桥梁桩基础设计计算部分.docx
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桥梁桩基础设计计算部分
一方案比选优化
公路桥涵结构设计应当考虑到结构上可能出现的多种作用，例如桥涵结构构件上除构件永久作用（如自重等）外，可能同时出现汽车荷载、人群荷载等可变作用。
《公路桥规》要求这时应该按承载力极限状态和正常使用极限状态，结合相应的设计状况进行作用效应组合，并取其最不利组合进行计算。
1、按承载能力极限状态设计时，可采用以下两种作用效应组合。
（1）基本作用效应组合。
基本组合是承载能力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用标准值效应的组合，基本组合表达式为
（1-1）
或
（1-2）
γ0－桥梁结构的重要性系数，按结构设计安全等级采用，对于公路桥梁，安全等级一级、二级、三级，分别为1.1、1.0和0.9；
γGi－第i个永久荷载作用效应的分项系数。
分项系数是指为保证所设计的结构具有结构的可靠度而在设计表达式中采用的系数，分为作用分项系数和抗力分项系数两类。
当永久作用效应（结构重力和预应力作用）对结构承载力不利时，γGi=1.2；对结构的承载能力有利时，γGi=10；其他永久作用效应的分项系数详见《公路桥规》；
γQ1－汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）的分项系数,取γQ1＝1.4；当某个可变作用在效用组合中，其值超过汽车荷载效用时，则该作用取代汽车荷载，其分项系数应采用汽车荷载的分项系数；对专门为承受某种作用而设置的结构或装置，设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值；计算人行道板和人行道栏杆的局部荷载时，其分项系数也与汽车荷载取同值。
γQj－在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）、风荷载以外的其他第j个可变作用效应的分项系数，取γQ1＝1.4,但风荷载的分项系数取γQ1＝1.1；
Sgik、Sgid－第i个永久作用效应的标准值和设计值；
SQjk－在作用效应组合中除汽车荷载效应（含汽车冲击力、离心力）外的其他第j个可变作用效应的标准值；
Sud－承载能力极限状态下，作用基本组合的效应组合设计值，作用效应设计值等于作用效应标准值Sd与作用分项系数的乘积。
SQ1k、SQ1d－汽车荷载效用含汽车冲击力、离心力）的标准值和设计值；
φc－在作用效应组合中，除汽车荷载效应效应（含汽车冲击力、离心力）以外其他可变作用效应的组合系数，当永久作用与汽车荷载和人群荷载（或其他一种可变作用）组合时，人群荷载（或其他一种可变作用）的组合系数取0.80；当除汽车荷载（含汽车冲击力、离心力）以外尚有两种其他可变作用参与组合时，其组合系数取0.70；尚有三种可变作用组合时，其组合系数取0.60；尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时取0.50。
（2）偶然荷载。
永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应相组合。
偶然作用的效应分项系数取1.0与偶然作用同时出现的可变作用，可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值。
地震作用标准值及其表达式按现行《公路工程抗震设计规范》中的规定采用。
表1-1永久作用效应的分项系数
序号
作用类型
永久作用效应的分项系数
对结构的承载能力不利时
对结构的承载能
力有利时
1
混凝土和垢工结构重力（包括结构附加重力）
1.2
1
钢结构重力（包括结构附加重力）
1.10或1.20
1
2
预加力
1.2
1
3
土的重力
1.2
1
4
混凝土的收缩及徐变
1
1
5
土侧压力
1.4
1
6
水的浮力
1
1
7
基础
变位
作用
混凝土和垢土结构
0.5
0.5
钢结构
1
1
1.1上部荷载计算
1.1.1永久荷载
主要考虑桩基础上部结构的自重荷载，其他形式的永久作用如砼收缩作用等可忽略。
计算简式如下：
永久荷载=预应力T型梁重+盖梁重+系梁重+墩身重（1-3）
钢筋与混凝土的比例小于3％，不考虑钢筋的重量。
1T梁自重——单位体积重26KN/m3
GT梁=205.96×26=5354.96KN
2墩身重——单位体积重24KN/m3，则：
墩身体积
3.14×
/4×15.14=30.43
墩身重量G墩身=24×30.43=730.32KN
3盖梁重——单位体积重24KN/m3
体积:
V1=11.95×0.85×2=20.32
V2=（11.95×2-1.35×2）/2×0.85×2=18.02
V3=2×0.35×0.5×2=0.75
盖梁体积V改良体积=V1+V2+V3=20.32+18.02+0.75=39.09
24×39.09=938.16KN
4系梁重——单位体积重24KN/m3
系梁体积V系梁体积=7.25×1.8×1.5=19.58m3
系梁重量G系梁=24×19.58=469.92KN
5桥面铺装——单位体积重26KN/m3
桥面铺装体积V桥面铺装=38.27m3；
G桥面铺装=38.27×26=995.02KN
6防撞墙——单位体积重24KN/m3；
防撞墙体积V防撞墙=21.06m3；
G防撞墙=21.06×24=505.44KN
作用在墩身底面总的垂直永久荷载为：
G=GT梁/2+G墩身+G盖梁/2+G系梁/2+G桥面铺装/2+G防撞墙/2
=5354.96/2+730.32+938.16/2+469.92/2+995.02/2+505.44/2
=4862.07KN
1.1.2可变荷载
为高速公路桥梁,可变荷载主要考虑汽车荷载、汽车冲击力、汽车制
动力（风荷载，流水荷载，温度荷载等均可忽略）几个方面。
（1）汽车荷载
计中汽车荷载采用2车道荷载进行分析，由于汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，据《公路桥涵设计通用规范》JTCD-60-2004,车道荷载计算图示如下:
Pk一集中荷载标准值qk一均布荷载标准值
据《公路桥涵设计通用规范》JTCD-60-2004,公路-Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为qk=10.5KN/m标准值按以下规定选取：
桥梁计算跨径小于或等于5m时，Pk=180KN；算跨径等于或大于50m时，Pk=360KN；桥梁计算跨径在5m~50m之间时Pk值采用直线内插求得。
计算剪力效应时，上述集中荷载标准值Pk应乘以1.2的系数。
Pk=180+180/45×（30-5）=280KN
qk=10.5（KN/m）
计算剪力效应时集中荷载标准值Pk乘以1.2；
汽车荷载Pk=280×1.2+10.5×30=651KN
（2）汽车冲击力
据《公路桥涵设计通用规范》JTCD-60-2004，汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数μ。
冲击系数μ可按下式计算：
f表示结构基频（HZ）；
当f＜1.5HZ时，μ=0.05；当f＞14HZ时，μ=0.45；
当1.5HZ≤f≤14HZ时，μ=0.176lnf-0.0157；
汽车冲击力=汽车荷载×μ
此桥的频率f=4HZ,带入式中，故u＝0.228；
则汽车冲击力N1=651×0.228=148.43KN
（3）汽车制动力
一个设计车道上由汽车荷载产生的制动力标准值按规范规定的车道荷载标准值在加载长度上计算以总重力的10%计算，但公路—Ⅰ级汽车荷载的制动力标准值不得小于165KN。
10%的总重力=322KN＞165KN；
取汽车制动力N2=322KN；
由以上计算可变荷载可归纳列入下表：
表1-2可变荷载
汽车荷载（KN）
汽车冲击力（KN）
汽车制动力（KN）
可变荷载
651
148.43
322
（4）偶然荷载
本合同段区内50年超越概率10%的地震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱特征周期小于0.35s，对应地震基本烈度小于Ⅵ度，故地震力可不进行计算。
1.1.3上部荷载总算
据《公路桥涵设计通用规范》JTCD-60-2004；
（1-4）
其中：
γ0=1.1；γQj=1.2；SQ1=1.4；
竖向荷载PV=1.1×（1.2×4862.07+1.4×（651+148.43+322））
=8144.94KN
横向荷载PH=322×1.4
=450.80KN
弯矩=2690.625
表1-3桩顶上部荷载总算表
竖向荷载（KN）
水平荷载（KN）
弯矩（
）
8144.94
450.80
2690.625
2.1方案一：
单排墩柱式桩基础
（1）
2.1.1工程地质介绍
总体上桥位区内地形变化较大，相差高度大，桥位覆盖层厚度小，下伏基岩为花岗岩，岩石风化强烈，全风化层厚度大，最大厚度将近30米，该层在水的作用下岗地边坡坡面抗冲刷能力差，洼地内上部承载力偏低，桥位中风化基岩埋深大，且受地域地质影响，中风化花岗岩岩体破碎，桥位洼地内地下水位埋深浅，中风化基岩虽破碎，但饱和单轴抗压强度高，可作为桩基的持力层。
2.1.2基础类型的选择
选择桩基础是,根据设计要求和现场的条件,并考虑各种不同情况,包括荷载的大小和性质、地质和水文地质条件、料具的用量价格（包括料具的数量）、施工难易程度、物质供应和交通运输条件以及施工条件等等，经过综合考虑后对以下四个可能的基础类
型，进行比较选择，采用最佳方案高承台桩基础。
本设计桩基础,因为有很好的承载力的持力层,按柱桩进行设计计算。
浅基础：
建筑物的浅平基多用砖、石、混凝土或钢筋混凝土等材料组成，因为材料的抗拉性能差，截面强度要求较高，埋深较小，用料省，无需复杂的施工设备，因而工期短，造价低，但只适宜于上部荷载较小的建筑物。
低承台：
稳定性较好，但水中施工难度较大，故多用于季节性河流或冲刷深度较小的河流，航运繁忙或有强烈流水的河流。
位于旱地、浅水滩或季节性河流的墩台，当冲刷不深，施工排水不太困难时，选用低承台桩基有利于提高基础的稳定性。
高承台：
由于承台位置较高或设在施工水位以上，可减少墩台的坞工数量，可避免或减少水下施工，施工较为方便，且经济。
高桩承台基础刚度较小，在水平力的作用下，由于承台及桩基露出地面的一段自由长度周围无土来共同承担水平外力，桩基的受力情况较为不利，桩身的内力和位移都将大于低承台桩基，在稳定性方面也不如低承台桩基。
沉井：
沉井基础占地面积小，施工方便，对邻近建筑物影响小，沉井内部空间还可得到充分利用。
沉井法适用于地基深层土的承载力大，而上部土层比较松软，易于开挖的地层。
根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）的规定,选钻孔桩、钻（挖）孔桩适用于各类土层（包括碎石类土层和岩石层）。
一般情况下桩基础设计需经过以下步骤：
（1）通过环境条件、结构荷载条件、地质施工条件、经济条件等确定桩型；
（2）确定基桩几何尺寸；（3）确定桩数及平面布置；（4）验算桩身结构强度。
本设计根据实际情况做出以下计算。
2.1.3桩基础的设计
（1）桩身设计
1.桩材选择：
根据本工程的特点，选择钢筋混凝土钻孔灌注桩。
2.桩径：
初步选定桩径为1.80m。
3.桩长：
由于设计桩为端承桩，根据（JTJ024-85.《公路桥涵与基础设计规范》第4.3.5条）；当河床岩层有冲刷时，桩基须嵌入基岩，按桩底嵌固设计，其应嵌入基岩的深度按下式计算；
圆形桩：
（2-1）
——在基岩顶面处的弯矩（
）；
——桩嵌入基岩中（不计风化层）的有效深度不得小于0.5m；
——天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（kpa）；
——钻孔桩的设计直径（m）；
——系数，
根据岩层侧面构造而定，节理发达的取小值，节理发达的取大值；
h==1.6m
故设计嵌入深度h=1.6m；
4.验算单桩承载力；
根据（JTJ024-85.公路桥涵与基础设计规范第4.3.4条）；支撑在基岩上或嵌入基岩内的钻（挖）孔桩、沉桩、和管桩的单桩轴向受压容许承载力可按下式计算；
（2-2）
单桩轴向受压允许承载力（KN）；
天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（Kpa）；
桩嵌入基岩深度（m）；
U——桩嵌入基岩部分的横截面周长（m），对于钻孔桩和管桩按设计直径采用；
A——桩底横截面面积（m2），对于钻孔桩和管桩按设计直径采用；
根据清孔情况，岩石的破碎程度等因素而定的系数，按下表2-1取用；
表2-1系数C1、C2值
条件
C1
C2
良好的
0.6
0.05
一般的
0.5
0.04
较差的
0.4
0.03
注：
1当h＜0.5m时，C1采用表列数值的0.75倍，C2=0；
2对于钻孔桩，系数C1、C2值可降低20%采用；
取C1=0.4×0.8=0.32；C2=0.03×0.8=0.024；
将各系数值统计到下表2-2；
表2-2承载力公式系数表
C1
C2
（Kpa）
（
）
（m）
（m）
0.32
0.024
35000
2.54
2.65
1.6
[p]=（0.32×2.54+0.024×5.65×1.6）×35000=35920.64KN满足上部荷载的要求；
2.1.4沉降计算
根据简化法计算单桩沉降量，即在竖向工作荷载作用下，单桩沉降S由桩身压缩变形
和桩端土的压缩变形
组成，本设计为端承桩，故计算公式为：
（2-3）
式中：
N——作用于桩顶的竖向压力（KN），桩自重对
没有影响，所以不考虑桩身自重；
E——桩身材料的受压弹性模量（Mpa）,取2.80×104Mpa；
l——桩的长度（m），实际桩长为23.06+1.6=24.66m；
——桩底处岩层的竖向抗力地基系数，根据（JTG-63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》表P.0.2-2）取值，即在表2-3中取值；
A——桩的横截面面积；
表2-3岩石地基抗力系数C0
编号
（Kpa）
Co（KN/m2）
1
1000
300000
2
不小于25000
15000000
3
35000
15000000
注：
Ra为岩石的单轴饱和抗压强度标准值；对于无法进行饱和的试样，可采用天然含水量单轴抗压强度标准值；当1000＜Ra＜25000时，可用直线内插法确定Co。
表2-4沉降计算表
N（kN）
8144.94
5.05（mm）
E（Kpa）
2.8
l（m）
24.66
（kN/
）
15000000
A（
）
2.54
由于S
2.0=9.9mm沉降满足规范要求。
2.1.5单桩内力及变位计算；
图1柱顶自由，桩底嵌固在基岩中的单排桩式桥墩
根据（《建筑桩基技术规范》JGJ-94-2008）第5.7.5：
桩的水平变形系数和地基土水平抗力系数的比例系数m可按下列规定确定：
（1）决定桩测土抗力的计算宽度b0；
圆形单桩：
b0=0.9（d+1）k；（2-4）
其中k为构件相互影响系数；
b0=0.9×（1.8+1）×1.0=2.52
（2）计算桩基变形系数；
（2-5）
式中m——桩侧土水平抗力系数的比例系数；
b0——桩身的计算宽度；
EI——桩身抗弯刚度，按该规范第5.7.2条的规定计算；对于钢筋混
凝土桩，EI=0.85EcI0；其中Ec为混凝土弹性模量，I0为桩身换
算截面惯性矩：
圆形截面为I0=W0d0/2；
查规范《建筑桩基技术规范》JGJ-94-2008表5.7.5取m=100000KN/m4，Eh=2.8×107Kpa；
EI=0.8
0.8×2.8
=1.154×
2；
==0.47；
桩在最大冲刷线以下深度h=14.66m,其计算长度为=0.47×14.66=6.89〉2.5所以应该按弹性桩设计。
（3）因为地面与最大冲刷线重合，桩（直径1.8m）每延米重q计算如下：
q=×（25-10）=38.15KN（扣除浮力）；
墩柱桩顶上外力Ni，Qi，Mi及最大冲刷处桩顶上外力N0，Q0，M0.的关系如下；
Ni=8144.94+8.4×38.15×1.2=8529.49KN；
Qi=Q0=450.80KN=H0;
Mi=M=2690.625
;
（4）最大冲刷线（即桩顶）处桩变位X0，φ0计算；
已知:
=0.47；EI=1.154×
2；
当桩置于岩石类土且>3.5时，取Kh=0；h计算长度==6.89>4，按h计算长度=4m计算，查JTGD63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》表P.0.8计算桩身作用效应无量纲系数用表得:
A1=-5.85333；B1=-5.94097；C1=-0.92667；D1=4.54780；A2=-6.53316；
B2=-12.15810；C2=-10.60840；D2=-3.76647；A3=-0.80848；B3=-11.73066
C3=-17.91860；D3=-15.07550；A4=9.24368；B4=-0.35762；C4=-15.61050
D4=-23.14040；
H0=1作用时；
（2-6）
=
=2.01110-6m
（2-7）
=
=6.29810-7rad
M0=1作用时；
（2-8）
=
=6.29810-7m
（2-9）
=
=3.20410-7rad
X0，φ0的计算；
（2-10）
=450.802.01110-6+2690.6256.29810-7
=2.60mm<6mm（符合m法要求）
（2-11）
=_（450.806.29810-7+2690.6253.20410-7）
=_11.4610-4rad
（5）最大冲刷线（即地面）以下深度Z处桩截面上的弯矩Mz及剪力Qz的计算；
（2-12）
（2-13）
式中无量纲系数A3，B3，C3,，D3与A4，B4，C4，D4，查JTGD63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》表P.0.8计算桩身作用效应无量纲系数用表得，Mz与Qz值计算列表如下表2-5与表2-6；弯矩图与剪力图如下图的图2与图3；
图2弯矩Mz图
图3剪力Qz图
表2-5Mz值计算列表
表2-6Qz值计算列表
（6）桩柱顶水平位移的计算；
桩顶为自由端，其上作用有H与W，顶端位移可应用叠加原理计算。
设桩顶的水平位移为，它是由下列各项组成：
桩在地面处的水平位移X0、地面处转角φ0所引起的桩顶的水平位移φ0l0、桩露出地面段作为悬臂梁桩顶在水平力H以及在M作用下产生的水平位移0，即
（2-13）
h1+h2=0+8.4=8.4（m）;
n=I1E1/EI=（1.6/1.8）4=0.624;
n：
桩式桥墩上段抗弯刚度E1I1与下段抗弯刚度EI的比值，E1I1=E0I1;EI=0.8E0I，其中E0为桩身混凝土抗压弹性模量，I1为桩上段毛截面惯性矩；
（桥墩）（2-14）
=[8.43]+8.42
=32mm;
=1.879_（_9.65510-48.4）+32
=33.89mm;
代入数据解=3.4cm<[]=0.5=27.4cm；符合设计要求。
（7）桩的配筋及桩截面抗压承载力计算；
桩身最大弯矩位置及最大弯矩计算；
桩地面处的剪力和弯矩：
H0=H=450.8KN；M0=M+H0l0=2690.625+450.88.4=6477.345
；
地面以下桩身最大弯矩；
Mmax=H0/amH+M0mm（2-15）
确定最大弯矩位置；
由Qz=0得；im计===7.75；
据=4.0m,查《公路桥梁钻孔桩计算手册》附表m-5，；当ay=0.5时，im=6.931?
11.667，im计在其之间，故为最大弯矩位置，再据=4.0m，ay=0.4；查附表m-3，，m-4，得到；
mH=0.86；mm=0.378；
Mmax=450.8/0.540.86+6477.3450.378=3166.38
；
地面至最大弯矩断面距离；
ym=ay/a=0.5/0.47=1.06m；
桩侧土壤最大应力计算：
Qmax=a2/b0（H0/a+M0Qm）（2-16）
确定最大应力位置；
IQ计=im计=7.75；
据=4.0m,查《公路桥梁钻孔桩计算手册》附表m-8，；当ay=0.7时，im=1.557?
20.538，im计在其之间，故为最大应力位置，再据=4.0m，ay=0.7；查附表m-6，，m-7，得到；
QH=0.935；Qm=0.441；
Qmax=0.472/2.52（0.935450.8/0.47+6477.3450.441）
=210.43KN
地面至最大应力断面距离；
ym=ay/a=0.7/0.54=1.30m；
配筋计算及桩身材料截面强度验算；
根据《公路桥梁钻孔桩计算手册》；桩的计算长度；
lp=k1+l0（2-17）
其中：
k1==5.37m；l0：
桩的悬出长度取8.4m；
lp=k1+l0=5.37+8.4=13.77m；
因为lp/D=13.77/1.8=7.65〉7；固应考虑偏心距增大系数
；
结构重要性系数
；采用混凝土C25，fcd=11.5Mpa；HRB335级钢筋抗压强度设计值
；混凝土保护层厚度取60mm，拟采用φ25钢筋（外径28.4m）；
则：
rs=1800/2-（60+28.4/2）=825.8mm；g=rs/r=825.8/900=0.918；
e0=M/N=3166.38/8144.94=0.389m；EI=1.154×
2；
（2-16）
式中：
e0=0.389mm；
h0=r+rs=825.8+900=1725.8mm；
0.2+2.7e0/h0=0.2+2.7×389/1725.8=0.81<1；
1.15-0.01lp/h=1.15-0.01×13.77/14.66=1.14>1，取
=1；
将数据代入式（2-16）得；
=1.15；
计算偏心距：
1.150.389=0.447m
采用查表法计算（参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》
（JTGD62-2004）附录C-表C.0.2）；
假设
0.39；查表可得各系数分别如下：
A=0.8369，B=0.5304，C=--0.5227，D=1.8711；
代入下式计算配筋率：
=-0.0238按构造配筋
计算轴向力设计值；
（2-17）
将数据代入式（2-17）得；
=8078.26KN
与实际作用轴向力设计值8144.94KN偏差在2%以内，符合设计规范；所以桩基只需按构造配筋，根据规范要求，选配28φ25，钢筋截面面积As=13745.2mm2。
2.1.5桩基础工程概算；
相对于陆上钻孔来说，水中钻孔灌注桩主要在围堰筑岛、工作平台等辅助工程方面有所差别，另外水中钢护筒的设置、泥浆船的使用、水上拌和站、施工栈桥等也是需要考虑的问题。
在条件允许的情况下首先考虑围堰筑岛的方案是较经济的，当水深≤1.5m、流速≤O.5m/s的浅滩、且河床渗水性较小时，可采用土围堰;水深≤3.0m、流速≤1.5m/s、且河床渗水性较小或淤泥较浅时，可采用土袋（草袋、麻袋等）围堰;若水深在3～7.0m、流速≤2.0m/s也可采
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