桥梁工程毕业设计高速铁路桥

1绪论1.1概述自1964年世界上第一条高速铁路—日本东海道新干线建成以来，日本、法国、德国、西班牙、比利时、英国、韩国等国已经建成并投入运用的时速250km高速铁路已达6350多km。可以说铁路客运专线是一个国家经济社会发展到肯定程度是适应交通运输要求的必定产物。依据国务院审议通过的«中长期铁路网规划»，到2020年，我国铁路运营里程将达到10万km，其中客运专线1.2万km。目前已经开工建设的京津、武广、郑西等高标准的铁路客运专线规模已达3200多km。铁路客运专线建设是一个浩大的系统工程，在基础工后沉降、无碴轨道技术、系统集成等方面环节多，技术难度大，虽然有秦沈客运专线建设的阅历，但尚没有采纳无碴轨道客运专线系统成熟的阅历。在客运专线铁路建设中尚有一些问题须要统筹考虑以保证我国将来铁路客运网的平安、先进和合理。1.2客运专线的线路选线铁路客运专线建设应充分体现“以人为本、服务运输、强本简末、着眼发展”的铁路建设新理念，由于其铁路建设标准，线路选线的限制因素多，难度大，但线路选线的优化和合理性干脆关系铁路和地方经济社会的发展，所以，是客运专线建设重视的首要问题。在客运专线引入特大、大城市区段的铁路，建议加强客运专线移入地下的设计方案探讨。我国城市扩容的潜力很大，这是经济社会发展的须要，也是我国人口多的国情实际，铁路作为百年大计应充分考虑今后城市发展须要，不对其造成过多的制约。从国外高速铁路的阅历看，轨道交通在进入大城市的主城区时，引入地下对城市的发展制约相对要小，比如日本东京、法国巴黎等国际都市的地铁和城郊铁路大多采纳这种方式。由此带来的问题是铁路建设投资成本的增加，到这部分投资的增加主要受益者是城市本身，应调动相关地方政府的主动性，探讨确定铁路和地方政府合理的投资比例加以解决。1.3京津城际轨道交通工程概况京津城际轨道交通是环渤海京津冀地区城际轨道交通网的重要组成部分，也是沟通北京、天津两大直辖市的便捷通道。线路由北京南站东段引出，沿京津高速马路其次通道至杨村，后沿京山铁路至天津站，正线全长113.544km。2005年7月4日正式开工建设，将于2008年奥运会前正式通车运营，是我国开工建设并将最早建成的第一条高速客运专线铁路，即一流的工程质量、一流的装备水平、一流的运营管理。采纳国际上最先进的无碴轨道技术，确保列车高速平稳舒适运行，使京津两地间实现30分钟到达。京津城际轨道交通全线桥梁总长度100.171km。其中最长的桥梁为杨村特大桥，全桥长36.5km；该桥最大跨度大128m.1.4京津城际轨道交通桥梁工程特点=1\*GB3①技术标准高全线采纳无杂轨道技术，桥梁必需满意高速客运专线无杂轨道铁路技术标准要求，桥梁的动力性能、刚度指标、变形限制等均达到目前国内铁路桥梁技术标准最高水平；=2\*GB3②桥梁长度占线路长度的比例高桥梁总长度占线路长度比例达88.22％，其中以32、24m等常用跨度桥梁均占全线桥梁总长度的90％以上；=3\*GB3③自然条件困难，桥梁工程难度大沿线处于华北冲积平原，大部分地段分布有广泛的软土和松软土，地基承载力不高，具有含水量高、压缩性高、透水性差和强度低的特点；并且处于环渤海地震带的中心位置，沿线地震峰值加速度大，并且地振动反应谱特征周期值普遍较高；沿线又分布大范围的地震可液化层等困难的自然条件；=4\*GB3④景观设计要求高京津城际轨道交通将建设成为世界一流的客运专线，这不仅要体现在工程结构、技术装备本身，还要体现在铁路主体形象上，必需脱离旧铁路给人们的印象，况且本线连接北京和天津两大现代化城市，更应当注意景观效果，体现时代特征，做好工程建筑美学和景观设计要求。1.5客运专线中常用跨度桥梁所占比重目前，我国的铁路客运专线建设正处于高潮，拟建和在建客运专线铁路项目已达10条以上。在这些客运专线中，桥梁总长均占线路总长的30％以上，其中以32、24m等常用跨度桥梁均占全线桥梁总长度的90％以上。常用跨度桥梁是指经技术经济比较,被广泛应用的一种或几种跨度的简支梁或连续梁桥。综合各方面的技术经济因素,客运专线常用跨度桥梁一般以32、24m跨度为经济。所以，我国铁路综合以上分析，本设计选取京津客运专线中常用跨度桥梁进行模拟设计。2桥式方案比选2.1京津客运专线工程概况京津客运专线是环渤海京津冀地区城际轨道交通网的重要组成部分，也是沟通北京、天津两大直辖市的便捷通道。线路由北京南站东段引出，沿京津高速马路其次通道至杨村，后沿京山铁路至天津站，正线全长113.544km。其中全线桥梁总长度100.171km。2.2京津客运专线桥梁工程特点2.2.1全线采纳无碴轨道技术，桥梁必需满意高速客运专线无碴轨道铁路技术标准要求，桥梁的动力性能、刚度指标、变形限制等均达到目前国内铁路桥梁技术标准最高水平。2.2.2由于无碴轨道客运专线铁路沉降限制标准高，路基工程对沉降的限制难度更大，京津客运专线沿线分布较为广泛的软土和松软土，沉降限制问题更加突出。依据武广、郑西客运专线，京津客运专线桥梁总长占线路总长度约88％；武广客运专线桥梁总长占线路总长度约40.6％；郑西客运专线桥梁总长占线路总长度约45.7％。随着我国高速铁路的发展，土地资源的爱护，考虑环境爱护等多种问题，将来客运专线将必定涉及平原、丘陵和山地等不同环境地形，以桥代路建设新理念具有非常重要的意义。2.2.3沿线处于华北冲积平原，大部分地段分布有广泛的软土和松软土，地基承载力不高，具有含水量高、压缩性高、透水性差和强度低的特点。沿线黏性土土层厚，可达数十米甚至百米以上。对这些土层地段在设计时需进行地基的稳定及沉降验算，并实行相应的措施。由于无碴轨道对沉降提出了更高的要求，所以本线桥梁基础设计难度不同于一般线路。京津地区处于环渤海地震带的中心位置，沿线地震峰值加速度为0.2g和0.15g，并且地振动反应谱特征周期值普遍较高；况且沿线分布大范围的地震可液化层，使得桥梁地震作用影响严峻。京津地区由于多年来对地下水进行过度开采，正在引起局部区域性地面整体沉降，其对桥梁工程会产生长期性的影响且难以预料。所以，京津地区困难的地形条件更加大了本线桥梁工程的难度。2.2.4京津城际轨道交通将建设成为世界一流的客运专线，这不仅要体现在工程结构、技术装备本身，还要体现在铁路主体形象上，必需脱离老铁路给人们的老印象，况且本线连接北京天津两大现代化城市，更应当注意景观效果，体现时代特征，做好工程建筑美学和景观设计要求。2.3.常规桥梁式样、孔径选择京津城际轨道交通全线采纳无碴轨道结构，由于本线广泛采纳软土、松软土地基，且处于环渤海中心带的中心位置，部分地段由于抽取地下水造成区域性地面沉降，加之施工工期短。为保证铁路运营的平安，修理的便捷，须要综合分析，经过技术经济比较，选用合理的常用跨度桥梁梁型、梁跨。在本桥设计中，主要结合本地区的地质状况和桥高状况，再充分考虑桥梁技术条件、桥梁景观、多种施工方法、经济合理工期和施工组织前提下，对于常用跨度桥梁考虑了箱梁和T梁，钢筋混凝土和预应力混凝土结构，简支和连续及小跨度刚构等多种形式进行了综合的分析比选。由于比选内容浩大，繁杂，因此将整个比选分两大部分。第一部分为常用跨度简支梁和连续梁的技术经济比较。比较内容见表2.1表2.1常用跨度简支梁和连续梁的施工技术比较施工方法24简支梁32简支梁3×24连续梁3×32连续梁2×40连续梁架桥机架设√√满布支架现浇√√√√√利用军用梁做支架现浇√√√√√移动模架现浇√√√√√先简支后连续施工√√图2.1技术经济比较结果（注：摘自铁道标准设计文望青写的“客运专线桥梁设计的思索”）经综合经济、技术比较，结合本桥状况，举荐用预置架设为主，现浇和移动模架为辅的架梁方案。梁型以32m简支梁为主，24m简支梁为辅的桥式方案其次部分为常用跨度简支箱梁、T梁和小跨度刚构的技术经济比较，见表2.2表2.2施工方法16m支T梁24m支箱梁32m支箱梁7×10连续刚架汽车吊吊装√架桥机架设√√满布支架现浇√√√利用军用梁做支架现浇√√移动模架现浇√√因此选用32m简支箱梁（见图2.）比较合适。图2.2双线单箱整体式简支箱梁横断面图综合经济、技术比较，对本设计举荐梁型以简支箱梁为主、32m3桥墩设计3.1概述目前，我国的铁路客运专线建设正处于高潮，拟建和在建客运专线铁路项目已达10条以上。在这些客运专线中，桥梁总长均占线路总长的30％以上，其中以32m、24m等常用跨度桥梁均占全线桥梁总长度的90％3.2主要设计要点3.随着国民经济的发展，国家财力的增长，人们对桥梁建设的要求也越来越高，不再单纯追求经济好用，而起先追求技术经济合理和和环境协调的景观效果。为此在桥墩造型选择时，依据敬重自然环境，削减人工行为对自然的坡坏，和自然和谐相处的设计原则，选用和梁部协调统一、适当的艺术造型的桥墩外观，并考虑到好用性好、施工简便、易和养护修理等原则，对常用跨度桥墩的造型比选。通过优化计算、合理的断面形式，并力求减小桥梁的结构尺寸，最大限度减小桥梁本身对强度的影响。设计中选用了矩形桥墩(见图3.1a)和圆端形桥墩（见图3.1b）。依据本桥的结构设计特点，笔者选用了矩形实体桥墩（见图3a矩形桥墩b圆端形桥墩图3.1客运专线中常用桥墩类型3.2.2桥墩设计的内容包括：=1\*GB3①合理选择桥墩类型和截面形态；=2\*GB3②确定建筑材料及圬工规格；=3\*GB3③确定桥墩各部分具体尺寸。设计资料包括：地形地质资料（见初拟方案图）、线路桥跨设计资料等（见设计任务书）。3.3.1.顶帽构造的选取顶帽的类型有飞檐式（见图3.2）和托盘式（见图3.3）两种。8m及更小跨度的一般钢筋混凝土梁配用的矩形或圆端形截面桥墩，其顶帽一般采纳飞檐式，顶帽的形态均随墩身形态而定。10～32m的一般钢筋混凝土梁及预应力混凝土梁的桥墩，顶帽常做成托盘式以节约圬工。托盘式顶帽的形态除圆形墩采纳圆端形外，其它桥墩常采纳矩形顶帽。托盘的形态则按墩身形态而定。顶帽顶面要设置不小于3％的排水坡。3.2飞檐式顶帽3.3托盘式顶帽所以，在本设计中的桥墩顶帽和托盘采纳矩形截面四周抹圆角形式，顶帽上设排水坡，顶帽、托盘及墩身相互间不设飞檐。2.顶帽的尺寸拟定=1\*GB3①顶帽厚度本设计中初步拟定顶帽加支撑垫石厚度为1.15m=2\*GB3②顶帽的平面尺寸支座底板的尺寸及位置是确定顶帽平面尺寸的主要依据。由于本设计中所用钢筋混凝土梁为31.5m通专梁，其截面尺寸及细部构造见梁图。此外，确定顶帽的平面尺寸时，还要考虑架梁和养护时的移梁、顶梁的须要。顶帽的纵向宽度c应满意下式：（式3.1）式中—考虑梁及墩台的施工误差的梁缝，对钢筋混凝土和预应力混凝土简支梁跨度时，；时，。此时取；—支座中心至梁端的长度，由梁图取；—支座底板的纵向宽度，依据梁的资料取；—支座底板边缘至支撑点是边缘的距离，取，它是为了调整施工误差和防止支撑垫石表面劈裂或支座锚栓松动所需的距离；—支撑垫石边缘至顶帽边缘的距离，用以满意顶梁施工的须要。当跨度时，为0.15m；时，为0.25m；当时，为0.40。本设计中取。所以式3.1中c的取值为：=3300mm即取顶帽的纵向尺寸c=3300mm顶帽的横向宽度B可写成(3.2)—梁梗中心横向间距，由于本设计采纳的是标准设计的桥跨，依据箱梁横断面图，查得；—支座底板的横向宽度，本设计中采纳1000mm1000mm正方形支座，即取；—支撑垫石边缘至顶帽边缘的横向距离，为了养护和架梁作业的须要，按规定矩形顶帽的不应小于0.5m，所以，取。所以式3.2中B的取值为：即顶帽的横向尺寸3.托盘的尺寸的拟定由于顶帽的纵、横向尺寸较大，为使墩身尺寸不致因为此增大，因此，在顶帽下方设置托盘将纵、横向尺寸适当收缩。托盘顶面形态和桥墩、顶帽截面形态相像，均采纳矩形截面及四周抹圆角形式。由于托盘底面和墩身相接，其截面和墩身截面相同。为保证悬出部分的平安，«铁路桥涵设计基本规范»规定：托盘底面横向宽度不易小于支座下底板外缘的间距；托盘侧面和竖直线间的角不得大于；支撑垫石向边缘外侧0.5m处顶帽底缘点的竖向线和该底缘点同托盘底部边缘处的连线夹角不得大于。具体尺寸见图3.4图3.4托盘式顶帽尺寸的拟定4.桥墩尺寸拟定由梁底标高和地面标高，及以上对顶帽和托盘的计算分析，初步拟定桥墩尺寸：其纵向尺寸为2.0m，横向尺寸为6.0m的四周抹圆角形式的矩形截面。具体形态见下图3.5。图3.5桥墩纵、横向图4桥墩内力计算及桥墩截面检算4.1荷载计算由地质水文资料及墩顶标高可以计算出梁底到轨顶的高差，见下表4.1表4.1梁底到轨顶高差墩号324325326327高差（m）4.2094.2024.2064.210本设计采纳无碴桥面，31.5m钢筋混凝土通专梁，梁长32.6m，考虑梁及桥墩的施工误差设置的梁缝宽为0.1m，则梁全长为32.7m。由«铁路桥涵设计基本规范»查得：配筋率在3％以内的钢筋混凝土重度为。恒载=1\*GB3①有桥跨结构传来的恒载压力等跨梁的桥墩，桥跨结构传给桥墩的恒载压力为单孔梁重及左右孔梁跨跨中之间的二期恒载的重量，即：=2\*GB3②顶帽及墩身重纵横向收缩的矩形顶帽体积为：=79.65顶帽重：矩形墩身体积为：墩身重则墩底以上部分桥墩重：竖直静活载由«新建时速200～250㎞客运专线铁路设计暂行规定»:单线或双线的桥涵结构，应按每一条线路的ZK活载设计；设计加载时，或在图示可随意截取。对于本设计中各检算项目的最不利活载图示为单孔轻载、单孔重载、双孔轻载和双孔空车活载，现分别计算如下：200kN64 （a）单孔轻载64200kN（b）单孔重载64200kN200kN64（c）双孔重载10（d）双孔轻载单孔轻载，活载布置见图4.1（a）依据，可得支点反力（也是静活载给桥墩的压力）为对桥墩中心力矩为：=2\*GB3②单孔重载，活载布置见图4.1（b）依据，可得支点反力为对桥墩中心力矩为：=3\*GB3③双孔重载，活载布置见图4.1（c）对于等跨桥墩，参省最大压力的会在布置，可试算集中轴重载检算桥墩中线两侧时和的大小，并按和的大小关系来判定最不利荷载状况。有分析可知图中所表示的荷载状况为最不利时荷载状况，依据此布置图式利用静力平衡方程：即桥墩所受到的压力：活载压力对桥墩的中心力矩为：=4\*GB3④双孔空车活载，活载布置见图4.1（d）由«新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定»:用空车检算各部分构件是，其竖向活载应按每线每米10计算。桥墩所受压力对桥墩中心的力矩：制动力（或牵引力）=1\*GB3①单孔轻载和单孔重载的梁上竖向静活载相同，故其制动力（或牵引力）也相等。由«时速为200～250㎞的铁路客运专线设计暂行规定»：桥上列车制动力或牵引力应按列车竖向静活载的10％计算，而双线桥应采纳一线桥的制动力或牵引力。则其制动力（或牵引力）为：对墩身底部截面的力矩为：单孔轻载和单孔重载时制动力（或牵引力）对桥墩各检算截面的力矩见表4.2表4.2对桥墩各检算截面的力矩检算截面项目0-01-12-23-34-4z（m）1.654.858.8511.8512.85()245.76245.76245.76245.76245.76()405.501191.942174.982912.263158.02=2\*GB3②双孔重载的制动力左孔梁为固定支座传递的制动力：右孔梁为固定支座传递的制动力：传到桥墩上的制动力为：上式中的为单孔梁满载时经固定支座传递的制动力，它的数值在等跨梁时和单孔轻载或单孔重载时的制动力或牵应力相等。故双孔重载是采纳的制动力。双孔重载时制动力（或牵引力）对桥墩各检算截面的力矩和表4.2相同，在此就不再赘述。纵向风力本设计中采纳«铁路桥涵设计基本规范»要求的风压强度，有车时桥墩纵向风压为：（4.1）—基本风压值，由«铁路桥涵基本规范»中“全国基本风压分布图”查得，京津地区基本风压值为0.6；—风压体型系数，由«铁路桥涵设计基本规范»中“桥墩风载体型系数表”查得=1.3；—风压高度改变系数（见表4.3），按表4.3采纳，风压随离地面或常水位的高度而不同，除特殊高墩个别计算外，为简化计算，全桥均按轨顶高度处的风压值采纳。本设计中取1.0；—地形地理条件系数（见表4.4），按表2.4采纳。由以上分析，有车时桥墩纵向风压为：×80％=624表4.3风压高度改变系数离地面或常水位的高度（m）2030405060708090100表4.4地形地理条件系数地形、地理状况一般平坦空旷地区城市、林区盆地和有障碍物挡风时～山岭峡谷、垭口、风口区、湖面和水库～特殊风口区按实际调查或观测资料计算=1\*GB3①顶帽风力=0.624×7.1×1.15=5.09顶帽风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.5）。表4.5顶帽风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z（m）0.5753.7757.77510.77511.775()2.9319.2339.6154.8959.99=2\*GB3②托盘风力=0.624××（6.9+6.0）=12.885作用点至检算截面1-1的距离：=1.64m托盘风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.6）。表4.6托盘风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z（m）1.645.648.649.64()21.1372.65111.33124.19=3\*GB3③墩身风力1-1截面至2-2截面之间墩身风力：=0.624×4.0×6.0=14.98至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.7）。表4.7至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z（m）256()29.9674.8889.862-2截面至3-3截面之间墩身风力：=0.624×3.0×6.0=11.24至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.8）。表4.8至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z（m）1.52.5()16.8528.083-3截面至墩底截面之间墩身风力：=0.624×1.0×6.0=3.74至墩底截面的力矩：=3.74×0.5=1.87横向风力有车时桥墩横向风压：×80％=0.9×1.0×1.0×0.6×80％=0.43无车时桥墩横向风压：=0.9×1.0×1.0×0.6=0.54=1\*GB3①顶帽风力=0.43×3.3×1.15=1.63=0.54×3.3×1.15=2.05顶帽在有车和无车时所受风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.9）。表4.9顶帽在有车和无车时所受风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z0.5753.7757.77510.77511.775()0.936.1512.6717.5619.19()1.187.7415.9422.0924.14=2\*GB3②托盘风力=0.43××（3.1+2.0）=3.51=0.54××（3.1+2.0）=4.41托盘风力作用点至检算截面1-1的距离：=1.72m托盘在有车和无车时所受风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.10）。表4.10托盘在有车和无车时所受风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z1.725.728.729.72()6.0420.0830.6134.12()7.5925.2338.4642.87=3\*GB3③墩身风力1-1截面至2-2截面之间墩身风力：=0.43×2.0×4.0=3.44=0.54×2.0×4.0=4.32该段墩身风力作用点至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.11）表4.111-1截面至2-2截面墩身风力作用点至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z256()6.8817.220.64()8.6421.6025.92表4.122-2截面至3-3截面墩身风力作用点至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z256()6.8817.220.64()8.6421.6025.922-2截面至3-3截面之间墩身风力：=0.43×2.0×3.0=2.58=0.54×2.0×3.0=3.24该段墩身风力作用点至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.12）。3-3截面至墩底截面之间墩身风力：=0.43×2.0×1.0=0.86=0.54×2.0×1.0=1.08该段截面风力对墩底作用点所产生的力矩：=0.86×0.5=0.43=1.08×0.5=0.54=4\*GB3④列车横向风力列车的横向风压：=1.3×1.0×1.0×80％=0.624列车的横向风力：=0.624×3×32.7=61.21至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.13）。表4.13至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z（m）7.5110.7114.7117.7118.71()459.69655.56900.401084.031145.24=5\*GB3⑤梁上横向风力有车时梁上横向风压：×80％=1.3×1.0×1.0×0.6×80％=0.624无车时梁上横向风压：=1.3×1.0×1.0×0.6=0.78有车时梁上横向风力：=0.624×32.7×4.21=85.90无车时梁上横向风力：=0.78×32.7×4.21=107.38有车时和无车时梁上的横向风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩（见表4.14）。表4.14有车时和无车时梁上的横向风力至各检算截面的距离及对各检算截面的力矩检算截面内容0-01-12-23-34-4z2.6755.8759.87512.87513.875()229.78504.66848.261105.961191.86()287.24630.861060.381382.521489.90表4.15荷载汇总表（主力）荷载名称方向单位数值算到墩顶力矩()算到墩颈力矩()算到墩底力矩()力臂MxMy力臂MxMy力臂MxMy恒载桥跨重竖14.50850顶帽重竖673.61托盘重竖1317.64墩身重竖2400.00列车重单孔轻载竖1973.080.61183.850.61183.850.61183.85单孔重载竖2854.880.61712.930.61712.930.61712.93双孔重载竖4800.16000双孔空载竖654.00000合计单孔轻载竖20872.831183.851183.851183.85单孔重载竖21754.631712.931712.931712.93双孔重载竖23699.91000双孔空载竖19553.75000表4.16荷载汇总（附加力）荷载名称方向单位数值算到墩顶的力矩()算到墩颈的力矩()算到墩底的力矩()力臂MxMy力臂MxMy力臂MxMy横向风力有车列车单孔横30.616.71205.3911.06338.5419.06583.43列车双孔横61.216.71410.7211.06676.9819.061166.66轨顶至梁底横85.902.105180.826.445553.6314.4451240.83顶帽横1.633.7756.1511.77519.19托盘横3.511.726.049.7234.12墩身横6.88427.52合计单孔横128.53386.21904.361905.09双孔横159.13591.541242.82488.32无车轨顶至梁底横107.382.105226.036.445693.1414.4451551.10顶帽横2.053.7757.7411.77524.14托盘横4.411.727.599.7242.87墩身横8.64434.56合计横122.48226.03708.471652.27（接下页）荷载名称方向单位数值算到墩顶的力矩()算到墩颈的力矩()算到墩底的力矩()力臂MxMy力臂MxMy力臂MxMy纵向风力有车顶帽纵5.093.77519.2311.77559.99托盘纵12.891.6421.139.64206.97墩身纵29.954119.81合计纵47.9340.36386.77制动力牵引力单孔轻载纵245.760.5122.884.851191.9412.853158.02单孔重载纵245.760.5122.884.851191.9412.853158.02双孔重载纵245.760.5122.884.851191.9412.853158.024.18纵向弯矩增大系数项目荷载组合纵向（x）××单孔重+纵附21754.631835.810.0840.5732.071.1862559341.205单孔轻+纵附20872.831296.730.0620.5932.071.2282172871.238双孔重+纵附23699.91122.880.0050.6542.071.3542209251.273说明，由查出，，，是顺方向平截面边长表4.17墩身受压稳定性检算（顺桥向）活载状况单孔轻载单孔重载双孔重载力及力矩N（kN）M(kN·m)N（kN）M(kN·m)N（kN）M(kN·m)主力桥垮恒载14508.514508.514508.5活载压力1793.081183.852854.881712.934800.160墩顶合力16481.581183.8517363.381712.9319308.660墩顶初始偏心矩0.0720.0990由于墩身截面相同，即=1，查变截面影响系数表，m=墩身面积12计算长度2×（8+3.2+1.15）=24.7钢筋混凝土弹性模量3.2×0.580.560.662.07×1.201×1.159×1.366×216413294941221242主力32963.1634726.7638617.32主力1.1801.1331.211表4.191-1截面应力及合力偏心活载状况单孔轻载单孔重载双孔重载力及力矩N(kN)P(kN)M(kN·M)N(kN)P(kN)M(kN·M)N(kN)P(kN)M(kN·M)主力墩顶合力16481.581183.8517363.381712.9319308.660墩身自重1991.251991.251991.25附加力制动力或牵引力245.761191.94245.761191.94245.761191.94风力17.9840.3717.9840.3717.9840.37主附＋合计18472.83263.742416.1619354.63263.742945.2421299.91263.741232.312962.213563.741569.96检算截面合力184732642962193552643564213002641570合力偏心e=(m)0.1600.1840.074容许偏心[e]=0.6s()0.6检算截面面积()12截面反抗矩W（）41539161317757418913932280250421687987221382应力重分布系数1.591.631.44244726292556表4.202-2墩身截面应力及合力偏心活载状况单孔轻载单孔重载双孔重载力及力矩N(kN)P(kN)M(kN·M)N(kN)P(kN)M(kN·M)N(kN)P(kN)M(kN·M)主力墩顶合力16481.581183.8517363.381712.9319308.660墩身自重3191.253191.253191.25附加力制动力或牵引力245.762174.98245.762174.98245.762174.98风力32.96142.2532.96142.2532.96142.25主附＋合计19672.83278.723501.0820554.63278.724030.1622499.91278.722317.234288.824981.282977.64检算截面合力197632794289205552794981225002792978合力偏心e=(m)0.2180.2420.132容许偏心[e]=0.6s()0.6检算截面面积()12截面反抗矩W（）4163917131875107212457452711295826205674681130应力重分布系数1.711.761.53280330152869表4.213-3墩身截面应力及合力偏心活载状况单孔轻载单孔重载双孔重载力及力矩N(kN)P(kN)M(kN·M)N(kN)P(kN)M(kN·M)N(kN)P(kN)M(kN·M)主力墩顶合力16481.581183.8517363.381712.9319308.660墩身自重4091.254091.254091.25附加力制动力或牵引力245.762912.26245.762912.26245.762912.26风力44.20258.1344.20258.1344.20258.13主附＋合计20572.83289.964354.2421454.63289.964883.3223399.91289.963170.395390.555884.404035.91检算截面合力205732905391214552905884234002904036合力偏心e=(m)0.2620.2740.172容许偏心[e]=0.6s()0.6检算截面面积()12截面反抗矩W（）4171417881950134814711009306232592959366317941应力重分布系数1.811.841.62310232903159表4.224-4墩身截面应力及合力偏心活载状况单孔轻载单孔重载双孔重载力及力矩N(kN)P(kN)M(kN·M)N(kN)P(kN)M(kN·M)N(kN)P(kN)M(kN·M)主力墩顶合力16481.581183.8517363.381712.9319308.660墩身自重4391.254391.254391.25附加力制动力或牵引力245.763158.02245.763158.02245.763158.02风力47.94363.8647.94363.8647.94363.86主附＋合计20872.83293.74705.7321754.63293.75234.8123699.91293.73521.885825.696307.954483.35检算截面合力208732945826217552946308237002944483合力偏心e=(m)0.2790.2900.189容许偏心[e]=0.6s()0.6检算截面面积()12截面反抗矩W（）4173918181975145715771121319633903096282236854应力重分布系数1.851.881.643217340832394.2墩身截面检算要进行墩身截面检算，必需先进行荷载组合。依据各种荷载发生的几率不同，本设计中桥墩的墩身截面检算将用到以下组合方式计算：=1\*GB3①主力组合计算（见表4.15）；=2\*GB3②主力加附加力组合计算（见表4.16）；=3\*GB3③主力加特殊荷载组合计算，由于后面要进行结构抗震设计及检算，在此就不做计算。墩身截面特性墩身截面面积=2.0×6.0=12截面绕垂直弯矩作用面的性心洲的惯性矩：截面反抗矩：墩身受压稳定性检算桥墩受压稳定性检算的计算长度=2×（8+3.2+1.15）=24.7m，本设计的桥墩可能产生弯曲失稳（屈曲）的方向和弯矩作用平面的方向（顺桥向）一样，这种状况下也可干脆进行截面强度检算，不再另行检算在弯矩作用面内的屈曲。现就本设计中墩身受压稳定性的计算(见表4.17)及纵向弯矩增大系数的计算(见表4.18)列表如下，表4.17的计算结果表明：墩身受压稳定为双孔重载加桥跨恒载的主力组合限制，平安储备较大，所以不限制桥墩的截面设计。墩身各截面的纵向检算墩身截面纵向的应力和偏心一般在主力组合时不限制，故下面考虑主力加纵向附加力对墩身截面分别进行检算，见表4.19、表4.20、表4.21、表4.22：4.3墩身截面横向检算从纵向检算可知截面强度满意要求，该桥墩又在直线上，无横向离心力，且有较大，横向检算截面强度会更加富余，故下面仅做墩底截面的主力加横向附加力的横向检算。主力加横向附加力时简化到墩底截面的合力及横向弯矩增大系数计算见表4.23。表4.23主力加横向附加力时简化到墩底截面的合力及横向弯矩增大系数计算表项目荷载组合横向（y）××单孔轻+横附20872.83386.210.0190.6521.861.1742581941.193单孔重+横附21754.63591.540.0270.6491.860.8132556971.205双孔重+横附23699.91591.540.0250.6501.861.2092583581.225说明，由查出，，，是顺方向平截面边长6m从表4.23中可知墩顶竖向力的初始偏心，则+0.16=0.66故==258442==1.225=0.031m横向容许偏心=0.6×=1.8m所以，横向容许偏心满意要求。4.4小结本设计中桥墩是按«铁路桥涵设计基本规范»拟定的，通过检算表明：=1\*GB3①桥墩纵向偏心满意要求，墩身强度及受压稳定也满意要求；=2\*GB3②桥墩横向几乎没有偏心作用；因较大，强度也满意要求，故对本设计中的直线桥墩可不做横向检算。=3\*GB3③直线桥各检算项目的最不利荷载组合状况：墩身受压稳定性常由双孔重载主力组合限制；墩身纵向偏心常由单孔轻载主力加纵向附加力限制；墩身应力常由单孔重载或双孔重载主力加纵向附加力限制。5桩基础设计5.1桩基础的尺寸拟定由于沿线工程地质条件差，而无碴轨道要求桥梁墩台基础的工后沉降量，墩台匀称沉降不超过20mm，相邻墩台间允许沉降差5mm，因此桥梁基础设计均采纳钻孔灌注摩擦桩，并对桩径进行大量的经济技术比选，钻孔桩一般采纳1.0m或1.25m的桩径。大跨度桥梁须要时采纳1.5m～2.0m桩径。软土地基设计桩基础要考虑负摩阻力的影响。所以，本设计中采纳低承台钻孔灌注摩擦桩，桩径为1.0m。本设计中承台采纳双阶梯形厚板式独立承台。具体尺寸见图5.1图5.1双阶梯形厚板式独立承台图5.2梅花形布桩承台下布桩的最基本要求是使桩群中各桩的桩顶荷载和桩顶沉降尽可能匀称。因此，平面上桩群重心最好和承台底面以上荷载合力作用点重合或接近。当上部荷载有不同组合时，上述合力作用点将发生改变，此时宜使桩群重心位于合力作用点的改变范围内，并尽量接近最不利组合的合力作用点。因此，本设计中承台底面采纳梅花式布桩。初步拟定采纳10根1.0m梅花式分布的桩基础，桩长50m。设计方案见图5.2。5.2桩基检算该桥墩由主力加附加力双孔活载限制桩基设计，作用于承台底面的竖向力N，水平力H和力矩M如下：=28076H=245.76+47.94=293.7=294风力作用点到墩底的力臂：=3.34m则M=245.76×（8.0+3.2+1.15+0.5+3.0）+47.94×（6.34+3.0）=4343设计是所用到的桩侧土的土层厚度z，各层土的容重、极限摩阻力和横向地基系数的比例系数m见表5.1。表5.1设计是所用到的桩侧土的土层厚度z、各层土的容重、极限摩阻力和横向地基系数的比例系数m土层内容1234567891011z（m）4.01.52.516.53.02.52.5102.545.5（）1.451.661.581.451.581.451.581.451.481.461.48（）5560404045425052505045m（）1000020000150001000015000100001500010000100001000010000桩基采纳混凝土，其受压弹性模量=3.2×。桩的计算宽度桩的计算宽度公式：—受力条件系数；见表5.2—形态系数；见表5.2—相互影响系数；—桩径。表5.2受力条件系数和形态系数表截面形态系数方形圆形圆端形1+1/d(1.5d+0.5)/d(d+1)/d(1.5D+0.5)/d(D+1)/d1.00.90.91-0.1d/D1-0.1d/D水平力作用方向上相邻两桩的净距：m系数和相邻两桩的净距和考虑相互影响时的计算入土深度有关。一般取，其中d以m计。当，可以不考虑桩间的相互影响，采纳=1.0；如，则按下式计算：（式5.2）式中为常数，依据同一排内桩的根数按下述确定：时，=1.0；时，=0.6；时，=0.5；时，=0.45。考虑相互影响时的计算入土深度：m因1.90.6=3.6m，故按（式5.2）计算：=0.45+=0.74查表5.2，则=(d+1)/d；=0.9。将、、代入（式5.1）：=×0.9×0.74×d=0.9×0.74×（1.0+1）=1.33m桩数的估算按估算桩数，故先要算单桩轴向受压容许承载力。钻孔灌注摩擦桩的单桩轴向受压容许承载力的计算公式如下：（式5.3）式5.3中—钻孔灌注桩桩底支承力折减系数，查表5.3，结合本设计中地形取=0.4；—桩身周长；—桩侧各土层的极限摩阻力；—桩侧各土层厚度；—桩底面积。表5.3钻孔灌注桩桩底支承力折减系数土质及清底状况土质较好，不易坍塌，清底良好0.9～0.70.7～0.50.5～0.4土质较差，易坍塌，清底稍差0.7～0.50.5～0.40.4～0.3土质差，难以清底0.5～0.40.4～0.30.3～0.1—桩底地基土的容许承载力，依据入土深度按下述确定：当时，当时，当时，（式5.4）—地基的基本承载力，按«铁路桥涵地基和基础设计规范»表-2～4.1.2-9采纳，查得为240；、—的深度修正系数，按«铁路桥涵地基和基础设计规范»表采纳，查得=1.5，=/2=0.75；—桩侧土的自然容重，当有不同土层时，采纳各土层容重的加权平均值。所以将、、、代入（式5.4）=240+1.5×14.82×（4×1.0-3）+6××14.82×1.0=329计算=2285，则（式5.3）=×3.14×1.0×2285+0.4×3.14××329=4003则所需桩数=1.3×=9.12取10根桩=1.8×=12.6取13根桩所以本设计中的设计桩数在10～13根比较合适，说明初步拟定的桩数合适。5.2桩顶内力计算变形系数的计算当基础侧面为多中不同土层时，应将地面或局部冲刷线以下计算深度（以m计）内的各层土，按下面公式5.5（式5.5）换算成一个m值，作为基础整个深度h内的m值。当基础位于地面以下深度时，采纳=2（d+1）（以m计），d为构件的平均直径，对于钻孔桩，d为成孔直径；时，实行。为地基变形系数，其计算式如下：（式5.6）地基系数的比例系数的m确定:假定，=2（d+1）=4m，由初拟尺寸土层可以看出承台底面以上4m深度内存在两层不同土层，由（式5.5）==15703=0.8×3.2××=1.26×所以（式5.6）==0.44则所以假定成立。计算承台板沿构件轴线方向产生单位位移时所引起构件顶面处的轴向力由«铁路桥涵地基和基础设计规范»的计算见公式5.7（式5.7）—当承台板沿构件轴线方向产生单位位移时所引起构件顶面处的轴向力；—对于摩擦桩（或摩擦支撑管柱）：打入或振动下沉者，=；钻孔桩，=；柱桩（或钻岩支承管柱），=1.0；、—每一构件的受压弹性模量和横截面面积，分别以和计；—基底土的竖向地基系数，；—对于摩擦桩（或摩擦支撑管柱）为每一构件四周自地面或局部冲刷线按（为构件所穿过土层的平均内摩擦角）向下扩散至构件底面处的面积。当此时面积大于按构件底面中心距计算的面积时，则采纳按构件底面中心距计算的面积；对于柱桩（或钻岩支承管柱）则为桩底（或管柱底）的面积，均以计。由（式5.7）计算，其中=，=3.2××=2.51×==2.5×=15703×50=785150当桩侧有不同土层时，有效长度内的摩擦角等于各层土的摩擦角的加权平均值。有效长度内的各层土的摩擦：中砂；细砂。所以，有效长度内的摩擦角为：=所以的直径：=d+2tan()=1.0+2×50×tan()=10m2.65m（两相邻桩中心距）故==5.52于是==2.3×将以上所求代入（式5.7）则=3.66×、、的计算由«铁路桥涵地基和基础设计规范»、、的计算见公式5.8=（式5.8a）=（式5.8b）=（式5.8c）—当承台板沿垂直构件轴线方向产生单位横向位移时所引起构件顶面处的横向力（）；—当承台板沿垂直构件轴线方向产生单位横向位移时所引起构件顶面处的弯矩（）；或当承台板顺构件顶面弯矩方向产生单位转角时，所引起构件顶面处的横向力（）；—当承台板沿垂直构件弯矩方向产生单位转角时所引起构件顶面处的弯矩（）由于则由中国铁道出版社出版，李克钏主编的«基础工程»其次版表5-9查得=1.064，=0.985，=1.484所以=========5.3当承台板底面位于地面或局部冲刷线时的计算图示计算承台位移b、a和由«铁路桥涵地基和基础设计规范»—16）见图5.3，当承台板底面位于地面或局部冲刷线以下时，需考虑桩侧土的横向位移，则按下面公式计算各反力和反力矩：==n（式5.9）—由于承台板产生单位竖向位移时，全部构件顶产生的竖向反力之和，以计；、—由于承台板产生单位水平位移时，全部构件顶产生的水平力之和及对坐标原点的反弯矩之和，以、计；、—由于承台板绕坐标原点产生单位转角时，全部构件顶产生的水平反力之和及对坐标原点的反弯矩之和，以、。（式5.9）中所以，由（式5.9）==n由«铁路桥涵地基和基础设计规范»—14）：承台板竖向位移：（式5.10）承台板水平位移：（式5.11）承台板绕坐标原点的转角：（式5.12）由（式5.10）m由（式5.11）m由（式5.12）计算桩顶内力依据«铁路桥涵地基和基础设计规范»—17）：（式5.13）将x=2.25代入（式5.13）：此外验算单桩轴向容许承载力依据«铁路桥涵地基和基础设计规范»单桩轴向受压容许承载力检算公式：（式5.14）桩身重：和桩入土部分同体积的土重：代入（式5.14）检算单桩轴向受压容许承载力：所以，单桩轴向受压容许承载力满意要求。基底压应力检算依据«铁路桥涵地基和基础设计规范»附录E“桥梁桩基当作实体基础的检算”，将桩基视为图5.4中1、2、3、4范围内的实体基础可按（式5.15）检算：图5.4桥梁桩基当作实体基础的检算（式5.15）式中—作用于桩基底面的竖向力（），其中包括土体1、2、3、4和桩的恒载；—外力对承台底面处桩基重心的力矩（）；和—桩基底面的面积（）和截面反抗矩（）；—桩底处地基容许承载力（）。桩底截面尺寸：mm所以桩重：土重：作用于承台底的竖向力：外力对承台底面处桩基重心的力矩：=4343将以上所求数据代入（式5.15）因m2m，基础埋深h=54m3m，且h/b=3.564，故可依据«铁路桥涵地基和基础设计规范»（条）条规定求。当基础的宽度b大于2m时或基础底面的埋置深度h大于3m，且h/b4时，地基容许承载力可按下式计算：（式5.16）式中—地基的容许承载力（以计）；—地基的基本承载力240；—基础的短边宽度（以m计）；—基础底面的埋置深度（以m计）；、—宽度、深度修正系数，按持力层土确定，查«铁路桥涵地基和基础设计规范»表，=0，=1.5；—基底以下持力层土的自然容重（以计），=14.8；—基底以上土的自然容重的平均值（以计），=15。将以上数据代入（式5.16）=13875则所以地基承载力满意要求。桩身内力及桩侧土横向压应力的计算依据中国铁道出版社出版，李可钏主编的«基础工程»其次版中的简捷算法计算桩身内力。作用于地面处的横向力：=1\*GB3①随意深度处桩身截面弯矩计算公式：（式5.17）代入数据：=2\*GB3②随意深度处桩侧土的横向压应力计算公式：（式5.18）代入数据：（式5.17）和（式5.18）中系数、、、可由李可钏主编的«基础工程»其次版中依据值从表5-6查得。现将、计算列表如下，见表5.4和表5.5，及图5.5和图5.6表5.4计算表ayyAB52A6BMy0.000.000.001.000.006.006.000.200.450.1970.99810.245.9916.2320.400.910.3770.98619.605.9225.5200.601.360.5290.95927.515.7533.2620.801.820.6460.91333.595.4839.0701.002.270.7230.85137.605.1142.7021.202.730.7620.77439.624.6444.2681.403.180.7650.68739.784.1243.9021.603.640.7370.59438.323.5641.8881.804.090.6850.49935.622.9938.6142.004.550.6140.40731.932.4434.3702.205.000.5320.32027.661.9229.5842.405.450.4430.24323.041.4624.4942.605.910.3550.17518.461.0519.5102.806.360.2700.12014.040.7214.7603.006.820.1930.07610.040.4610.4923.507.950.0510.0142.650.082.7364.009.090.000.000.000.000.00图5.5桩身弯矩分布图表5.5计算表ay5.70.90.00.000.000.000.000.000.20.4240.2582.420.232.650.40.7210.4004.110.364.470.60.9020.4505.140.415.550.80.9790.4305.580.395.971.00.9700.3615.530.325.851.20.8950.2635.100.245.341.40.7720.1514.400.144.541.60.6210.0393.540.043.571.80.457-0.0642.60-0.062.552.00.294-0.1511.68-0.141.542.20.142-0.2190.81-0.200.612.40.008-0.2560.05-0.23-0.182.6-0.104-0.290-0.59-0.26-0.852.8-0.193-0.295-1.10-0.27-1.373.0-0.262-0.284-1.49-0.26-1.753.5-0.367-0.199-2.09-0.18-2.274.0-0.432-0.059-2.46-0.05-2.52图5.6桩侧土横向压力分布图桩身正截面承载力检算利用容许应力法检算桩身正截面容许承载力，见算公式如下：（式5.19）由前计算N=，M取最大值，由表5.4查得，桩身截面面积，桩身截面反抗矩。将以上数据代入（式5.19）：所以，桩身正截面承载力检算合适。5.3基础配筋状况由于桩基础检算均符合要求，所以只需按构造配筋即可。依据«铁路桥涵地基和基础设计规范»6.3采纳，钻孔灌注桩可按桩身内力要求分段配筋。主筋采纳光面钢筋，主筋直径选用1025mm，沿桩身截面中心直径0.65m匀称分布。并采纳8mm箍筋，间距为0.2m，在顺钢筋笼方向上每隔2.5m加一道直径为16mm的加强箍筋，以增大钢筋笼的刚度。见桩身钢筋布置图。因为承台的构造满意要求，所以仅按构造配筋即可。本设计采纳桩基础干脆埋入承台内的形式，桩基础深化长度为100mm，主筋深化承台内的长度为1.2m，并且上端弯起，弯起角度为。并在每根桩的顶面上铺设一层直径为12mm的钢筋网，钢筋网的每边长度都不小于2.5m,网孔采纳150mm×150mm。6地震力计算6.1概述工程结构抗震设防目标是要求建筑物在试用期间，对于不同频率和强度的地震应具有不同的抗震实力。基于这一抗震设计准则，新编«铁路工程抗震设计规范»（以下简称«新震规»）提出了三水准抗震设防要求，分别对应于多遇地震、设计地震和罕遇地震。即当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不损坏或不需修理仍可接着运用；当遭受低于本地区设防烈度的设计地震影响时，建筑物可能损坏，经过一般修理仍可接着运用；当遭受低于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，建筑物不倒塌，或不发生危机生命的严峻破坏。«建筑抗震规范»采纳的两阶段设计用于实现三水准要求的理念，也可应用铁路桥梁抗震设计中。第一阶段设计是多遇地震下的承载力验算和弹性变形计算。取第一水准地振动参数，用弹性设计方法计算结构弹性地震作用和弹性变形，保证必要的强度、限制侧向变形，满意第一水准“不坏”和其次水准“可修”的要求；在通过合理的结构布置和必要的抗震措施，增加结构耗能和变形实力，满意第三水准“不倒”的要求。其次阶段设计是罕遇地震下弹塑性变形验算。对于特殊重要的结构或抗震实力较弱的结构，还要取第三水准的地振动参数进行薄弱部位弹塑性变形验算。梁桥下部结构和上部结构是通过支座相互连接的。当梁桥墩台受到侧向里作用时，假如支座摩阻力未被克服，则上部桥垮结构通过支座对墩台顶部供应肯定的约束作用。由以前震害表明，在剧烈地震作用下，支座均有不同程度的破坏，桥垮、梁也有较大的纵横向位移，墩台上部结构约束并不明显。就是实体桥墩而言，在计算地震作用时，可将桥梁墩身沿高度分成若干区段，把每一区段质量集中于相应重心处作为一个质点。从计算角度上讲，集中质量各数愈多，计算精度就愈高，但计算工作量就愈大，一般认为桥墩高度在50～60m以下时，墩身划分为4～8个质点较为合适。对上部结构的梁和桥面及附属结构物，可作为一个集中质量，其作用位置顺桥向取支座中心处，横桥向取上部结构重心处。桥面集中质量中不考虑车辆荷载，由于车辆的滚动作用，在纵向不产生地震力，在横向最大地震惯性力也不超过车辆和桥面之间的摩阻力，一般可以忽视。所以，本设计针对的客运专线一般桥梁进行下部结构抗震设计，主要是对桥墩和桩基进行抗震检算和比较简化算法和Midas建模计算。6.2依据简化模型计算法计算地震参数（a）岩石地基（b）非岩石地基（明挖，沉井，桩基）（c）各墩形截面图6.1桥墩地震作用计算图式b2、c2、d2—各种墩形的墩底尺寸（m）；b1、c1、d1—各种