U型橋臺設計說明書

1、1 重力式U型橋臺設計1.1 原始數(shù)據1.1.1地質資料地基土分為五層，天然路面依次向下為亞砂土、亞粘土、粘土、亞砂土、粉砂，各種土質的重度為19kN/m3、19.8kN/m3、19.5kN/m3、18.5kN/m3、19.6kN/m3，壓縮模量Es為15MPa、14.6MPa、14.5MPa、15.1MPa、15MPa，承載力基本容許值為fao=420kPa，空隙比e在0.550.60之間，臺內填土重度=18kN/m3，內摩擦角=35。1.1.2橋梁結構資料上部結構采用單箱雙室空心梁，標準跨徑20.00m，計算跨徑19.50m，梁長19.92m,橋面凈寬7+21.5m，其中車道兩邊分隔帶寬0

2、.5m。橋臺采用板式橡膠支座，支座高40cm，空心板為C40鋼筋混凝土，容重2500kg/m3。橋梁上部斷面圖1-1，橋梁上部鋪設6cm厚的瀝青混凝土鋪裝層，容重2300kg/m3，613cm厚的40現(xiàn)澆混泥土調平層，容重2400kg/m3，空心梁截面積為5m2。圖1-1 橋梁斷面圖 （尺寸單位：m ）1.2 幾何設計1.2.1設計荷載公路級，人群荷載3kN/m2。1.2.2設計材料臺帽用C30鋼筋混泥土，密度=25kN/m3，臺身采用C20混凝土，重度 =25kN/m3，軸心抗壓強度fcd =7.82MPa，基礎采用15號混凝土砌塊石，重度 =23kN/m3，軸心抗壓強度fcd =5.17M

3、Pa，人行道板按標準值5.0kN/m2計算。1.2.3設計依據公路橋涵設計通用規(guī)范（JTG D602004）公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范（JTG D632007）1.2.4設計高程橋面高程為76.648m；設計水位高程73.748m；河床高程為69.10m。1.2.5擬定橋臺尺寸（1）基礎采用兩個臺階，每層臺階厚0.85m，襟邊寬0.2m?；A采用塊石砌體，其容許最大剛性角為max=30，基礎的擴散角為： （滿足規(guī)范要求）則橋臺高度為： （2）順橋向臺帽寬度，圖1-2。圖1-2 臺帽順橋向尺寸圖臺帽寬度 (1.2.1)式中：e0伸縮縫寬度，取e0=2cm； e1支座中心至梁端距離，取e1=18c

4、m； a支座順橋向寬度，a=20cm； C1支座邊緣到臺身頂邊緣距離，C1=20cm； C2臺帽檐口寬度，C2=10cm。計算得： (cm)（3）橫橋向臺帽寬度橋面寬為B=10m，臺帽一般設置10cm的檐口，故取B0=10.2m。（4）橋臺側墻長度錐坡高度h=7.548m，按1:1放坡，按規(guī)定要求，橋臺側墻后端應伸入橋頭錐坡定點以內長度75cm，則橋臺側墻長度為：(m)（5）前墻底寬度按規(guī)范要求，取前墻頂寬b2=1m，則前墻底寬為：b3=3.110.4H=3.10m (滿足規(guī)范要求)（6）側墻底寬度按規(guī)范要求，取側墻頂寬b5=0.8m，側墻底寬為：b6=0.8+7.748/4=2.7370.3

5、5H=2.71m (滿足規(guī)范要求)橋臺與基礎的其他細部尺寸見圖1-3。圖1-3 橋臺與基礎細部尺寸圖 (尺寸單位：m )2 荷載計算2.1 結構重力計算2.1.1上部結構重力瀝青混凝土橋面鋪裝層為：(kN/m)現(xiàn)澆混凝土調平層為：(kN/m)人行道： (kN/m)橋梁： (kN/m)一孔上部結構重力：(kN)2.1.2臺身、側墻及填土重力橋臺臺帽、前墻、側墻及填土重力計算見表2-1。2.1.3基礎及襟邊上土重對于基礎自重及襟邊上土重，兩臺階基礎近似采用單臺階基礎計算，差別不大。基礎重： (kN)力臂： (m)對O1O1的彎矩：(kNm)臺邊襟邊土重，由河床線計起，則：(kN)力臂： (m)對O

6、1O1的彎矩： (kNm)臺側襟邊土重，由河床線計起，則：(kN)力臂: (m)對O1O1的彎矩： (kNm)2.1.4臺身底截面以上自重的重心全部自重合計為11565.38kN，對O1O1的彎矩合計為43101.45kNm，全部自重作用點距O1O1為3.727m；則其對臺身底截面形心偏心距e=3.727-3.371=0.356m（靠臺背一側）。臺身、側墻及填土重力及對O1O1重心矩的計算表 表2-1圖中序號自重力/力臂 計算式自重力力臂彎矩kNmkNm10.70.410.22571.400.8963.550.640.522111025250.001.64410.00120.50.6430.9

7、0.4102590.001.59143.100.920.50.6440.646.348102512507.840.36182.822/30.5451.56.34810252380.501.393308.900.641.5/260.977.74810251/2939.452.462314.170.9731.50.647墻重：1/20.977.7480.81/20.977.7482.737-0.81/3225271.622.79756.913.11-0.97/3土重：1/20.977.74810-5.4741/30.977.7482.737-0.818393.482.791096.503.110.

8、9738墻重：120.82.7377.7483.6322522488.344.9312257.593.111/23.632土重：1/210-2.7372101.67.748183.6323273.724.9316126.373.11123.6329墻重：1/20.81.151.41.57850107.707.53811.083.113.6321.5782土重：1210-1.610-2.31.5780.41891.466.94634.923.113.6320.4210墻重：121.5786.3481.15121.5786.3482.7371.1513252420.477.273055.973.1

9、13.6321.57832.1.5基礎底截面以上自重的重心全部自重合計為14788.11kN，對O1O1的彎矩合計為53905.14kNm，全部自重作用點距O1O1為3.645m，則其對臺身底截面形心偏心距e=3.645-3.371=0.274m。2.2 荷載布置、支座反力和土壓力計算2.2.1臺后無荷載，車道荷載作用在橋上（1）根據公路橋涵設計通用規(guī)范集中荷載標準值有以下規(guī)定： 公路級車道荷載的均布荷載標準值為qK10.5kN/m； 集中荷載標準值按以下規(guī)定選取：橋梁計算跨徑小于或等于5m時，PK180kN；橋梁計算跨徑等于或大于50m時，PK360kN； 橋梁計算跨徑在 5m50m 之間時

10、，PK值采用直線內插求得。計算剪力效應時，上述集中荷載標準值PK應乘以1.2的系數(shù)。橋梁跨徑為19.5m，采用直線內插得PK=238kN。車道荷載的均布荷載標準值應滿布于使結構產生最不利效應的同號影響線上，集中荷載標準值只作用于相應影響線中一個最大影響線峰值處，也就是作用在最不利的位置上。荷載布置見圖2-1。圖2-1 僅橋上布置荷載圖計算剪力效應時，則：（2）相應土壓力計算作如下考慮： 計算橋臺地基承載力時，僅計算基礎頂面范圍的土壓力，基礎高度內的主動土壓力和被動土壓力均不考慮； 驗算橋臺滑動穩(wěn)定性時，主動土壓力按整個橋臺高度（基礎底面到橋臺頂面）計算。根據公路橋涵設計通用規(guī)范：總的主動土壓力

11、： (2.2.1) (2.2.2)式中：E主動土壓力標準值（kN）；土的重度（kN/m3）；B橋臺的計算寬度（m）；H計算土層高度（m）；填土表面與水平面的夾角；橋臺臺背與豎直面的夾角；臺背與填土間的摩擦角，取=/2。根據資料：，故=7.13，則：所以：(kN)E的著力點自計算土層底面算起為：(m)水平向分力：(kN)離基礎底面的距離：(m)對基底形心軸的力矩：(kNm)豎直向分力：(kN)作用點離基礎形心軸的距離：(m)對基底形心軸的力矩：(kNm)2.2.2臺后橋上均有布載，車輛荷載在臺后，車道荷載在橋上車輛荷載布置如圖2-2所示。圖2-2 臺后和橋上均布置荷載圖此時車道荷載僅考慮均布荷載

12、，則臺后布載長度確定可作如下考慮：（1）土破壞棱體長度由側墻根算起；（2）側墻端部的折線近似作直線處理。根據公路橋涵設計通用規(guī)范，布載長度：其中，(m)此時支反力為：(kN)土壓力車輛荷載等代布土層厚度計算式為： (2.2.3)破壞棱體長度l0由前墻后緣算起：(m)等代布土層厚度：(m)土壓力為：(kN)(m)其水平分力：(kN)離基礎底面的距離：(m)對基底形心軸的力矩：(kNm)豎直分力：(kNm)作用點離基礎形心軸的距離：(m)對基底形心軸的力矩：(kNm)2.2.3橋上無荷載，臺后有車輛荷載荷載布置如圖2-3所示。圖2-3 臺后布載圖此時支反力為0kN，土壓力車輛荷載等代均布土層厚度為

13、：(m)土壓力為：(kN)(m)其水平分力：(kN)離基礎底面的距離：(m)對基底形心軸的力矩：(kNm)豎直分力：(kNm)作用點離基礎形心軸的距離：(m)對基底形心軸的力矩：(kNm)2.3 人群荷載反力及其他各力計算人群荷載反力：(kN)摩阻力：(kN)制動力按一行車隊總重的10%計算。(kN)，根據公路橋涵設計通用規(guī)范第4.3.1條規(guī)定的車道荷載標準值在加載長度上計算的總重力的10計算，但公路級汽車荷載的制動力標準值不得小于165kN，取汽車荷載制動力kN。各種荷載計算結果和組合見表2-2。臺身底截面驗算時的荷載組合表 表2-2序號作用類型公路I級臺后無荷載，車道荷載在橋上臺后、橋上均

14、有荷載，車輛在臺后，車道在橋上橋上無荷載臺后為車輛荷載1上部恒載力（kN）1599.771599.771599.77力臂（m）-2.43-2.43-2.43彎矩（kNm）-3889.04-3889.04-3889.042臺身恒載力（kN）11565.3811565.3811565.38力臂（m）0.360.360.36彎矩（kNm）4117.284117.284117.283支反力力（kN）775.95204.750.00力臂（m）-2.43-2.43-2.43彎矩（kNm）-1886.33-497.750.004人群力（kN）58.5058.5058.50力臂（m）-2.43-2.43-2.

15、43彎矩（kNm）-142.21-142.21-142.215臺后土壓力力（kN）EH=-2504.75EH=-2797.64EH=-2797.64EV=1148.35EV=1282.63EV=1282.63力臂（m）CH=2.583CH=2.717CH=2.717CV=-0.584Cv=-0.601CV=-0.601彎矩（kNm）MH=-6469.77MH=-7601.19MH=-7601.19MV=-670.64MV=-770.86MV=-770.866制動力力（kN）165.00165.00165.00力臂（m）6.756.756.75彎矩（kNm）1113.751113.751113.

16、757組合Pv（kN）15147.9514711.0314506.28M（m）-8940.72-8783.78-8286.03PH（kN）-2504.75-2651.20-2651.203 臺身底截面強度驗算僅驗算臺身底截面，見圖3-1，其他截面驗算方法同此。圖3-1 臺身底截面計算圖 (尺寸單位：m )3.1 臺身底截面特征值計算臺身底面積： (m2) 截面系數(shù)：(m)截面慣性矩：(m4)截面回轉半徑：3.2 臺身截面強度驗算從表2-2可以看出，最不利情況為車道荷載布置在橋上，臺后無荷載，按偏心受壓構件驗算，則： (3.2.1)式中：m安全系數(shù)，塊石砌體受壓，取2.31； fcd抗壓計算強度

17、，fcd=7.82MPa； 縱向力偏心影響系數(shù)； (3.2.2)其中，m，m，則：則0.89550.987820/2.31=.95，故驗算通過。偏心距驗算：e00.5X1，因為0.5X1=0.52.869=1.435 0.590(m)，故驗算通過。施工驗算時，可考慮無上部荷載，僅有臺身自重和土壓力，此時有：(kN)(kNm)4 基礎底面地基承載力計算地基承載力的驗算要求荷載在基底產生的地基應力不超過持力層的容許承載力。地基壓應力計算時要考慮填土對基底的附加壓應力。4.1 基礎底面特征值計算橋臺基礎底面積：(m2)繞度計算：(m3)4.2 地基土允許承載力確定根據公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范（JT

18、G D632007）式(3.3.4)：式中：fa修正后的地基承載力容許值（kPa）；b 基礎底面最小邊寬（m）；當b10m時，取b=10m；h 基礎埋深深度（m），自天然地面算起，有水流沖刷時自一般沖刷線算起；當h4時，取h=4b；k1、k2 基底寬度、深度修正系數(shù)，根據基底持力層土的類別按規(guī)范查表3.3.4；基底持力層土的天然重度（kN/m3）；若持力層在水面以下且為透水，應取浮重度；基底以上土層的加權平均重度（kN/m3）；換算時若持力層在水面以下，且不透水時，不論基底以上土的透水性質如何，一律取飽和重度；當透水時，水中部分土層則應取浮重度。查表3.3.4得k1=0，k2=1.5，基礎埋置

19、在天然地面下2.m，h3.0m，深度項不用修正，則fa=fao=420kPa。4.3 荷載組合驗算考慮了最不利的兩個組合荷載，驗算最大應力是否在地基持力層容許承載力范圍內。公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范（JTG D632007）中規(guī)定，計算最大壓應力時，當基底單向偏心受壓時，基底同時承受豎向壓力和彎矩共同作用，必須滿足以下條件： （4.3.1）式中：Pmax基底最大壓應力；M水平力和豎向力對基底重心軸的彎矩；W基礎底面偏心方向面積抵抗矩；抗力系數(shù)，取1.0 。4.3.1汽車荷載布置為臺上、橋上均有荷載時此時布置考慮臺后布置車輛荷載，一行車隊不應有兩輛重載車，故該狀況橋上布置車道荷載不加集中力。計算

20、各項外力對基礎底中性軸的彎矩上部恒載的彎矩： (kNm)臺身、填土、基礎自重的彎矩： (kNm)汽車荷載產生的彎矩： (kNm)人群荷載產生的彎矩： (kNm)土壓力的作用E水平分力產生的彎矩： (kNm)E豎直方向上產生的彎矩： (kNm)(kNm)摩阻力產生的彎矩：(kNm)豎向合力：(kN)彎矩合計：(kNm)基底最大壓應力：(kPa)因基底最大壓應力(kPa)，地基承載力滿足規(guī)范，故驗算通過。4.3.2汽車荷載布置為臺后無荷載，車道荷載在橋上時汽車荷載產生的彎矩： (kNm)土壓力E在水平分力產生的彎矩：(kNm)土壓力E豎直方向上產生的彎矩：(kNm)土壓力產生的彎矩：(kNm)豎向

21、合力： (kN)彎矩合計：(kNm)基底最大壓應力：(kPa)因(kPa)，地基承載力滿足規(guī)范，故驗算通過。5 基礎穩(wěn)定性驗算在基礎計算時，必須保證基礎本身具有足夠的穩(wěn)定性?；A穩(wěn)定性驗算包括基礎傾覆穩(wěn)定性驗算和基礎滑動穩(wěn)定性驗算。計算穩(wěn)定性時要考慮設計水位對橋臺的影響。按設計水位考慮浮力，如圖5-1。漿砌圬工體的水浮力為10kN/m3。土的浮重度： 式中：e土的空隙比； 土的固體顆粒重度，一般采用27kN/m3。得： (kN/m3)臺內填土浮重度： (kN/m3)設計水位高度(到基礎頂面，離橋梁底面1.5m)：H=6.348-1.5=4.848(m)5.1 有設計水位時臺身及填土所受浮力計算

22、設計水位時臺身及填土所受浮力計算見表5-1。設計水位時橋臺浮力計算表 表5-1序號垂直力P（kN）浮力計算式浮力P1（kN）P2=P-P1（kN）對基底重心距（m）對基底重心彎矩M=P2e（kNm）171.471.40-2.481-177.142250250.00-1.731-432.7539090.00-1.681-151.294507.84（0.15+0.64）4.84810100.5191.50316.34-2.929-926.5752380.51.54.8481010727.201653.30-1.981-3275.196939.45（0.363+0.97）0.54.848101032

23、3.12616.33-0.594-366.107665.10.614.8480.51010147.86517.24-0.4634-239.6985762.063.6324.84810101760.794001.271.5556221.979墻重：107.7107.704.16448.03土重：91.4691.463.571326.6010墻重：420.471/21.2054.848(0.8+1.212)+1/31.2121.2054.8481/2210141.14279.333.7731053.92土重：279.4(4.56+6.95)1/24.8480.410111.60167.803.57

24、1599.21合計11565.383403.218162.173081.005.2 計算上部荷載及基礎襟邊土重上部恒載： (kN)上部恒載產生的彎矩：(kNm)基礎及襟邊土重，由天然地面算起，用浮重度計算，即：(kN)彎矩： (kNm)5.3 設計水位時臺后土壓力計算有設計水位時，臺后土壓力改變，如圖5-1所示。圖5-1 設計水位處臺身尺寸及土壓力 (尺寸單位：m )設計水位以上的土壓力計算：(kN)設計水位以下的土壓力算：(kN)E1作用點至設計水位的豎向距離：(m)E2作用點在豎直方向至基礎底面的距離：(m)E1作用點在豎直方向上到基礎形心軸的距離：(m)E1在水平方向和豎直方向的分力計算

25、：(kN)(kN)E2在水平方向和豎直方向的分力計算：(kN)(kN)水平方向合力計算：(kN)豎直方向合力計算：(kN)E1和E2的作用點在豎直方向上到基底形心軸的距離：(m)(m)土壓力對基底彎矩：(kNm)(kNm)(kNm)5.4 抗傾覆穩(wěn)定性驗算驗算基底抗傾覆穩(wěn)定性，旨在保證橋梁墩臺不致向一側傾倒。傾覆穩(wěn)定性通常用抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)k0表示： （5.4.1）式中：s在截面重心至合力作用點的延長線上，自載面重心至驗算傾覆軸的距離；e0所有外力的合力在驗算截面的作用點對基礎形心軸的偏心距?？箖A覆穩(wěn)定性驗算時，以最不利情況臺后無荷載，橋上有荷載作用的驗算，則摩阻力產生的彎矩為：(kNm)豎直

26、方向合力為：(kN)各種荷載對基礎底面的彎矩為：(kNm)偏心距計算：(m)抗傾覆系數(shù)：故基礎抗傾覆系數(shù)滿足規(guī)范要求。當臺后和橋上均有荷載時，分析安全度更大，故驗算忽略。5.5 抗滑動穩(wěn)定性驗算驗算基底抗滑穩(wěn)定性，旨在防止基礎由于水平推力克服基礎底面與基底土之間的摩擦阻力而沿基底面滑動?；瑒臃€(wěn)定性通常用滑動穩(wěn)定系數(shù)kc表示： （5.5.1）式中： 基礎底面與地基土之間的摩擦系數(shù)；豎向力總和；抗滑穩(wěn)定水平力總和；滑動水平力總和。以最不利情況（臺后無荷載，橋上有車道荷載作用）驗算抗滑穩(wěn)定性抗滑穩(wěn)定水平力總和：(kN)滑動水平力總和： (kN)豎向力總和：(kNm)因基礎底面是粘土，查規(guī)范得摩擦系數(shù)

27、=0.25?；瑒臃€(wěn)定系數(shù)：計算得到的滑動穩(wěn)定系數(shù)滿足規(guī)范要求，故驗算通過。5.6 基底合力偏心距驗算根據公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范(JTG D632007) 4.2.5條，非巖石地基橋臺基礎的合力偏心距e0應符合如下規(guī)定：（1）永久作用標準值效應組合，；（2）作用標準值效應組合，。其中，為核心半徑；，為基底最小應力。5.6.1永久作用標準值效應組合計算土壓力時扣除汽車荷載等代土層在臺后引起的土壓力，則：土壓力： (kN)彎矩： (kNm)豎向合力：(kN)各種荷載產生的彎矩和：(kNm)偏心距：(m)基底最小壓應力：(kPa)核心半徑：(m)從而(m)，滿足規(guī)范，故驗算通過。5.6.2作用標準

28、值效應組合偏心距計算：(m)基底最小壓應力：(kPa)核心半徑： (m)從而e0=1.248(m)=1.257(m)，滿足規(guī)范，故驗算通過。6 沉降量橋梁墩臺基礎沉降量計算只考慮恒載作用，用地基基礎規(guī)范法計算沉降量。6.1 基底應力計算各種荷載的重力合計：(kN)基底平均應力：(kPa)6.2 橋臺基底附加應力計算基底平均附加壓應力：(kPa)(MPa)6.3 沉降深度確定據公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范（JTG D632007）規(guī)定，地基沉降計算時設定計算深度zn，在zn以上取z厚度，其沉降量應符合以下要求：根據簡化計算公式：(m)大致確定沉降深度為zn=13m，基礎寬度b=7.542m，依據規(guī)

29、范取沉降深度zn以上z厚度為0.8m。6.4 沉降量計算各層土的重度和壓縮模量見表6-1。土層的各項參數(shù)表 表6-1序號土層土質的重度（kN/m3）壓縮模量Es（Mpa）1亞砂土19.014.22亞粘土19.814.63粘土18.514.54亞砂土18.515.15粉土19.015.0由于基礎底面以下土層為亞粘土、粘土、亞砂土、粉砂，故在地基沉降深度的范圍內將土層劃分為四個層。在亞粘土層，則查表得平均附加壓應力系數(shù)為1=0.999。在粘土層，則查表得平均附加壓應力系數(shù)為2=0.998。在亞砂土層，則查表得平均附加壓應力系數(shù)為3=0.651。在粉砂土層，則查表得平均附加壓應力系數(shù)為4=0.581

30、。在沉降深度zn底面，則查表得平均附加壓應力系數(shù)為5=0.556。沉降量計算見表6-2。地基基礎規(guī)范法計算基礎沉降量計算表 表6-2點號zi(m)l/bz/baiziai(mm)ziai-zi-1ai-1(mm)p0/Esisi (mm)si(mm)sn/si001.43201010.21.4320.0270.999199.8199.80.0142.7702.77020.41.4320.0530.998399.2199.40.0142.7845.55439.91.4321.3130.6516444.96045.70.01381.04486.598412.21.4321.6180.5817088

31、.2643.30.0138.68195.2795131.4321.7240.5567228139.80.0131.88797.1660.019zn深度范圍內的地基沉降量：(mm)根據規(guī)范，m，計算出mm，并除以=97.17mm，得，表明m符合要求。6.5 沉降量驗算6.5.1計算壓縮模量值15(MPa)6.5.2沉降計算經驗系數(shù)的確定假設，壓縮模量，查表6-3得到=0.4。沉降計算經驗系數(shù)表 表6-3 壓縮模量/Mpa基底附加壓力p0/kPa2.54.07.015.020.0p0fk1.401.301.000.400.20p00.75fk1.101.000.700.400.20基礎的最終沉降量為(mm)根據規(guī)范要求，本橋屬于空心橋梁，并且基底應力小于地基基本承載力，滿足了