第5篇桥梁墩台ppt课件.ppt

,第五篇 桥梁墩台,第一章 桥梁墩台的设计和构造,第二章 桥梁墩台计算,思考题,第一章 桥梁墩台的设计和构造,第一节 概 述,桥梁墩（台）主要由墩（台）帽、墩（台）身和基础三部分组成（图5-1-1）。,梁的自重及梁所承受的荷载，通过桥台、桥墩传给地基。,第一章 第一节 概述,近年来，国内外的城市桥梁中，涌现出丰富多彩的构造形式，这些有：（1）单柱式墩（图5-1-2a），其截面可以是圆形、矩形、多角形等，这种桥墩的外貌轻盈，视空开阔，造价经济；（2）多柱式墩（图5-1-2b），其柱顶各自直接支撑上部结构的箱梁底板，柱间不设横系梁，显得挺拔有力，干净利落；,第一章 第一节 概述,图 5-1-2 各种轻型桥墩形式,（3）矩形薄壁墩（图5-1-2d，e），这种墩常将表面作成纹理（竖向或横向纹理），从而收到美观的效果；（4）双叉形（图5-1-2g）和四叉形（图5-1-2h）；（5）T形、V形和X形（图5-1-2c、f、i）等，这些型式除满足结构受力的要求外，都是为了达到造型美观的目的。公路桥梁上常用的墩、台形式大体上可以归纳为两大类：梁桥墩台和拱桥墩台。,第一章 第一节 概述,图 5-1-2 各种轻型桥墩形式,图 5-1-2 各种轻型桥墩形式,第一章 第一节 概述,第二节 梁 桥 墩 台,梁桥墩台从总体上可分为两种：一种是重力式墩台。这类墩、台的主要特点是靠自身重量来平衡外力而保持其稳定。因此，墩身、台身比较厚实，可以不用钢筋，而用天然石材或片石混凝土砌筑。它适用于地基良好的大、中型桥梁，或流冰、漂浮物较多的河流中。在砂石料方便的地区，小桥也往往采用重力式墩、台。其主要缺点是圬工体积较大，因而其自重和阻水面积也较大。,第一章 第二节 梁桥墩台,另一种是轻型墩台。一般说来，这类墩台的刚度小，受力后允许在一定的范围内发生弹性变形，所用的建筑材料大都以钢筋混凝土和少筋混凝土为主，但也有一些轻型墩台，通过验算后可以用石料砌筑。,第一章 第二节 梁桥墩台,一、梁桥桥墩,桥墩按其构造可分为实体桥墩、空心桥墩、柱式排架桩墩、柔性墩和框架墩等五种类型。按墩身横截面形状可分为矩形、圆形、圆端形、尖端形和各种空心墩，如图5-1-3所示。,第一章 第二节 梁桥墩台,图 5-1-3 桥墩类型 a)空心墩 b）实心墩,（一）实体桥墩,实体桥墩是由一个实体结构组成。按其截面尺寸和桥墩重量的不同又可分为实体重力式桥墩(图5-1-5)和实体薄壁式桥墩（墙式桥墩）（图5-1-6）。它们由墩帽、墩身和基础构成。,第一章 第二节 梁桥墩台,图 5-1-5 实体重力式桥墩 图 5-1-6 实体薄壁桥墩,1.顺桥向墩帽最小宽度b,(1)双排支座,如图5-1-7所示，b为：,式中：f相邻两跨支座间的中心距；,e0 伸缩缝宽，中小桥为2cm5cm；大跨径桥梁可按温度变化及施工放样、安装构件可能出现的误差等决定；温度变化引起的变位为：,第一章 第二节 梁桥墩台,其中：l桥跨的计算长度（因桥梁的分孔、联长、固定支座与活动支座布置不同而不同）；温度变化幅度值，可采用当地最高和最低月平均气温及桥跨浇筑完成时的温度计算决定；材料的线膨胀系数，钢筋混凝土构造物为110-5；、桥跨结构过支座中心线的长度；a、桥跨结构支座顺桥向宽度；c1顺桥向支座边缘至墩身边缘的最小距离，见表5-1-1及图5-1-8；c2檐口宽度，5cm10cm。,第一章 第二节 梁桥墩台,（2）单排支座,当墩上仅有一排支座时（如连续梁桥），则b可由下式计算（图5-1-8和图5-1-9）：,图 5-1-8 C值的确定（单位：cm）,图 5-1-9 单排支座墩帽尺寸图,第一章 第二节 梁桥墩台,（3）不等高梁双排支座,如图5-1-10所示，这时左边（低梁端）宽度应按单排支座墩宽进行设计，而右边（高梁端）应按桥台台帽宽度进行设计。,5-1-10 不等高梁桥墩帽尺寸,第一章 第二节 梁桥墩台,2.横桥向墩帽最小宽度B,图 5-1-11 多片主梁墩帽横桥向尺寸,第一章 第二节 梁桥墩台,（1）多片主梁（图5-1-11）B=桥跨结构两外侧主梁中心距（B1）+支座底板横向宽度（a1）+2c2+2c1。,（2）箱形梁（图5-1-12）B=B1（两边支座中心距）+a1+2c1+2c2,图 5-1-12 箱形梁墩帽横桥向尺寸,第一章 第二节 梁桥墩台,（二）空心桥墩,在一些高大的桥墩中，为了减少圬工体积，节约材料，减轻自重，减少软弱地基的负荷，也可将墩身内部做成空腔体、即所谓空心桥墩。这种桥墩在外形上与实体重力式桥墩并无大的差别，只是自重较实体重力式的轻，因此，它介于重力式桥墩和轻型桥墩之间。几种常见的空心桥墩如图5-1-14、5-1-15、5-1-16所示。,第一章 第二节 梁桥墩台,（三）柱式桥墩,柱式桥墩的结构特点是由分离的两根或多根立柱（或桩柱）所组成。它的外型美观，圬工体积少，因此是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩型式之一，特别是在较宽较大的城市桥和立交桥中。,图 5-1-17 柱式桥墩（a）单柱式；（b）双柱式；（c）哑铃式；（d）混合双柱式,第一章 第二节 梁桥墩台,（四）柔性排架桩墩,柔性排架桩墩（图5-1-18）是由单排或双排的钢筋混凝土桩与钢筋混凝土盖梁连接而成。其主要特点是，可以通过一些构造措施，将上部结构传来的水平力（制动力、温度影响力等）传递到全桥的各个柔性墩台，或相邻的刚性墩台上，以减少单个柔性墩所受到的水平力，从而达到减小桩墩截面的目的。因此，柔性墩可以为单排桩墩、柱式墩或其它薄壁式桥墩。,图 5-1-18 柔性排架桩墩,第一章 第二节 梁桥墩台,（五）框架墩,框架墩是采用由构件组成的平面框架代替墩身，以支承上部结构，必要时可做成双层或更多层的框架支承上部结构，这类较空心墩更进一步的轻型结构，是以钢筋混凝土和预应力混凝土建成受力体系。还这些桥墩在同样跨越能力情况下缩短梁的跨径、降低梁高，使结构轻巧美观，但结构构造比较复杂、施工比较麻烦。图5-1-20示出了连续梁桥采用V形墩的构造，,第一章 第二节 梁桥墩台,图 5-1-20 连续梁桥采用V型框架墩 图 5-1-21 V型框架墩横断面,图 5-1-22 Y型框架墩,第一章 第二节 梁桥墩台,图5-1-21为一V形框架墩的横断面示意图。图5-1-22示出了连续梁桥采用Y形墩的构造。,二、梁桥桥台,梁桥桥台可分为重力式桥台和轻型桥台。除了这两种外，还有组合式桥台和承拉桥台。,第一章 第二节 梁桥墩台,（一）重力式桥台,重力式桥台的常用型式是U型桥台，它由台帽、台身和基础等三部分组成。台后的土压力主要靠自重来平衡，故桥台本身多数由石砌、片石混凝土或混凝土等圬工材料建造，并用就地浇筑的方法施工。,U型桥台因其台身由前墙和两个侧墙构成的U字型结构而得名。优点：构造简单，适用于填土高度在8至10m以下或跨度稍大的桥梁；缺点：体积和自重大，对地基要求高。,第一章 第二节 梁桥墩台,重力式桥台,第一章 第二节 梁桥墩台,（二）轻型桥台,轻型桥台的体积轻巧、自重较小，一般由钢筋混凝土材料建造，它借助结构物的整体刚度和材料强度承受外力，从而可节省材料，降低对地基强度的要求和扩大应用范围，为在软土地基上修建桥台开辟了经济可行的途径。,设有支撑梁的轻型桥台,埋置式桥台,加筋混凝土桥台,第一章 第二节 梁桥墩台,1、设有支撑梁的轻型桥台,台身为直立的薄壁墙，台身两侧有翼墙（用于挡土）。在两桥台下部设置钢筋混凝土支撑梁，上部结构与桥台通过锚栓连接，于是便构成四铰框架结构系统，并借助两端台后的土压力来保持稳定。,第一章 第二节 梁桥墩台,2、钢筋混凝土薄壁桥台,钢筋混凝土薄壁桥台由扶壁式挡土墙和两侧的薄壁侧墙构成。,这种桥台不仅可以减少圬工体积40%50%，同时因自重减轻而减小了对地基的压力。故适用于软弱地基的条件，但其构造和施工比较复杂，并且钢筋用量多。,第一章 第二节 梁桥墩台,3、加筋土桥台,竖向面板后填料的主动土压力作用到面板上，再通过拉杆将该力传递给锚定板，而锚定板则依靠位于板前且具有一定抗剪能力的土体所产生的拉拔力来平衡拉杆拉力，使整个结构处于稳定状态。,第一章 第二节 梁桥墩台,4、埋置式桥台,台身后倾，使重心落在基底截面的形心之后以平衡台后填土的倾覆力矩。,后倾式桥台,肋形式桥台,第一章 第二节 梁桥墩台,埋置式桥台的共同缺点是，由于护坡伸入到桥孔，压缩了河道，或者为了不压缩河道，就要适当增加桥长。,框架式桥台结构本身存在着斜杆，能够产生水平分力以平衡土压力，加之基底较宽，又通过系梁联成一个框架体，所以稳定性较好。,框架式桥台,双柱式桥台,第一章 第二节 梁桥墩台,桥台本身主要承受桥跨结构传来的竖向力和水平力。台后的土压力由其他结构来承受，形成组合式的桥台。,桥台由轻型桥台支承上部结构，台后设挡土墙承受压力的组合式桥台。,框架式桥台,桥台与挡土墙组合式桥台,（三）、组合式桥台,第一章 第二节 梁桥墩台,（四）承拉桥台,在梁桥中，根据受力的需要，要求桥台具有承压和承拉的功能，在桥台构造和设计中，必须满足受力要求。,第一章 第二节 梁桥墩台,第三节 拱 桥 墩 台,拱桥墩台同梁桥墩台一样，也分为两大类型，一类是重力式墩台，另一类是轻型墩台，其作用原理与梁桥墩台大致相同。,第一章 第三节 拱桥墩台,一、拱桥桥墩,（一）重力式桥墩,第一章 第三节 拱桥墩台,普 通 墩,拱桥桥墩可以分为普通墩和单向推力墩两种。普通墩:除了承受相邻两跨结构传来的垂直反力外，一般不承受恒载水平推力，或者当相邻孔不同时只承受经过相互抵消后尚余的不平衡推力。,单向推力墩,第一章 第三节 拱桥墩台,单向推力墩又称制动墩，它的主要作用是：在它的一侧的桥孔因某种原因遭到毁坏时，能承受住单侧拱的恒载水平推力，以保证其另一侧的拱桥不致遭到倾坍。当施工时为了拱架的多次周转，或者当缆索吊装设计的工作跨径受到限制时为了能按桥台与某墩之间或者按某两个桥墩之间作为一个施工段进行分段施工，在此情况下也要设置能承受部分恒载单向推力的制动墩。,（二）轻型桥墩,1.柱式桥墩,拱桥桥墩上所用的轻型桥墩，一般为配合钻孔灌注桩基础的桩柱式桥墩.从外形上看，它与梁桥上的桩柱式桥墩非常相似。主要差别是：在梁桥墩帽上设置支座，而在拱桥墩顶部分则设置拱座。,第一章 第三节 拱桥墩台,2、斜撑墩,在采用轻型桥墩的多孔拱桥中，每隔35孔应设单向推力墩。当桥墩较矮或单向推力不大时，可采用轻型的单向推力墩。特点:在普通墩的墩柱上，从两侧对称地增设钢筋混凝土斜撑和水平拉杆，用来提高抵抗水平推力的能力.优点:阻水面积小，并可节约圬工体积。为了提高构件的抗裂性，可以采用预应力混凝土结构。,第一章 第三节 拱桥墩台,3.悬臂墩,在桩柱式墩上加一对悬臂，拱脚支承在悬臂端。当一孔坍塌时，邻孔恒载单向推力对桩柱身产生的弯矩，被恒载竖直反力产生的反向弯矩抵消一部分，从而减小桩柱身的弯矩，而能够承受拱的单向恒载推力。,第一章 第三节 拱桥墩台,二、拱桥桥台,拱桥桥台要承受来自拱圈的推力、竖向力及弯矩，又要承受台后土的侧压力，从尺寸上看，拱桥桥台一般较梁桥要大。根据桥址具体条件可选用不同的构造型式，可分为重力式桥台、轻型桥台、组合式桥台、空腹式桥台和齿槛式桥台等。,重力式桥台,轻型桥台,第一章 第三节 拱桥墩台,组合式桥台,齿槛式桥台,空腹式桥台,第一章 第三节 拱桥墩台,（一）重力式桥台,常用的重力式桥台为U型桥台（图5-1-40），它由台帽、台身和基础三部分组成。U型桥台的台身是由前墙和平行于行车方向的两侧翼墙构成，其水平截面呈U字型。U型桥台常采用锥形护坡与路堤连接，锥坡的坡度根据坡高、地形等确定。U型桥台的优缺点与梁式桥中的U型桥台相同，在结构构造上除在台帽部分有所差别外，其余部分也基本相同。,第一章 第三节 拱桥墩台,（二）轻型桥台,八字形,U型桥台,工作原理:当桥台受到拱的推力后，便发生绕基底形心轴而向路堤方向的转动，此时台后的土便产生抗力来平衡拱的推力，由于土参与提供部分抗力，从而使桥台的尺寸大大地小于实体重力式桥台。必须验算由于拱脚位移而在拱圈内产生的不利附加内力的影响。注意保证台后的填土质量，并做好台后填土的防护工作。,第一章 第三节 拱桥墩台,背撑式桥台,第一章 第三节 拱桥墩台,（三）组合式桥台,组合式桥台由台身和后座两部分组成。台身基础承受竖向力，一般采用桩基或沉井基础；拱的水平推力则主要由后座基底的摩阻力及台后的土侧压力来平衡。,第一章 第三节 拱桥墩台,（四）齿槛式桥台,结构特点：基底面积较大，可以支承一定的垂直压力；底板下的齿槛可以增加摩擦和抗滑的稳定性；台背做成斜挡板，利用它背面的原状土和前墙背面的新填土，共同平衡拱的水平推力；前墙与后墙板之间的撑墙可以提高结构的刚度；齿槛的宽度和深度一般不小于50cm。这种桥台适用于软土地基和路堤较低的中小跨径拱桥。,第一章 第三节 拱桥墩台,（五）空腹式桥台,空腹式桥台:前墙、后墙、基础板和撑墙等部分组成。前墙承受拱圈传来的荷载，后墙支承台后的土压力。在前后墙之间设置撑墙34道，作为传力构件，并对后墙起到扶壁，对基础板起到加劲作用。,第一章 第三节 拱桥墩台,第四节 桥墩防撞设计要点,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,事故频发（货船）,美国阳光大桥，35,000DWT空载货船,1980年，366m桥梁坍塌，35人丧生,第四节 桥墩防撞设计要点,一、防船撞设计的基本策略,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,1、避让策略,对于特别重要的桥梁或有条件增大跨径的桥梁（增大跨径的成本通常小于设置防撞设施），或者通航船舶吨位非常大的情况下，可采用避让（隔离桥墩与船舶）的策略。可采用一跨过江的形式，从根本上规避船撞桥墩的风险。,新旧特荣桥结构布置示意图(尺寸单位为：cm),改变桥跨位置，规避风险,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,2、约束通航条件（速度）策略,通过降低通航船舶的过桥速度，可以有效地降低船舶偏航的概率，减小偏航船舶的碰撞能量，进而减小船撞下桥墩破坏的概率。,瑞典新旧特荣桥的改变,是采用避让策略进行桥墩防船撞设计的典型案例。旧特荣桥为主跨278m的钢管肋拱桥,1981年1月,一艘数千吨的荷兰籍货轮偏航后碰撞了大桥的钢管拱,致使主要受力结构钢管拱破坏,上部结构坍塌。新桥采用斜拉桥体系,主跨增大至366m,使桥墩位于岸坡上,从根本上避免了船舶撞击桥墩的风险。,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,3、设置防撞设施的策略,通常情况下，防撞措施可分为导航性质的主动设施和物理防护的被动措施两大类。,根据物理的防撞措施与桥梁结构在空间上的布置关系，防撞设施可分为两大类，一类是与被保护的桥梁结构分离的独立式防撞结构，如重力式防撞墩、桩承式防撞结构和浮式防撞系统等；另一类是与桥梁结构相连的附着式防撞结构，如橡胶、木结构、混凝土结构或钢结构组成的防护系统以及人工岛等。,阿根廷Zarate-Brazo Largo 大桥，25,000 DWT,浮式防撞系统,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,4、桥墩自身抗撞策略,对于桥墩具有较大抗撞能力或通航船舶吨位较小的情况下，可采用桥墩自身抗撞策略，在桥位水文地质条件较好的情况下，也可以通过增加桩基数目或采用斜桩等来提高桥梁下部结构的整体防撞能力。,Helgeland Bridge,Norway Helgeland Bridge,Norway,Helgeland Bridge,construction of solid foundations,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,二、桥墩防撞设施简介,桥墩防撞设施特点及适用范围 表5-1-2,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,由表5-1-2可知目前运用较为广泛的防护设施为：钢结构护舷（又称钢套箱）桩承防撞结构、重力式防撞墩以及人工岛等。,国外主要选用耗能可靠性较高、偏于保守的独立防撞结构（如桩承防撞结构、重力式防撞墩和人工岛等）。,Rhine Bridge Kehl,Germany,Side Span Protection,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,三、抗撞桥墩设计要点,相比采用其他防撞策略而言，采用自身抗撞策略时需要更为重视桥墩的防撞设计，确保桥墩在船撞下的安全性。通常，在设计抗撞桥墩时需考虑如下要点：（1）不仅是航道两侧的桥墩需进行防撞设计，位于通航水域内的其他桥墩也需要进行必要的防撞设计，可采用船撞风险分析方法进行设计。（2）选择合理的桥墩或下部结构形式!使其具有较大的抗冲击能力。（3）合理选择承台的位置。（4）为了保证桥墩船撞下的安全性，需从整体稳定性和局部承载力两个方面进行计算。,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,图5-1-48 美国新阳光大道桥重力式防撞墩（高程单位：m)a)阳光大道桥 b)重力式防撞墩 c)重力式防撞墩构造,第二章 第四节 桥墩防撞设计要点,桥位和桥轴线选择应考虑船舶航行安全，并满足下列要求：（1）考虑桥位上、下游航道和港口规划与发展；（2）桥位应在航道顺直，水文地质条件稳定的航段上；（3）桥位应避开汊道、险滩、分流口、汇流口、港口作业区、锚地等；（4）桥梁墩台沿水流方向的轴线应与最高通航水位时的主流方向一致；当斜交不能避免时，交角不宜大于5；当交角大于5 时应增大通航跨径，计算公式如下,四、桥墩位置和桥轴线选择的基本要求,式中:相应于计算水文的墩(台)边缘之间的净距(m)通航要求的有效跨径(m)墩(台)的长度(m)垂直于水流方向与桥纵轴线间的交角(),E N D,第二章 桥梁墩台计算,第一节 作用及其效应组合,一、桥墩计算中的作用,（一）永久作用,1.上部构造的恒重对墩帽或拱座产生的支承反力，包括上部构造混凝土收缩、徐变影响；2.桥墩自重，包括在基础襟边上的土重；3.预应力，例如对装配式预应力空心桥墩所施加的预应力；4.基础变位影响力。5.水的浮力。,第二章 第一节 作用及其效应组合,（二）可变作用,1、作用在上部结构上的汽车荷载，对于钢筋混凝土柱式墩应计入冲击力，对于重力式墩台则不计冲击力；2、人群荷载；3、作用在上部结构和墩身上的纵、横向风力；4、汽车荷载引起的制动力；5、作用在墩身上的流水压力；6、作用在墩身上的冰压力；7、上部结构因温度变化对桥墩产生的水平力；8、支座摩阻力。,第二章 第一节 作用及其效应组合,（三）偶然作用,作用在墩身上的船只、漂浮物或车辆的撞击力。,二、作用效应组合,为了找到控制设计的最不利组合，通常需要对各种可能的组合分别进行计算，并且在对汽车荷载作用效应计算时还需按纵向及横向的最不利位置布载。在桥墩计算中，一般需验算墩身截面的承载能力、墩身截面上的合力偏心距及其稳定性。为此需根据不同的验算内容选择各种可能的最不利作用效应组合。下面将分别叙述梁桥和拱桥桥墩可能出现的组合。,第二章 第一节 作用及其效应组合,（四）地震作用,（一）梁桥重力式桥墩,第一种组合：按桥墩各截面上可能产生的最大竖向力的情况进行组合。,第二种组合：按桥墩各截面在顺桥方向上可能产生的最大偏心和最大弯矩的情况进行组合。,第三种组合：按桥墩各截面在横桥方向可能产生最大偏心和最大弯矩的情况进行组合。,图 5-2-1 桥墩上纵向布载情况 图5-2-2 桥墩上横向布载情况,第二章 第一节 作用及其效应组合,（二）拱桥重力式桥墩,1.顺桥方向的作用及其效应组合,对于普通桥墩应为相邻两孔的永久作用，在一孔或跨径较大的一孔满布汽车车道荷载和人群荷载，其它可变作用中的汽车制动力、纵向风力、温度影响力等，并由此对桥墩产生不平衡水平推力、竖向力和弯矩（图5-2-3a）。对于单向推力墩则只考虑相邻两孔中跨径较大一孔的永久作用效应。,图 5-2-3 不等跨拱桥桥墩受力情况,第二章 第一节 作用及其效应组合,2.横桥向的作用及其效应组合,在横桥方向作用于桥墩上的外力有风力、流水压力、冰压力、船只或漂浮物撞击力、或地震力等。但是对于公路桥梁，横桥方向的受力验算一般不控制设计。以上所述的各种作用效应组合是对重力式桥墩而言的，对于其它型式的桥墩，则要根据它们的构造和受力特点进行具体分析，然后参照上述的一般原则，进行个别的作用效应组合。这里要提出注意的是：,第二章 第一节 作用及其效应组合,第二章 第一节 作用及其效应组合,第一，不论对于哪一种形式的桥墩，均应按承载能力极限状态的设计要求，进行作用效应的组合。第二，桥规1中还规定，有些可变作用实际上不可能同时出现或是同时参与组合的概率比较小，不应同时考虑其作用效应的组合。,第二节 重力式桥墩计算与验算,对于梁桥和拱桥重力式桥墩的计算，虽然在作用效应组合的内容上稍有不同，但是就某个截面而言，这些外力都可以合成为竖向和水平方向的合力（用N和H表示）以及绕该截面xx轴和yy轴的弯矩（用Mx和My表示），如图5-2-4所示。因此，它们的验算内容和计算方法基本相同。下面将叙述重力式桥墩的一般计算程序。,图 5-2-4 墩身底截面强度验算,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,一、截面承载能力极限状态验算,重力式桥墩主要用圬工材料建造，一般为偏心受压构件，结构采用以概率论为基础的极限状态设计方法，采用分项系数的设计表达式进行计算，在不利作用效应组合下，桥墩各控制截面的作用效应设计值应小于或等于结构的抗力效应设计值，以方程表示为：,式中各符号的意义及取值见桥规2式（4.0.4）。,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,墩台截面的强度验算包括下列各项内容：（一）验算截面的选取验算截面通常选取墩身的基础顶面与墩身截面突变处。对于悬臂式墩帽的墩身，应对与墩帽交界的墩身截面进行验算。（二）验算截面的内力计算按照各种组合分别对各验算截面计算其竖向力、水平力和弯矩（顺桥向和横桥向），得到相应的纵向力N、水平力H和弯矩M。（三）承载能力极限状态验算按轴心或偏心受压构件验算墩身各截面的承载能力。对于砌体截面，承载力验算应按桥规2第4.0.5条至第4.0.7条和第4.0.9与第4.0.10条的规定计算；对于混凝土截面，其承载力验算应按桥规2第4.0.8条至第4.0.10条的规定计算。如果不满足要求时，就应修改墩身截面尺寸、重新验算。,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,（四）截面偏心验算,桥墩承受偏心受压荷载时，各验算截面在各种组合下的偏心距 均不应超过桥规2表4.0.9的限值。如果超过时，可按下式确定截面尺寸：,式中各符号的意义及取值见桥规2第4.0.10条。,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,（五）直接抗剪验算,当拱桥相邻两孔的推力不相等时，要验算拱座截面的抗剪强度，按下式计算：,式中各符号的意义及取值见桥规【2】中第4.0.13条的规定。,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,二、桥墩的稳定性验算,（一）抗倾覆稳定性验算,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,即：,上述方程左边第一项为稳定力矩，第二项为倾覆力矩。由此可见，抵抗倾覆的稳定系数可按下式验算：,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,式中：稳定力矩；倾覆力矩；不考虑其分项系数和组合系数的作用标准值组合或偶然作用（地震除外）标准值组合引起的竖向力（kN）；竖向力Pi对验算截面重心的力臂（m）；不考虑其分项系数和组合系数的作用标准值组合或偶然作用（地震除外）标准值组合引起的水平力（kN）；s 在截面重心至合力作用点的延长线上，自截面重心至验算倾覆轴的距离（m）；所有外力的合力R在验算截面的作用点对基底重心的偏心距；hi 水平力对验算截面的力矩。,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,（二）抗滑动稳定性验算,抵抗滑动的稳定系数Kc，按下式验算：,式中：各竖向力的总和（包括水的浮力）；抗滑稳定水平力总和；滑动水平力总和；基础底面（圬工）与地基土之间的摩擦系数，若无实测值时可参照表5-2-1选取。,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,三、相邻墩台均匀沉降差,当墩台建筑在地质情况复杂，土质不均匀及承载力较差的地基上，以及相邻跨径差别悬殊而需计算沉降差或跨线桥净高需预先考虑沉降量时，均应计算其沉降。对于座落在多层土上的墩台基础，其最终沉降量可用分层总和法计算。桥规【2】规定相邻墩台均匀沉降差（不包括施工中的沉降），不应使桥面形成大于2的纵坡。对于超静定结构，桥梁墩台间的均匀沉降差除应满足桥面纵坡要求，还应满足结构的受力要求。,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,四、基础底面土的承载力和偏心距验算,（一）基底土的承载力验算,当设置在基岩上的桥墩基底的合力偏心距超出核心半径时，其基底的一边将会出现拉应力，由于不考虑基底承受拉应力，故需按基底应力重分布（图5-2-6）重新验算基底最大压应力，其验算公式如下：,顺桥方向:,横桥方向:,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,式中：应力重分布后基底最大压应力；N作用于基础底面合力的竖向分力；a、b横桥方向和顺桥方向基础底面积的边长；地基承载力容许值抗力系数，根据地基不同的受荷阶段，取；计入基底埋置深度影响的修正后地基承载力容许值；cx顺桥方向验算时，基底受压面积在顺桥方向的长度，即；cy横桥方向验算时，基底受压面积在横桥方向的长度，即；其中：ex、ey合力在x轴和y轴方向的偏心距。,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,（二）基底偏心距验算,为了使恒载基底应力分布比较均匀，防止基底最大压应力max与最小压应力min相差过大，导致基底产生不均匀沉陷和影响桥墩的正常使用，故在设计时，应对基底合力偏心距加以限制，在基础纵向和横向，其计算的荷载偏心距e0应满足表5-2-3的要求。,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,表中：,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,第二章 第二节 重力式桥墩计算与验算,其中-墩台基础底面的核心半径；-墩台基础底面的截面模量；-墩台基础底面的面积；-作用于基础底面合力的竖向分力；-作用于墩力和竖向力对基底形心轴的弯矩；-基底最小压应力，当为负值时表示拉应力；-N作用点距截面重心的距离；,第三节 桩柱式桥墩计算,一、盖梁计算,（一）计算图式,桩柱式墩台通常采用钢筋混凝土构件。在构造上，桩柱的钢筋伸入到盖梁内，与盖梁的钢筋绑扎成整体，因此盖梁与柱刚接呈刚架结构。双柱式墩台，当盖梁与桩柱的线刚度（）之比大于5时，为简化计算可以忽略节点不均衡弯矩的分配及传递，一般可按简支梁进行计算和配筋，多根桩柱的盖梁可按连续梁计算。当盖梁计算跨径与梁高之比，对于简支梁当，连续梁 时称为“短梁”，应按设计规范 3相关内容作为深受弯构件计算。当刚度比小于5，或桥墩承受较大横向力时，盖梁和桩柱应作为横向刚架的一个整体予以验算。计算盖梁内力时可考虑柱支承宽度的影响。,第二章 第三节 桩柱式桥墩计算,（二）外力计算,外力包括上部结构永久作用引起的支点反力、盖梁自重、活载和施工吊装荷载以及桥墩沿纵向的水平力。车道荷载的布置要使各种组合为盖梁最不利情况，求出支点最大反力作为盖梁的活载。当活载对称布置时，按偏心压力法法（或刚接板梁法、铰接板梁法）计算。当盖梁为多根柱支承时，其内力计算可按设计规范3考虑桩柱支承宽度对削减负弯矩尖峰的影响。桥墩沿纵向的水平力有制动力、温度力、支座摩阻力以及地震力等。,第二章 第三节 桩柱式桥墩计算,（三）内力计算,公路桥桩柱式墩台的帽梁通常采用双悬臂式，计算时的控制截面应选取支点和跨中截面。在计算支点负弯矩时，采用非对称布置活载与恒载的反力；在计算跨中正弯矩时，采用对称布置活载与恒载的反力。桥墩沿纵向的水平力以及当盖梁在沿桥纵向设置两排支座时，上部结构活载的偏心对盖梁将产生扭矩，应予以计入。,（四）配筋验算,盖梁的配筋验算方法与钢筋混凝土梁配筋类同，根据弯矩包络图配置受弯钢筋，根据剪力包络图配置弯起钢筋和箍筋。在配筋时，还应计算各控制截面抗扭所需要的箍筋及纵向钢筋。当采用预应力混凝土盖梁时，预应力钢筋的配置及普通钢筋的配置同预应力混凝土梁。,第二章 第三节 桩柱式桥墩计算,二、柱身计算,（一）外力计算桥墩桩柱的外力有上部结构永久作用与盖梁的永久作用引起的反力以及柱身自重；活载按设计荷载布置车列，得到最不利的作用效应组合，作用效应组合后要分别比较哪一种情况控制桩长和桩的内力。桥墩的水平力有支座摩阻力和汽车制动力等。（二）内力计算桩柱式墩按桩基础的有关内容计算桩柱的内力和桩的入土深度。对于单柱式墩，计算弯矩应考虑两个方向弯矩的合力。纵、横方向弯矩合力值为：。,第二章 第三节 桩柱式桥墩计算,（三）配筋验算在最不利组合内力作用下，可先配筋，再按钢筋混凝土偏心受压构件进行验算。圆截面柱的截面配筋计算参照规范3按钢筋混凝土偏心受压构件计算。（四）抗裂验算 钢筋混凝土圆形和环形截面偏心受压构件的最大裂缝宽度计算按规范 3中的第6.4.5条进行。,第二章 第三节 桩柱式桥墩计算,第四节 柔性排架墩计算,一、基本假定,（一）外荷载除汽车荷载外，还要计入汽车制动力、温度影响力，必要时还包括墩身受到的风力，但梁身的混凝土收缩、徐变等次要因素可忽略不计。（二）计算制动力时,各墩台受力按墩顶抗推刚度分配。在计算土压力时，如设有实体刚性墩台，则全部由有关刚性墩台承受。如均为柔性墩，则由岸墩承受土压力，并假定此时各个墩顶与上部构造之间不发生相对位移。,第二章 第四节 柔性排架墩计算,（三）计算温度变形时，墩对梁产生的竖向弹性拉伸或压缩影响忽略不计，而只计桩墩顶部水平力对桩墩所引起的弯矩的影响。（四）在计算梁墩之间橡胶支座的水平力剪切变形时，忽略因梁体的偏转角对它的影响。,第二章 第四节 柔性排架墩计算,图 5-2-7 梁桥柔性排架墩计算图式,第二章 第四节 柔性排架墩计算,二、计算步骤,（一）桥墩抗推刚度的计算,抗推刚度是指使墩顶产生单位水平位移所需施加的水平反力。,1、当墩柱下端固定在基础或承台顶面时，,2、当考虑桩侧土的弹性抗力时，则按桩基础的有关公式计算，,第二章 第四节 柔性排架墩计算,上式中：单位水平力作用在第i个柔性墩顶产生的水平位移（m/kN）；第i墩柱下端固接处到墩顶的高度（m）；I 墩身横截面对形心轴的惯性矩（m4）。,（二）橡胶支座抗推刚度的计算,图 5-2-9 板式橡胶支座的剪切变形,第二章 第四节 柔性排架墩计算,将式（5-2-10）两边各乘以，并注意到,经过整理简化后，则得支座的抗推刚度为：,式中：橡胶材料的剪切模量；橡胶片的总厚度；支座承压面积的总和；分别为水平力和相应剪切位移。,第二章 第四节 柔性排架墩计算,（三）墩与支座的组合抗推刚度,（四）墩顶制动力的计算,式中：作用在第i墩台的制动力（kN）；T 全桥（或一联）承受的制动力（kN）。,于是墩顶水平位移为：,第二章 第四节 柔性排架墩计算,（五）梁的温度变形引起的水平力,当温度下降时桥梁上部结构将缩短，两岸边排架向河心偏移。当温度上升时，桥梁上部结构将伸长，两岸边排架向路堤偏移。因此，无论温度升高或降低，必然存在一个温度变化时偏移值等于零的位置（称为温度中心）。在求排架的偏移值时，需先求出这个位置。,图 5-2-9 温度变化时柔性排架墩的偏移图式,第二章 第四节 柔性排架墩计算,如图5-2-19所示，图中：x0为温度中心00线至0号排架的距离；i桩的序号，i=0，1，2n，n为总排架数减1；第跨的跨径。如果用x1、x2xi表示自00线至1，2i号排架的距离，则得各墩顶部由温度变化引起的水平位移为：,式中：上部结构的线膨胀系数；温度升降的度数。，均带有正负号，以自00线指向x轴正轴为正,第二章 第四节 柔性排架墩计算,各排架桩顶所受的温度力为:,在温变作用下，各墩顶水平力之和必为零，即：,联立解式（5-2-20）（5-2-23）便得到，,第二章 第四节 柔性排架墩计算,当各跨跨径相同都为L时，,（六）由墩顶不平衡弯矩产生的水平位移,（七）计入N和墩身自重 影响，但不计入支座约束影响的墩顶总水平位移,第二章 第四节 柔性排架墩计算,这是一个几何非线性分析的问题，可以应用瑞雷里兹法和最小势能原理求其近似解，即首先假定此悬臂墩的近似变形曲线为（图5-2-10所示）。,第二章 第四节 柔性排架墩计算,图5-2-10 等截面悬臂墩,上式中的a 为待定的最终水平位移,它是一个常数。,设此结构由应变能U和外力势能VE构成的总势能（U+VE）为最小,经过变分运算,可以得到此a 值,具体推演过程见有关文献,这里只写出其计算公式,式中：作用于墩顶处的水平力，其作用方向与轴一致者为正，反之为负；作用于墩顶处的不平衡力矩，若由它引起的墩顶水平位移与的效应相一致时，则取与同号，反之，则取与异号。,第二章 第四节 柔性排架墩计算,（八）计入板式橡胶支座约束影响后的桩墩计算,图5-2-7b）中明确展示，每个桥墩的顶部并非完全自由，而是受到板式橡胶支座的弹性约束的。梁体上的水平力是通过板式支座与墩、梁接触面的摩阻力传递至桥墩，它既使墩顶产生水平位移，而又使板式支座产生剪切变形,第二章 第四节 柔性排架墩计算,图 5-2-7 梁桥柔性排架墩计算图式,如图5-2-11b）所示。当梁体完成了这个水平力的传递以后，梁体便处于暂时的稳定状态。这时由于存在有轴力和墩身自重的影响，将使墩顶产生附加变形。于是，板式橡胶支座由原来传递水平力的功能转变为抵抗墩顶继续变形的功能，当墩身很柔时，有可能使支座原来的剪切变形先恢复到零，逐渐过渡到反向状态，如图5-2-11c）所示。根据这个工作机理，便可将每座桥墩的受力状态（图5-2-12a）分解为两个工作状态的组合。,第二章 第四节 柔性排架墩计算,图 5-2-11 板式橡胶支座工作机理,1、不计几何非线性效应的普通悬臂墩（图5-2-12b），它可按墩顶上的各个外力先分别计算，然后进行内力或变形的叠加。,2、将支座模拟为具有刚度为的弹簧支承，将引起几何非线性效应影响的轴力换算为由桥墩与支座共同来承担的等效附加水平力，如图5-2-12c）所示。该等效附加水平力可按下式计算：,由此可以得到墩顶处的附加水平位移，即:,第二章 第四节 柔性排架墩计算,由墩顶分担的附加水平力 为,由弹簧支承分担的附加水平力 或支反力 为,（九）几何非线性效应的整体分析,当确定出在一种工况下各个墩顶处的等效附加水平力之后，便可将它们布置到图5-2-7b）所示的图式中进行整体分析。这里要考虑下列三种边界条件：,第二章 第四节 柔性排架墩计算,1、当一联结构的两端为固定式桥台并设置板式橡胶支座时，则按图5-2-13a）所示的图式分析；2、当其两端为柔性温度墩和板式橡胶支座时，则按图5-2-13b）所示的图式分析；3、两端设置的是摩阻力甚小的聚四氟乙烯滑板支座时,则按两端为活动铰支座的图式计算,如图5-2-13c）所示。,图 5-2-12 考虑几何非线性效应的计算模型,第二章 第四节 柔性排架墩计算,图 5-2-13几何非线性效应的整体分析,第二章 第四节 柔性排架墩计算,第二章 第四节 柔性排架墩计算,三、算例例5-2-1图5-2-14为一五跨连续梁桥,跨长L=20m,桥宽9m,按单向双车道设计,钢筋混凝土双圆柱式墩(D=1.0m),混凝土强度等级为C30,扩大基础落在基岩上,桥面做成简支连续,每座桥墩顶面均布置两排共24个直径d=20cm的普通板式橡胶支座,而0号和5号桥台各设置12个,橡胶支座的 t=4cm,G=1.1MPa,试计算其中的3号桥墩在下列荷载条件下的等效附加水平力H效。（1）温降25。（2）公路-级荷载。（3）传至墩顶的（恒载+活载)竖向力N=3100kN。（4）墩顶因活载引起的不平衡力矩（逆时针方向）（5）墩身平均荷载集度（包括盖梁）。,图5-2-14 连续梁桥总体布置（尺寸单位:m),第二章 第四节 柔性排架墩计算,解(1)计算桥墩抗推刚度C30混凝土的弹性模量为桥墩顺桥向的抗弯惯矩为各墩的抗推刚度 为同理得（2）板式橡胶支座的抗推刚度由式(5-2-16)得(3)各墩的组合抗推刚度,第二章 第四节 柔性排架墩计算,按式(5-2-17)可得同理得：(4)温度影响力计算确定温度偏移值为零的位置如图5-2-12所示,以0-0线为原点,令0-0线距离0号桥台支座中心的距离为 由公式(5-2-25)得,第二章 第四节 柔性排架墩计算,图5-2-15 温度作用下全