桥墩桥台结构及计算

桥梁墩台一、概述组成墩台帽墩台身基础承受荷载上部结构竖向力水平力弯矩地震力风力流水压力等第一节、桥梁墩台类型与构造二、桥墩的类型与构造构造实体墩空心墩柱式墩框架墩等受力刚性墩柔性墩按截面形式分矩形圆形园端形尖端形1、实体墩实体桥墩由一个实体结构组成，按其截面尺寸及重量的不同又可分为实体重力式桥墩和实体轻型桥墩。实体重力式桥墩是一实体圬工墩，主要靠自身的重量（包括桥跨结构重力）平衡外力，从而保证桥墩的强度和稳定。此种桥墩自身刚度大，具有较强的防撞能力，但同时存在阻水面积大的缺陷，比较适合于修建在地基承载力较高、覆盖层较薄、基岩埋深较浅的地基上。实体轻型桥墩可用混凝土、浆砌块石或钢筋混凝土材料做成，此结构显著减少了圬工体积，但其抗冲冲击力较差，不宜用在流速大并夹有大量泥沙的河流或可能有船舶、冰、漂流物撞击的河流中，一般用于中小跨径桥梁上墩帽是直接支承桥跨结构，应力较集中，因此对大跨径的重力式桥墩墩帽厚度一般不小于0.4m，中小跨梁桥也不应小于0.3m，并设有50～100mm的檐口。支座边缘到墩（台）身边缘最小距离表2-1-13方向顺桥向横桥向(m)跨径(m)圆弧形端头（自支座边角量起）矩形端头大桥0.250.250.40中桥0.200.200.30小桥0.150.150.20注：①采用钢筋混凝土悬臂式墩台帽时，上述最小距离为支座至墩台帽边缘的距离；②跨径100m及以上的桥梁应按实际情况决定。2、空心桥墩空心桥墩有两种形式：一种为部分镂空实体桥墩，另一种为薄壁空心桥墩。3、桩（柱）式桥墩和柔性墩柱式桥墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩型式。它具有线条简捷、明快、美观，既节省材料数量又施工方便的特点，特别适用于桥梁宽度较大的城市桥梁和立交桥。柱式桥墩一般可分为独柱、双柱和多柱等形式，它可以根据桥宽的需要以及地物地貌条件任意组合。柱式桥墩由承台、柱式墩身和盖梁组成，对于上部结构为大悬臂箱形截面，墩身可以直接与梁相接。柔性排架桩墩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4、框架式桥墩框架式桥墩采用钢筋混凝土或预应力混凝土等压挠和挠曲构件组成平面框架代替墩身，支承上部结构，必要时可做成双层或多层的框架三、桥墩防撞流冰对桥墩的危害主要表现在大面积流冰对桥墩的撞击力和大面积流冰堆积现象以及流冰对桥墩的磨损。对此，在中等以上流冰河道（冰厚大于0.5m，流水速度1m/s左右）及有大量漂流物的河道，应在迎水方向设置破冰棱体航运繁忙的河道，船只往往因突发原因引起航行失控，或是因能见度低造成船舶与桥墩相撞。桥墩在设计中不但要有一定抵抗船舶冲击荷载的能力，还要考虑采用缓冲装置和保护系统，预防或改变船只冲击荷载的方向或减少对桥墩的冲击荷载，不使其破坏四、桥台的类型与构造类型重力式桥台轻型桥台框式桥台组合式桥台承拉式桥台（一）重力式桥台U型桥台埋式桥台八字式和一字式桥台1、重力式桥台类型重力式桥台也称实体式桥台，它主要靠自重来平衡台后的土压力。桥台台身多数由石砌、片石混凝土或混凝土等圬工材料建造，并采用就地建造施工方法2、结构构造与（二）轻型桥台薄壁轻型桥台支承梁型桥台钢筋混凝土轻型桥台，其构造特点是利用钢筋混凝土结构的抗弯能力来减少圬工体积而使桥台轻型化。（三）框架式桥台框架式桥台是一种在横桥向呈框架式结构的桩基础轻型桥台，它埋置土中，所受的土压力较小，适用于地基承载力较低、台身较高、跨径较大的梁桥。其构造型式有双柱式、多柱式、墙式、半重力式和双排架式、板凳式等（四）组合式桥台第二节桥梁墩台的计算一、作用在桥梁墩台上的荷载及组合荷载恒载、土重和侧向土压力、预应力（组合式桥墩）、混凝土收缩及徐变的影响力、水的浮力；永久荷载：汽车荷载、汽车冲击力、离心力、汽车荷载引起的侧向土压力、人群荷载、挂车或履带车荷载及其引起的土侧压力；基本可变荷载：其它可变荷载有风力、汽车制动力、流水压力、冰压力、支座摩阻力；在超静定结构中尚需考虑温度变化的影响力；其它可变荷载：偶然荷载：船只或漂流物撞击力，施工荷载和地震力；总之，在墩台设计计算过程中，应根据墩台的受力与工作阶段，给出可能同时作用荷载的组合，以确定出最不利的受力状态。（一）荷载的计算桥梁上部结构恒载传至墩台的计算值，由桥梁支座反力计算确定。对于墩台在水下和土中部分自重的计算方法，要根据地基土的性质加以考虑公路桥梁设计规范中，在考虑水的浮力时，对不同的土质和不同的计算内容作了不同的规定。位于透水性地基上的墩台，在验算稳定时，应采用设计高水位的浮力；在验算地基应力时，仅考虑低水位时的浮力，或不考虑水的浮力。基础嵌入不透水性地基的墩台，可不考虑水的浮力。当地基是否透水未定时，按透水与不透水，以最不利荷载组合计算。水对水下墩台或土的固体颗粒的浮力作用，可用墩台圬工的浮容重或土的浮容重来反映。圬工的浮容重等于圬工容重减去水的容重，土的浮容重可以根据土质资料得到不同的物理指标，如天然容重、天然含水量、比重或饱和容重等计算。1、恒载和水的浮力2、侧向土压力主动土压力被动土压力静止土压力桥台土压力计算时，采用哪种土压力，应根据桥台位移及压力传播方式而定。梁式桥台承受的水平压力主要是台后滑动土体（及滑动土体上的荷载）所产生的侧压力，它使桥台发生向河心的移动。因此，梁桥桥台的侧土压力，一般按主动土压力计算。当桥台刚度很大，不可能产生微量移动，滑动土体不可能形成时，可按静止土压力计算。12sin21HBEAy12cos21HBEAx图2-7-11台前溜坡的土压力计算图式BHE'2'21rHe3、汽车荷载冲击力钢筋混凝土桩柱式墩台，以及其它轻型墩台，在计算汽车荷载时应计入冲击力。但对于重力式实体墩台，冲击力的作用衰减很快，因此，验算时可不计冲击影响。冲击力的计算按公路桥涵设计规范进行。4、汽车荷载的制动力汽车荷载的制动力是桥梁墩台承受的主要纵向水平力之一，当汽车荷载在桥上制动或减速时，在车轮与桥面之间产生相互作用力，此时桥面受到方向与车辆行进方向相同的力，即称制动力，制动力可按公路桥涵设计规范中有关规定计算。在计算梁式桥墩台时，制动力可移至支座中心（铰或滚轴中心）或滑动支座、橡胶支座、摆动支座的底座面上。5、流水压力及冰压力作用在桥墩上的流水压力，可按公路桥涵设计规范的有关规定计算。流水压力的合力作用点，假定在设计水位以下1/3水深处，即假定河底的流速为零，作用力的分布呈倒三角形。严寒地区位于有冰棱河流或水库中的桥梁墩台，应根据当地冰棱的具体情况及墩台形状计算冰压力。冰压力有竖向和水平向作用力，主要是水平向作用力。竖向力是由冰层水位升降而对桥梁墩台产生的作用；水平向作用力包括因风和水流作用于大面积冰层而产生的静压力、冰堆整体推移产生的静压力、、河流流冰产生的动压力等。6、船只或漂流的幢击力船只或漂流物的撞击力，虽是桥梁墩台的偶然荷载，但是对桥墩结构的危害性很大，对于通航河道或有漂流物的河流中的墩台，设计时应考虑船只或漂流物的撞击力。漂流物的撞击力，在无实际资料时可按下式估算)(kNgTWVP7、地震力在地震区建造的桥梁，地震力是一项十分重要和危害性大的偶然荷载，在墩台设计计算时要进行抗震验算和必要的防护构造措施设计。（二）荷载组合桥梁墩台计算时，预先很难确定那一种荷载组合最不利。通常需要对各种可能的荷载进行组合计算，满足各种不同的要求。在墩台的计算中，尚需考虑按顺桥向(与行车的方向平行)和横桥向分别进行，故在荷载组合时也需按纵向及横向分别计算。在所有荷载中，车辆荷载的变动对荷载组合起着支配作用。验算墩身强度在用在墩身截面的合力偏心矩桥墩的稳定性因此，需根据不同的验算内容选择各种可能的最不利荷载组合。图2-7-13产生最大竖向荷载时的外力组合桥墩图2-7-14桥梁横向布载情况１）桥墩在顺桥向承受最大竖向荷载的组合。可按公路桥梁设计规范中所列的组合、组合的内容组合。２）桥墩在顺桥向承受最大水平荷载的组合。可按公路桥梁设计规范中所列的组合、组合IV的荷载内容组合。３）桥墩承受最大横桥方向的偏载、最大竖向荷载。可按公路桥梁设计规范中的组合I、II、III、IV荷载内容组合。４）桥墩在施工阶段的受力验算。按组合V进行验算。５）需要进行地震力验算的桥墩，还要按组合VI进行验算。各种不同的荷载组合，均应满足公路桥涵设计规范中所规定的强度安全系数、容许偏心距和稳定系数。其他可变荷载不同时组合表表2-7-2编号荷载名称不与该荷载同时参与组合的荷载号141516171819风力汽车制动力流水压力冰压力温度影响力支座摩阻力-16,17,1915,1715,16-15注：荷载号与公路桥梁设计规范中编号一致。桥台桥台的荷载组合方法和桥墩相似，也须针对验算项目及验算截面的位置按公路桥涵设计规范进行可能的荷载组合。由于活载可以布置在桥跨结构上，也可布置在台后，在确定荷载最不利组合时，下列几种加载情况可作参考1）在桥跨结构上布置车辆荷载，温度下降，制动力（向桥孔方向），并考虑台后土侧压力(考虑最大弯矩组合)；2）在台后破坏棱体上布置车辆荷载，温度下降，并考虑台后土侧压力(考虑最大水平力与最大反向弯矩组合)；3）在桥跨结构上和台后破坏棱体上都布置车辆荷载（当桥台尺寸较大时，还要考虑在桥跨结构上、台后破坏棱体上和桥台上同时都布置活载的情况），温度下降，制动力（向桥孔方向），并考虑台后土侧压力(考虑最大竖向力组合)。二、桥梁墩台的计算与验算重力式墩台强度偏心矩稳定圬工结构轻型桥墩、柱式桥墩：钢筋混凝土结构（一）、重力式墩台1、截面强度验算重力式墩台主要采用圬工材料建造，一般为偏心受压构件，截面强度的设计验算采用分项安全系数的极限状态法。在不利荷载组合作用下，验算墩台各控制截面荷载效应的设计值（内力）应小于或等于结构抗力效应的设计值，以方程表示为),()(kmjdslsodaRRQSSd荷载效应函数；Q荷载在结构上产生的效应；so结构的重要性系数，按公路砖石及混凝土桥涵设计规范第3.0.1条采用；sl荷载安全系数，按公路砖石及混凝土桥涵设计规范采用；荷载组合系数，按公路砖石及混凝土桥涵设计规范表3.0.1-1采用；Rd结构抗力效应函数；m材料或砌体的安全系数，按公路砖石及混凝土桥涵设计规范表3.0.1-2采用；ak结构的几何尺寸；Rj材料或砌体的极限强度，按公路砖石及混凝土桥涵设计规范第2.0.5条采用。验算截面墩台身的基础顶面墩台身截面突变处墩台帽及墩台帽交界处墩身截面高墩验算截面的内力计算按照各种组合，分别计算各验算截面的竖向力、水平力和弯矩，得到并按下式计算各种组合的竖向力设计值及相应偏心矩:HN、MNNslsojNMe0强度验算mjajARN/2)()(1womoreye截面偏心距验算桥墩承受偏心受压荷载时，各验算截面在各种组合的偏心距应小于公路砖石及混凝土桥涵设计规范表3.0.2-1的容许值。如果超过时，可按下式确定截面尺寸mojwjWAeARN)1(12、墩台的稳定验算纵向挠曲稳定稳定验算mjajARN/受压构件纵向弯曲系数，中心受压墩台的值可查阅公路砖石及混凝土桥涵设计规范表3.0.3-2，偏心受压时，弯曲平面内的纵向弯曲系数按下式计算：22)(33.1111wore墩台整体稳定验算抗倾覆稳定验算011KMMK倾稳11PyM稳iiiihTePM＝倾抗滑移稳定验算022KHPfK基础底面与地基土之间的摩擦系数，其值为0.25～0.7，可根据土质情况参照公路桥涵地基与基础设计规范采用；f在墩台抗倾覆、抗滑移稳定性验算时，应分别按最高设计水位和最低水位的不同浮力进行组合。3、墩台顶水平位移计算水平位移的规定Ly5.0对