双层存梁台座扩大基础.docx
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双层存梁台座扩大基础
石武客专石郑段(河北段)SZ-3标中铁四局永年制梁场
存梁台座设计
设 计:
复 核:
审 核:
中铁四局集团第二工程有限公司永年制梁场
2009年12月
存梁台座设计
1.设计计算依据
1.1.计算依据:
⑴招标文件及设计图纸
⑵永年制梁场平面布置图纸
⑶《石武客专石郑段(河北段)SZ-3标招标参考资料》
⑷永年制梁场勘探点布置图及工程地质柱状图
⑸《基础工程》(李克钏主编)
⑹《地基基础设计与计算》(人民交通出版社,朱浮声主编)
1.2.技术规范:
⑴《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89)
⑵《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)
⑶《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-85)
⑷《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)
⑸《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)
2、设计说明
2.1.地质资料
根据《石武客专石郑段(河北段)SZ-3标招标参考资料》及永年制梁场勘探点布置图及工程地质柱状图,制梁场基础地层变化较为平缓,场区为第四系全新统(Q4)地层,属冲积平原,地势较平坦,起伏很小,微地貌类型为缓平坡地,地貌类型单一。
其岩土分布规律及物理力学性质见下述。
拟建场地内主要岩性为耕填土、粉土、粘土和粉砂,根据初勘资料,自上而下共分为六层:
第一层(耕填土):
杂色,以粉土为主。
层厚0.30~0.50米,平均厚度0.4米,整个场区均有分布,该层力学性质较差,不作评价。
第二层(粉土):
浅黄色,稍密~中密,稍湿~湿,无摇震反映。
层厚4.10~4.90m,平均4.64m,整个场地均有分布。
压缩摸量Es=9.42Mpa,空隙比e=0.888,含水率W=20.4%,液性指数IL=0.43,标贯击数N=7.4,地基承载力特征值fak=120Kpa。
第三层(粉砂):
米黄色,稍密~中密,分选一般,可见云母碎片及暗色矿物。
层厚5.30~6.60米,平均5.86m,整个场区均有分布。
压缩摸量Es=19Mpa,空隙比e=0.55,含水率W=15%,标贯击数N=10.8,地基承载力特征值fak=140Kpa.
第四层(粉土):
浅灰色,中密~密实,湿,含少量钙质结核。
层厚0.70~3.00m,平均1.72m,整个场地均有分布。
压缩摸量Es=10.3Mpa,空隙比e=0.764,含水率W=22.4%,液性指数IL=0.55,标贯击数N=8.7,地基承载力特征值fak=130Kpa。
第五层(粘土):
灰色~黑色,可塑,局部夹杂贝壳和有机物杂质。
层厚5.20~6.00米,平均5.58m,整个场区均有分布。
压缩摸量Es=8.37Mpa,空隙比e=0.783,含水率W=31%,液性指数IL=0.5,标贯击数N=6.7,地基承载力特征值fak=130Kpa。
第六层(粉砂):
灰黄色,稍密~中密,分选一般~良好,可见云母碎片及暗色矿物。
该土层层底深度大于25.0米,层厚大于7米,整个场区均有分布。
标贯击数N=12.8,地基承载力特征值fak=160Kpa。
2.2.水文资料
存梁台座不考虑地下水位影响。
2.3.整体设计思路
32m箱梁基础设计:
从工程地质剖面图中看,相临地层变化较为平缓,地层承载力较好,压缩模量大。
单层存梁考虑用扩大基础;但因为考虑双层存梁,荷载较大,仅两片箱梁的重量已达1673t,通过综合比选,最终存梁台座预设计为扩大基础与钻孔灌注桩这两种结构形式。
3、设计参数选定
3.1箱梁简介
32m箱梁为新建300-350公里客运专线铁路设计使用,截面类型为单箱单室等高度简支箱梁,梁段顶板、底板及腹板局部向内侧加厚;梁顶宽12.2m,底宽5.5m,梁高3.078m。
梁体混凝土等级为C50混凝土,桥面系采用C40混凝土,预应力体系采用自锚式拉丝体系,
图3.1:
箱梁断面图(单位:
mm)
3.2施工荷载
双孔梁自重Q1:
8360*2=16720kN
施工荷载Q2:
80kN
则分布到四个存梁支点上的每个支点荷载N为:
(16720+80)/4=4200kN
3.3材料性能指标
(1)、C25砼:
抗拉强度标准值:
[ftk]=2Mpa
弯曲抗压强度标准值:
[fcm,k]=17Mpa
(2)、钢筋
I级钢筋:
,
II级钢筋:
,
4.双层层存梁台座设计
4.1方案一:
扩大基础结构形式
4.1.1 基础设计
采用MTstool软件进行设计,双层存梁台座采用双柱整体阶梯式扩大基础,其底部尺寸设为11.5m*6m,基础总高1.5m,每级台阶高度为0.5m,基础埋深1.5m。
将场内地质相关数据输入界面,每支点荷载为4200kN,恒载分项系数取1.2,人工配筋进行验算分析。
分析结果显示,除配筋率超出规范规定范围外,其余均满足要求。
因存梁台座为临时工程,且恒载稳定,只要地基承载力、抗弯、抗冲切、抗剪能力满足要求,基础是不是发生少筋破坏,故而,在确保安全的前提下,为减少施工设计成本,基础配筋设计时未按最少配筋率的要求进行配筋。
设计分析结果见附件:
独立基础验算计算书。
基础设计具体尺寸及其配筋见图4.1.1-1。
图4.1.1-1:
基础纵剖面及平面设计图
4.1.2 工程初步预算
经计算,扩大基础工程量及其费用如下:
表4.1.1-1:
单个扩大基础式存梁台座工程数量及费用初步预算
序号
项目
规格
单个基础
数量
一个存梁
台座数量
单位
综合单价
单项费用
(元)
总费用
(万元)
1
砼垫层
C15
6.9
13.89
m3
214.9
2984.9
5.3
2
基础砼
C25
62.0
124.00
m3
273.1
33866.9
3
钢筋
1.4
2.83
t
4097.0
11597.3
4
挖方
117.0
234.00
m3
15.0
3510.0
5
填方
51.5
103.00
m3
8.0
824.0
4.2方案二:
钻孔桩结构形式
4.2.1 桩型选择
桩顶轴向压力应符合下式:
r0N≤fcA
根据工程重要性,r0取1.0,fc为砼压强度设计值,桩体采用C25,则fc经修正后fc=11.9*0.8=9.52N/mm2,则:
fcA=9.52*0.785*106*10-3=7473kN>N=4200kN
轴心抗压强度满足要求,桩径采用直径1米可以。
4.2.2 承载力分析
根据地质条件,选择直径1.0m的磨擦型钻孔桩,施工方法采用旋挖钻法施工。
拟设的钻孔桩构造形式如图4.2.1.
图4.2.1:
箱梁钻孔桩相对位置图(单位:
mm)
根据建筑桩基技术规范JGJ94-94,桩基竖向承载力需符合下列要求:
r0N≤R=Qsk/rs+Qpk/rp=(u
/rs+qpkAp/rp)
根据工程重要性,r0取1.0,根据施工工艺,rs与rp均取1.67,上式即为:
N≤R=(u
+qpkAp)/1.67
拟设计桩长34m,桩径1.0m。
取地勘报告中ZK1孔号(此点靠近拟施工场地位置)数据进行计算分析,由上至下土分层厚度依次为:
耕植土0.4m,粉土层4.8m,粉砂层6.0m,粉土层1.4m,粘土层5.4m,粉砂层16m。
单桩竖向力为N=4200KN。
由表可以查得桩极限侧阻力和桩极限端阻力:
根据设计规范及场区勘察报告,各层qsk与qpk取值如下:
第一层:
耕植土,厚0.4m,qsk=20(kPa);qpk=0(kPa);
第二层:
粉土层,厚4.8m,qsk=40(kPa);qpk=1900(kPa);
第三层:
粉砂层,厚6.0m,qsk=42(kPa);qpk=2500(kPa);
第四层:
粉土层,厚1.4m,qsk=45(kPa);qpk=2300(kPa);
第五层:
粘土层,厚5.4m,qsk=48(kPa);qpk=2000(kPa);
第六层:
粉砂层,厚16m,qsk=50(kPa);qpk=3000(kPa);
故单桩竖向承载力值为:
R=(u
+qpkAp)/1.67
=[(3.14*1.0)*(20*0.4+40*4.8+42*6.0+45*1.4+48*5.4+50*16)+3000*3.14*1.02/4]/1.67
=4370.1kN>4200kN
符合设计双层存梁要求。
4.2.3 桩体配筋
桩基主筋配筋率设为0.3%,则As=785000*0.3%=2355.0mm2。
配置16D16钢筋,配置钢筋面积为As`=2411.5mm2,主筋间距为175mm。
根据L=4/a,钢筋笼主筋长度设置为8m(a=0.5)。
箍筋采用D8圆盘条,按200mm的间距进行配置,桩顶4m范围内加密,间距为100mm,钢筋笼每隔2m设置一道D16螺纹钢焊接加劲箍筋。
为加强桩体的整体性,在每端两桩体顶部设置一道截面为1m*1m,长4.5m的横系梁,并按构造配置D16螺纹钢筋。
4.2.4工程初步预算
经计算,钻孔桩式存梁台座工程量及其费用如下:
表4.2.4-1:
单个钻孔桩式存梁台座工程数量及费用初步预算
序号
项目
规格
单根桩
数量
一个存梁
台座数量
单位
综合单价
单项费用
(元)
总费用
(万元)
1
钻孔
D1m
34.00
136.00
m
210
28560
6.4
2
桩体砼
C25
31.64
126.56
m3
233
29488.853
3
钢筋
0.385
1.54
t
4097
6312.1206
5.方案比选
从以上两种方案中,工程费用钻孔桩式存梁台座费用大于扩大基础式施工的施工费用,且从施工难易程度及施工工期来分析,则扩大基础式存梁台座较容易、较快,质量也易于控制,再次从目前的存梁紧张,施工工期紧张上看,宜采用扩大基础式存梁台座。
附:
独立基础验算计算书
附件:
独立基础验算计算书
一.设计资料
1基本信息
验算依据:
建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)
混凝土结构设计规范(GB50010-2002)
钢结构设计规范(GB50017-2003)
建筑结构荷载规范(GB50009-2001)
连接柱子数目:
2个
连接柱子类型:
单肢混凝土柱
左柱X向尺寸:
Xc1=1000mm
左柱Y向尺寸:
Yc1=1000mm
右柱X向尺寸:
Xc2=1000mm
右柱Y向尺寸:
Yc2=1000mm
双柱中心间距:
4500mm
2地基信息
基础埋深:
d=1.5m
室内外地面高差:
Δd=0m
地基名称:
永年梁场
本地基现有3个土层
受力土层范围内没有地下水。
地基土层分布示意图如下:
地基土层具体信息列表如下:
序厚(m)Es(mPa)γ/γs(kN/m3)Fak(kPa)ζa参数参数
10.505.0018.00/19.0080.01.00ηb=0.0ηd=0.0
24.609.2518.00/19.00120.01.10ηb=0.3ηd=1.5
36.4019.0018.00/19.00140.01.10ηb=2.0ηd=3.0
3荷载信息
基顶荷载模式:
基本工况内力标准值
基础拉梁弯矩分担百分比:
η=0%
左柱基顶各工况荷载数值列表如下:
工况N(kN)Vx(kN)Vy(kN)Mx(kN·m)My(kN·m)
恒载4180.00.00.00.00.0
活载0.00.00.00.00.0
风载0.00.00.00.00.0
风载0.00.00.00.00.0
右柱基顶各工况荷载数值列表如下:
工况N(kN)Vx(kN)Vy(kN)Mx(kN·m)My(kN·m)
恒载4180.00.00.00.00.0
活载0.00.00.00.00.0
风载0.00.00.00.00.0
风载0.00.00.00.00.0
4基础信息
基础类型:
阶形基础
基础连接方式:
平台连接
基础阶数:
3阶
基础混凝土标号:
C25
基础尺寸示意图如下:
基础底面X向长度:
Bx1=11500mm
基础底面Y向长度:
By1=6000mm
基础第一台阶高度:
H1=500mm
基础二阶底面X向长度:
Bx2=9500mm
基础二阶底面Y向长度:
By2=4000mm
二阶底面X向左侧伸出柱边长度:
Bx21=2500mm
二阶底面Y向下侧伸出柱边长度:
By21=2000mm
基础第二台阶高度:
H2=500mm
基础X向伸出柱边长度:
Dx=1000mm
基础Y向伸出柱边长度:
Dy=500mm
基础第三台阶高度:
H3=500mm
5配筋信息
基础配筋示意图如下:
5.1基础底板配筋信息
基底有垫层,钢筋保护层厚度:
C=40mm
底板X向钢筋:
D12@100
X向钢筋每米面积:
Abx=11.31cm2
X向钢筋抗拉强度:
fbx=300N/mm2
底板Y向钢筋:
D12@100
Y向钢筋每米面积:
Aby=11.31cm2
Y向钢筋抗拉强度:
fby=300N/mm2
5.2基础顶板配筋信息
顶筋保护层厚度:
Cu=40mm
基础顶板钢筋:
Φ12@200
顶板钢筋每米面积:
Au=5.655cm2
顶板钢筋抗拉强度:
Fu=210N/mm2
二.验算结果一览
验算项验算工况数值限值结果
基底平均压力(kPa)D+L152最大163满足
基底最大压力(kPa)D+L152最大196满足
基底土层1承载力D+L388最小217满足
冲切应力比1.2D+1.4L0.40最大1.00满足
剪切应力比1.2D+1.4L0.60最大1.00满足
左柱下局压应力比1.2D+1.4L0.20最大1.00满足
右柱下局压应力比1.2D+1.4L0.20最大1.00满足
混凝土强度标号——C25最低C20满足
X向压区高度(mm)1.2D+1.4L85.5最大798满足
X向抗弯应力比1.2D+1.4L0.99最大1.00满足
Y向压区高度(mm)1.2D+1.4L34.5最大523满足
Y向抗弯应力比1.2D+1.4L0.81最大1.00满足
保护层厚度(mm)——40.0最小40.0满足
X向配筋率(%)——0.12最小0.15不满足
X向钢筋直径(mm)——12.0最小10.0满足
X向钢筋间距(mm)——100最小100满足
X向钢筋间距(mm)——100最大200满足
Y向配筋率(%)——0.10最小0.15不满足
Y向钢筋直径(mm)——12.0最小10.0满足
Y向钢筋间距(mm)——100最小100满足
Y向钢筋间距(mm)——100最大200满足
抗弯承载力[MPa]1.2D+1.4L0最小0满足
基底中心沉降(mm)D+0.5L38.5最大120满足
基础倾斜值(%)D+0.5L0最大0.40满足
三.地基承载力验算
1地基承载力特征值计算
基础覆土的加权平均重度:
γm=(18×0.5+18×1)/1.5=18kN/m3
基底处土层重度:
γ=18kN/m3
地基承载力特征值:
fa=fak+ηbγ*(b-3)+ηd*γm*(d-0.5)
=120+0.3×18×(6-3)+1.5×18×(1.5-0.5)
=163.2kPa
地基抗震承载力特征值:
faE=ζa*fa=163.2×1.1=179.52kPa
2基础和回填土总重标准值计算
基底以上总体积:
V=L*B*(d-Δd)=11500×6000×(1.5-0×0.5)×10-6=103.5m3
基础体积:
Vc=37.25m3
基础与回填土总重标准值:
Gk=(V-Vc)*γm+Vc*ρc*g
=[(103.5-37.25)×1.8e-005+37.25×2.5e-005]×106=2123.75kN
3地基承载力验算
控制工况:
D+L
工况内力:
N=8360kN;Vx=0kN;Vy=0kN;Mx=0kN*m;My=0kN·m
基底作用力标准值计算:
基础总高度:
H=1500mm
柱子中心对基底X向偏心:
Ex=0mm
柱子中心对基底Y向偏心:
Ey=0mm
基底竖向力值:
Fk=N=8360kN
基底竖向合力值:
Fk+Gk=8360+2123.75=10483.75kN
基底X向力矩值:
Mxk=(Mx-Vy*H-N*Ey)*(1-η)
=(0-0×1500×10-3-8360×0×10-3)×(1-0)=0kN·m
基底Y向力矩值:
Myk=(My+Vx*H-N*Ex)*(1-η)
=(0-0×1500×10-3-8360×0×10-3)×(1-0)=0kN·m
D+L工况下基底压力分布图(kPa)如下
基底平均压力值:
Pk=(Fk+Gk)/A=10483.75/690000×104=151.938kPa≤163.2,满足
基底最大压力值:
Pkmax=(Fk+Gk)/A+|Myk|/Wy
=10483.75/690000×104+0/132250000×106
=151.938kPa≤195.84,满足
4基础下卧土层承载力验算
基础底面处土的自重压力值:
pc=γm*d=18×1.5=27kPa
基底下第1个下卧层承载力验算
土层顶面到地面的距离:
dz=5.1m
下卧层顶面到基础底面距离:
z=3.6m
z/b=3.6/6=0.6
Es1/Es2=9.25/19=0.4868
查地基规范(GB50007-2002)表5.2.7,得地基压力扩散角:
θ=0°
土层顶面处土的附加压力值:
pz=b*l*(pk-pc)/(b+2*z*tanθ)/(l+2*z*tanθ)
=6×11.5×(151.938-27)/(6+2×3.6×0)/(11.5+2×3.6×0)
=124.938kPa
土层顶面以上土的加权平均重度:
γmz=(18×0.5+18×1+18×3.6)/5.1=18kN/m3
土层顶面处土的自重压力值:
pcz=γm*dz=18×5.1=91.8kPa
土层顶面处土的压力值:
pz+pcz=124.938+91.8=216.738kPa
土层承载力特征值:
fakz=140kPa
承载力深度修正系数:
ηdz=3
经深度修正后的土层承载力特征值:
faz=fak+ηdz*(dz-0.5)*γm=140+3×(5.1-0.5)×18=388.4kPa
第1个土层压力值:
pz+pcz=124.938+91.8=216.738kPa
第1个土层承载力特征值:
faz=388.4≥216.738,满足
四.基础抗冲切验算
控制工况:
1.2D+1.4L
工况内力:
N=10032kN;Vx=0kN;Vy=0kN;Mx=0kN*m;My=0kN·m
基底作用力计算:
基础与覆土自重设计值:
G=(2123.75+0)×1.2-0=2548.5kN
基底竖向力值:
Fd=N+G=10032+2548.5=12580.5kN
基底X向力矩值:
Mxd=(0-0×1500×10-3-10032×0×10-3)×(1-0)=0kN·m
基底Y向力矩值:
Myd=(0-0×1500×10-3-10032×0×10-3)×(1-0)=0kN·m
1.2D+1.4L工况下基底压力分布图(kPa)如下
基础的最大冲切应力出现在基础X向右侧第3阶处
冲切锥体抗冲切承载力计算:
基础第3阶有效高度:
h0=1500-40-10=1450mm
βh=1-(h0-800)/12000=1-(1450-800)/12000=0.9417
冲切破坏锥体上边长:
bt=1000mm
冲切破坏锥体下边长:
bb=3900mm
冲切破坏锥体中边长:
bm=(bb+bt)*0.5=(3900+1000)×0.5=2450mm
抗冲切承载力:
Fh=0.7*βh*bm*H0*ft=0.7×0.9417×2450×1450×1.27×10-3=2973.946kN
冲切验算取用的基底呈梯形分布,区域内地基净压力分布图(kPa)如下
冲切梯形下宽:
l=6000mm
冲切梯形上宽:
ar=3900mm
冲切梯形高度:
h=1550mm
梯形上边到基础下边距离:
a1=1050mm
梯形上边到基础上边距离:
a2=1050mm
基底冲切压力值:
Fl=1191.848kN≤2973.946kN,满足
按保守简化方法(均布最大净反力)计算的冲切压力为:
冲切作用基底面积:
Al=l*h-(a12+a22)/2=[6000×1550-(10502+10502)/2]×10-2=81975cm2
冲切压力值:
Fl=Al*(pmax-G/A)=81975×(182.326-36.935)×10-4=1191.845kN≤2973.946kN,满足
五.基础抗剪切验算
控制工况:
1.2D+1.4L
基底作用力和净压力分布同冲切验算时,详见冲切验算
基础的最大剪切应力出现在基础X向右侧第3阶处
基础第3阶有效高度:
h0=1500-40-10=1450mm
βh=(800/h0)0.25=(800/1450)0.25=0.8618
基础第3阶抗剪切面面积为:
Av=(6000×450+4000×500+2000×500)×10-6=5.7m2
抗剪切承载力:
Fv=0.7*βh*Av*ft=0.7×0.8618×5.7×1.27×103=4367.241kN
基底剪切矩形内地基净压力分布图(kPa)如下
基底剪切矩形宽度:
l=6000mm
基底剪切矩形高度:
h=3000mm
经积分计算,剪切压力值:
Fl=2617.043kN≤4367.241kN,满足
按保守简化方法(均布最大净反力)计算的剪切压力:
剪切作用基底面积:
Al=l*h=6000×3000×10-2=180000cm2
剪切压力值:
Fl=Al*(pmax-G/A)=180000×(182.326-36.935)×10-4=2617.043kN≤4367.241kN,满足
六.控制工况下基础局部受压验算
按素混凝土验算柱下基础混凝土的局部受压
考
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