《桥梁工程》第五篇　桥梁墩台.ppt

第五篇桥梁墩台,第一章桥梁墩台的构造与设计第一节概述第二节桥墩第三节桥台第二章梁桥墩台计算第一节梁桥墩台上的作用及其效应组合第二节重力式墩台的计算第三节桩柱式墩台的计算要点第四节柔性墩的计算第五节设有支撑梁的轻型桥台的计算第六节桥台计算举例第三章拱桥墩台计算第一节拱桥墩台上的作用及其效应组合第二节拱桥轻型桥台的计算特点,第一章桥梁墩台的构造与设计,第一节概述桥梁墩(台)是桥梁结构的重要组成部分，它主要由墩(台)帽、墩(台)身和基础三部分组合而成(图5-1-1)。桥梁墩、台的主要作用是承受上部结构传来的荷载，并通过基础又将此荷载及本身自重传递到地基上。,NEXT,BACK,第二节桥墩,一、重力式桥墩重力式桥墩是靠自身重量来平衡外部作用、保持其稳定，用天然石或片石混凝土砌筑。它适用于承受作用值较大的大、中型桥梁或流冰、漂浮物较多的河流中。在砂石方便的地区，小桥也往往采用它。其缺点是圬工材料数量大、自重大，因而要求地基承载力高。此外，阻水面积也较大。(一)梁桥重力式桥墩 1.墩帽 墩帽是桥墩顶端的传力部分，它通过支座承托着上部结构，并将相邻两孔桥上的恒载和活载传到墩身上，应力较集中。因此，墩帽的强度要求较高，一般采用C20以上的混凝土或钢筋混凝土做成。墩帽平面尺寸的合理确定，将直接影响着墩身的平面尺寸和材料的选用。,2.墩身 墩身是桥墩的主体。常用C15或大于C15的片石混凝土浇筑，或用浆砌块石或料石，也可用混凝土预制砌筑。重力式桥墩墩身的顶宽：对于小跨径桥不宜小于80cm；对中跨径桥不宜小于100cm；对大跨径桥的墩身顶宽，视上部构造类型而定。侧坡一般采用201301，小跨径桥的桥墩也可采用直坡。,空心桥墩在构造尺寸上应符合下列规定：(1)墩身最小壁厚，对于钢筋混凝土不宜小于30cm，对于混凝土不宜小于50cm。(2)墩身内应设横隔板或纵、横隔板，以加强墩壁的局部稳定。(3)墩身周围应设置适当的通风孔或泄水孔，孔的直径不小于20cm；墩顶实体段以下应设置带门的进入洞或相应的检查设备。空心桥墩抵抗碰撞的能力较差。因此，在通航、有流筏、流冰以及流速大并带有撞击磨损物质的河流上，不宜采用。,3.基础基础是介于墩身与地基之间的传力结构。基础的种类很多，这里仅简要介绍设置在天然地基上的刚性扩大基础。它一般采用C15以上的片石混凝土或用浆砌块石筑成。基础的平面尺寸较墩身底截面尺寸略大，四周放大的尺寸对每边约为0.250.75m。基础可以做成单层的，也可以做23层台阶式的。台阶或襟边的宽度与它的高度应有一定的比例，通常其宽度控制在刚性角以内。为了保持美观和结构不受碰损，基础顶面一般应设置在最低水位以下不少于0.5m；在季节性流水河流或旱地上，则不宜高出地面。另外，为了保证持力层的稳定性和不受扰动，基础的埋置深度，除岩石地基外，应在天然地面或河底以下不少于1m；如有冲刷，基底埋深应在设计洪水位冲刷线以下不少于1m；对于上部结构为超静定结构的桥涵基础，除了非冻胀土外，均应将基底埋于冻结线以下不小于0.25m。,(二)拱桥重力式桥墩 拱桥是一种推力结构，拱圈传递给桥墩上的力，除了垂直力以外，还有较大的水平推力，这是与梁桥的最大不同之处。从抵御恒载水平力的能力来看，拱桥桥墩又可以分为普通墩和单向推力墩两种。为了满足结构强度和稳定的要求，普通墩的墩身可以做得薄一些(图5-1-10ac)，单向推力墩则要做得厚实一些(图5-1-10d、e)。其次，拱桥与梁桥重力式桥墩相比，拱桥桥墩以下部分在构造上还有不同之处：1.拱座(见图5-1-11)；2.拱座的位置(见图5-1-12)；3.墩顶以上构造(见图5-1-10)；,NEXT,BACK,BACK,二、轻型桥墩(一)梁桥轻型桥墩 1.钢筋混凝土薄壁桥墩(见图5-1-13)；2.柱式桥墩(见图5-1-14)；3.柔性排架桩墩(见图5-1-15)；(二)拱桥轻型桥墩(见图5-1-16)；桩柱式桥墩；轻型的单向推力墩形式(见图5-1-17)；1.带三角杆件的单向推力墩 2.悬臂式单向推力墩,BACK,BACK,BACK,BACK,第三节桥台,一、重力式桥台 U型桥台的各部分构造见图5-1-18。(一)台帽(二)台身 二、轻型桥台 轻型桥台适用于小跨径桥梁，桥跨孔数与轻型桥墩配合使用时不宜超过三个，单孔跨径不大于13m，多孔全长不宜大于20m。常用的型式有八字型和一字型两种，为了节省圬工材料，也可做带耳墙的轻型桥台（图5-1-21）。八字型的八字墙与台身是设断缝分开的；一字型桥台的翼墙是与台身连成一整体；带耳墙的桥台由台身、耳墙和边柱三部分组成。,NEXT,BACK,BACK,轻型桥台的主要特点是：(1)利用上部构造及下部的支撑梁作为桥台的支撑，以防止桥台向跨中移动；(2)整个构造物成为四铰刚构系统；(3)除台身按上下铰接支承的简支竖梁承受水平土压力外，桥台还应作为弹性地基上的梁加以验算。,三、埋置式桥台埋置式桥台（图5-1-25）的工作原理是靠台身后倾，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，减少恒载产生的偏心距，但应注意后倾斜度要适当。埋置式桥台的缺点是：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。四、框架式桥台框架式桥台是一种配合桩基础的轻型桥台，适用于地基承载力较低，台身高大于4m，跨径大于10m的桥梁。,NEXT,BACK,BACK,五、组合桥台(一)锚定(拉)板式桥台(见图5-1-28)；(二)过梁式和框架式组合桥台(见图5-1-29)；(三)桥台一挡土墙组合桥台(见图5-1-30)；(四)后座式组合桥台(见图5-1-31)；,BACK,BACK,BACK,BACK,第二章梁桥墩台计算,第一节梁桥墩台上的作用及其效应组合一、作用梁桥墩台上的永久作用有结构重力、土的重力和土侧压力、混凝土收缩及徐变的作用、水的浮力；可变作用有汽车荷载、汽车冲击力、离心力、汽车引起的土侧压力、人群荷载、风荷载、汽车制动力、流水压力、冰压力、支座摩擦力，在超静定结构中尚需考虑温度作用；偶然作用有船舶或漂流物撞击作用，施工荷载和地震作用。,二、作用效应组合 在桥墩计算中，可能出现的作用效应组合有：1.桥墩在顺桥向承受最大竖向荷载的组合；2.桥墩在顺桥向承受最大水平荷载的组合；3.桥墩承受最大横桥方向的偏心距、最大竖向荷载的组合；4.桥墩在施工阶段的作用效应组合；5.需要进行地震力验算的桥墩，要有偶然组合。桥台的作用效应组合也和桥墩一样，根据可能出现的作用按桥规规定进行作用效应组合。由于活载可以布置在桥跨结构上，也可布置在台后，因此在确定最不利效应组合时，通常按活载满布桥跨(图5-2-3a)，桥上无活载而在台后布置活载(图5-2-3b)和在桥上、台后同时布置活载(图5-2-3c)等几种不利情况，分别进行组合和验算。,NEXT,BACK,第二节重力式墩台的验算,重力式墩台的验算包括截面强度验算、墩台整体稳定性验算、基底应力和偏心距验算等。对于高度超过20m的墩台还要验算墩台顶的弹性水平位移。一、截面强度验算(一)选取验算截面(二)验算截面的内力计算,（5-2-1）,(三)按轴心或偏心受压验算墩身各验算截面的强度验算强度时，可按下式计算：,（5-2-2）,(四)截面偏心距验算,二、墩台的稳定验算(一)弯曲平面内纵向稳定验算 墩台为偏心受压构件，其在弯曲平面内纵向稳定性可按式(3-3-55)验算，其中Nj为按式(3-3-49)等号左边计算的竖向力。按桥规规定，偏心受压构件除按式(3-3-55)验算弯曲平面内的纵向稳定外，尚按中心受压验算非弯曲平面内的稳定。(二)墩台整体稳定验算 1.抗倾稳定验算,（5-2-3）,2.抗滑稳定验算,（5-2-4）,三、基底应力和偏心距验算(一)基底应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重新验算基底最大压应力，其验算公式如下：,（5-2-5）,（5-2-6）,（5-2-7）,第三节桩柱式墩台的计算要点,一、盖梁(帽梁)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，因此盖梁与桩柱呈刚架结构。双柱式墩台，当盖梁的刚度与桩柱的刚度比大于5时，为简化计算可以忽略桩柱对盖梁的弹性约束，一般可按简支梁或悬臂梁进行计算和配筋，多根桩柱的盖梁可按连续梁计算。当跨高比l/h5时，可按钢筋混凝土一般构件计算。此处l为盖梁的计算跨径，h为盖梁的高度。当刚度比小于5时，或桥墩承受较大横向力时，盖梁应作为横向刚架的一部分予以验算。,(二)外力计算外力包括上部结构恒载支点反力、盖梁自重和活载。活载的布置要使各种效应组合为桥上最不利情况，求出支点最大反力作为盖梁的活载。活载的横向分布计算，当活载对称布置时，按杠杆法计算；当活载非对称布置时，可考虑按刚接梁法(或偏心压力法或“G-M”法)计算。在盖梁内力计算时，可考虑桩柱支承宽度对削减负弯矩尖峰的影响。盖梁在施工过程中，荷载的不对称性很大，各截面将产生较大的内力，因此要根据当时的架桥施工方案，对各截面的受弯、受剪进行验算。,(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力对盖梁将产生扭矩，应予以计入。桥台的盖梁计算，一般可不考虑背墙与盖梁共同受力，此时背墙仅起挡土墙作用。必要时也可考虑背墙与盖梁的共同受力，盖梁按L形截面计算。桥台耳墙视为单悬臂固端梁，水平方向承受土压力及活载水平压力。,(四)配筋验算工程实践中常采用钢筋混凝土盖梁，其配筋验算方法与钢筋混凝土梁配筋类同，即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扭矩所需要的箍筋及纵向钢筋。当采用预应力混凝土盖梁时，预应力钢筋及普通钢筋的配置同预应力混凝土梁。,二、墩台桩柱的计算(一)外力计算：桥墩桩柱的外力有上部结构恒载与盖梁的恒载反力以及桩柱自重；活载按车辆荷载布置，得到最不利效应组合。桥墩的水平力有支座摩阻力和汽车制动力等。桥台柱柱(包括双片墙式台身)除上述各力之外还有台后土侧压力、活载引起的水平土压力及溜坡主动土压力等。土侧压力的计算宽度及溜坡主动土压力的计算方法见桥规中有关规定。,(二)内力计算桩柱式墩台按桩基础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：计算墙式台身内力时，应按盖梁底面、墙身中部、墙身底面、承台底面等分别进行内力计算和应力验算。(三)配筋验算：在最不利的效应组合之后，先配筋、再验算，验算方法按钢筋混凝土偏心受压构件计算。,第四节柔性墩的计算,柔性墩是由钢筋混凝土柔性排架桩墩、梁和刚性墩台组成的一联或多联的多孔连续铰接刚架体系，在纵向水平力作用下，一联的各柔性墩台顶具有相同的水平位移。为了简化计算，可把双固定支座布置的柔性墩视为下端固结，上端有水平约束的铰接支承的超静定梁，如图5-2-6a。在柔性墩的顶端已知桥跨结构作用的竖向力N和墩顶偏心弯矩M，墩顶位移i也可预先求出，则反力的未知数有下端的三个值和墩顶的水平反力，为一次超静定。将墩顶水平反力作为多余未知力求解，即可计算下端固结点和墩身的弯矩、剪力，根据各墩的最不利组合进行桩墩的配筋和验算。,NEXT,BACK,NEXT,(一)基本假定1.柔性墩顶水平力的计算，在墩顶偏心弯矩不大的前提上，可采用叠加原理进行计算，计算图式见图5-2-6b。2.假定上部结构对桩柱顶不发生相对位移，制动力按各墩抗水平位移刚度分配。对于桩柱式柔性墩，墩柱下端固结在基础或承台顶面，其墩抗水平位移刚度为(等截面刚度)：此时i的计算应考虑桩侧土的弹性抗力因素，可参照桩基础计算部分。,（5-2-9）,（5-2-10）,3.计算土侧压力时，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，则岸墩承受土压力由对岸的土抗力平衡，其余柔性墩不计其影响。4.水平力组合时，桩柱顶的制动力、水平土压力(当边排架向河心偏移时)及竖向偏载产生的水平力的代数和不允许大于支座摩阻力。当前三者与温度变化产生水平力的总和大于支座摩阻力时，按摩阻力计算。,(二)墩顶水平位移的计算1.柔性墩顶制动力及其水平位移计算,（5-2-13）,（5-2-12）,（5-2-11）,3.在竖向活载作用下，梁长度的变化当桥跨结构跨径较大时，在竖向活载作用下梁下缘增长而影响柔性墩的位移也应考虑，此时由梁的挠度s近似得到梁的挠曲半径：然后按梁的挠曲(中心角为Li/R)可计算梁的下缘伸长值s。计算s值时，需按几跨梁计算，应根据所计算桥墩在一联中的位置、支座布置情况及验算时活载布置的位置而定。小跨径桥梁的s可忽略不计。柔性墩顶发生的水平位移综合为：i=z+t+s,（5-2-15）,（5-2-14）,NEXT,BACK,3.由于墩顶偏心弯矩而产生的水平反力：,（5-2-18）,第五节设有支撑梁的轻型桥台的计算,设有支撑梁的轻型桥台的计算主要有三个方面：一是桥台(顺桥向)在侧向土压力作用下台身作为竖梁进行截面强度验算；二是桥台(包括基础)在竖向荷载作用上横桥向作为一根弹性地基短梁进行截面强度验算；三是基础底面下地基应力验算。一、桥台作为竖梁时的强度验算(按单位宽度)桥台台身强度验算主要是验算水平土压力作用下的台身强度，因此，当桥上无荷载，台背填土破坏棱体上布置车辆荷载时，台身受力最为不利，因而控制设计。,车辆荷载在台背填土破坏棱体上引起的土压力：,(一)台后主动土压力计算,（5-2-19）,(二)台身内力计算1.计算跨径台身按上下铰接的简支梁计算(图5-2-9)。对于有台背的桥台，承受土压力的台身作为简支梁计算的跨径为：对于无台背的桥台，承受土压力的台身作为简支梁计算的跨径为：,NEXT,（5-2-21）,（5-2-20）,BACK,图5-2-9桥台的计算图式,2.土压力引起的弯矩和剪力(近似按中点计算)3.计算截面(H1/2)的竖向力：P=P1+P2+P3式中：P1上部构造重力引起的支点反力；P2台帽重力；P3在H1/2截面以上部分台身重力。,（5-2-22）,（5-2-23）,（5-2-24）,二、桥台在本身平面内的弯曲强度验算轻型桥台是一较长的平直薄墙，在竖向荷载作用下，本身平面内发生弯曲，弯曲的程度与地基的变形系数有关（图5-2-10）。当桥台长度L4/时，把桥台当作支承在弹性地其上的无限长梁计算；当L1.2/时，把桥台当作支承在弹性地基上的刚性梁计算(即不考虑桥台在本身平面内发生弯曲)；当4/L1.2/时，把桥台当作支承在弹性地基上的短梁计算。在一般情况下，轻型桥台的长度大多处于4/和1.2/之间，因此，此处只介绍按短梁计算的公式。,NEXT,BACK,设梁上作用着一段对称的均布荷载，则梁的最大弯矩产生在中点，其计算公式为：,（5-2-25）,三、基底应力验算 桥台的基底应力为桥台重力和桥跨结构恒载、活载引起的应力之和。桥台重力引起的基底应力计算，系假定桥台因重力不致发生弯曲(如图)。对称荷载引起的基底最大应力(中点)可按下式计算：,（5-2-26）,第六节桥台计算示例,一、设计资料 1.上部构造装配式钢筋混凝土矩形板，标准跨径L=80m；板厚0.45m；桥面净宽：净7+20.75m。2.设计荷载汽车荷载公路-级，人群荷载30kN/m2。3.浆砌块石一字型轻型桥台，填土高35m。4.建筑材料台帽为C15钢筋混凝土，台身为10号砂浆砌块石(30号石材)，基础为C15混凝土。5.其他计算数据地基土弹性抗力系数K=15000kN/m3；土的内摩擦角=35；土的容重=18kN/m3；地基土基本承载力0=250kPa；浆砌块石砌体抗压极限强度Rja=630MPa。,6.尺寸拟定 桥台布置及已知尺寸如图5-2-12所示。设台帽口共宽75cm，其中包括2cm工作缝和5cm挑檐，台帽厚30cm，台背高20cm，台身厚度120cm，基础各边放大10cm，基础厚度60cm。二、桥台计算桥台计算应包括以下几个方面：(一)桥台作为上、下支撑的竖梁时的计算；(二)台身平面弯曲计算；(三)基底土最大压应力的验算；,BACK,第三章拱桥墩台计算,第一节拱桥墩台上的作用及其效应组合 一、拱桥桥墩上的作用及其效应组合桥墩应对顺桥向和横桥向分别进行计算，一般为顺桥向控制，此时，桥墩上的作用如图531所示。可变作用中的制动力T，假设它作用在拱顶，并平分于两拱脚(图532)。,图531桥墩上的作用,图532制动力作用拱顶,二、拱桥桥台上的作用及其效应组合除了上述对桥墩计算所列举的各种作用外，计算桥台时，在永久作用和可变作用中尚须计入台后土侧压力。在进行作用效应基本组合时，应考虑以下几种作用的组合：1.桥台恒载以及台后水平土压力(此为上部结构还未将荷载传给桥台，而台后已完成填土的情况)：2.恒载及桥跨结构上满布活载(汽车荷载和人群荷载)；3.恒载及台后路堤填土破坏棱体上的活载；4.恒载、桥跨结构上满布活载、朝向路堤方向的制动力、温度作用、台后一般采用主动土压力，或按填土压实情况采用静土压力(图5-3-3a)，对柱式墩台还需考虑冲击力；5.恒载、破坏棱体上的活载、向桥跨方向的制动力、温度作用及混凝土收缩作用、台后采用主动土压力(5-3-3b)。,NEXT,BACK,图5-3-3桥台上的作用,对于U型桥台，按U型整体截面(墙身及基底)验算时，可假设侧墙尾端为竖直面，且不考虑墙背与填土的外摩擦角计算土压力。破坏棱体的布载长度亦以侧墙尾端为准。根据以上作用的最不利效应组合，分别验算桥台各个危险截面及其底面的强度及稳定性。在一般情况下，桥台验算以永久荷载、基本可变荷载加其它可变荷载控制设计，并以活载布置在桥上最为危险。,第二节拱桥轻型桥台的计算特点,NEXT,BACK,(2)min时，弹性抗力强度当基础设置在坚密岩石地基上时，合力偏心距超过基底核心半径，但不大于1.5(为核心半径)；当在石质较差地基上时，合力偏心距不大于1.2，此时可不计基底拉应力，而以最大边缘压力控制设计(图5-3-5)。由于基底出现拉应力，土抗力的计算应考虑基底的应力重分布，其值可按下式计算：,NEXT,BACK,图5-3-5max0时基底应力计算图式,2)台身强度验算台身强度验算按压弯构件进行，由于最危险截面不在基顶，所以求截面的内力比较复杂，不容易计算危险截面的精确位置。为了简化计算，可用最大弯矩截面代替危险截面，算得的误差很小。截面最大弯矩的计算，可取拱脚中心为坐标原点，计算各力对深度为x处的截面重心轴的弯矩Mx，并以dMx/dx=0解得最大弯矩截面处的位置x，求出最大弯矩值和相应的垂直力。,3)台口抗剪强度验算,2.基底应力验算当基础受竖向力和弯矩共同作用，合力偏心距不超过基底核心半径时，基底应力为：当基础设置在岩石地基上，合力偏心距超过核心半时，基底应力为：,3.稳定性验算1)路堤稳定性验算当桥台向路堤转动时，保证台后填土不破裂的安全系数为：,2)抗滑动稳定性验算(1)桥跨上布满荷载(考虑静止土压加上抗力)，验算向路堤滑动的安全系数：(2)台后布置车辆荷载(考虑包括车辆荷载所引起的主动土压力)，验算向河心滑动安全系数。对于小跨径徒拱，在高路堤的情况下，不应忽视这项验算。,