桥墩设计计算

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摘要随着我国社会的发展与进步和人民的生活水平的日益提高，交通的便利程度和安全性得到了人们的广泛关注，桥梁又是现代交通中不可缺少的组成部分，我国桥梁工程无论在建设规模上，还是在科技水平上，均已跻身世界先进行列。本设计为S17线金昌至永昌高速公路河东庄大桥（两联4×25m预应力混凝土连续箱梁）下部结构设计，在设计过程中，参考了诸如桥梁工程、土力学、桥涵水文、材料力学、专业英语等相关书籍和文献，根据《公路桥涵设计手册》系列丛书，依照交通部颁发的有关公路桥涵设计规范（JTG系列）拟定设计而成。设计中考虑了各种尺寸与材料的选用符合规范中对强度、应力、局部承压强度的要求，并且产生在规范容许范围内的变形，使桥梁在正常使用的情况下能够达到安全，稳定和耐久的标准。在可预期偶然荷载下仍能达到基本正常使用的标准。设计时还充分考虑河东庄大桥所处区域的地质和水文条件，既保证符合规范要求，同时保证因地制宜并且便于施工和维护，并且兼顾桥梁本身的美观性与社会经济性，既要设计合理，又要起到良好的社会经济效益。关键词：河东庄大桥下部结构桥墩桥台美观性经济性

1AbstractWiththedevelopmentandprogressofoursocietyandpeople'srisinglivingstandards,transportationconvenienceandsafetytogetthewideattentionofpeople,thebridgeisalsoanindispensablepartofmoderntransportation,bridgeworksinChinaintermsofconstructionscale,orinthelevelofscienceandtechnology,havebeenamongtheadvancedranksintheworld.ThedesignfortheS17lineofJinchangtoYongchangExpresswayEastVillageBridge(double4×25mprestressedconcretecontinuousboxgirder)substructuredesign,duringthedesignprocess,thereferencesuchasbridgeengineering,soilmechanics,materialmechanics,hydrologyofbridgeandculvert,Englishandotherrelatedbooksandliterature,accordingtothe"manual"designofhighwaybridgesandculvertsseries,inaccordancewiththeMinistryofCommunicationsissuedbytherelevantdesignspecificationsforhighwaybridgesandculverts(JTGSeries)protocolisdesigned.Designconsiderationofseniorhighschoolentranceexaminationofvarioussizesandmaterialselectioninconformitywiththespecificationsofstrength,stress,localbearingstrengthrequirements,andproducedinstandardallowabledeformationofthebridgeinthenormaluse,canachievethesafety,stabilityanddurabilityofthestandard.Intheexpectedaccidentalloadscanstillachievethebasicnormalusestandard.ThedesignalsofullyconsidertheHedongVillageBridgewhereregionalgeologicalandhydrologicalconditions,bothtoensurecompliancewithspecifications,whileensuringthatthesuitone'smeasurestolocalconditionsandeasyconstructionandmaintenance,andtakeintoaccountthebridgeitselfappearanceandsocialeconomyshouldnotonlyreasonabledesign,butalsohasgoodsocialandeconomicbenefits.Keywords:HedongzhuangbridgeSubstructurepierabutmentbeautyeconomy

2目录第一章绪论1第二章设计资料及方案比选2第一节设计资料21技术设计标准22主要设计依据23工程地质资料2第二节墩台比选21桥墩比选22比选结果33桥台比选34比选结果3第三章桥墩设计计算4第一节桥墩材料及尺寸41材料42桥墩尺寸4第二节盖梁计算41荷载计算42可变荷载计算64内力计算115截面配筋设计与承载力核算13第三节桥墩墩柱计算151恒载计算:152汽车荷载计算16

33荷载组合164截面配筋计算及应力验算17第四节钻孔灌注桩的设计计算201荷载计算202桩长计算223桩的内力计算（m法）224桩身截面配筋与承载力验算：245墩顶纵向水平位移验算26第四章桥台设计30第一节桥台材料及尺寸301桥台类型和主要材料302桥台尺寸30第二节台帽计算301荷载计算302内力计算321垂直荷载计算342恒载对台墙各截面所产生的弯矩343活载对台墙产生的反力364活载对各截面所产生的弯矩36第五章结论与展望371结论372展望37附录英文文献翻译39

4第一章绪论随着我国社会的发展与进步和人民的生活水平的日益提高，交通的便利程度和安全性得到了人们的广泛关注，桥梁又是现代交通中不可缺少的组成部分，于此同时，桥梁建设得到了迅猛发展，我国桥梁工程无论在建设规模上，还是在科技水平上，均已跻身世界先进行列。各种功能齐全、造型美观桥梁开始频繁的出现在人们的生活中，给人们带来方便的同时很多桥梁也逐渐成为城市的标志性建筑。本设计为S17线金昌至永昌高速公路河东庄大桥（两联4×25m预应力混凝土连续箱梁）下部结构设计，是根据《公路桥涵设计手册》系列丛书，依照交通部颁发的有关公路桥涵设计规范（JTG系列）拟定设计而成。在设计过程中，参考了诸如桥梁工程、土力学、桥涵水文、材料力学、专业英语等相关书籍和文献。设计中考虑了各种尺寸与材料的选用符合规范中对强度、应力、局部承压强度的要求，并且产生在规范容许范围内的变形，使桥梁在正常使用的情况下能够达到安全，稳定和耐久的标准。在可预期偶然荷载下仍能达到基本正常使用的标准。设计时还充分考虑河东庄大桥所处区域的地质和水文条件，既保证符合规范要求，同时保证因地制宜并且便于施工和维护，并且兼顾桥梁本身的美观性与社会经济性，既要设计合理，又要起到良好的社会经济效益。

5第二章设计资料及方案比选第一节设计资料河东庄大桥位于S17金昌至永昌线上，桥孔布置为两联4×25m预应力混凝土连续箱梁，桥梁全长。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技术设计标准(1)设计荷载：公路-I级；(2)桥面宽：+2×(3)标准跨径：25m(4)计算跨径：2主要设计依据(1)《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；(2)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）；(3)《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）；(4)《公路桥涵设计手册——墩台与基础》；(5)《公路桥梁墩台设计与施工》；3工程地质资料桥址位于部剥蚀山地区，金川河狭窄河谷区。地层岩性为黄土粉状土（厚度一般小于2m）卵砾石（稍密-中密）下伏花岗岩。地质条件较好，地层自上而下有亚粘土，砂砾，浅变质石英砂岩夹板岩组成。第二节墩台比选1桥墩比选方案一：双柱式钻孔灌注桩桥墩：它由分离的两根桩柱所组成。外形美观、圬工体积小、重量比较轻、施工便利、速度快、工程造价低。最重要的是它能减轻墩身重力节约圬工材料，还能配合各种基础，设计灵活多样。它也是目前运用最广泛的桥墩结构之一。方案二：重力式桥墩：它是靠自身重量来平衡外部作用、保持稳定。墩身比较厚实，可以不用钢筋，而用天然石材或片石混凝土砌筑。它适用于承受作用值较大的大、中型桥梁或流水、漂浮物较多的河流中，或在砂石方便的地区，小桥也可以采用。它的缺点就是圬工材料数量多、自重大，因而要求地基承载力高。另外，阻水面积也较大。

62比选结果综上，着重从经济、安全的立足点出发，结合本设计联系的相关地质条件情况。方案二虽然有着承载能力强、配用钢筋少的优点，但是其所用的圬工材料巨大、地基承载力要求也高。不是很符合本设计的经济和安全的立足点原则，而方案一能够节省材料，节约成本。所以，选择方案一。3桥台比选方案一：重力式桥台：适用于填土高度为4-10m的单孔及多孔桥。它的结构简单，基础底承压面积大，应力较小。但圬工体积较大，两侧墙间的填土容易积水，除增大土压力外还易受冻胀而使侧墙裂缝。方案二：轻型桥台：轻型桥台体积轻、自重小，它借助结构物的整体刚度和材料强度承受外力，从而可以节省材料，降低对地基强度的要求和扩大应用范围。4比选结果综上，根据大桥的地质条件，桥址周围的材料以及经济、节约的角度进行比选。重力式桥台体积较大，使用材料较多，不符合节约的原则，所以方案一不适用。而方案二对地基承载力的要求相对较小，节省材料降低成本。因此选择方案二。

7第三章桥墩设计计算第一节桥墩材料及尺寸1材料钢筋：盖梁主筋用HRB335钢筋，其它均用R235钢筋混凝土：盖梁、墩柱用C30，系梁及钻孔灌注桩用C252桥墩尺寸图3-1：尺寸单位cm第二节盖梁计算1荷载计算(1)上部结构永久荷载见表3-1：

8表3-1上部结构永久荷载每片边板自重(KN/m)每片中板自重(KN/m)一孔上部构造自重(KN)每一个支座恒载反力(KN)1,4号2,3号1,4号2,3号(2)盖梁自重及作用效应计算（1/2盖梁长度）图3-2表3-2：盖梁自重产生的弯矩、剪力效应计算截面编号自重（KN）弯矩（）剪力(KN)V左V右1-1=×××25+2×××25==××3=2-2=+×2××25==×+×=3-3=×××25==×

9可变荷载计算(1)可变荷载横向分布系数计算：荷载对称布置时用杠杆法，非对称布置用偏心受压法。公路-I级a.单车列，对称布置图3-3.单车列对称布置分布系数图

10b.双车列，对称布置图3-4双车对称分布系数图c.单车列，非对称布置由，已知n=4，e=，则d.双车列，非对称布置时：已知：n=4，e=，

11(2)按顺桥向可变荷载移动情况，求得支座可变荷载反力的最大值公路-I级：全桥计算跨径：双孔布载单列车时：双孔布载双列车时：KN单孔布置单列车时：KN单孔布载双列车时：KN(3)可变荷载横向分布后各梁支点反力(计算的一般公式为)，见表3-3表3-3：各梁支点反力计算荷载横向分布情况公路-I级荷载（KN）计算方法荷载布置横向分布系数单孔双孔对称布置按杠杆法算单列行车公路-I级==

12==双列行车公路-I级====非对称布置按偏心受压法算单列行车公路-I级====双列行车公路-I级====(4)各梁永久荷载、可变荷载反力组合：计算见表3-4，表中均取用各板的最大值，其中冲击系数为：表3-4：各板永久荷载、可变荷载基本组合计算表(单位：KN)编号荷载情况1号梁2号梁3号梁4号梁1恒载2公路-I级双孔双列对称（1+μ）3公路-I级双孔双列非对称（1+μ）41+251+3

133双柱反力Gi计算：图3-5：双柱反力计算图表3-5：双柱反力计算荷载组合情况计算式反力(KN)组合6公路-I级双列对称组合7公路-I级双列非对称上部恒载4内力计算(1)弯矩计算（图3-2）截面位置见图3-2，为求得最大弯矩值，支点负弯矩取用非对称布置时的数值，跨中弯矩取用对称布置时数值。各截面弯矩计算式为：

14各种荷载组合下的各截面弯矩计算见表3-6表3-6：各截面弯矩计算荷载组合情况墩柱反力(KN)梁的反力(KN)各截面弯矩()G1R1R2截面1-1截面2-2截面3-3截面4-4截面5-5上部恒载0汽车对称0汽车非对称0(2)剪力计算一般计算公式为：截面1-1：，；截面2-2：；截面3-3：，；截面4-4：；截面5-5：。计算值见表3-7：表3-7：各截面剪力计算墩柱反力(KN)梁的反力(KN)各截面剪力(KN)

15荷载组合情况截面1-1截面2-2截面3-3截面4-4截面5-5上部恒载00000汽车对称0汽车非对称0(3)盖梁内力汇总（表3-8）表3-8：弯矩组合表内力组合(KN)截面截面1-1截面2-2截面3-3截面4-4截面5-51.上部恒载2.盖梁自重3.汽车对称布置4.汽车非对称布置+2+3+2+4表3-8：剪力组合表截面内力组合（KN）截面1-1截面2-2截面3-3截面4-4截面5-51.上部恒载

162.盖梁自重3.汽车对称布置4.汽车非对称布置+2+3+2+45截面配筋设计与承载力核算采用C30混凝土，主筋选用HRB335，28，保护层6（钢筋中心至混凝土边缘）。,,28钢筋截面面积：(1)正截面抗弯承载力验算以下取3-3截面作配筋设计，其它截面雷同。已知:,,取，解方程得:

17用28钢筋，其根数选用12根，配筋率：。其它截面的配筋设计如表3-9表3-9：各截面钢筋量计算表截面号实际选用含筋率（%）根数1-114001340830412-2140013401038013-3140013401239084-4140013401038015-514001340123908(2)斜截面按《公预规》条要求，当截面符合：可不进行斜截面抗剪承载力计算，仅需按《公预规》条构造要求配置箍筋。式中：——预应力提高系数，本例取=；——混凝土抗拉设计强度，本例取=。对于1-1截面：对于2-2截面～5-5截面：按《公预规》规定：对照表3-9，可按构造要求设置斜筋与箍筋，见图3-6。

18图3-6盖梁配筋第三节桥墩墩柱计算墩柱直径为130㎝，用C30混凝土，R235级钢筋。尺寸见图3-8.1恒载计算:(1)上部构造恒载，一孔总重：(2)盖梁自重（半根梁重）：(3)横系梁重：(4)一根墩柱自重：(5)作用墩柱底面的恒载垂直力为：KN2汽车荷载计算荷载布置及行驶情况见前述图3-3，3-4，由盖梁计算得知：(1)公路Ⅰ级单孔荷载单列车时：KN相应的制动力：按照《公预规》条规定公路Ⅰ级汽车制动力不小于165，故取制动力165KN(2)公路Ⅰ级双孔荷载单列车时：KN相应的制动力：KN小于165KN，故制动力取165KN汽车荷载中双孔荷载产生支点处最大反力值，即产生最大墩柱垂直力，汽车荷载中单孔荷载产生最大偏心弯矩，即产生最大墩柱低弯矩。

19(3)双柱反力横向分布系数计算（汽车荷载位置见图3-8）:图3-8：尺寸单位cm单列车时：，双列车时：，3荷载组合(1)最大最小垂直反力计算，见下表表3-10：可变荷载组合垂直反力计算（双孔）编号荷载状况最大垂直反力(KN)最小垂直反力(KN)1公路Ⅰ级单列车2双列车表中汽车荷载已经乘以冲击系数（1+μ=）(2)最大弯矩时计算（单孔）表3-11：可变荷载组合最大弯矩计算（单孔）编号荷载情况墩柱顶反力计算式垂直力（KN）水平力H（KN）对柱顶中心弯矩（）1上部与盖梁————-——2单孔双列车××

20表内水平力由两墩柱平均分配。4截面配筋计算及应力验算作用于墩柱顶的外力（图3-9）(1)垂直力：最大垂直力：KN最小垂直力：KN(2)弯矩：KN·M(3)水平力：图3-9：尺寸单位cm(4)作用于墩柱底的外力(5)截面配筋计算已知墩柱选用C30混凝土，采用20φ16HRB335钢筋，=,则纵向钢筋配筋率，由于，故不计偏心增大系数：取.0；a双孔荷载，按最大垂直力时，墩柱顶按轴心受压构件验算，根据《公预规》

21条：满足规范要求。b单孔荷载，最大弯矩时，墩柱顶按小偏心受压构件验算：故.0，根据《公预规》条偏心受压构件承载力计算应符合下列规定：设g=,代入=、=280、ρ=后，经整理得=按《公预规》提供的附录C表圆形截面钢筋混凝土偏压构件正截面抗压承载力计算系数”表。经试算查的各系数A、B、C、D为设ζ=，A=,B=,C=,D=代入后=则

22=墩柱承载力满足规范要求。

23第四节钻孔灌注桩的设计计算钻孔灌注桩的直径为，用C25混凝土，φ10R235级钢筋。由地质资料分析设计宜采用钻孔灌注桩基础。灌注桩按m法计算，设m值为5×103kN/m4,桩身混凝土受压弹性模量=×104MPa1荷载计算(1)每一根桩承受的荷载为：(2)一孔恒载反力（图3-10）KN(3)盖梁恒重反力KN(4)系梁恒重反力KN(5)一根墩柱恒重KN(6)作用于桩顶的恒载反力为：KN(7)灌注桩每延米自重,已扣除浮力(8)可变荷载反力两跨可变荷载反力：（公路-I级）单跨可变荷载反力：（公路-I级）制动力：作用点在支座中心，距桩顶距离为(9)纵向风力盖梁引起的风力：

24对桩顶的力臂为：墩柱引起的风力：对桩顶的力臂为：横向风因墩柱横向刚度较大，可不予考虑。(10)作用于桩顶的外力图3-10：尺寸单位m图3-11KN（双孔）KN（单孔）KN单跨可变荷载时：(11)作用与地面处桩顶上的外力KN

25KN2桩长计算已知桩长3桩的内力计算（m法）(1)桩的计算宽度b：(2)桩的变形系数α：式中：，受弯构件：故：，可按弹性桩计算。(3)地面以下深度Z处桩身截面上的弯矩MZ与水平压应力σZX的计算已知作用于地面处桩顶上的外力为：，，(4)桩身弯矩=式中的无量纲系数可由表格查得，计算见表3-12,分布图见图3-12表3-12：桩身弯矩Mz计算（单位：KM·m）Z

26(5)桩身水平压应力=式中无量纲系数可由表格查得，为换算深度，=Αz.计算见表3-13，桩身的水平压应力分布示于图3-12.图3-12表3-13：水平压力计算（单位：KM·m2）Z

274桩身截面配筋与承载力验算：图3-13桩身截面配筋图验算最大弯矩值处的截面强度，该处内力值为：桩内竖向钢筋按%配置，则选用，，，桩的换算面积为：桩的换算截面模量为：

28取根据《公预规》条和条相关规定：，取偏心增大系数：则。按桥墩墩柱的计算方法，查《公预规》附录C相关表格，可得到相关系数。经试算，当ξ=时，从表格中查得:A=,B=,C=,D=另设g=，因ρ=%，=,=195MPa,代入下式：则：

29钻孔桩的正截面受压承载力满足要求。5墩顶纵向水平位移验算(1)桩在地面处的水平位移和转角（）计算当，z=0时，查表得到：故：(符合m法计算要求)同上查表得到：代入得：(2)墩顶纵向水平位移验算(图3-14)

30图3-14墩顶纵向水平位移上部墩顶截面抗弯刚度为（直径d1=）,下部桩截面抗弯刚度为EI（直径d=）,假设n=,，则墩顶的水平位移公式为：式中：由于，，所以，已知：，故：

31墩顶容许的纵向水平位移[△]为：[△]=符合规范要求。

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