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1、不等跨铁路桥梁重力式矩形桥墩的设计及内力计算 兰州交通大学毕业设计（论文） 兰州交通大学毕业设计（论文）任务书 兰州交通大学毕业设计（论文） 兰州交通大学毕业设计（论文） 参考用图 兰州交通大学毕业设计（论文） 兰州交通大学毕业设计（论文）开题报告表 兰州交通大学毕业设计（论文） 课题类型：（）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研究； （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题（1）、（2）均要填，如AY等。 兰州交通大学毕业设计（论文） 兰州交通大学毕业设计学生自查表 （中期教学检查用） 指导教师签字： 2014 年 5月 5日 兰州交通大学毕业设计（论文） 摘要 本毕业设计对象为两孔
2、不等跨钢筋混凝土铁路桥梁下部结构的桥墩。按设计要求应选用重力式矩形桥墩，并根据构造要求拟定桥墩各部分详细尺寸，然后进行结构内力计算，最终检算、修改，确定设计达到各项要求。 设计过程中，按给定的桥墩设计高度和桥跨长度，考虑到上部结构形状、支座位置及施工荷载要求，墩帽采用托盘式，墩身纵横向均采用变坡，以节省圬工，减轻结构自重。桥墩各部分详细尺寸，根据上部结构和各项规范要求拟定，然后进行各项检算，确定出经济合理的尺寸。 通过分析桥墩所受荷载类型，分别计算桥跨结构恒载压力和墩帽及墩身自重；单孔轻载、单孔重载、双孔重载竖向静活载；制动力(或牵引力)及纵向风力附加力。为使设计比较合理并切合实际情况，先确定
3、出重力式矩形桥墩直线情况检算荷载组合，然后对墩身进行分段，采用单孔重载或双孔重载加纵向附加力组合进行墩身受压稳定性和墩身截面强度检算，单孔轻载加纵向附加力组合进行墩身偏心检算。 经过检算，各项检算均符合要求。 关键词：重力式矩形桥墩；荷载计算；荷载组合；墩身检算 兰州交通大学毕业设计（论文） Abstract The graduation of two-hole design objects ranging across the lower part of the structure of reinforced concrete bridge piers railroad. Gravity s
4、hould be selected according to the design requirements rectangular piers, piers and develop detailed dimensions of each part according to construction requirements, then structural internal force calculation, calculate the final inspection, modification, to determine the design meets the requirement
5、s. In the design process, according to the given length of span height and bridge pier design, taking into account the upper structure shape, location and construction load bearing requirements, pier cap using tray type, the vertical and horizontal adopts variable slope, in order to save masonry, re
6、duce the weight of structure. Pier with size parts, upper structure and various specifications according to the draft, and then checking, determine the economic and reasonable size. By analyzing the pier suffered load types, were calculated across the bridge pier structure constant set pressure and
7、pier cap and weight; hole light load, heavy duty hole, double overloaded static vertical live load; braking force (or traction) and additional vertical wind force. To make the design more reasonable and realistic, first determine the gravity of rectangular piers linear case Computation of load combi
8、nations, and then segmented pier, using heavy-duty or heavy duty hole plus additional longitudinal force in combination with two holes carried pier pressure stability and pier section strength check calculation, plus additional longitudinal hole light load combinations pier eccentric force seized co
9、unt. After checking, checking all meet the requirement. Keywords: gravity rectangular piers; load calculation; load combinations; pier seized count 兰州交通大学毕业设计（论文） 目录 1. 绪论 . 1 1.1 桥梁的组成 . 1 1.1.1 桥梁的上部结构 . 1 1.1.2 桥梁的下部结构 . 1 1.1.3 桥梁的支座 . 1 1.2 桥梁墩台 . 2 1.3 重力式桥墩 . 2 1.3.1 重力式桥墩的特点 . 2 1.3.2 重力式桥墩的
10、形式 . 3 1.3.3 重力式桥墩的组成 . 4 1.4 桥墩的设计步骤与内容 . 6 2. 桥墩的尺寸拟定 . 7 2.1 墩帽尺寸的拟定 . 7 2.1.1 墩帽的厚度 . 7 2.1.2 墩帽的平面尺寸 . 7 2.1.3 托盘 . 8 2.1.4 墩帽设计 . 9 2.2 墩身尺寸的拟定 . 10 2.2.1 墩身设计 . 11 3. 荷载的种类与组合 . 12 3.1 荷载种类 . 12 3.1.1 永久荷载(恒载) . 12 3.1.2 可变荷载 . 12 3.2 荷载组合 . 18 3.2.1 桥墩计算的几种常见的荷载组合 . 18 3.2.2 最不利荷载组合的分析 . 19
11、3.2.3 荷载组合的有关规定 . 20 3.3 设计资料 . 20 3.4 荷载计算 . 21 兰州交通大学毕业设计（论文） 3.4.1 恒载计算 . 21 3.4.2 竖向静活载 . 22 3.4.3 制动力(牵引力) . 25 3.4.4 纵向风力 . 27 4. 重力式矩形桥墩的检算 . 29 4.1 墩身检算内容 . 29 4.1.1 墩身受压稳定性检算 . 29 4.1.2 墩身截面强度检算 . 31 4.1.3 墩身截面偏心检算 . 36 4.1.4 墩顶位移检算 . 37 4.2 墩身截面检算 . 38 4.2.1 整体纵向稳定性检算 . 38 4.2.2强度检算 . 40 4
12、.2.3 合力偏心检算 . 42 4.2.4 检算小结 . 42 结论 . 43 致谢 . 44 主要参考文献 . 45 兰州交通大学毕业设计（论文） 1. 绪论 1.1 桥梁的组成 桥梁的组成与桥梁的结构体系有关，如图1.1所示，通常由以下各部分组成。 图 1.1 桥梁的基本图式 1.1.1 桥梁的上部结构 上部结构指桥梁位于支座以上的部分，通常包括桥跨结构和桥面构造两大部分。 桥跨结构是直接承受桥面荷载、交通荷载及跨越障碍的肢体架空结构。对桥梁(简支梁、连续梁、悬臂梁)而言，主体结构是梁；对拱桥(实体拱、桁拱)而言，主体结构是拱；对索桥(悬索桥、斜拉桥)而言，主体结构是缆索。 桥面构造是指
13、桥上的附属结构或设施，包括公路桥的行车道辅装，铁路桥的钢轨、轨枕、道床，桥梁的伸缩缝、排水防水系统、人行道、安全带、防护栏、路缘石、栏杆、指示牌、照明系统，以及电气化铁路的输电电缆及电杆等。 1.1.2 桥梁的下部结构 下部结构是指桥梁支座以下的部分，是将上部结构及其承受的交通荷载传至地基的结构物，包括桥墩、桥台以及墩台的基础。桥台设在桥跨结构的两端，桥墩设在桥跨结构的中间。桥台除了支承上部结构和传力之外，还起到将桥梁和路堤衔接并防止路堤下滑和坍塌的作用。为此，通常在桥台周围修建椎体护坡、导流堤等防护设施，以保证迎水部分路堤边坡的稳定，通航河流还常设有防止船只撞击墩台的防撞结构等。 1.1.3
14、 桥梁的支座 桥跨结构与墩、台之间还设置支座。支座的作用是连接桥跨结构和桥梁墩台，它们不仅要能够传递很大的荷载，而且要能使桥跨结构产生所需要的变位，部分支座还兼有减振(震) 功能。桥梁支座为上部结构提供约束，因此也可将支座看作是上部结构的一部 1 兰州交通大学毕业设计（论文） 分。 1.2 桥梁墩台 桥墩、桥台为桥梁的下部结构，是桥梁的重要组成部分之一。桥梁墩台的主要作用是承受上部结构传来的荷载，并将其及自身重力传给基础。桥墩支承相邻的两孔桥跨，居于桥梁的中间部位。桥台居于全桥的两端，它的前端支承桥跨，后端与路堤衔接，起着支挡台后路基填土并把桥跨与路连接起来的作用。桥梁墩台除承受上部结构的作用
15、外，桥墩还受到风力、流水压力及可能发生的冰压力、船只和漂浮物的撞击力，桥台还需要承受台背填土及填土上车辆荷载产生的附加侧压力。因此，桥梁墩台不仅本身应具有足够的强度、刚度、稳定性，而且对地基的承载能力、沉降量、地基与基础之间的摩阻力等也都提出了一定的要求。 桥梁墩台的结构型式多种多样。随着桥梁建设事业的发展，特别是高等级公路桥梁和城市桥梁的兴起，出现了许多造型新颖、轻巧美观的墩台结构型式。优秀的桥梁设计，往往注重展现下部结构的功能和造型，使上下部就够造型协调一致，互为点缀，达到良好的整体效果。桥梁下部结构的发展方向是轻型、薄壁、造型多样等。 桥墩的常见型式有重力式墩、空心式墩、柔性墩、桩(柱)
16、墩、薄壁墩等。桥台的常见型式有重力式桥台、轻型桥台、框架式桥台、组合式桥台等。 桥梁下部结构的选型应遵循安全耐久，满足交通要求，造价低，养护维修量少，预制施工方便，工期短，与周围环境协调，造型美观的原则。桥梁的墩台设计与结构受力有关，与水文、流速及河床性质有关，也与地质条件有关。桥梁墩台要置于稳定可靠的地基上，并通过设计和计算确定基础形式和埋置深度。 桥梁是一个整体，上、下部结构共同工作、互相影响，在某种情况下，桥梁的下部结构很难与上部结构截然分开，因此，要重视下部结构与上部结构的合理组成。对墩梁固结的刚架桥、预应力混凝土连续刚构桥等，尤其如此。同时，还要求桥梁下部结构的造型与周围的地形、地物
17、条件密切相关，使桥梁整体达到与环境和谐一致的结果。 1.3 重力式桥墩 1.3.1 重力式桥墩的特点 重力式桥墩也称实体式桥墩，它主要靠自身的重力来平衡外来而保持其稳定，因此墩身比较厚实，可以不配钢筋，而用天然石材或片石混凝土砌筑。重力式桥墩取材方便，施工简易，养护工作量小，对抵制外界不利因素如撞击、侵蚀的能力较强，在中、小跨 2 兰州交通大学毕业设计（论文） 桥梁，尤其是铁路桥梁中常被采用。它的缺点是工程量大、自重大，对地基承载力的要求较高，基础工程量也往往较大。 1.3.2 重力式桥墩的形式 按墩身水平横截面形式的不同，常见的重力式桥墩可分为矩形墩、圆端形墩及圆形墩等。对于跨河桥，在选用桥
18、墩形式时主要考虑水流特性，尽量减少墩旁河床的局部冲刷和水压力，并使水流顺畅通过桥下，在此前提下，应力求节省圬工和施工方便。 (1)矩形墩 矩形桥墩的墩身截面为矩形，如图1.2所示。与其他几种重力式桥墩相比，矩形墩的圬工量最省，外形简单，立模、浇筑等施工也最为方便。但对水流的阻力很大，使水流紊乱，引起桥墩周围河床的局部冲刷较大。因此，矩形墩一般适用于无水或静水处、靠近岸边，以及基础建于完整坚硬的岩层上、桥孔无压缩、水流不急的桥梁。对于高出设计水位部分的桥墩，因对水流无影响，也往往采用矩形截面。 图 1.2 矩形桥墩 (2)圆端形墩 圆端形墩的墩身截面为矩形长边的两端各接一个半圆，如图1.3所示。
19、它对水流阻力和干扰较小，使水流能顺畅通过桥孔，即使水流稍有偏斜，也能顺畅通过，减少了对桥墩周围河床的局部冲刷和水流压力，因此圆端形墩是水中桥墩使用最广泛的一种形式。另外，圆端形墩横桥向长，顺桥向短，对承受船撞击、流水、横向地震等较为有利，但施工较为麻烦。一般用于常年有水河流，并且水流方向与桥轴法线交角小于15的桥 3 兰州交通大学毕业设计（论文） 梁。 (3)圆形墩 圆形墩的墩身截面为圆形，如图1.4所示。它阻水较小，在各个方向都能适应有水流的情况，不受水流斜交角的限制，适用于河流急弯、流向不固定或与水流斜交角不大于15o的桥梁。由于圆截面的任何一个方向的尺寸都是相同的，不能像其他截面桥墩那样
20、，根据桥墩纵向和横向的不同内力与使用要求在不同方向采用不同的尺寸，这就必然要增大工程量，同时也将增大桥墩的阻水面积。对于曲线桥，圆形桥墩的工程量增加更为突出。因此，对于水流斜交角小于15o的桥梁，不宜采用圆形桥墩。圆形桥墩圬工量较大，若使用混凝土块砌筑建造，费工费时，一般多用混凝土整体浇筑。圆形桥墩采用滑动模板施工较为方便，施工时即使滑模产生扭转，也不影响墩身外形的变化。 图 1.3 圆端形桥墩 图 1.4 圆形桥墩 1.3.3 重力式桥墩的组成 重力式墩有墩帽、墩身和基础三部分组成。如图1.21.4所示。 (1)墩帽 墩帽也称之为顶帽，位于桥墩顶部，有飞檐式、托盘式和悬臂式三种。小跨度的钢筋
21、混凝土梁或较矮的桥墩墩身一般采用直坡的矩形或圆端形桥墩，其墩帽一般采用飞檐式，形状随墩身的形状而定。中、大跨度的普通钢筋混凝土、预应力混凝土梁或较高的桥墩墩身一般采用变坡。为了节省桥墩圬工，减轻结构自重，可在墩帽下设置托盘过渡，称为托盘式墩帽，如图2.1所示。但桥面较宽时，让墩帽挑出墩身一定长度，称为悬臂式墩帽，其悬臂长度和宽度根据上部结构的形式、支座的位置及施工荷载的要求确定。 4 兰州交通大学毕业设计（论文） 悬臂的受力钢筋可按悬臂梁受力图式经过计算确定，一般要求悬臂式墩帽的混凝土强度等级较高。 墩帽有两个作用：一，墩帽上要安放桥梁支座，直接支承桥跨结构，因而要承受很大的支撑反力并将桥跨结
22、构传来的集中力均匀地分散到墩身，所以必须具有一定的厚度；二，墩帽要为架桥施工和养护维修提供必要的工作面。因此，铁路桥涵设计基本规范规定：墩帽应采用不低于C30的混凝土，厚度不小于0.4 m，一般要求设置两层钢筋网，其钢筋直径为10 mm，间距为0.2 m。但对单线、等跨、跨度不大于16 m的钢筋混凝土梁的实体墩墩帽，有下列情况之一时，也可不设置墩帽钢筋：一，无支座时；二，当地气象条件不会使墩帽受到冻害影响，且墩帽与墩身为整体灌注，墩帽不带托盘，厚度等于或大于0.6 m时。 墩帽顶面要设置不小于3%的排水坡(无支座的可以不设)及安置支座的支承垫石平台，垫石内应铺设一至二层钢筋网，钢筋直径为10
23、mm，间距为100 mm。垫石顶面要高出排水坡的上棱。设置平板支座的墩帽，宜将垫石加高100 mm，以便维修支座；设置弧形支座的墩帽(配合跨度为1016 m的钢筋混凝土梁或预应力混凝土梁)，宜将垫石加高200 mm，以满足顶梁是能在墩帽和梁底之间安放千斤顶。为在垫石内安放固定支座底板的支座锚固螺栓，通常在施工时先按设计要求预留锚栓孔位置，架梁时再埋入支座锚固螺栓并将其固定。 对于托盘式墩帽，在施工时托盘颈缩处往往成为施工裂缝，故应在托盘与墩身的连接处沿周边布置直径诶10 mm、间距为200 mm的竖向加强短钢筋。托盘及设置短钢筋的墩身部分一般要采用不低于C30的混凝土。必须指出，托盘式顶帽墩身
24、的圬工量虽然增加不多，但当桥墩较矮时，不太美观。在地震区，一般不采用托盘式顶帽，因颈缩处形成一薄弱断面，对抗震性能不利。 (2)墩身 墩身用来承受墩帽传来的荷载，并把荷载传递到基础中去。由于墩身个截面的内力是自墩身顶部起向下逐渐增大的，为了使各截面的受力均匀，一般都是顶部尺寸较小，底部尺寸较大。因此，墩身的纵、横两个方向一般均做成斜坡。高度不大的桥墩，可以做成直坡。高度很大的桥墩，也可以分段做成台阶状。 实体墩身可根据材料供应情况采用混凝土或石砌圬工。为保证桥墩结构的耐久性，混凝土强度等级应不低于C30；石砌圬工的水泥砂浆强度等级不低于M10；石料强度等级应不低于MU50。为了节约水泥，在整体
25、灌注混凝土墩身时，可掺用不超过总体积20%的片石(片石是用爆破方法开采的形状不规则的石块，石块中部最小厚度一般不应小于 5 兰州交通大学毕业设计（论文） 0.15 m)做成所谓的片石混凝土；墩身也可以用浆砌片石或浆砌块石(块石多自成层岩中开采，也可自片石中挑选加工，块石外形大致方正，厚度不小于0.2 m，长度不小于厚度)。浆砌片石桥墩高度不宜大于20 m，当高度超过15 m时，应在墩身中部用整齐块石砌一垫层或灌注一层混凝土，其厚度为0.61.0 m。浆砌块石桥墩高度一般不宜大于2430 m。为使石砌桥墩尺寸整齐，坚固美观，其外露面应以尺寸较大、外面较平整的石块镶面并勾缝。墩高(支承垫石至其顶)
26、 H6 m时可用片石镶面；墩高H6 m应全部用块石镶面。 1.4 桥墩的设计步骤与内容 梁桥桥墩的设计过程是：首先选定桥墩形式及拟定各部分尺寸，然后确定各项外力并进行最不利荷载组合，计算各截面的内力，进行配筋(需要配筋时)设计，选取验算截面并进行验算。 梁桥桥墩各部分详细尺寸的拟定，根据具体情况可采用标准设计图纸，也可通过力学计算确定。 梁桥桥墩计算的目的在于确定经济合理的尺寸，并保证其在施工和使用阶段的安全。一般梁桥桥墩应满足两个方面的要求：一是桥墩本身应具有足够的强度和稳定性，并且不出现过大的开裂和其他变形；二是桥墩作为一个整体，不致发生超出容许的变位。此外，对于较高的墩台，需限制墩顶水平
27、位移不超限。为了确保桥墩满足上述要求，应对桥墩进行下列项目的检算： (1)墩身受压稳定性检算； (2)墩顶截面强度检算； (3)墩身截面偏心检算； (4)墩顶弹性水平位移检算； (5)地基承载力、稳定性和基底沉降检算。 圬工结构的设计理论主要有容许应力法和极限状态法，目前铁路规范采用容许应力法。容许应力法的荷载组合值采用使用荷载直接相加，其检算式表现为应力形式；极限状态法的荷载组合值则采用考虑分析安全系数的组合计算式，其检算式表现为荷载效应的形式。除此之外，还应结合施工情况进行必要的检算。如拱桥在施工过程中可能产生的单向水平推力，可使砌体强度和基底土的承载能力提高，使倾覆和滑动稳定性系数降低。
28、 6 兰州交通大学毕业设计（论文） 2. 桥墩的尺寸拟定 2.1 墩帽尺寸的拟定 2.1.1 墩帽的厚度 一般有支座的墩帽厚度都采0.5 m(因顶梁或维修需要的支承垫石加高部分不包括在内)；无支座的墩帽厚度可采用0.4 m。 2.1.2 墩帽的平面尺寸 支座底板的尺寸及位置是决定墩帽平面尺寸的主要依据。为此，应首先搞清楚梁的跨度、梁全长、梁梗中心线位置、支座底板尺寸及梁端缝隙的大小。此外，决定顶帽的平面尺寸时，还要考虑架梁和养护时移梁、顶梁的需要。 墩帽纵向宽度C如图2.1所示，可写为 Cc02c1c22c32c4 式中 c0考虑梁及墩台的施工误差设置的梁缝，对钢筋混凝土或预应力混凝土简 支梁
29、，当跨度L16 m时，c0=60 mm；L20 m时，c0=100 mm； c1支座中心至梁端的长度； c2支座底板的纵向宽度，根据梁的资料确定； c3支座底板边缘至支承垫石边缘的距离，一般为0.150.2 m，它是为了调 整施工误差和防止支承垫石表面劈裂或支座锚栓松动所需的距离； c4支承垫石边缘至墩帽边缘的距离，用以满足顶梁施工的需要，当跨度L 8 m，c4=0.15 m；8 mL20 m时，c4=0.25 m；L20 m时，c4=0.4 m。 矩形墩帽的横向尺寸B如图2.1所示，可写为 '' Bc5c22c32c4 式中 c5梁梗中心横向间距，采用标准设计的桥跨时，c5值
30、可自梁的技术参考表 中查出； ' c2支座底板的横向宽度； ' c4支承垫石边缘至墩帽边缘的横向距离，为了养护及架梁作业的需要，矩 ' 形墩帽的c4不应小于0.5 m；圆端形墩帽支承垫石角至墩帽最近边缘的最'小距离与纵向c4相同。 对于分片式钢筋混凝土梁及预应力混凝土梁分片架立时，考虑到第一片梁横向移梁的需要及保证施工、养护人员的安全作业，墩帽横向宽度一般应采用下列数值： 7 兰州交通大学毕业设计（论文） 跨度L8 m时不小于4 m； 跨度8 mL20 m时不小于5 m； 跨度L20 m时不小于6 m。 2.1.3 托盘 在墩帽纵、横向尺寸较大时，为使墩身尺寸不致因此过分增大而多用圬工，常在墩帽下设置托盘将纵、横向尺寸适当收缩，一般在横向收缩较多，纵向不收缩或少收缩。 托盘顶面的形状与桥墩截面形状有关，如矩形截面桥墩的托盘顶面仍是矩形，而圆形、圆端形桥墩则为圆端形。托盘顶面纵、横向尺寸就等于墩帽纵、横向尺寸减去两边飞檐的宽度。 托盘底面与墩身相接，其形状与墩身截面相同。为保证悬出部分的安全，铁路桥涵设计基本规范规定：托盘底面横向宽度不宜小于支座下底