某桥桥墩桩基础设计计算城轨专业课程设计

基础工程课程设计

一．设计题目：

某桥桥墩桩基础设计计算

二．设计资料：

某桥梁上部构造采用预应力箱梁。标准跨径30m，梁长29.9m，计算跨径29.5m，桥面宽13m （10+2×1.5），墩上纵向设两排支座，一排固定，一排滑动，下部结构为桩柱式桥墩和钻孔灌注桩基础。

1、水文地质条件：

河面常水位标高25.000m，河床标高为22.000m，一般冲刷线标高20.000m，最大冲刷线标高18.000m处，一般冲刷线以下的地质情况如下：

（1）地质情况c（城轨）：

2、标准荷载：

（1）恒载

桥面自重：N1=1500kN+8×10kN=1580KN；

箱梁自重：N2=5000kN+8×50Kn=5400KN；

墩帽自重：N3=800kN；

桥墩自重：N4=975kN；扣除浮重：10*2*3*2.5=150KN

（2）活载

一跨活载反力：N5=2835.75kN，在顺桥向引起的弯矩：M1=3334.3 kN·m；

两跨活载反力：N6=5030.04kN+8×100kN；

（3）水平力

制动力：H1=300kN，对承台顶力矩6.5m；

风力：H2=2.7 kN，对承台顶力矩4.75m

3、主要材料

承台采用C30混凝土，重度γ=25kN/m3、γ‘=15kN/m3(浮容重)，桩基采用C30混凝土，HRB335级钢筋；

4、墩身、承台及桩的尺寸

墩身采用C30混凝土，尺寸：长×宽×高=3×2×6.5m 3。承台平面尺寸：长×宽=7×4.5m 2，厚度初定2.5m ，承台底标高20.000m 。拟采用4根钻孔灌注桩，设计直径1.0m ，成孔直径1.1m ，设计要求桩底沉渣厚度小于300mm 。

5、其它参数

结构重要性系数γso =1.1，荷载组合系数φ=1.0，恒载分项系数γG =1.2，活载分项系数γQ =1.4 6、 设计荷载

（1） 桩、承台尺寸与材料

承台尺寸：7.0m ×4.5m ×2.5m 初步拟定采用四根桩，设计直径1m ，成孔直径1.1m 。桩身及承台 混凝土用30号，其受压弹性模量h E =3×4

10MPa 。

（2） 荷载情况

上部为等跨30m 的预应力箱梁桥，混凝土桥墩，作用在承台底面中心的荷载为： 恒载及一孔活载时：

1.2(158054008009751507 4.5

2.515 1.42835.751571

3.55N KN =?+++-+???+?=∑）

1.4(300

2.7)42

3.78H KN

=?+=∑

[3334.3300(2.5 6.5) 2.7 4.75 2.5 1.48475.425M KN =+?++?

+?=∑（）] 恒载及二孔活载时：

1.2(158054008009751507 4.5

2.515N =?+++-+????∑）+1.45830.04=19905.556KN

桩（直径1m ）自重每延米为：

q= 2

11511.781/4

KN m ??=π（已扣除浮力） 三、计算

1、根据《公路桥涵地基与基础设计规范》反算桩长

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》中确定单桩容许承载力的经验公式，初步反算桩的长度， 设该桩埋入最大冲刷线以下深度为h ，一般冲刷线以下深度为h 2，则：

[][]{}

)3(2

1

22200-++==∑h k A m l U P N i i h γσλτ

桩的设计桩径1m ，冲抓锥成孔直径为1.1m ，桩周长和面积为 U=π×1.1=3.456m ，

21

0.7854

m π?=，假定桩长<20m 取λ=0.70 t/d<0.3取0m =0.80

查表得2K =6.0 已知 []0σ=550KPa

h 019905.556

0.55058.856 5.8914

N q l q h h =

+?+?=+ 216 4.617 3.8h 2 4.6 3.82029.8

1010h 2h 2γ?+?++--?=-=-

++（）土换算加权重度 [][]{}

0022221

(3)0.5 3.456[

2

4.620 3.850(2 4.6 3.8)240]0.70.80.785[55029.81

6(10)(1)](441.0961147.9163829.416)

22

h i i N P U l m A k h h h h h h h ==++-=???+?++--?+???+?-?-=?--++∑τλσγ

令[]h N P =得：2

435.2056218.55413947.128016.26(h h h m --=?=舍去负值）

现取h=17m<20m,满足取λ=0.70，则，桩低标高为1.00m

2.单桩竖向允许承载力

代入数据h=17m 得[][]{}

002221

(3)5480.672i i P U l m A k h KN =

++-=∑τλσγ 加权重度3229.829.8

10108.432/h 2172

KN m γ=-=-=++

3、桩的平面布置图

100

40010020.00m一般冲刷线18.00m最大冲刷线

22.00m河床

25.00m常水位1.00m桩底标高

700

250

150

10050承台纵桥向立面图

承台横桥向立面图4、桩的内力及位移计算 （1）确定桩的计算宽度b1

10''

1

1111

''10.9(1)H 11.50.60.63(1) 3.60.767, 1.3810.62.7621 4.5 3.5m

f b K K K d d k L b L m h d m K b m b m h B B =???=?+?-=<=??+=∴=+?=?==<+==Q ，沿水平力作用方向上装间净距

，，

满足nb ，取一排装两边外侧边缘距离 （2） 计算桩-土变形系数

地面或最大冲刷线下的影响深度2(1)4m h d m =+=范围内有两层土。

224

112122202

772441(2)[6 2.615(2 2.6 1.4) 1.4]11197.5/40.670.67310 2.0110/0.049164

0.436,7.412 2.5m h m h m h h h m KN m h E E KN m I d m m h h π

αα-?++?+??+?=====??=?=?=∴=

===>，，

，满足按弹性桩计算

（3） 桩顶刚度系数1234ρρρρ、、、的计算

22

0532200020182,17,0.5,0.7854

11197.517 1.90410/, 2.5 4.91(4

l m h m A d m C m h KN m A m π

επ

=-====

==?=?=?=

?=按桩中心距计算）

1

5175

000

120.5171 6.60100.67010.785310 1.90410 4.91h EI l h AE C A ρξ-+???

∴==+=?= ?+??????+ 00322347.412440.43620.8720.483950.64916 1.25357

0.0401,0.1234,0.5466Q M M Q M M h h l l m EI EI EI EI EI EI

ααχχφραχραχραφ==>==?====∴=?==?==?=已知：（），取用，查表得：，，

(4)计算承台地面远点O 处位移000αβ、b 、（单孔活载+恒载+制动力）

0115713.555863.26

b 40.670N n EI EI

ρ=

==?

()

2

2411

222

23324

13102

224131n 40.54660.674 1.25 6.373940.04010.1604,40.12340.4936,0.2436()6.3739423.780.493684m

m i i

i i i

i i x EI EI EI

n EI EI n EI EI n EI n x H n M EI EI a n n x n ρρρρρρρρρρρρ===+=?+??==?==?==??++ ??+???∴==??+- ???

∑∑∑2230222

2413175.4258840.310.1604 6.37390.0.2436()0.16048475.4250.49368475.4252014.24

0.1604 6.37390.0.2436()()m

i i EI EI EI EI n M n H EI EI EI EI EI EI n n x n ρρβρρρρ==?-+?+?===?-??

+- ???

∑ （5）计算作用在每根桩顶上的作用力Pi 、Qi 、Mi

()100203040305615.315863.26

2014.240.670 1.252241.468840.312014.24

0.04010.1234105.942014.248840.31

0.54660.123410.09:i i i i KN b x EI KN EI

EI EI EI KN

EI EI M a EI EI KN m

EI EI

n ρβραρβρβρ???=+=±=?

????=-=?-==-=-=??竖向力P 水平力Q 弯矩校核11

4105.94423.76423.782(5615.312241.46) 1.25410.098474.9858475.4252(5615.312241.46)15713.5415713.55,i n

i i i

i n

I

i KN KN H KN

x P nM

KN m M KN m

nP

KN P KN ===?=≈=+=?-?+?=?≈=?=?+=≈=∑∑∑∑∑Q 校核正确

(6)计算最大冲刷线处桩身弯矩0M ，水平力0Q 及轴向力0P

000010.09105.942221.97105.94,5615.310.7852155641.86i i i M Q l KN m

Q KN P KN

=+?=+?=?===+??=M Q

(7)最大弯矩Mmax 及最大弯矩位置Zmax 的计算

100

max max 00.436,7.4124(40.436221.97

0.9135

105.94

0.97838

0.97838, 2.244m 0.436

1.666

221.97 1.463369.80Q M M m h M C Z

Z Z Z K M K KN m

ααααα

-==>?=

=

==?==

=

===?=?=?取）

Q 查表得：可查表（线性内插）得M

(8)桩顶纵向水平位移验算

桩在最大冲刷线处水平位移x o 和转角φo 的计算

3232

3

22

2.44066 1.62100 1.62100 1.75058

105.94221.97

2.44066 1.621000.4360.436

3.2110 3.216105.94221.971.621000.4360.43x x o o O x x o o O A B A B Q M X A B EI EI EI EI m mm mm Q M A B EI EI EI ????αα?αα-===-=-=

+=?+?=?=<=+=?-查表得：，，，，符合规范要求

（）+3( 1.75058) 1.82106rad EI -?-=-?

∴桩顶纵向水平位移

322

3233

3001000105.94221.97

1.62100(1.75058) 1.82100.4360.4363.2110(1.8210)2(6.850.31)107.1632o o O Q M Q M A B rad EI EI EI EI

Ql Ml l m mm

EI EI

???ααχχ?χχ----=

+=?-?-=-?=-?++=?--??++=+?=（）+

水平位移容许值[△]=0.525=2.5cm=25mm 符合规范要求。

5、按m 法计算桩身入土段任一深度处的弯矩和桩侧横向土抗力（并作Z Z Z Z σ::M 、曲线）

()110020

1

1

1.381,0.436,105.94,221.971~o

Z ZX x x

b m m KN KN m

Q M Z Z A Z B b b ααασσ-====?=

??+

??已经算出Q M 曲线，

()20111o Z ZX x x Q M Z Z A Z B b b αασσ=??+

??:曲线，，()02o Z Z M M Q

M Z M A M B α

=?+?:曲线，

Z

Z Z α-

=?

M

A

M

B

o

M Q A α

?

0M M B ?

Z M

0 1

221.97 221.97 0.229358 0.1 0.0996 0.99974 24.200808 221.9122878 246.1131 0.458716 0.2 0.19696 0.99806 47.8573408 221.5393782 269.3967 0.917431 0.4 0.37739 0.98617 91.6982222 218.9001549 310.5984 1.605505 0.7 0.59228 0.93817 143.9121944 208.2455949 352.1578 2.06422

0.9

0.68926

0.88407

167.4763948

196.2370179

363.7134

6、桩身界面配筋计算 （1）配筋的计算

最大弯矩发生在Z=2.082m 处，此处设计最大弯矩为369.80j M KN m =? 最大设计竖向力为

000.50.55641.860.511.7810.520 2.082 3.4565580.7184

66.3,7.41240.5(2) 5.587 4.4

0.436

j j

p j N P qZ UZ KN

M e mm h h l N τα=+-=+?-???=====>=+=>又（），计算长度 故需要考虑纵向弯曲对偏心距的影响系数

0200012120000

0124

66.3,7.41240.5(2) 5.587 4.40.436

1

1(),0.2 2.7, 1.150.011, 5.58714005000.9500950,1000,0.364, 1.08411 1.13j p j

s M e mm h h l N l e l

l e h h h h h r r mm h mm αηεεεεεεη=

===>=+=>=+

??=+?=-?≤=?=+=+?====>∴=又（

），计算长度而代入得：取，00a r r r 23275.1,0.5,3017.5p,340,0.132

r

22322.8722958.4

r r

g j j

e

e mm r m C HRB R M R MP E N M N EN ηη==========混凝土钢筋偏心距系数轴力系数，弯矩系数

2

2

'

2

g N 4712.391222,188424562g A u r mm A mm

π==Φ=?=当u=0.006和u=0.008时均有>Nr,EN>ENr,故桩身只需要按构造配筋，取u=0.006纵筋现采用实配

（2）对截面进行强度校核

2245620.58%0.5%654350.87(500)22

65545080,2

s s s s A r a mm r mmg r r

C mm mm mm mm ρππ=

==>====?=-=>>实际取其中混凝土保护层厚度，纵向钢筋间距91.9满足要求，布置如下图所示。

（3）验算垂直于弯矩作用平面内承载力

'

323s0u u 1 1.2)(13.8101280104562)

1.14

13217.35580.718G cd h sd g j N A f A N KN N KN π

γ?γ-?=+?=

???+??=>=（f 满足要求

7、承台设计

（1）桩与承台的连接处构造设计

承台平面尺寸：长×宽=7×4.5m 2，厚度2.5m ，承台底标高20.000m 。采用桩顶主筋伸入承台连接。桩身嵌入承台内的深度为200mm ；伸入承台内的桩顶主筋做成喇叭状，夹角15度。伸入承台内的主筋竖向高度为100cm>35*2.2=77cm ，不设弯钩的带肋钢筋。抗弯钢筋布置在承台内上下两排并且不截断穿过桩身。箍筋设20箍10Φ，间距200mm ，构造钢筋前后两端各18根10Φ，抗裂钢筋前后两端各8根12Φ下设相同的钢筋网具体配筋图见附图B 。 （2）桩顶局部受压验算

桩顶局部受压时按右式计算j j c a /m P A R βγ≤式中j P ——承台内基桩承受计算轴向力，取

22j j c a j 3c a 5580.718,1,10.785,20.1, 1.54

4

/10.78520.110/1.5410245.785580.718,j m m j P N KN A mm R MP A R KN N KN π

βγβγ==>=

?===∴>???=>=桥梁C30混凝土系数满足要求，可按构造配筋 （3）承台受冲切验算

承台有效高度h0=250-20-4=276cm ， 桩边冲切，相关参数见桩平面布置图B ，计算冲跨比

0000000x 0y hp 00y 5025

0.2210.111,226226

0.840.84

1.995

2.70125002000,0.9

0.20.2

y x x y x a a h h h λλβββλλ=======

====>=++Q ，计算冲切系数：，取

[]0000

111x x 30 1.3902()()2 1.995(10.25) 2.701(2.50.5)0.91390 2.2459389.35615.310.560.56

C1C2150cm 50,25, 1.3300.20.2210.2

t x c y y c ox hp t x y C HRB f MP b a h a f h KN KN cm a cm ββββλ??=+++???=??++?+???=>=====

==++混凝土钢筋取，则满足要求a 计算冲切系数[]1y hp j 121y 111x 0 1.8010.9(c 0.5a )(c 0.5a ) 1.330(1.50.50.25) 1.801(1.50.50.5)0.91390 2.2414888.35615.31x y hp t N f h KN KN βββββ=??=∴=+++?=?+?+?+??????=>，，

取满足要求

(4)抗剪承载力验算

1

4

x y 0hs x 100y 250020010000.2210.111h 2240mm 0.873

2240

1.75

0.3,0.3 1.3460.873 1.34613901390 4.5 2.24

1

16463.97423.78,0.3,0.3 1.hS t V f b h KN H KN λλβλβββλλβ--===∴==<==∴==?????+=>=<=∑Q ，，剪切承载力截面高度影响系数（）对于横桥向截面，取，对于纵桥向截面取，1003460.873 1.346139013907 2.2425610.62423.78hS t V f b h KN H KN ββ∴==?????=>=∴∑，抗剪承载力满足要求。

（5）承台受弯承载力计算

max y b b 0060025615.31 1.011230.62,25615.310.252807.6630280,0.56,0.55224012321.111230.6210(0.5)(22400.5123i i x i y sd s d

sx sd M N x KN m M N x KN m C HRB MP x h x h mm M A h x εεεεγ===??=?==??=?==

27343mm 7cm 3334.310 1.1

14857.84mm 321221620122cm

(0.5)(22400.51232)280

sx s d

sd mm A M A h x A γ=Φ?+?+??=?+??===Φ?+?+?-?-??选用间距，

实配钢筋，保护层厚度，沿x 轴布置，具体配筋图件附图B 。

（2807.66），选用19间距f 实配钢筋2y 15282mm 7cm =，保护层厚度，沿x 轴布置，具体配筋图件附图B 。

四、参考资料及应用软件

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. 公路桥涵设计手册：墩台与基础，北京：人民交通出版社，2000；

4. 基础工程，王晓谋，北京：人民交通出版社，2003。

5. 混凝土结构设计原理（第三版），沈蒲生主编，高等教育出版社，2007