北京交通大学桥梁工程课程设计(重力式桥墩).docx

第一章设计概况一、线路、水文及地质状况线路为I级铁路，单线，直线，平坡。基地地质粘土，液性指数0.13,孔隙比0.69基本承载力40OkPa,土的容重19.5kNm30水文、气象：无流水、无冰冻。二、设计活载及建筑材料墩帽接受标号C30,钢筋混凝土，托盘及缩颈以下40Cm墩身接受C30号混凝土，墩身及基础接受C20号混凝土。三、桥梁跨度、样式及主要尺寸跨度24m单线铁路先张法预应力混凝土简支梁。梁全长24.6m,梁缝0.1m,梁高2.1m,支座钱中心至支撑垫石顶面为0.325m,轨底至梁底2.6m,轨底至支撑垫石顶高度3.0m,垫石高度为0.2m,支座底板尺寸为0.5MX0.5机，支座全高0.4m,每孔梁重1568kN°桥上设双侧人行道及栏杆。四、桥墩形式及尺寸顶帽及托盘尺寸见附图一。墩身及基础尺寸见附图二。各部分尺寸确定依据及最终取值如下：（1） 墩帽厚度墩帽干脆支撑桥跨结构承受较大的支座反力，为了把支座反力匀整地传递给墩身，铁路规范规定，墩帽的厚度不小于40cm,并应接受不低于C30的混凝土，一般要设置钢筋。依据以上规范规定，设置墩帽厚度为40cm,接受C30混凝土，并设置钢筋。（2） 墩帽平面尺寸当相邻跨度相等时，相邻支座间的顺桥方向中心距离为f=2e+e0a。一梁支座底板纵向尺寸6梁端至支座中心线的距离（6=0.3m）分为相邻两梁之间应留的缝隙（/=0.1相）支座底板尺寸给定0.5MXO.5机，经过验算：a=0.5m2e+e0=0.7m满足规范要求。为了提高局部承压力，并考虑施工误差及预留锚栓孔的要求，支撑垫石边缘至支座底板边缘应保持确定的距离b,其值为1520cm.依据以上规范规定，取b=20cm0支撑垫石边缘至顶帽边缘的距离c,为了满足架梁时或养护时安放移梁及顶梁设备的须要，应符合以下规定：a.顺桥方向（纵向）：跨度L8时，C不应小于15cm；Sm<L<20m,c不应小于25cm；L20cm时，C不应小于40cm«b.横桥方向（横向）：当顶帽为圆弧形时，支撑垫石角至顶帽最近边缘的最小距离与顺桥方向相同。当顶帽为矩形时，支撑垫石角至顶帽边缘的最小距离为50cmo这样等跨度直线桥顶帽纵向尺寸为：A=f+a+2b-st-2c考虑到一般架桥机架设分片式梁时，每片梁不能干脆落在设计位置，需在墩顶上作横向移动，为了给出确定的工作位置，确保操作平安，铁路规范规定，顶帽横向宽度B还应满足下列要求：当跨度L8机时，B;Sfn<L<20mM,B>5m;L20/n11'J',B6?n。依据以上规范规定，取c=80cm,取B=8m。A=f+a+2b+2c=70+50+2×20+2×80=320cm（3） 托盘尺寸为了保证悬出部分的平安，依据设计阅历，试验资料和构造要求，规定墩帽下四周设1020cm宽的飞檐，托盘底面横向宽度B不宜小于支座底板外缘的距离b；托盘侧面与竖直线间的夹角645°支撑垫石横向边缘外侧50Cm处的顶帽底缘点竖直线与该底缘点至托盘底部边缘处的连线的夹角30",如图12所示。图1一2桥墩托盘尺寸（单位Cm）（4） 墩身尺寸铁路桥墩的侧坡不应小于20:1,更多状况下接受30:140:1。设计中桥墩的纵向、横向倾斜度均接受35:1。（5） 明挖基础尺寸明挖基础可接受单层式或多层式，每一层的厚度不宜小于1.0m。双向受力矩形墩台的明挖基础，其最上一层基础台阶两正交方向的破线与竖直线所成的夹角，对于混凝土基础不应大于35°；其下各层台阶正交方向的夹角不应大于45°,如图13所示图1一3桥墩托盘尺寸（单位Cm）第二章荷载计算一、主力（一）垂直荷载1、梁及桥面重（按木枕桥面计）Ni=1568+38×24.7=2506.6ZN2、桥墩与工重（1）顶帽C30号钢筋混凝土N2=8.0X3.2X0.6X25=3840V（2）托盘C30号混凝土M=（4.3+7.6）X2X；X2.8X23=766.36）W（3）墩身培工重与工体积TW（稣+部=w÷÷2÷3当4=2.8,B0=4.3WN4=23V9计算结果见表21表21h(m)V(m3)NKkN)565.411504.3710141.773260.8115229.925288.0820330.657604.9622.2379.178720.97（二）垂直荷载1、单孔轻载（图21）7.517.2图21单孔轻载（单位m）1430x2.65+17.2x119.6x15.75,24=15O7.887VMi=1507.88×0,35=527.758.,w2、单孔重载（图22）/7275为涔F,涔”5.图22单孔重载（单位m）1430x21.35+17.2x29.6x8.25224=1979.24攵NMr=1979.24×0.35=692.734Wm3、双孔重载（图24）由结构力学原理可知，假如相邻两孔梁的跨度分别为人和4，两孔梁上静活载分别为GI和G?,则当5=与时，简算墩的支座反力之和为最大，因为是等跨LlL2梁，所以公式简化成G=G2,计算X值:11.9-x 035,图23X计算简图（单位m）104×(l1.9-x)+119.6×24.7-(11.9-x)=1430+119.6×24.7-x-7.5=>x=5.32m由此可以得出双孔重载图示：7.56.58Z40.35.035.图24双孔重载(单位m)R3=R3,+R1430×7.97+11.88×l19.6×18.41104×6.58×2.94+l19.6×18.12×15.29=12424=3029.27WM-")x035=(1564.79-1464.49)×0.35=35.105ZN加4、双孔空载（图25）Ra'.”邛.3524.713kNm图25双孔空载（单位m）&=&*RJ24.7×13×12C=×224=321W二、附加力（一）顺桥方向水平力1、制动力（牵引力与制动力大小相等，方向相反）（1）单孔轻载和单孔重载Pz=（1430+17.2×119.6）×0.10=348.712%N对墩身随意截面的力矩：M./=348.712×（0.325+2.6+）=1020+348.712见表22表22h(m)510152022.2Mz(kN-m)2763.564507.126250.687994.248761.41(2)双孔重载Pzx=(1430+11.88×119.6)×0.10=285<348.712ANPf2=(18.12×119.6+6.58×104)×0.I0=285<348.712)WV因为均小于i孔梁跨的固定支座的水平力，故仍接受单孔梁跨制动力。2、风力风压强度按W=LbW/计算。(1)顶帽及托盘风力(纵向)PWt=(8×0.6+y×2)×1.10=(4.8+11.9)×1.10=1837kN%=4.8×(0.3+2)+11.9××+×1.10+fv×h，37.143=26.444+18.37×见表23表23h(ri)510152022.2M:“(kNw)118.294210.144301.994393.844434.258(2)墩身风力(计算结果见表24)b=4.3"?风压强度按W=LMN/计算。受风面积A=xz=S+z)xz风力%,=A×W.bh2b+Bh3b+2hnTJWc=-X-=×-3b+B32b+2hn力矩(对计算截面)=Iv×c=×(3b+2h/n)×W力矩(对基顶截面)=R%x(c+22.2-z)j2=-×(3b+2hn)×W+&X(22.2-h)j2=-×(3b+2hn)×W+(b+hn)×h×W×(22.2-h)6表24h(m)510152022.2七WV)24.4450.4478.02107.17120.5z,(kNrri)(对计算截面)60.43246.98567.481029.811280.19(kNni)(对基顶截面)480.72862.381129.231265.591280.19(二)横桥方向水平力1、梁及列车风力钢轨高度接受4=()16m轨底至梁底h2=2.6m轨底至支撑垫石顶/%=3加轨顶至梁底高度G=2.6+().16=2.76m列车风力力臂c=3+2.16=5.16？梁上受风面积6=2.76×24.7=68.112m2一孔列车受风面积F3=3x24.7/2=37.05w2(I)桥上无车EO=LIX68.172=74.994NM0=E0×(i3+0.16-)=74.99x1.78=133.48jUVm(2)桥上有车单孔活载E1=l.l×(68.172÷37.05)=115.74WM1=l.l×(68.172×1.78+37.05×5.16)=343.78jWw(3)桥上有车双孔活载E2=1.1x(68.172+74.1)=156.5ZNM2=1.1×(68.172×1.78+74.1×5.16)=554.07kNm以上力矩为对支撑垫石顶面力矩，对墩身截面再增加：M=E×(2.6+z),计算结果见表2-5表25Kni)5+2.610+2.615+2.620+2.622.2+2.6桥上无车E0(kN)74.9974.9974.9974.9974.99MO(kNm)703.4041078.3541453.3041828.2541993.232一单孔活载G(M)115.74115.74115.74115.74115.74M(kNm)1223.4041802.1()42380.8042959.5()43214.132双孔活载E2(kN)156.5156.5156.5156.5156.5M2(kNm)1743.472525.973308.474090.974435.272、顶帽及托盘风力(表26)4=(3.2×0.6+2.8×2)×l.l=(1.92+5.6)×1.1=8.272他M%=(1.92×2.3+5.6×1)×1.1+8.272/z=Il.02+8.272表26h(m)510152022.2AMM加52.3893.74135.1176.46194.663、墩身风力(表27)b=2.8加B=b+”n二35风压强度按W=LMN/计算。受风面积A×h = (b + h1 n)×h风力/=A×W力臂h2b+Bh3b+2hnc=-×=×3b+B32Z7+2t7力矩(对计算截面)M%=A匕XC=Nx(3Z2+20k)XW力矩(对基顶截面)M%=%,x(c+22.2-z)h2=-×(3b+2hn)×W+v×(22.2-h)*=-×(3b+2hn)×W+(b+hn)×h×W×(,22.2-h)6表27h(m)510152022.2/3)16.1933.9453.2774.1783.87%（kN-tn）（对计算截面）39.81164.48381.86699.81873.59Mp（M（对基顶截面）318.2578.58765.41862.98873.593、列车横向摇摆力(表28)PYB=30kN=130x5.16+130x(2.6+/?)h(m)510152022.2M/(kNm)2360.84050.85740.87430.88174.4第三章墩身计算墩身截面几何与力学性质计算矩形截面如图3-1o图31矩形截面计算图示(单位m)计算公式：截面面积A=Bd(m2)截面惯性矩IX=%面)人=粤(/)12v12截面抗拒矩Wr=与-画)W="_(/)6)6各截面计算结果如表3-1h(ni)B(m)d(m)A(m2)/")Wm3)4(M)叫(加)54.593.0914.183111.28517.304324.900910.8501104.873.3716.411915.53249.218032.436613.3210155.163.6618.885621.082011.520241.903416.2416205.443.9421.433627.727214.074752.858119.433122.25.574.0722.669931.293715.377758.610921.0452截面偏心检算（一）纵向偏心检算截面偏心应按各种荷载最不利组合，对墩身各截面进行检算，一般系单孔轻载（主加附）限制纵向偏心，按单孔轻载时列出截面计算结果如表32。单孔轻载（主+附）纵向偏心检算表32截面位置力（M510152022.2恒载Nl+N2+N3+N4kN)5161.336917.778945.0411261.9212377.93活载K伏N）1507.881507.881507.881507.881507.88垂直力合计N（kN）6669.218425.6510452.9212769.813885.81制动力348.712348.712348.712348.712348.712风力叫+也（仆042.8168.8196.39125.54138.87水平力合计P（雨）391.522417.522445.102474.252487.582垂直力力矩Mr'&N527.758527.758527.758527.758527.758水平力力矩M7+p÷p(Mw)1.zHrXV22942.2844964.2447120.1549417.89410475.86力矩合计ZM（Mm）3470.0425492.0027647.9129945.65211003.62偏心e=ZV0.5200.6520.7320.7790.792容许偏心e=0.6S=0.3d0.927LOll1.0981.1821.221（二）横向偏心检算1桥上无车，墩身横向偏心检算（表33）截面位置O）510152022.2ZN=NI+N2+N3+NJkN)5161.336917.778945.0411261.9212377.93P=E°+%,+%(M)99.452117.202136.532157.432167.132=Mn+p+Mp(iW)uzwn795.5941336.5741970.2642704.5243061.482e=MN0.1540.1930.2200.2400.247同=0.3x81.3771.4611.5481.6321.6712、双孔空载，墩身横向偏心检算（表34）表34截面位置力（510152022.2ZN=M+M+M+N4+R4(kN)5482.437238.879266.1411583.0212699.03ZP=G+匕(AN)180.962198.712218.042238.942248.642M=M2+M%+MN(kNni)1835.662784.193825.434967.245503.52e=MN0.3350.3850.4130.4290.433同=0.3x31.3771.4611.5481.6321.6713、双孔空载列车横向摇摆力，墩身横向偏心检算（表35）表35截面位置（M510152022.2ZN=NI+%+N?+N4+R4(kN)5482.437238.879266.1411583.0212699.03ZP=PYB(kN)130130130130130ZM=MPYB(kNm)2360.84050.85740.87430.88174.4e=ZMIZN0.4310.5600.6200.6420.644同=0.3x313771.4611.5481.6321.671二、稳定性和强度检算（一）整体纵向稳定性验算EO=28GPa=3=o,25Idx31.2937查表内插计算变截面影响系数加=1.61Ra=3600kPa4=17.35/I0=49.6m0/2=24.8机计算临界荷载NCr,计算结果见表3-6表36项目单孔重载双孔重载2506.62506.6仆或%1979.243029.27墩顶垂直力N=NaR4485.845535.87墩顶水平力与348.712348.712支点反力力矩MK692.73435.105制动力或牵引力力矩MZ=×0.325113.33113.33墩顶外力力矩M=Mr+Mz806.064148.435e°_M/Nh-3.4350.0520.0078刚度修正系数+0.160.2+e0h0.5570.64112775931470265临界荷载Ncr=a(j)V+a±.-记LiRaA06520065639主力+附加力时平安系数K=L67177<652008857<65639bJAR,4.?,LlRA-KN0.0570.051（二）强度检算1、计算弯矩增大系数人，计算结果见表37表37项目单孔重载双孔重载KN(主+附K=1.6)NCry0.110.1357v=1+1。12u'=7.61.00191.00216=12.61.00321.0035/=17.61.00451.0050«,=22.61.00571.0063«,=24.81.00631.00692、墩身强度检算（1）单孔重载（主+附）（表38）表38h510152022.2n+g=n+r2+n2+n3+n47140.578897.0110924.2813241.1614357.173635.0185656.9787812.88810110.6311168.59%，1.00191.00321.00451.00571.00633当iAWx1002.0561157.7591259.6871340.2251364.175N+Gn.Mmin=:(kPa)m,n,AWx4.85615-73.5448-102.797-104.674-97.5462（2）双孔重载（主+附）（表39）h510152022.2n+g=N+R3+M+M+M8190.69947.0411974.3114291.1915407.2M=Mf,+M7+Mp+MpXN叫rWy2977.3894999.3497155.2599452.99910510.967Jy1.00211.00351.0051.00631.0069N+GM、m,v=+-(kPa)m%AWx985.96751150.3321258.2551342.6281367.868N+G小M%h=A叱(kPa)169.012761.842459.83348-9.09613-8.60346(3)计算最大压应力从以上计算结果可以看出，墩身单孔重载较双孔重载应力大，因为截面出现拉应力故按单孔重载作应力重分布计算，计算结果见表3-10表310h510152022.2d3.093.373.663.944.07A14.183116.411918.885621.433622.6699e=-vN+G0.51000.63790.71840.76790.7828d0.1650.1890.1960.1950.1922.002.142.192.192.16N+G.CrmaX一A”1007H¼=LoO7MP1kPa=1.16Mpa1267P0=1.267MPa1353kPa=.353MPa136小尸=L368MP墩身C20号混凝土容许压应力=13.5MPa,计算主力加附加应力时容许压应力可以提高30%,BP=13.5×1.3=17.55Pt7,以上计算最大压应力%侬均在容许范围以内。从前面荷载计算和墩身截面模量计算可以看出，顺桥方向垂直力以及弯矩均比横桥向的大，截面模量则顺桥向比横桥向的小，所以墩身强度判定顺桥向作为限制设计，横桥向不再计算。三、墩顶弹性水平位移检算沿墩身高度H等分为若干段，接受3m分一段，墩身分段及编号见图3-2o-0-123-45-678图32墩身分段（单位Cm）用虚功原理数积法计算桥墩墩顶纵向水平位移，计算结果见表3-11o311地身分段序列数i分触而至nnX(M分段截而惯性矩4(")分段截面弯矩(MfZ)MJliMi.l×iIi墩顶偏心弯矩%W力神的魏匕墩身纵向风力矩%当矩总计Mj008.17806.065OO806.098.661013.18.171081.00736.221117.229136.7477136.747726.210.202162.014123.712285.729224.0911448.182239.312.583243.022258.833501.861278.3673835.1019412.415.364324.029443.464767.494310.38371241.535515.518.575405.036679.466084.502327.65221638.261618.622.266486.043968.717454.757334.89482009.369721.726.467567.051313.088880.133335.60592349.242824.831.278648.0581714.4410362.5331.3882651.104墩顶位移HE11309.54CII=-×3.128×106=1.25×103(w)=1.25(m7)=5×>L=5×24=24.5mm>1.25nm四、基底检算（一）基底合力偏心距检算NZMryMyxo.=A_14357.17+4601.24_IlOO3.62x4.735_5503.52×5.28510.57×9.47748.07931.95=189.4-69.65-31.21=88.54Zz=1.58/71W10.57×9.472P=A6×10.57×9.47CT.1ClLILZN=L58xfl-I189.4J=0.84e=P=158>0.84/72基底合力偏心距验算通过。（二）基底压应力检算依据墩身截面强度验算可知，通过纵向单孔重载（主力+附加力）来限制基底压应力。N+G（J=1：n三AW14357.17+46016×1.007×l2659.16=HA10.57×9.4710.57×9.472=27UkPaN+Gc.=：m,nAWx_14357.17+46016×1.007×12659.1610.57×9.4710.57×9.472108.7IZPQ=400×1.2=48(UFa>nm=fXlOkPa基底压应力检算通过(三)基底稳定性检算1、倾覆稳定性检算依据墩身偏心验算可知，通过纵向单孔轻载(主力+附加力)来限制基底倾覆稳定性。EMe=-ZN=%+%+M为+M外Nl÷N2+Na+N&+R+G12494.19-18486.81=0.68倾覆稳定性验算通过。2、滑移稳定性检算(1)单孔轻载纵向滑移稳定性检算K/Nf_(13885.81+4601)x0.25487.582=9.48>1.3(2)双孔空载横向滑移稳定性检算K/Nf(12699.03+4601)x0,25248.642=17.39>1.3滑移稳定性验算通过。(三)基底以下软弱土层的压应力检算由于明挖扩大基础底面以下不存在软弱土层，所以无需对该项目进行检算。