交通土建毕业设计（论文）-龙湾大桥下部结构设计.doc

全套图纸加扣3012250582前言改革开放以来，我国国民经济得到迅速发展，在经济发展的同时也加速了基础设施的建设，基础设施建设也能够反哺经济发展。我国目前是以高速公路和高铁为代表的高质量的工程，桥梁工程在这些工程建设中扮演极重要的角色，正由于桥梁的重要性我国也加强了对它的研究，也在短短的几十年时间里取得了重要的成就，许多现代化的并闻名于世界的桥梁建筑屹立于世界东方。现代桥梁的功能已经发生了一些改变，城市桥梁建设会从美学上充分考虑其构造，许多城市中的桥梁成为其地标性建筑。我国正在实施建设的7918网中各个标段有许多将要建设的大型桥梁，这些大桥往往是道路建设中的控制工程，桥梁工程对整个工程的效率以及质量具有极重要的影响。我国也正在实施一带一路计划，这一计划将建成从中国出发面向亚欧大陆里程达30000公里的高铁网，桥梁也必将承载着很重要的角色。本设计为龙湾大桥，上部结构采用预应力钢筋混凝土箱型桥下部结构采用桩柱式桥墩、埋置式桥台的设计方案，是根据公路桥涵设计手册系列丛书，以及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，作者还参考了诸如桥梁工程、结构设计原理、桥梁结构力学、材料力学、土力学、基础工程等相关书籍和文献。设计采用了在工程实际中应用的比较成熟的工艺与理念，同时也作出了一定的创新与尝试。在设计过程中，综合考虑了材料以及结构的强度、刚度、稳定性，还注意到了混凝土强度以及钢筋等级及其性能。本设计研究的主要内容包括：桥型方案的拟定和比选；支座和桥台桥墩构造尺寸的拟定；台帽，台墙，桩基础的强度和稳定性的验算。1 桥型方案比选1.1 设计资料龙湾大桥，全长90m，上部结构采用预应力钢筋混凝土箱型梁，下部结构采用双柱式桥墩及埋置式桥台的设计方案，双向四车道沥青混凝土路面，设计行车速度80km/h。1.1.1 技术设计标准1桥面净宽：净10.40m；2车辆荷载：公路-级荷载；3设计洪水频率：1/100。1.1.2 主要设计依据1公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)2.公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）3.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62-2004）4.公路桥涵设计手册桥梁附属结构与支座、墩台以基础5. 实地勘测调查及地质土壤钻探实验报告1.1.3 工程地质资料该地区土质主要分三层：1、粉土 2、中沙3、卵石土。地下水类型为第四系空隙潜水，水位埋深4.0m左右；含水层主要岩性为砾砂，厚3m左右；地表水体为沙河支流，属季节性河流（勘查时无水），设计洪水频率百年一遇。1. 地基土横向抗力系数的比例系数30000kN/m4；2桩身与土的极限摩阻力kN/m2；3土的内摩擦角；4. 土的弹性力系数5.0；5桩尖以上土的加权平均重度kN/m3；6桩端土的承载力基本容许值kPa；7考虑入土长度影响的修正系数；8. 考虑桩尖以上土层的附加和在作用系数；9. 清底系数。1.1.4 气候资料温带大陆性季风气候，四季分明，年平均气温为10C，历史最高为35.2C。年平均降水量689mm，多集中在6-8月份，达全年降水量65%左右。全年无霜期180天左右。河流均为独流水域，流量随季节变化较大，平均水深0.6米左右。1.2 梁型方案比选桥梁梁型的选择要求满足使用、安全、经济、美观、环保以及占地与工期多方面比选，通过各桥型的优缺点最终确定桥梁的截面形式。根据当地的地形条件和我国现阶段桥梁建设主要采取的梁型选择了三个方案。第一个方案是预应力混凝土简支箱型梁桥，第二个方案是预应力混凝土简支T型梁桥，第三个方案是分离式预应力混凝土连续箱型梁。通过这三个方案的比选最终确定所建设的桥梁的梁型。方案一此桥为预应力静定结构，构造简单，施工方便，用模板、支架较小，造型简洁美观，工程量较小桥下视觉效果较好。方案二此桥为预应力静定结构，节省材料，受理明确，架设安装方便，跨越性能较大，行车平稳舒适。方案三此桥结构稳定性好，承载力大，桥型美观，但施工工序复杂，技术要求较高，材料人力消耗较大。 通过对以上各桥型优缺点的比较，结合当地的水文、地质状况，从安全、经济、适用、美观等方面综合考虑，采用方案一较为合适。1.3 桥墩比选方案一：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。方案二：双柱式钻孔灌注桩桥墩：适用于受较小的漂流物或轻微的流冰河流中，桥跨径较大，墩身不高于10米的情况。它一般在灌注桩顶浇注一个承台，然后在承台上设立柱，或者在浅基础上设立柱，再在立柱上盖梁。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。方案三：轻型桥墩：当地基土质条件较差时，为了减轻地基的承载负担，或者为了减轻墩身重量、节约圬工材料，常采用各种轻型桥墩。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。方案一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。方案三虽然所用圬工材料少，对地基要求不是很高，但是其承载能力较低，不满足安全的原则。而方案二则恰好能补二者的不足，发挥二者的长处。所以，选择方案二。1.4 桥台比选：比选结果:重力式桥台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。不是很符合本设计的经济和安全的立足点原则所以方案一不适用。本设计为3跨的箱型梁桥，每跨30m，承载能力要求较高。所以，方案二也不适用。所以选择方案三。2 支座的设计2.1 板式橡胶支座的选用弹性压缩实现转角利用其剪切变形实现微量水平位移。板式橡胶支座一般不分用板式橡胶支座。采用三元乙丙胶，适用温度为（温度环境），硬度取。2.2 计算支座反力 由上部计算可得支座反力标准值为kN，公路级荷载引起的支座反力标准值为，则支座压力标准值kN；公路级荷载作用下产生的跨中挠度，根据当地的气象资料，主梁的计算温差C。2.3面尺寸的确定1) 选定支座的平面尺寸为cm2，为顺桥方向长，为横桥方向宽。中间橡胶片厚度t=0.5cm。2) 计算支座的平面形状系数S 1：，并5S123）计算橡胶支座的弹性模量1 ：MPa 式中： Ge =1.0Mpa 。 4）验算橡胶支座的承压强度 ：kPakPa （合格）2.4 确定支座的厚度1）主梁的计算温差，温度变形由两端的支座均摊，则每一支座承受的水平位移为 ： 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29.16m桥跨，一个设计车道上公路级车道荷载总重为：10.529.16 +276.64= 582.82kN，则其制动力标准值为582.8210% =582.82kN ，但按桥规6，不得小于90kN。故取总制动力为90kN参与计算，4片梁共12个支座，每个支座承受水平力，kN。3） 确定需要的橡胶片总厚度 ：不计汽车制动力 计入汽车制动力 桥规的其它规定 选用6层钢板和7层橡胶片组成的支座，上下层橡胶片厚0.25cm，中间层厚0.5cm，薄钢板厚0.2cm，则橡胶片总厚度：，并4.6cm （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 ：式中：Eb 橡胶弹性体体积模量，Eb = 2000。按桥规规定，尚应满足d（=25mm），故=40+28.4/2=54.2,取=60mm，则有效高度=1040mm，最小配筋率计算：45（）=0.22，即最小配筋率应不小于0.22%,且不应小于0.2%，故取最小配筋率0.22%。校核5-5截面：混凝土保护层c=-=60-28.8/2=45.6mmd=25mm，钢筋净距，符合sn30mm及d=25mm的要求，盖梁计算跨径取lc与1.15ln中的较小者，lc=520cm, 1.15ln=1.15(520-0.8140)=469.2cm，取l=469.2cm，l/h=469.2/110=4.27,属于深受弯构件。 =(0.75+0.054.27)(1040-0.531.12)=987.05mm=2804418987.05=1221.02kNmM(=762.50kNm)经复核5-5截面可以承受计算弯矩M=762.50 kNm的作用。支点（3-3）截面：按一层钢筋布置，假设=40mm，则有效高度=1100-40=1060mm。a.求受压区高度x1.03234.91106=13.81700x(1060-)x2-2120x+275781=0b.求所需钢筋数量A将x值代入式bx =A得采用1632HRB335钢筋，其面积=12867.2mm，混凝土保护层厚度c=40mmd（=25mm），故=40+35.8/2=57.9,取=60mm，则有效高度=1040mm，最小配筋率计算：45（）=0.22，即最小配筋率应不小于0.22%,且不应小于0.2%，故取最小配筋率0.22%。校核3-3截面：混凝土保护层c=-=60-35.8/2=42cm，钢筋净距，符合30mm及d=25mm的要求。 =(0.75+0.054.27)(1040-0.539.23)=934.97mm=28012867.2934.97=3368.52kNm M(=3234.91 kNm)经复核3-3截面可以承受计算弯矩M=3234.91 kNm的作用。按照规范规定，当边梁作用点到柱边缘的距离等于或者小于截面高度时可按“撑杆系杆体系”方法计算悬臂部分正截面抗弯承载力。作用净距为50+80-0.8140/2=74cm，小于帽梁高度110cm，符合“撑杆系杆体系”要求。计算方法如下：，计算：=1100-60=1040mm，a=0.15=0.151040=156mm，=740mm，kN计算t：b=280mm，s=60mm，d=28mm，=60+628=228mm计算：=30MPa，则：=0.00208409=14.53MPa0.48=0.4830=14.4MPa，取=14.4MPa，符合要求。，符合要求。2）剪力作用时各截面的强度验算最不利情况，满足要求。箍筋采用R235四只16mm，=804.4mm。则由公式解得=0.31%0.18%（R235钢筋时），满足要求。，小于0.5h=550mm和400mm，取=150mm。3）持力状况正常使用极限状态计算裂缝宽度计算：=1566.96+70.28+0.4697.24/1.25=1860.36kNm=1566.96+70.28+0.7697.24/1.25=2027.69kNm=1.0,=1+0.45/=1+0.451860.36/2027.69=1.413=(0.44.27+1)=0.9027=1566.96+70.28+0.4697.24/1.25=1860.36kNm=根据规范规定，钢筋混凝土在类环境下裂缝宽度限值为0.20mm，满足要求。4)挠度验算根据规范规定，=4.275.0的钢筋混凝土盖梁可不作挠度验算。3.4 墩柱计算3.4.1 恒载计算1）一孔上部构造恒载：4821.40kN2）盖梁自重（半边）：200.43kN3）一根墩柱自重（当hi=6时）：4）桩身每米自重：3.4.2 活载计算1）水平荷载：制动力与温度影响力总和为：H=170.12kN2）垂直荷载：单孔单列车：双孔单列车：B=679.98kN3.4.3 墩柱配筋设计1）双柱反力横向分布系数计算（1）公路I级荷载单列布载（图3-11），（2）公路I级荷载双列布载（图3-12）图 3-12公路-级荷载双列布置/cmFig.3-12Double row road - I level of load arrangement /2）活载内力计算（1）最大最小垂直力计算表见表3-11。表3-11最大最小垂直力计算表Tab.3-11Calculation of the biggest and smallest vertical forces荷载情况最大垂直（kN）最小垂直（kN）(1+)B(1+)B双孔单列679.980679.981.131961.32-0.131-111.35双孔双列679.98679.981359.960.8371422.860.163277.09（2）相应于最大最小垂直力时的弯矩计算见表3-12。表3-12相应最大最小垂直力时的弯矩计算Tab. 3-12 Calculation of moments according to the biggest and smallest vertical forces荷载情况H（kN）（kN）（kN）A墩墩底弯矩B墩墩底弯矩6H/26H/2单孔单列0679.981.131-0.131403.76-46.77单孔双列679.98679.980.8370.16300制动力151.08151.08温度力359.28359.28注：墩底弯矩=。（3）最大弯矩计算见表3-13。荷载情况垂直力（kN）A墩墩底弯矩（kNm）B墩墩底弯矩(kNm)(1+)(+)(1+)(+)6H/20.42(-)(1+)6H/20.42(-)(1+)单孔单列738.70-85.56310.25-35.94单孔双列1093.35212.92459.2189.43制动力151.08151.08温度力359.28359.283）墩柱底截面内力组合4表见表3-14。截面位置内力名称A柱底截面B柱底截面N(kN)H(kN)M(kNm)N(kN)H(kN)M(kNm)上部恒载2410.702410.70墩帽自重200.43200.43墩柱自重230.79230.79双孔单列961.32403.76-111.35-46.77双孔双列1422.860277.090单孔单列738.70310.25-85.56-35.94单孔双列1093.35459.21212.9289.43温度影响力119.76359.28119.76359.28双孔荷载时的制动力50.36151.0850.36151.08单孔荷载时的制动力50.36151.0850.36151.08承载能力极限状态基本组合双孔单列5231.77183.391171.963579.86183.39478.14双孔双列5942.54183.39550.174178.05183.39550.17单孔单列4888.93183.391027.953619.57183.39494.82单孔双列5435.71183.391257.354079.23183.39687.89正常使用极限状态短期组合双孔单列3380.26146.17664.612779.56146.17412.31双孔双列3638.72146.17438.502997.09146.17438.50单孔单列3255.59146.17612.242794.01146.17415.50单孔双列3454.20146.17695.662961.16146.17488.58正常使用极限状态长期组合双孔单列3149.54146.17567.712806.29146.17423.54双孔双列3297.24146.17438.502930.59146.17438.50单孔单列3078.30146.17537.782814.54146.17487.00单孔双列3191.79146.17585.452910.05146.17467.124）墩柱强度验算（1）由内力组合表得知，以下三种组合控制设计双孔单列：Nj=5231.77kN，H=183.39kN，Mj=1171.96kNm双孔双列：Nj=5942.54kN，H=183.39kN，Mj=550.17kNm单孔双列：Nj=5435.71kN，H=183.39kN，Mj=1257.35kNm（2）墩柱配筋设计6墩柱采用C30混凝土，主筋采用HRB335钢筋，并取主筋保护层厚度 c=5cm，则对于双孔单列的初始偏心距，假定按墩柱一端固定一端自由计算，计算长度=12m。解得=1.2057，=1.20570.224=0.27m查诺模图推得8.5，故取稳定系数=0.95。混凝土截面的面积，。 =0.90.95（13.81538600+2809818） =20504.37kNN(=5231.77kN) (2)在弯矩作用平面内：=0.64%，=0.386查诺模图推得k=2.20由k=，得 =13524kN(=5231.77kN)=135240.386=3088kNmM(=1171.96kNm)满足要求。采用同样的方法可以验算另外几种最不利组合，经验算符合要求。箍筋按构造配筋，螺旋箍筋采用10R235钢筋，S=80mm。3.4.4 墩身裂缝计算裂缝计算公式：短期效应组合内力：双孔单列：=3380.26kN，=664.61kNm双孔双列：=3638.72kN，=438.50kNm单孔双列：=3454.20kN，=695.66kNm长期效应组合内力：双孔单列：=3149.54kN，=567.71kNm双孔双列：=3297.24kN，=438.50kNm单孔双列：=3191.79kN，=585.45kNm圆截面直径d=1400mm，r=700mm纵向钢筋采用2025，=9818mm， =700-50=650mm，符合规范要求。 =12m，h=2r=1400mm，r+ =700+650=1350mm，C=50mm，=2.0MPa，=30.0MPa。单孔单列： = =-73.10MPa24MPa，故可不必验算裂缝宽度。单孔单列： = =-118.50MPa24MPa，故可不必验算裂缝宽度。双孔单列： = =-113.58MPa=4413.06kN。桩的轴向受压承载力符合要求。2）桩基内力计算 （1）确定顺桥向桩的计算宽度= （2）桩的变形系数= 其中I=0.19，EI=0.8，桩的换算深度=0.42714=5.9782.5，所以按弹性桩计算。（3）计算墩柱顶外力及局部冲刷线处桩上外力=5435.71kN，=183.39kN，=1257.35kNm换算到局部冲刷线处：，=183.39kN，=1257.35kNm（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Mz： 表3-15 值计算表Tab. 3-15 Combination of= ZZ/kNm0.00.000.000001.000000.001235.351235.350.20.470.196960.9980684.591232.951317.350.40.940.377390.98617162.081218.271380.350.61.410.529380.95861227.361184.221411.580.81.870.645610.91324277.281128.171405.451.02.340.723050.85089310.541051.151361.691.22.810.761830.77415327.19956.351283.541.43.280.764980.68694328.54848.611177.151.63.750.737430.59737316.71737.961054.671.85.150.648880.49889294.14616.30910.442.04.680.614130.40658263.76502.27766.032.25.150.531600.32025228.31395.62623.932.66.090.354580.17546152.29216.75369.043.07.030.193050.0759582.9193.82176.733.58.200.050810.013545.8216.7322.55b.桩身最大弯矩及最大弯矩位置计算由可得：，由及，查表得，则。由，查表得，c.求： 表3-16值计算表Tab.3-16 Combination of = zz/m00.002.440661.621000.000.000.000.20.472.117991.2908815.3627.4042.760.40.941.802731.0006426.1442.7368.870.61.411.502680.7489132.6747.7580.420.81.871.223700.5372735.4945.6281.111.02.340.970410.3611935.1838.3373.511.22.810.745880.2190832.4527.9060.351.43.280.551750.1079328.0016.0444.041.63.750.388810.0242214.102.5716.671.85.150.25386-0.0357216.56-6.829.742.04.680.14696-0.075725.33-8.04-2.712.25.150.06461-0.099405.15-23.21-18.062.66.09-0.00348-0.11136-3.76-30.73-39.673.07.03-0.08741-0.09471-9.51-30.16-39.673.58.20-0.10495-0.05698-13.32-21.17-34.49（5）桩截面强度验算由上可知，最大弯矩发生在局部冲刷线以下z=1.58m处，该处=1399.43kNm。 =5332.22kN桩基采用C30混凝土，主筋采用HRB335钢筋，取。解得=1.412，=1.412262.45=370.58mm查诺模图得8.5，故取稳定系数=0.95。混凝土截面的面积，。=0.90.95（13.81538600+2809818） =20504.37kNN(=5332.22kN)b.在弯矩作用平面内：=0.64%，=0.329查诺模图推得k=2.20由k=，得=13524kN(=5332.22kN)=135240.329=4449.40kNmM(=1399.43kNm)满足要求。箍筋按构造配筋，螺旋箍筋采用10R235钢筋，S=80mm。(6)桩顶水平位移验算a桩在最大冲刷线处的水平位移和转角(，)的计算 当，z=0时，通过查表可得到： 符合要求。通过查表可得到：b墩顶纵向水平位移验算墩顶纵向水平位移：，查表得，。由公式，解得=56.6mm。（7）裂缝宽度验算其中：r=700mm，=0.00638，C=50mm。 =48.28MPa =0.067mm2mm，满足要求。4 桥台的设计4.1 桥台类型和主要材料桥台采用墙式埋置式框架式桥台。主要材料：混凝土采用C30混凝土；主筋采用HRB335钢筋。4.2 桥台一般构造尺寸的拟定图4-1 桥台一般构造图 / cmFig 4-1 General structure of abutment / cm4.3 台帽计算4.3.1 荷载计算1）上部构造恒载支点反力边梁 1205.35kN中梁 1205.35kN2)活载支点反力（1）计算横向分布系数荷载情况公路-级对称0.0000.5000.5000.000单列非对称0.6310.3770.123-0.131公路-级对称0.1110.3890.3890.111双列非对称0.4520.3170.1830.048（2）冲击系数按上部结构计算得到 1+=1.25（3）绘制反力影响线，如图4-2所示。按公路-级计算得反力最大值汽车双列：R=2（140+1400.953+