土木工程专升本专业
XXXXX大学交通学院
课 程 设 计
课 程 名 称
设 计
目 重力式桥墩刚性扩大基础设计
姓 名
专 业 年 级
学 号
指 导 教 师
成 绩
日 期 2011 年6 月 26 日
《基础工程课程设计》
评 语
指导教师(签名):
2011年 6 月 30 日
目录:
一、设计资料……………………………………………………………………4
二、拟定刚性扩大基础尺寸……………………………………………………4
2.1确定基础埋置深度
2.2基础的尺寸拟定
三、桥墩荷载计算………………………………………………………………5
3.1上部构造恒载反力、桥墩、墩帽自重及浮力等。
3.2汽车和人群荷载计算
3.3汽车制动力:
3.4风荷载计算
四、地基压应力计算……………………………………………………………9
五、持力层承载力验算…………………………………………………………10
5.1基底应力计
5.2持力层承载力验算
5.3下卧层承载力验算
六、基底偏心距验算……………………………………………………………10
6.1恒载作用时
6.2由合力偏心距
七、基础稳定性验算……………………………………………………………11
7.1倾覆稳定性验算
7.2.滑动稳定性验算
八、沉降计算……………………………………………………………………11
九、参考文献……………………………………………………………………12
一、设计资料
1. 某一级公路桥梁,上部结构为35 m预应力钢筋混凝土简支梁(计算跨径l=33.98 m),桥面宽度为净10(三车道)+2×1.5 m,弧形滑动支座,摩擦系数μ=0.2。
2. 设计荷载:公路-Ⅰ级,人群荷载3. 5 kN/m2。
3. 桥址处河流最高水位为116.66 m,最低水位为112.8 m,通航水位为115.33 m。
4. 横向基本风压W0=0.83 kN/m2。
5. 材料:墩帽混凝土30#,容重γ=25 kN/m3;墩身混凝土20#,容重γ=24 kN/m3。
6. 每跨上部结构自重6000 kN(中心荷载)。
7. 地基情况及土的物理力学性质指标,见
1。
表1 地基土层分布及计算指标
名 称
厚度/m
容重/kN/m3
孔隙比
含水量/%
液限/%
塑限/%
压缩模量/MPa
黏 土
6.0
20.2
0.651
22.0
34.3
16.1
16.5
亚黏土
3.0
18.3
0.978
33.1
36.0
19.8
7.5
强风化岩
6.0
22.5
—
—
—
—
35
8. 冲刷线:最大冲刷线和一般冲刷线就是现有的地面线,标高为112.00 m。
9. 桥墩形式和尺寸示意图,见图1。
二、拟定刚性扩大基础尺寸
2.1确定基础埋置深度
由上部结构和设计荷载资料知道,本桥是重力式桥墩刚性扩大基础,并且为公路—Ⅰ级,从地质条件看最大冲刷线和一般冲刷线就是现有的地面线,标高为112.00 m。再由(如表2:)初步拟定基础底面在最大冲刷线以下1.8 m处,标高为112.00-1.8=110.20m,基础埋深为1.8m
桥梁墩台基础基底最小埋置深度(m) 表2
总冲刷深度
桥梁类别
0
5
10
15
20
大\中\小桥(不铺砌)
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
特大桥
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
2.2基础的尺寸拟定
由
知“水中基础顶面不宜高于最低水位,并在一般情况下大、中桥墩、台基础厚度在1—2m左右”。现初定基础材料为C20混凝土浇筑基础,厚度为1.5m,基础顶面标高为110.2+1.5=111.7m,则墩身高为120.8-1.2-111.7=7.9m,由墩身坡度值10:1的,墩底截面长为15.28m,宽为3.48m。基础分两层,台阶宽30cm,故台阶扩展角
,小于刚性角容许值[
]=
,符合刚性角的
。
则基础底面尺寸为:a=15.28+4×0.3=16.48m
b=3.48+4×0.3=4.68m
拟定尺寸图(二)
三、桥墩荷载计算
3.1上部构造恒载反力、桥墩、墩帽自重及浮力等。
(1)计算值列表3
恒载计算表 表(3)
部位
计算式
竖直力P(kN)
对基底中心轴偏心距e(m)
弯矩M(kN.m)
备注
桥帽
(π×1.052+11.8×2.1) ×1.2×25
847.31
0
0
弯矩正负值规定如下:顺时针为正,逆时针为负
桥身
{
×(1.9+3.7)×7.9×11.8+
π(0.79+0. 95) 2×(7.9+9.5)-
π×0.952×9.5}×24
7372.90
0
0
台基
(16.7×4.9×0.75+16.1×4.3×0.75)×24
2719.08
0
0
左跨上部构造
6000/2
3000
0.51
-1530
右跨上部构造
6000/2
3000
0.51
1530
∑P=16939.29kN,∑M=1530kN.m
(2)浮力
重力式桥墩刚性扩大基础在水中的水位线图(三)
最低低水位浮力:
F1=【{
×(1.9+1.9+0.76×2)×7.6×11.8+
π(0.76+0.95) 2×(7.6+9.5)-
π×0.952×9.5}-{
×(1.9+1.9+0.68×2)×6.8×11.8+
π(0.68+0.95) 2×(6.8+9.5)-
π×0.952×9.5}】
×10=385.4kN
最高水位浮力:
F1=【{
×(1.9+1.9+0.76×2)×7.6×11.8+
π(0.76+0.95) 2×(7.6+9.5)-
π×0.952×9.5}-{
×(1.9+1.9+0.294×2)×2.94×11.8+
π(0.294+0.95) 2×(2.94+9.5)-
π×0.952×9.5}】
×10=1946.37kN
(3)上覆土重
3.2汽车和人群荷载计算
对于桥墩基础的设计,汽车荷载采用车道荷载,车道荷载包括均部
和集中荷载
两部分组成。对于公路-Ⅰ级汽车荷载,
,集中荷载
与计算跨径有关,计算跨径小于或等于5m时,
= 180kN;桥涵计算跨径等于或大于50m 时,
=360kN,桥涵计算跨径大于5m小于50m 时
值采用直线内插求得。本算例中,
=295.92kN
由于本桥梁是(三)车道,所以查表
横向折减系数 表(4)
横向布置设计车道数(条)
2
3
4
5
6
7
8
横向折减系数
1.00
0.78
0.67
0.60
0.55
0.52
0.5
支座反力按以下两种情况考虑:
(1)双孔汽车荷载+双孔两侧行人荷载
双孔汽车荷载+双孔两侧行人荷载图(四)
则支座反力为:
人群荷载引起的支座反力为
和
对基底形心轴的弯矩为:
MR1 = M’R1=948.63×0.51=483.8kN.m
MR2= M’R2=157.5×0.51=80.3 kN.m
(2)单孔汽车荷载—20+单孔两侧行人荷载
单孔汽车荷载—20+单孔两侧行人荷载图(五)
则支座反力为:
人群荷载引起的支座反力为
和
对基底形心轴的弯矩为:
MR1 =948.63×0.51=483.8kN.m M’R1=0
MR2=157.5×0.51=80.3 kN.m M’R2=0
3.3汽车制动力:
由汽车荷载产生的制动力按车道荷载
值在加载长度上计算的总重力的10%计算,但公路-I级汽车制动力不小于165kN。
H1=(10.5×35+295.92)×10%=66.34kN < 165kN,则H1取为165kN。
因此简支梁板式支座的汽车荷载产生的制动力为:
H=0.5H1=0.5×165=82.5kN
3.4风荷载计算
横桥向风荷载假定水平地垂直作用于桥梁各部分迎风面积的形心上,则:
地形、地理条件系数k3 表(5)
地表分类k2 表(6)
风速高度变化修正系数 表(7)
INCLUDEPICTURE "../../Application%20Data/Tencent/Users/837157999/QQ/WinTemp/RichOle/XBYTBXAKO%5b_0END_G_1CDFT.jpg" \* MERGEFORMAT
由规范得公式风荷载标准值
Fwh=k0k1k3WdAwh;
Wd=γVd²/2g;
W0=γV10²/2g;
Vd=k2•k5•V10;
因此Fwh= k0•k1•k3•(k2•k5)²W0•Awh;
查规范可知,k0=0.9、k1=0.5、k3=1.0、k5=1.38、k2=1.0;
计算简图看图
荷载作用示意图(六)
墩帽Fwh=0.9×0.5×1.0×(1.0×1.38)²×0.83×(2.1×1.2)=1.79kN。
1 按最高水位计算;
墩身Fwh=0.9×0.5×1.0×(1.0×1.38)²×0.83×(1.9+2.49)×2.94/2=4.59kN
2 按最低水位计算;
墩身Fwh= 0.9×0.5×1.0×(1.0×1.38)²×0.83×(1.9+3.26)×6.8/2=12.48kN
四、地基压应力计算
荷载组合I:恒载(最低水位)+双孔汽车荷载+双孔两侧行人荷载+风力+制动力;
荷载组合Ⅱ:恒载(最高水位)+单孔汽车荷载—20+单孔两侧行人荷载+风力+制动力;
荷载组合Ⅲ:恒载(最高水位)+风力;
荷载组合Ⅳ:恒载(最低水位)+双孔汽车荷载+双孔两侧行人荷载;
计算见表(11)
表各种荷载组合下作用于基础底面形心处得H、N和M值
不同荷载组合下作用于基底形心处得力 表(8)
组合
水平力H(kN)
竖直力N(kN)
弯矩M(kN·m)
I
82.5+1.79+12.48=96.77
16939.29+(948.63+157.5)×2+336.35-385.4=19102.5
1.79×7.1+12.48×3.7+82.5×6.5=595.14
Ⅱ
82.5+1.79+4.59=88.88
16939.29+948.63+157.5+336.35-1946.37=16435.4
1.79×7.1+4.59×1.54+82.5×6.5+483.8+80.3=1120.13
Ⅲ
1.79+4.59=6.38
16939.29+336.35-1946.37=15329.27
1.79×7.1+4.59×1.54=19.78
Ⅳ
0
16939.29+(948.63+157.5)×2+336.35-385.4=19102.5
0
五、持力层承载力验算
5.1基底应力计
5.2持力层承载力验算
持力层为一般黏性土,按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007);当e=0.651,IL=0.32时,查表得[fa0]=379.7kPa,因埋置深度为1.8地基承载力不予修正,则[f0]=[ fa0]=379.7kPa > Pmax=257.57kPa,满足要求
5.3下卧层承载力验算
下卧层为亚黏土,e=0.978,IL=0.82时,查表得[fa0]=159.8kPa <持力层[fa0]=379.7kPa,故必须予以验算。
基底至亚黏土层顶面处的距离z为;z=6-1.8=4.2m,当a/b=16.48/4.68=3.52,z/b=4.2/4.68=0.9,由《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)查得附加应力系数α=0.583。计算下卧层顶面处的压应力σh+z,当z/b <1,基底压应力取离最大压应力距离b/3=1.56m处的压应力,P=251kPa,则Ph+z=10.2×(1.8+4.2)+0.583×(251-10.2×2)=195.64kPa
而下卧层顶面处的承载力容许值可按课本公式(2-16)计算,其中K1=0,而IL=0.82>0.5,故K2=1.5,则[P] h+z=159.8+1.5×10.2×(1.8+4.2-3)=205.7kPa > Ph+z=195.64kPa,满足要求。
六、基底偏心距验算
6.1恒载作用时
e0=0,ρ=
b=0.78 e0<0.1ρ,满足要求。
6.2由合力偏心距
对照表(8)中所列荷载组合情况,按荷载组合Ⅱ计算
e0=
=
=0.07<ρ 满足要求
七、基础稳定性验算
7.1倾覆稳定性验算
按荷载组合Ⅲ:恒载(最高水位)+风力验算;则要满足墩台基础抗倾覆稳定性系数k0 > 1.5;
s=
=
=2.34m
e0=[0+1.79×7.1+4.59×1.54 ]/15329.27=0.0013
k0=s/e0=2.34/0.0013=1800>1.5 满足要求。
7.2.滑动稳定性验算
因基底处地基土为硬塑黏土,查表得μ=0.25
按荷载组合Ⅲ:恒载(最高水位)+风力验算;
则要满足墩台基础抗倾覆稳定性系数k0 >1.3;
Kc=(0.25×15329.27+1.79+4.59)/(1.79+4.59)=601.7>1.3
满足要求。
八、沉降计算
由于持力层以下的土层为亚黏土为软弱下卧层,按其压缩系数为中压缩性土,对基础沉降影响较大,故应计算基础沉降。计算图列如图五;
1 确定地基变形的计算深度;Zn=b(2.5-0.4lnb)=4.68×(2.5-0.4×ln4.68)=8.8m
2 确定分层厚度;
第一层从基础底部向下4.2m;
第二层从第一层底部向下3m;
第三层从第二层底部向下1.6m;
3 确定各层土的压缩模量;(单位MPa)
第一层 Es1=16.5
第二层 Es2=7.5
第三层 Es3=35
4 求基础底面处附加应力
按正常使用极限状态的长期效应组合采用,各项作用效应的分项系数分别为:上部构造恒载、桥墩及基础自重均为1.0,汽车荷载和人群荷载均为0.4. 荷载组合Ⅳ(最低水位)+ 双孔汽车荷载+双孔两侧行人荷载,验算基础沉降量。
N=16939.29+(948.63+157.5)×2+336.35-385.4=19102.5 kN
基础底面处附加应力;
P0=N/A-rh=19102.5 /(16.48×4.68)-10.2×1.8=229.3kPa
5 计算地基沉降
计算深度范围内各土层的压缩变形量见 表(9)
Z单位(m)
l/b
z/b
i
zi
i
zi
i - zi-1
i-1
Esi
△s’i
S’=△s’i 单位(mm)
0
3.5
0
4.2
3.5
0.9
0.830
3.486
3.486
16.5
48.44
48.44
7.2
3.5
1.54
0.674
4.853
1.367
7.5
41.79
90.23
8.8
3.5
1.88
0.609
5.359
0.506
35
3.32
93.55
注:
查JTG D63-2007公路桥涵地基与基础设计规范M.0.2的矩形面积上均布荷载作用下中点平均附加压力系数。
⑥ 确定沉降经验系数
Es=∑Ai/∑(Ai/Esi)=(3.486+1.367+0.506)/[(3.486/16.5)+( 1.367/7.5)+( 0.506/35)]
=13.13
Ψs=0.7+(13.13-7) ×(0.4-0.7)/(15-7)=0.47
7 计算地基的最终沉降量
S=Ψs·S’=0.47×93.55=43.97mm
根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)规定:相邻墩台间不均匀沉降差值,不应使桥面形成大于0.2%的附加纵坡(折角)。因此该桥的沉降量是否满足要求,还应知道相邻墩台的沉降量。
沉降量计算图示图(七)
九、参考文献
1. 公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004).
2. 公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007).
3. 公路桥梁抗震设计细则(JTGTB02-01-2008)
4. 王晓谋主编. 基础工程(第四版). 人民交通出版社,2010.
5. 洪毓康主编. 土质学与土力学(第二版). 人民交通出版社,1995.
6. 孙家齐主编. 工程地质(第二版). 武汉理工大学出版社,2003.
7. 陈宝春主编. 桥梁工程. 人民交通出版社,2009
PAGE
3
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Administrator
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