桥梁工程重力式桥墩课程设计总结

第一章工程设计概况一、 线路、水文、地质情况线路为I级铁路，单线，直线，平坡。基地地质粘土，液性指数0.13，孔隙比0.69基本承载力400kPa,土的容重19.5kN/m3o水文、气象：无流水、无冰冻。二、 设计活载及建筑材料概述设计活载为中—活载，且乘以荷载系数1.3。图1—1中—活载图示墩帽采用标号C30，钢筋混凝土，托盘及缩颈以下40cm墩身采用C30号混凝土，墩身及基础采用C20号混凝土。三、 桥梁跨度、样式、尺寸说明跨度24m单线铁路先张法预应力混凝土简支梁。梁全长24.6m,梁缝0.1m，梁高2.1m,支座铰中心至支撑垫石顶面为0.325m，轨底至梁底2.6m，轨底至支撑垫石顶高度3.0m,垫石高度为0.2m，支座底板尺寸为0.5mx0.5m，支座全高0.4m，每孔梁重1568kN。桥上设双侧人行道及栏杆。四、 桥墩形式及尺寸顶帽及托盘尺寸见附图一。墩身及基础尺寸见附图二。各部分尺寸确定依据及最终取值如下：（1） 墩帽厚度墩帽直接支撑桥跨结构承受较大的支座反力，为了把支座反力均匀地传递给墩身，铁路规范规定，墩帽的厚度不小于40cm，并应采用不低于C30的混凝土，一般要设置钢筋。依据以上规范规定，设置墩帽厚度为40cm，采用C30混凝土，并设置钢筋。（2） 墩帽平面尺寸°L当相邻跨度相等时，相邻支座间的顺桥方向中心距离为f二2e+e0-aa—梁支座底板纵向尺寸e—梁端至支座中心线的距离（e=0.3m）e—为相邻两梁之间应留的缝隙（e二0.1m）00支座底板尺寸给定0.5mx0.5m，经过验算：a二0.5m<2e+e二0.7m0满足规范要求。Q为了提高局部承压力，并考虑施工误差及预留锚栓孔的要求，支撑垫石边缘至支座底板边缘应保持一定的距离b,其值为15〜20cm。依据以上规范规定，取b=20cm。Q支撑垫石边缘至顶帽边缘的距离c,为了满足架梁时或养护时安放移梁及顶梁设备的需要，应符合以下规定：顺桥方向（纵向）：跨度L<8m时，c不应小于15cm；8m<L<20m时，c不应小于25cm；L>20cm时，c不应小于40cm。横桥方向（横向）：当顶帽为圆弧形时，支撑垫石角至顶帽最近边缘的最小距离与顺桥方向相同。当顶帽为矩形时，支撑垫石角至顶帽边缘的最小距离为50cm。这样等跨度直线桥顶帽纵向尺寸为：A—f+a+2b+2c考虑到一般架桥机架设分片式梁时，每片梁不能直接落在设计位置，需在墩顶上作横向移动，为了给出一定的工作位置，确保操作安全，铁路规范规定，顶帽横向宽度B还应满足下列要求：当跨度L<8m时，B>4m;8m<L<20m时，B>5m;L>20m时，B>6m。依据以上规范规定，取c=80cm，取B=8m。A—f+a+2b+2c—70+50+2x20+2x80—320cm（3）托盘尺寸为了保证悬出部分的安全，根据设计经验，试验资料和构造要求，规定墩帽下四周设10〜20cm宽的飞檐，托盘底面横向宽度B不宜小于支座底板外缘的距离b；托盘侧面与竖直线间的夹角0<45°；支撑垫石横向边缘外侧50cm处的顶帽底缘点竖直线与该底缘点至托盘底部边缘处的连线的夹角a<30°，如图1—2所示。

（4）墩身尺寸铁路桥墩的侧坡不应小于20:1，更多情况下采用30:1~40:1。设计中桥墩的纵向、横向倾斜度均采用35:1。（5）明挖基础尺寸明挖基础可采用单层式或多层式，每一层的厚度不宜小于1.0m。双向受力矩形墩台的明挖基础，其最上一层基础台阶两正交方向的破线与竖直线所成的夹角，对于混凝土基础不应大于35°；其下各层台阶正交方向的夹角不应大于45°如图1—3所示图1—3桥墩托盘尺寸（单位cm）

第二章荷载计算一、 主力垂直荷载1、梁及桥面重(按木枕桥面计)N二1568+38x24.7二2506.6kN12、桥墩圬工重顶帽C30号钢筋混凝土N二8.0x3.2x0.6x25二384kN2托盘C30号混凝土N3=(4.3+7.6)x2xIx2.8x23=766.36kNV=Jh0V=Jh0I」2h)( 2h)1B+——Io35JIo35丿(3)墩身圬工重圬工体积dh=dBh+(伫+o)h2+ h3oo3535 352x3当d=2.8,B=4.3时00N=23V，计算结果见表2—14表2—1h(m)V(m3)N(kN)4565.411504.3710141.773260.8115229.925288.0820330.657604.9622.2379.178720.97（二） 垂直荷载1、单孔轻载（图2—1）r卜z-5.2.-.八35..35J■ N31卩五图2—1单孔轻载（单位m）_1430x2.65+17.2xll9.6xl5.75_R 1 24-1507.88kNM-1507.88x0.35-527.758kN-mR12、单孔重载（图2—2）图2—图2—2单孔重载（单位m）U.2 』7.5■■iii1n 24»_1430x21.35+17.2x119.6x8.25_R— 2 24-1979.24kNM-1979.24x0.35-692.734kN-mR23、双孔重载（图2—4）由结构力学原理可知，如果相邻两孔梁的跨度分别为L和L，两孔梁上静活12载分别为G和G，则当竹-G时，简算墩的支座反力之和为最大，因为是等跨1 2 LL12梁，所以公式简化成G-G，计算x值：■■ ■J5(?1*■124 .1♦j24 、*图2—3x计算简图（单位m）G二G12104x(11.9—x)+119.6x[24.7—(11.9—x)]=1430+119.6x[24.7-x-7.5〕nx=5.32m由此可以得出双孔重载图示：5二,H1S j卜1砒-.f■…*L 1-'J■ 1EJr图2—4双孔重载(单位m)R=R'+R''3331430x7.97+11.88x119.6x18.41104x6.58x2.94+119.6x18.12x15.29=+24 24=3029.27kNM=(R'—R'')x0.35R3 33=(1564.79—1464.49)x0.35=35.105kN-m4、双孔空载（图2—5）屮 =-^-L iI* it-t '1L.■/肚 、0壬、g：、「 Lb*图2—5双孔空载（单位m）R=R'+R''44424.7xl3xl2宀= x224=321.1kNMR4 0二、 附加力（一）顺桥方向水平力1、制动力（牵引力与制动力大小相等，方向相反）（1） 单孔轻载和单孔重载P二（1430+17.2X119.6）x0.10二348.712kNz对墩身任意截面的力矩：“乙=348.712x（0.325+2.6+h）=1020+348.712h见表2—2表2—2h(m)510152022.2M(kN-m)Z2763.564507.126250.687994.248761.41(2)双孔重载P=(1430+11.88x119.6)x0.10Z1=285<348.712kNP=(18.12x119.6+6.58x104)x0.10Z2=285<348.712kN

因为均小于一孔梁跨的固定支座的水平力，故仍采用单孔梁跨制动力。2、风力风压强度按W二l.lkN/m2计算。（1）顶帽及托盘风力（纵向）P=（8x0.6+7.6+4.3x2）x1.10W1 2=（4.8+11.9）xl.10=18.37kNM=PW1x1.10+PxhW14.8x(0.3+2)M=PW1x1.10+PxhW13 7.6+4.3=26.444+18.37xh见表2—3表2—3h(m)510152022.2M(kN-m)PW[118.294210.144301.994393.844434.258（2）墩身风力（计算结果见表2—4）b二4.3m2hB二b+ -nn二35风压强度按W二1.1kN/m2计算。受风面积A受风面积A二xh=(b+h/n)xh风力=A风力=AAW2b+B

b+Bh3b+2h/n——x32b+2h/n力矩（对计算截面）M力矩（对计算截面）MPW2—Pxc— x(3b+2h/n)xWW2 6力矩(对基顶截面)M=Px(c+22.2-h)PW2 W2h2=x(3b+2h/n)xW+Px(22.2-h)6 W2h2=x(3b+2h/n)xW+(b+h/n)xhxWx(22.2-h)6表2—4h(m)510152022.2PW(kN)24.4450.4478.02107.17120.5M（kN-m）PW2（对计算截面）60.43246.98567.481029.811280.19M（kN-m）（对基顶截面）480.72862.381129.231265.591280.19（二）横桥方向水平力1、梁及列车风力钢轨高度采用h=0.16m0轨底至梁底h=2.6m2轨底至支撑垫石顶h=3m3轨顶至梁底高度c=2.6+0.16=2.76m1列车风力力臂c=3+2.16=5.16m梁上受风面积F=2.76x24.7=68.172m21一孔列车受风面积F=3x24.7/2=37.05m23(1)桥上无车E二1.1x68.172二74.99kN0cM=Ex(h+0.16--+)0032=74.99x1.78=133.48kN-m桥上有车单孔活载E=1.1x(68.172+37.05)=115.74kN1M=1.1x(68.172x1.78+37.05x5.16)1=343.78kN-m桥上有车双孔活载E=1.1x(68.172+74.1)=156.5kN2M=1.1x(68.172x1.78+74.1x5.16)2=554.07kN-m以上力矩为对支撑垫石顶面力矩，对墩身截面再增加：AM=Ex(2.6+h),计算结果见表2—5表2—565桥上无车EO9999999999O一单孔活载一2T111只孑XIXL52r2555$55$55$55$52

2、顶帽及托盘风力(表2—6)P二(3.2x0.6+2.8x2)x1.1W3二(1.92+5.6)xl.l二8.272kNM二(1.92x2.3+5.6x1)x1.1+8.272h二11.02+8.272h表2—6h(m)510152022.2M(kN-m)P352.3893.74135.1176.46194.663、墩身风力(表2—7)b二2.8m2hB二b+ -nn二35风压强度按W二1.1kN/m2计算。受风面积A受风面积A二xh=(b+h/n)xh2b+B

b2b+B

b+Bh3b+2h/n——x32b+2h/n力臂c二x3力矩(对计算截面)M—Pxc— x(3b+2h/n)xWTOC\o"1-5"\h\zPW4 W4 6力矩(对基顶截面)M—Px(c+22.2-h)PW4 W4h2—x(3b+2h/n)xW+Px(22.2-h)6 W4h2—x(3b+2h/n)xW+(b+h/n)xhxWx(22.2—h)6

表2—7h(m)510152022.2PW(kN)W416.1933.9453.2774.1783.87M（kN-m）pW4（对计算截面）39.81164.48381.86699.81873.59M（kN-m）PW4（对基顶截面）318.2578.58765.41862.98873.593、列车横向摇摆力（表2—8）P二130kNYBM=130x5.16+130x(2.6+h)PYBh(m)510152022.2M(kN-m)PYB2360.84050.85740.87430.88174.4

第三章墩身计算图3—1矩形截面计算图示(单位m)计算公式：截面面积A二Bd(m2)截面惯性矩I= (m4) I= (m4)x12y12截面抵抗矩W=竺(m3) W=dB2(m3)x6y6各截面计算结果如表3—1表3—1h(m)B(m)d(m)A(m2)I(m4)xW(m3)xI(m4)yW(m3)y54.593.0914.183111.28517.304324.900910.8501104.873.3716.411915.53249.218032.436613.3210155.163.6618.885621.082011.520241.903416.2416205.443.9421.433627.727214.074752.858119.433122.25.574.0722.669931.293715.377758.610921.0452

一、截面偏心检算(一)纵向偏心检算截面偏心应按各种荷载最不利组合，对墩身各截面进行检算，一般系单孔轻载(主加附)控制纵向偏心，按单孔轻载时列出截面计算结果如表3—2。单孔轻载(主+附)纵向偏心检算 表3—2截面位置h(m)510152022.2恒载N+N+N+N(kN)12 3 45161.336917.778945.0411261.9212377.93活载R(kN)11507.881507.881507.881507.881507.88垂直力合计工N(kN)6669.218425.6510452.9212769.813885.81制动力P(kN)Z348.712348.712348.712348.712348.712风力P+P(kN)W1 W242.8168.8196.39125.54138.87水平力合计工P(kN)391.522417.522445.102474.252487.582垂直力力矩M(kN-m)Ri527.758527.758527.758527.758527.758水平力力矩M+M+M(kN-m)Z Pwi PW22942.2844964.2447120.1549417.89410475.86力矩合计工M(kN-m)3470.0425492.0027647.9129945.65211003.62偏心e二工M/工N0.5200.6520.7320.7790.792容许偏心[e]=0.6S=0.3d0.9271.0111.0981.1821.221

（二）横向偏心检算1、桥上无车，墩身横向偏心检算（表3—3）表3—3截面位置h（m）510152022.2工N=N+N+N+N(kN)12 3 45161.336917.778945.0411261.9212377.93工P=E+P+P(kN)0 W3W499.452117.202136.532157.432167.132工M=M+M+M(kN-m)0 血 PW4795.5941336.5741970.2642704.5243061.482e二工M/工N0.1540.1930.2200.2400.247[e]=0.3xB1.3771.4611.5481.6321.6712、双孔空载，墩身横向偏心检算（表3—4）表3—4截面位置h（m）510152022.2工N=N+N+N+N+R(kN)1 2 3 4 45482.437238.879266.1411583.0212699.03工P=E+P+P(kN)2 W3W4180.962198.712218.042238.942248.642工M=M+M+M(kN-m)2 PW3 血1835.662784.193825.434967.245503.52e二工M/工N0.3350.3850.4130.4290.433[e]=0.3xB1.3771.4611.5481.6321.6713、双孔空载列车横向摇摆力，墩身横向偏心检算（表3—5）表3—5截面位置h（m）510152022.2工N=N+N+N+N+R(kN)1 2 3 4 45482.437238.879266.1411583.0212699.03工P=P(kN)YB130130130130130工M=M(kN-m)Pb2360.84050.85740.87430.88174.4e二工M/工N0.4310.5600.6200.6420.644[e]=0.3xB1.3771.4611.5481.6321.671二、稳定性和强度检算（一）整体纵向稳定性验算E二28GPa0■0x=_78661二0.25■0x31.2937dx查表内插计算变截面影响系数m=1.61R二3600kPaA=17.35a0l二49.6ml/2二24m800计算临界荷载N，计算结果见表3—6cr表3—6项目单孔重载双孔重载N12506.62506.6R或R2 31979.243029.27墩顶垂直力N二N+R14485.845535.87墩顶水平力PZ348.712348.712支点反力力矩MR692.73435.105制动力或牵引力力矩M二Px0.325Z Z113.33113.33墩顶外力力矩M二M+MR Z806.064148.435eM/N0—h3.4350.0520.0078刚度修正系数«沁 0.1 +0.160.2+e/h00.5570.6414amEI0dx/2012775931470265

临界荷载4mEI 1 、N—(X 0—dx( )cr l2 4 4mEI 10 1+X 0-dx・ l2 1.1RA0 a06520065639主力+附加力时安全系数K—1.67177<652008857<656391.1RA-NB— a_0 cryy1.1RA-KNa00.0570.051（二）强度检算1、计算弯矩增大系数耳，计算结果见表3—7y表3—7项目单孔重载双孔重载KNN(主+附K—1.6)Ncry0.110.135耳—1+-y十-1' cry 丿l/20u'u'—7.61.00191.0021u'—12.61.00321.0035u'—17.61.00451.0050u'—22.61.00571.0063u'—24.81.00631.0069

2、墩身强度检算（1）单孔重载（主+附）（表3—8）表3—9表表3—9h510152022.2N+G=N+R+N+N+N1 2 2 3 47140.578897.0110924.2813241.1614357.17M=M+M+M+MX R2 Z Pwi PW23635.0185656.9787812.88810110.6311168.59y1.00191.00321.00451.00571.0063N+GnMg二 + —(kPa)maX] A Wx1002.0561157.7591259.6871340.2251364.175N+GnMg二 一—x(kPa)皿叫 A Wx4.85615-73.5448-102.797-104.674-97.5462h510152022.2N+G=N+R+N+N+N1 3 2 3 48190.69947.0411974.3114291.1915407.2M=M+M+M+MX R4 Z 仏 PW22977.3894999.3497155.2599452.99910510.96ny1.00211.00351.0051.00631.0069N+GnMg二 + —x(kPa)max2 A Wx985.96751150.3321258.2551342.6281367.868N+GnMg二 一——x(kPa)min2 A Wx169.012761.842459.83348-9.09613-8.603462）双孔重载（主+附）（表3—9）

（3）计算最大压应力从以上计算结果可以看出，墩身单孔重载较双孔重载应力大，因为截面出现拉应力故按单孔重载作应力重分布计算，计算结果见表3—10表3—10h510152022.2d3.093.373.663.944.07A14.183116.411918.885621.433622.6699耳-Me= xyN+G0.51000.63790.71840.76790.7828e10.1650.1890.1960.1950.192九2.002.142.192.192.16N+G.b 二 入max A1007kPa=1.007MPa1160kPa=1.16MPa1267kPa=1.267MPa1353kPa=1.353MPa1368kPa=1.368MPa墩身C20号混凝土容许压应力匸］=13.5MPa，计算主力加附加应力时容许压应力可以提高30%，即匸］=13.5x1.3=17.55MPa，以上计算最大压应力b均在容许范围以内。max从前面荷载计算和墩身截面模量计算可以看出，顺桥方向垂直力以及弯矩均比横桥向的大，截面模量则顺桥向比横桥向的小，所以墩身强度判定顺桥向作为控制设计，横桥向不再计算。

三、 墩顶弹性水平位移检算沿墩身高度H等分为若干段，采用3m分一段，墩身分段及编号见图3—2用虚功原理数积法计算桥墩墩顶纵向水平位移，计算结果见表3—11。3—11墩身分段序列数i殳分段截面墩顶距RY(m)i打分段截面晉惯性矩I(m4)i° 分段截面弯矩N.m)M/1i iM.—i-XiIi墩顶偏心弯矩M0'墩顶水平的弯矩P-Yi力产纵向风力矩MW可弯矩总计Mi008.17806.06500806.098.661013.18.171081.00736.221117.229136.7477136.747726.210.202162.014123.712285.729224.0911448.182239.312.583243.022258.833501.861278.3673835.1019412.415.364324.029443.464767.494310.38371241.535515.518.575405.036679.466084.502327.65221638.261618.622.266486.043968.717454.757334.89482009.369721.726.467567.051313.088880.133335.60592349.242824.831.27