定性1计算温度变化引起的水平力： (2-10)2为了保证橡胶支座与梁底或与墩底顶面间不发生相对滑动，则应满足以下条件1）则（合格）2）（合格）结果表明，支座不会发生相对滑动。由以上分析，本设计选用的支座型号为GJZ60070081。3 桥墩构造设计3.1 桥墩类型和主要材料C35主筋采用HRB400钢筋。，3.2 桥墩截面尺寸拟定图3-1 桥墩一般构造/ cmFig 3-1 Pier general structure/ cm，故，故可按一般构件进行相关计算和验算；盖梁的悬臂端，也属于一般的钢筋混凝土悬臂梁。3.3 盖梁计算盖梁截面尺寸见图3-2。图3-2 盖梁尺寸/ cmFig 3-2 The size of bent cap/ cm3.3.1 垂直荷载计算1）盖梁自重及内力计算（表3-1）(1)活载横向分配：荷载对称布置用杠杆法,非对称布置用铰接板法。KNKNmKN0.5（0.7+1.0259）1.052.425=54.366-54.3660.492=-26.7480.5（1.0259+1.6）1.852.425=1453.74-54.3662.342-145.740.856=-252.0791.151.62.425=110.4-54.3663.492-145.742.006-110.40.51.15=-545.6810.11.62.425=9.6-54.3663.592-145.742.106-110.40.675+9.360.05=-576.2513.11.62.425=297.6-54.3666.692-145.745.206-110.43.775+9.63.15+297.61.55=-1047.7801.551.62.425=148.8-54.3668.242-145.746.756-110.45.325+9.64.7+297.63.1+148.80.775=-937.58400，a.单列公路I级荷载对称布置：b.双列公路I级荷载对称布置：c三列公路I级荷载对称布置：图3-5 三列公路I级荷载对称布置Fig 3-5 three row road - I level of load symmetrical arrangementd四列公路I级荷载对称布置：e五列公路I级荷载对称布置：图3-7 五列公路I级荷载对称布置Fig 3-7 five row road - I level of load asymmetrical arrangementf公路I级荷载非对称布置：图3-8 公路I级荷载非对称布置Fig 3-8 road - I level of load symmetrical arrangement双列公路-级荷载非对称布置三列公路-级荷载非对称布置四列公路-级荷载非对称布置五列公路-级荷载非对称布置(2)公路I级荷载顺桥行驶：；a.单孔单列公路I级荷载，图3-9 公路I级荷载单孔单列布置Fig 3-9 Road - I level of load single-hole and single row arrangementb双孔单列公路I级荷载图3-10 公路I级荷载双孔单列布置Fig 3-10 Road - I level of load two-hole and single row arrangement(3)活载横向分配后各梁支点反力：计算式为：计算结果见表3-2。单孔双孔B/KN/KNB/KN/KN491.06701228.96700001228.967001228.96701228.9671228.96701228.9671228.9671228.9671228.967614.4841228.9671228.9671228.9671228.967614.484单孔双孔B/KN/KNB/KN/KN491.067140.4941228.967351.6071037.371431.5991080.139431.9431080.139410.8271028.154(4)恒载与活载反力汇总恒载与活载反力汇总见表3-3。冲击系数1+=1.1724（同上部结构）荷载情况1号梁2号梁3号梁4号梁5号梁6号梁/KN/KN/KN/KN/KN/KN上部恒载867.84783.31894.73894.73783.31867.84公路-I级 （双孔五列对称布置）（1+）720.4211440.8411440.8411440.8411440.841720.421公路-I级（双孔五列非对称布置）（1+）1175.4381216.2141266.3551267.3631206.4081151.6643.3.2 双柱反力计算图3-11 双柱反力计算图/cmTable 3-11 Reactions acting of double Pier/cm计算式为： (3-1)即 3.3.3 盖梁各截面内力计算1）弯矩计算图3-12 盖梁各截面内力计算图/ cmTable 3-12 Interal forces of coping in sections on bent cap /cm其盖梁各截面弯矩值见表3-5。/KN/KN/KN/KN2）相应于最大弯矩值时的剪力计算见表3-6。一般计算公式：1-1截面： ，；2-2截面： ；3-3截面：，；4-4截面：，；5-5截面：，；6-6截面：。荷载情况上部荷载公路-级对称布置公路-级非对称布置墩柱反力2545.883602.1033665.74梁的反力/KN867.84720.4211175.438/KN783.311440.8411216.214/KN894.731440.8411266.355各截面剪力1-1/KN000/KN-867.84-720.421-1175.4382-2/KN-867.84-720.421-1175.438/KN-867.84-720.421-1175.4383-3/KN-867.84-720.421-1175.438/KN1678.042881.6822490.3024-4/KN1678.042881.6822490.302/KN894.7301440.8411274.0885-5/KN894.7301440.8411274.088/KN007.7336-6/KN007.733/KN007.7333）截面内力组合(1)弯矩组合见表3-7。其中活载按最不利情况考虑。截面号内力组合值1-12-23-34-45-56-61上部荷载0-1605.504-2603.52-2435.716337.947337.9472盖梁自重-26.748-252.079545.681-576.251-1047.780-937.5843公路-荷载对称布置0-1332.779-2161.263-1873.0952593.5122593.5124公路-荷载非对称布置0-2174.56-3526.314-3277.284672.389684.37551+2+3-32.098-4094.990-6804.809-6236.6932779.1172911035261+2+4-32.098-5273.484-8715.881-8202.56589.545238.561(2) 剪力组合见表3-8。3.3.4 各墩水平力计算采用集成刚度法进行水平力分配。上部构造每片边梁支点反力为867.852=1735.7；每片中梁支点反力：1号梁反力为783.312=1566.62KN；2号梁反力为894.732=1789.46KN。中墩橡胶支座中钢板总厚度20mm，剪切模量，每跨梁一端设有6个支座，每个支座的抗推刚度为： (3-2)/KN/KN/KN/KN/KN/KN/KN/KN/KN/KN/KN/KN每个墩上设有两排橡胶支座，则支座刚度为取桥台及两联间桥墩的橡胶支座的摩擦系数，其中最小摩擦系数。1）桥墩（台）刚度计算桥墩（台）采用C35混凝土，其弹性模量(1)各墩（台）悬臂刚度计算如下 ， (3-3)，图3-13 悬臂刚度计算图示Table 3-13 Cantilever stiffness calculates graphical representation 对于桥台：向河方向：；向岸方向：台背填硬塑粘性土的地基系数及容重分别为：，(2)墩（台）与支座串连，串联后各刚度为：对桥墩：对桥台：向河方向：向岸方向：公路I级荷载布置如图3-14。双孔布载时：单孔布载时： （向岸方向） ，其中则：，则板式，大于，故取，4）各墩台水平力汇总（表3-9）墩（台）号荷载名称012345制动力/KN22.44730.02730.02730.02730.02722.447温度影响力/KN703.153566.526192.469181.589555.647709.877制动力+温度影响力/KN725.6596.553222.496211.616585.674732.804注：0号台和5号台未计台后填土压力，各墩台均未考虑土压力。3.3.5 盖梁配筋设计取直径d=32mm，/KNm/mm/mm注：表中结构重要性系数；对于HRB400级钢筋，对于表中所述x均小于注：，故取结构的重要性系数，故可按钢筋混凝土一般构件进行计算与验算，且需进行挠度验算。； (3-8)，则；，则；，则；故截面符合设计要求。检查截面是否需要配置箍筋1-1截面 2-2截面 因为故可在盖梁跨中的某个长度范围内按构造配置箍筋，其余区段按计算配置腹筋。计算剪力图分配（图3-15-1所示），弯起区段长度，即在长度内可按构造配置箍筋。图3-15-1 盖梁剪力分配图Fig 3-15-1 Shear distribution map 图3-15-2 盖梁剪力分配图Fig 3-15-2 Shear distribution map 悬臂部分：（图3-15-2所示），弯起区段长度， (3-9)C35混凝土，其；斜筋采用HRB400级钢筋，其 （3-10）其中需满足且，但当时，需满足且。故取2-2截面故取故取；因为需满足故取，综上，设计箍筋间距取。c.弯起钢筋及斜筋设计设焊接钢筋骨架的架立钢筋（HRB400）为14，钢筋重心至盖梁的上边缘距离，故取。弯起钢筋的弯起角为45，弯起末端与架立钢筋焊接。为了得到每对弯起钢筋分配的剪力，由各排弯起的钢筋的末端折点应落在前一排弯起钢筋的弯起点。首先计算弯起钢筋的上下弯起点的垂直距离。图3-16 钢筋弯起示意图Fig 3-16 Schematic diagram of steel bent，故仅弯起一排钢筋。表3-11-1 弯起钢筋计算表Table 3-11-1 Bent steel calculator/KN/mm，故弯起一排钢筋。表3-11-2 弯起钢筋计算表Table 3-11-2 Bent steel calculator/KN/mm截面号1-12-23-3左右左右左右-65.239-2752.260-2927.148-2927.148-3059.6286355.203b/mm240024002400/mm965.9154015401761.8022808.962808.96P0.3470.3260.5440.187%0.187%0.187%2504.5113981.7034098.590/0450-2569.75-5256.771-6908.8516908.851-7158.2182256.613截面号4-45-56-6左右左左右左6343.6833626.5333269.413189.38610.82610.826b/mm240024002400/mm1540154015402808.962808.962808.96P0.5440.5440.5440.187%0.187%0.187%4098.5904098.5904098.5900002245.093-472.057-829.177-3909.204-4087.764-4087.7643）各截面抗扭强度验算 其中=1.2（3）盖梁各截面剪力及扭矩计算列于表3-13（4）和相应的计算a.制动力： T=30.027KN；温度影响力： H=555.647KN；汽车偏载： P=B2-B1=1228.967-178.605=1050.362KNb.盖梁各截面抗扭强度验算抗扭纵筋的抗拉强度设计值为：抗扭箍筋的抗拉强度设计值为：，取，则盖梁各截面抗扭强度验算见表3-14表3-14-1 截面抗扭强度验算表Table 3-14-1 Calculation of every section torsional strength /mm+314表3-14-2 截面抗扭强度验算表Table 3-14-2 Calculation of every section torsional strength /mm+3143.4 墩柱计算公路I级荷载3.4.3 墩柱配筋设计公路I级荷载公路I级荷载 公路I级荷载 公路I级荷载，双孔布载产生的支点反力最大，单孔布载产生的偏心弯矩最大。 （3）最大弯矩计算见表3-17。Table 3-17 Calculation of the biggest moments 荷载情况公路-级制动力温度影响力单孔双列单孔三列30.027555.64700982.1341473.2010.9890.8420.0110.158垂直力（1+）（）1138.7881454.286（1+）（）12.666272.895A墩底弯矩7.5H/2112.602083.68398.576509.0B墩底弯矩7.5H/2112.602083.684.43395.513=3338.98=2786.55=1265.03乘以偏心距增大系数故取 （3-21）,故取 （3-22），故取,故取，故取 ，故取为轴向力的偏心距，应乘以偏心增大系数A、B为有关混凝土承载力的计算系数，按规定查表；C、D为有关纵向钢筋承载力的计算系数，按规定查表。3-19。Table 3-19 The parameters of reinforced和ABCD1.3730.3320.601.49080.66510.50211.78560.013310141.72510045.9161.011.3780.3990.461.04900.5982-0.19031.90810.00697135.3776987.3551.021.4940.1330.792.09260.59821.59381.14960.003214235.19493.3241.53.4.4 墩身裂缝计算，3.5 桩基的设计参照JTG D63-2007公路桥涵地基与基础设计规范设计。计算方法：按m法计算。承台底内力组合见表3-20。由表3-20可知，控制强度设计的荷载组合为：恒载+单孔三列汽车荷载+温度影响力+制动力：15420.86KN；=573.96KN；=5151.027KNm 。1）桩长估算（1）按允许应力法进行承台底垂直荷载的组合：恒载+双孔三列汽车荷载：=10357.372+4321.819=14679.191KN由此荷载控制设计。（2）桩长估算：采用2根直径1.3m的钻孔桩基础，那么作用于每根桩顶的外力为： 注：表中恒载N（2545.88+766.506+353.25）23026.110357.372KN； 本表内力组合按设计规范（JTG D60-2004）的规定办理。桩的容许承载力按下式计算：，式中 （3-28）当采用冲击钻头钻孔时，成孔直径为d+0.1m。则： （3-29）其中，则故有：根据本设计计算桩长处的地基条件，为安全起见，桩长取。2）桩基强度验算（1）确定顺桥向桩的计算宽度,故取（2）桩的变形系数，在此范围内仅有一层土，即砾石。则 （3-30）桩基采用C35混凝土，（3）桩顶内力分配桩的计算长度为：，故可以按照弹性桩进行计算。a.值的计算 (3-31)对钻孔桩：，土的内摩擦角，则,故取，故由，取，则有，b.计算承台发生位移时引起的基桩反力c.计算承台底位移a，c，；d.计算外力作用下各桩顶内力轴向力：水平力：弯矩：校核：由计算可知，桩顶内力为：；（4）求最大冲刷线以下深度Z处截面上的弯矩MZ以及桩侧水平应力a.求：