橋梁墩臺的計算

1、第二節(jié) 橋梁墩臺的計算一、作用在橋梁墩臺上的荷載及組合荷載恒載、土重和側(cè)向土壓力、預(yù)應(yīng)力（組合式橋墩）、混凝土收縮及徐變的影響力、水的浮力；永久荷載：汽車荷載、汽車沖擊力、離心力、汽車荷載引起的側(cè)向土壓力、人群荷載、掛車或履帶車荷載及其引起的土側(cè)壓力；基本可變荷載：其它可變荷載有風(fēng)力、汽車制動力、流水壓力、冰壓力、支座摩阻力；在超靜定結(jié)構(gòu)中尚需考慮溫度變化的影響力；其它可變荷載：偶然荷載：船只或漂流物撞擊力，施工荷載和地震力； 總之，在墩臺設(shè)計計算過程中，應(yīng)根據(jù)墩臺的受力與工作階段，給出可能同時作用荷載的組合，以確定出最不利的受力狀態(tài)。（一）荷載的計算橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載傳至墩臺的計算值，由橋梁支

2、座反力計算確定。對于 墩臺在水下和土中部分自重的計算方法，要根據(jù)地基土的性質(zhì)加以考慮公路橋梁設(shè)計規(guī)范中，在考慮水的浮力時，對不同的土質(zhì)和不同的計算內(nèi) 容作了不同的規(guī)定。位于透水性地基上的墩臺，在驗(yàn)算穩(wěn)定時，應(yīng)采用設(shè) 計高水位的浮力；在驗(yàn)算地基應(yīng)力時，僅考慮低水位時的浮力，或不考慮 水的浮力?；A(chǔ)嵌入不透水性地基的墩臺，可不考慮水的浮力。當(dāng)?shù)鼗?否透水未定時，按透水與不透水，以最不利荷載組合計算。水對水下墩臺或土的固體顆粒的浮力作用，可用墩臺圬工的浮容重或土的 浮容重來反映。圬工的浮容重等于圬工容重減去水的容重，土的浮容重可 以根據(jù)土質(zhì)資料得到不同的物理指標(biāo)，如天然容重、天然含水量、比重或 飽

3、和容重等計算。1、恒載和水的浮力2、側(cè)向土壓力主動土壓力被動土壓力靜止土壓力 橋臺土壓力計算時，采用哪種土壓力，應(yīng)根據(jù)橋臺位移及壓力傳播方式而定。梁式橋臺承受的水平壓力主要是臺后滑動土體（及滑動土體上的荷載）所產(chǎn)生的側(cè)壓力，它使橋臺發(fā)生向河心的移動。因此，梁橋橋臺的側(cè)土壓力，一般按主動土壓力計算。當(dāng)橋臺剛度很大，不可能產(chǎn)生微量移動，滑動土體不可能形成時，可按靜止土壓力計算。12sin21HBEAy12cos21HBEAx圖2-7-11 臺前溜坡的土壓力計算圖式BHE 2 21 rHe 3、汽車荷載沖擊力 鋼筋混凝土樁柱式墩臺，以及其它輕型墩臺，在計算汽車荷載時應(yīng)計入沖擊力。但對于重力式實(shí)體墩臺

4、，沖擊力的作用衰減很快，因此，驗(yàn)算時可不計沖擊影響。沖擊力的計算按公路橋涵設(shè)計規(guī)范進(jìn)行。4、汽車荷載的制動力 汽車荷載的制動力是橋梁墩臺承受的主要縱向水平力之一，當(dāng)汽車荷載在橋上制動或減速時，在車輪與橋面之間產(chǎn)生相互作用力，此時橋面受到方向與車輛行進(jìn)方向相同的力，即稱制動力，制動力可按公路橋涵設(shè)計規(guī)范中有關(guān)規(guī)定計算。在計算梁式橋墩臺時，制動力可移至支座中心（鉸或滾軸中心）或滑動支座、橡膠支座、擺動支座的底座面上。5、流水壓力及冰壓力 作用在橋墩上的流水壓力，可按公路橋涵設(shè)計規(guī)范的有關(guān)規(guī)定計算。流水壓力的合力作用點(diǎn)，假定在設(shè)計水位以下1/3水深處，即假定河底的流速為零，作用力的分布呈倒三角形。

5、嚴(yán)寒地區(qū)位于有冰棱河流或水庫中的橋梁墩臺，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)乇獾木唧w情況及墩臺形狀計算冰壓力。冰壓力有豎向和水平向作用力，主要是水平向作用力。豎向力是由冰層水位升降而對橋梁墩臺產(chǎn)生的作用；水平向作用力包括因風(fēng)和水流作用于大面積冰層而產(chǎn)生的靜壓力、冰堆整體推移產(chǎn)生的靜壓力、河流流冰產(chǎn)生的動壓力等。6、船只或漂流的幢擊力 船只或漂流物的撞擊力，雖是橋梁墩臺的偶然荷載，但是對橋墩結(jié)構(gòu)的危害性很大，對于通航河道或有漂流物的河流中的墩臺，設(shè)計時應(yīng)考慮船只或漂流物的撞擊力。 漂流物的撞擊力，在無實(shí)際資料時可按下式估算)(kNgTWVP 7、地震力 在地震區(qū)建造的橋梁，地震力是一項(xiàng)十分重要和危害性大的偶然荷載，在

6、墩臺設(shè)計計算時要進(jìn)行抗震驗(yàn)算和必要的防護(hù)構(gòu)造措施設(shè)計。（二）荷載組合 橋梁墩臺計算時，預(yù)先很難確定那一種荷載組合最不利。通常需要對各種可能的荷載進(jìn)行組合計算，滿足各種不同的要求。在墩臺的計算中，尚需考慮按順橋向(與行車的方向平行)和橫橋向分別進(jìn)行，故在荷載組合時也需按縱向及橫向分別計算。在所有荷載中，車輛荷載的變動對荷載組合起著支配作用。驗(yàn)算墩身強(qiáng)度在用在墩身截面的合力偏心矩橋墩的穩(wěn)定性因此，需根據(jù)不同的驗(yàn)算內(nèi)容選擇各種可能的最不利荷載組合。圖2-7-13 產(chǎn)生最大豎向荷載時的外力組合橋墩圖2-7-14 橋梁橫向布載情況）橋墩在順橋向承受最大豎向荷載的組合?？砂垂窐蛄涸O(shè)計規(guī)范中所 列的組合、

7、組合的內(nèi)容組合。）橋墩在順橋向承受最大水平荷載的組合?？砂垂窐蛄涸O(shè)計規(guī)范中所 列的組合、組合IV的荷載內(nèi)容組合。）橋墩承受最大橫橋方向的偏載、最大豎向荷載?？砂垂窐蛄涸O(shè)計規(guī) 范中的組合I、II、III、IV荷載內(nèi)容組合。）橋墩在施工階段的受力驗(yàn)算。按組合V 進(jìn)行驗(yàn)算。）需要進(jìn)行地震力驗(yàn)算的橋墩，還要按組合VI進(jìn)行驗(yàn)算。 各種不同的荷載組合，均應(yīng)滿足公路橋涵設(shè)計規(guī)范中所規(guī)定的強(qiáng)度安全系數(shù)、容許偏心距和穩(wěn)定系數(shù)。 其他可變荷載不同時組合表 表 2-7-2編號荷 載 名 稱不與該荷載同時參與組合的荷載號141516171819風(fēng) 力汽 車 制 動 力流 水 壓 力冰 壓 力溫 度 影 響 力支

8、座 摩 阻 力-16,17,1915,1715,16-15 注：荷載號與公路橋梁設(shè)計規(guī)范中編號一致。橋臺 橋臺的荷載組合方法和橋墩相似，也須針對驗(yàn)算項(xiàng)目及驗(yàn)算截面的位置按公路橋涵設(shè)計規(guī)范進(jìn)行可能的荷載組合。由于活載可以布置在橋跨結(jié)構(gòu)上，也可布置在臺后，在確定荷載最不利組合時，下列幾種加載情況可作參考1）在橋跨結(jié)構(gòu)上布置車輛荷載，溫度下降，制動力（向橋孔方向），并考 慮臺后土側(cè)壓力(考慮最大彎矩組合)；2）在臺后破壞棱體上布置車輛荷載，溫度下降，并考慮臺后土側(cè)壓力(考慮 最大水平力與最大反向彎矩組合)；3）在橋跨結(jié)構(gòu)上和臺后破壞棱體上都布置車輛荷載（當(dāng)橋臺尺寸較大時， 還要考慮在橋跨結(jié)構(gòu)上、臺后

9、破壞棱體上和橋臺上同時都布置活載的情 況），溫度下降，制動力（向橋孔方向），并考慮臺后土側(cè)壓力(考慮最 大豎向力組合)。二、 橋梁墩臺的計算與驗(yàn)算重力式墩臺強(qiáng)度偏心矩穩(wěn)定圬工結(jié)構(gòu)輕型橋墩、柱式橋墩：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（一）、重力式墩臺1、截面強(qiáng)度驗(yàn)算 重力式墩臺主要采用圬工材料建造，一般為偏心受壓構(gòu)件，截面強(qiáng)度的設(shè)計驗(yàn)算采用分項(xiàng)安全系數(shù)的極限狀態(tài)法。在不利荷載組合作用下，驗(yàn)算墩臺各控制截面荷載效應(yīng)的設(shè)計值（內(nèi)力）應(yīng)小于或等于結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)的設(shè)計值，以方程表示為),()(kmjdslsodaRRQSSd荷載效應(yīng)函數(shù)；Q荷載在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的效應(yīng)；so結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，按第 3.0.1 條采用；sl荷載安全

10、系數(shù)，按采用；荷載組合系數(shù)，按表 3.0.1-1 采用；Rd結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)函數(shù)；m材料或砌體的安全系數(shù)，按表 3.0.1-2 采用；ak結(jié)構(gòu)的幾何尺寸；Rj材料或砌體的極限強(qiáng)度，按第 2.0.5 條采用。驗(yàn)算截面墩臺身的基礎(chǔ)頂面墩臺身截面突變處墩臺帽及墩臺帽交界處墩身截面高墩驗(yàn)算截面的內(nèi)力計算按照各種組合，分別計算各驗(yàn)算截面的豎向力、水平力和彎矩，得到并按下式計算各種組合的豎向力設(shè)計值及相應(yīng)偏心矩:HN、MNNslsojNMe0強(qiáng)度驗(yàn)算mjajARN/2)()(1womoreye截面偏心距驗(yàn)算 橋墩承受偏心受壓荷載時，各驗(yàn)算截面在各種組合的偏心距應(yīng)小于表3.0.2-1的容許值。如果超過時，可按下

11、式確定截面尺寸mojwjWAeARN) 1(12、墩臺的穩(wěn)定驗(yàn)算縱向撓曲穩(wěn)定穩(wěn)定驗(yàn)算mjajARN/受壓構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，中心受壓墩臺的值可查閱表3.0.3-2，偏心受壓時，彎曲平面內(nèi)的縱向彎曲系數(shù) 按下式計算：22)(33. 1111wore墩臺整體穩(wěn)定驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算011KMMK傾穩(wěn)11PyM穩(wěn)iiiihTePM傾抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算022KHPfK基礎(chǔ)底面與地基土之間的摩擦系數(shù)，其值為0.250.7，可根據(jù)土質(zhì)情況參照采用；f 在墩臺抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算時，應(yīng)分別按最高設(shè)計水位和最低水位的不同浮力進(jìn)行組合。3、墩臺頂水平位移計算水平位移的規(guī)定Ly5 . 0 對于高度超過20的重力式墩臺

12、及輕型墩臺，應(yīng)驗(yàn)算頂端水平方向的彈性位移，并使其符合規(guī)定要求。墩臺頂面水平位移的容許極限值為（二）、柱式橋墩的計算1、蓋梁的計算計算圖式外力計算內(nèi)力計算配筋驗(yàn)算計算模式 樁柱式墩臺通常按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計。在構(gòu)造上，樁柱的鋼筋伸入蓋梁內(nèi)，與蓋梁的鋼筋綁扎成整體，因此蓋梁與樁柱剛結(jié)呈剛架結(jié)構(gòu)。雙柱式墩臺，當(dāng)蓋梁的剛度與樁柱的線剛度比大于5時，為簡化計算可以忽略節(jié)點(diǎn)不均衡彎矩的分配及傳遞，一般可按簡支梁或懸臂梁進(jìn)行計算和配筋，多根樁柱的蓋梁可按連續(xù)梁計算，當(dāng)蓋梁計算跨徑與梁高之比，對簡支梁小于2，對連續(xù)梁小于2.5時，應(yīng)按附錄六作為深梁計算。當(dāng)線剛度比小于5時，或橋墩承受較大橫向力時，蓋梁應(yīng)作為橫

13、向剛架的一部分予以驗(yàn)算。外力計算 作用在蓋梁上的外力主要考慮上部結(jié)構(gòu)恒載支反力、蓋梁自重及活載。最不利活載加載，首先可根據(jù)所計算蓋梁處上部結(jié)構(gòu)支反力影響線確定活載最大支反力，其次是根據(jù)蓋梁內(nèi)力影響線決定活載最不利橫向布置。 蓋梁在施工過程中，荷載的不對稱性很大，各截面將產(chǎn)生較大的內(nèi)力，因此應(yīng)根據(jù)當(dāng)時的架橋施工方案，作出最不利荷載工況。 構(gòu)件吊裝時，視具體情況，構(gòu)件重力應(yīng)乘以動力系數(shù)1.2或0.85。內(nèi)力計算 公路橋梁樁柱式墩臺的蓋梁通常采用雙懸臂式，計算時控制截面選取在支點(diǎn)和跨中截面。為了得到活載最不利橫向布置，可先作出控制截面的內(nèi)力影響線，活載通過上部結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)間接傳遞至蓋梁頂面，然后通過活

14、載橫向布置，就能得到活載最不利橫向布置系數(shù)，并根據(jù)最大活載支反力便能獲得最不利活載內(nèi)力。在蓋梁內(nèi)力計算時，可考慮樁柱支承寬度對削減負(fù)彎矩尖峰的影響。橋墩臺沿縱向的水平力及當(dāng)蓋梁在沿橋縱向設(shè)置兩排支座時，上部結(jié)構(gòu)活載的偏心力對蓋梁將產(chǎn)生扭矩，應(yīng)予以考慮。橋臺的蓋梁計算，一般可不考慮背墻與蓋梁的共同受力，此時背墻僅起擋土墻作用。必要時也可考慮背墻與蓋梁的共同受力，蓋梁按L形截面計算。橋臺耳墻視為單懸臂固端梁，水平方向承受土壓力及活載水平壓力。配筋驗(yàn)算 蓋梁的配筋驗(yàn)算方法與鋼筋混凝土梁配筋類同，根據(jù)彎矩包絡(luò)圖配置受彎鋼筋，根據(jù)剪力包絡(luò)圖配置斜筋和箍筋。在配筋時，還應(yīng)計算各控制截面扭矩所需要的箍筋及縱

15、向鋼筋。2、墩臺柱的計算外力計算 橋墩樁柱的恒載有上部結(jié)構(gòu)的恒載反力、蓋梁的重量，以及樁柱的自重；樁柱承受的活載按設(shè)計荷載進(jìn)行不利加載計算，最后經(jīng)恒載、活載等組合，可求得最不利的荷載。橋墩的水平力有支座摩阻力和汽車制動力等。 橋臺樁柱（包括雙片墻式臺身）除上述各力之外還有臺后土壓力、活載引起的水平土壓力及溜坡的主動土壓力等。土壓力的計算寬度及溜坡主動土壓力的計算方法，見第二節(jié)和的有關(guān)規(guī)定。內(nèi)力計算配筋計算 在最不利的內(nèi)力組合之后，按鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件，先配筋再作驗(yàn)算。3、墩臺頂部位移 在不考慮樁基變位影響時，等截面橋墩，由于墩頂承受彎矩（M）、水平力（T）及沿墩高梯形分布的水平荷載（見圖2

16、-7-17）所引起的墩頂位移可按下式計算：)301813121(1424132HqHqTHMHEI M 作用在墩頂?shù)膹澗兀∕pa）（包括制動力和恒、 活載偏心等引起的彎矩）； T 作用在墩頂?shù)乃搅Γ↘N）； q1 由于風(fēng)力等沿墩高均勻分布的水平外力（KN）； q2 由于風(fēng)力和其他水平外力沿墩高成三角形分布的 水平荷載（墩頂為零，基礎(chǔ)頂面為q2）（KN）；I、E橋墩截面材料的截面慣性矩（m4）、抗壓彈性模 量（Mpa）； H 橋墩高度。（三）、柔性墩的計算要點(diǎn) 柔性墩是由鋼筋混凝土柔性排架樁墩、梁和剛性墩臺組成的一聯(lián)或多跨連續(xù)的鉸接剛架體系，在縱向水平力作用下，一聯(lián)的各柔性墩頂具有相同的水平位

17、移。為了簡化計算，可把雙固定支座布置的柔性墩視為下端固結(jié)，上端有水平約束的鉸接支承的超靜定梁，如圖2-7-18 a）。當(dāng)已知柔性墩的頂端橋跨結(jié)構(gòu)作用的豎向力和墩頂彎矩，墩頂位移可預(yù)先求出，將墩頂水平反力作為多余未知力求解，即可計算下端固結(jié)點(diǎn)和墩身的彎矩、剪力，根據(jù)各墩最不利的組合內(nèi)力進(jìn)行樁墩的配筋和驗(yàn)算。1、基本假設(shè)（1）在墩頂彎矩不大的前提下，柔性墩頂水平力可采用疊加原理進(jìn)行計算，計 算圖式見圖2-7-18 b)。其中： 第一圖式是計算由于水平位移產(chǎn)生的墩頂水平力，產(chǎn)生水平位移的外力包 括制動力、梁的溫度變化力以及在豎向活載作用下因梁長度變化而產(chǎn)生的 水平力等種組合； 第二圖式是計算由于墩頂

18、產(chǎn)生了水平位移，在豎向力作用下引起墩內(nèi)彎矩 而產(chǎn)生的水平反力； 第三圖式為在墩頂彎矩作用下而產(chǎn)生的水平反力。此外，在必要時還應(yīng)包 括墩身受到風(fēng)力產(chǎn)生的水平反力。在水平力的計算時，梁身混凝土收縮、 徐變等次要因素一般可忽略不計。（2）假定上部結(jié)構(gòu)與樁柱頂不發(fā)生相對位移，制動力按各墩抗水平位移的剛度 分配。 樁柱式柔性墩，墩柱下端固結(jié)在基礎(chǔ)或承臺頂面，其抗水平位移 的剛度為（等截面剛度）：iiilEIK133iiliK單位水平力作用在柔性墩頂面時，該處的水平位移墩柱下端固結(jié)處至墩頂?shù)母叨?，墩柱橫截面對形心軸的慣性矩第墩柱抗水平位移的剛度I（3）計算土壓力時，如設(shè)有實(shí)體剛性墩臺，則全部由有關(guān)的剛性墩

19、臺承受， 如均為柔性墩，則岸墩承受的土壓力由對岸的土抗力平衡，其余柔性墩 不計其影響。（4）水平力組合時，樁柱頂?shù)闹苿恿?、水平土壓力（?dāng)邊排架向河心偏移 時）及豎向偏載產(chǎn)生的水平力的代數(shù)和不允許大于支座摩阻力。當(dāng)前 三者與溫度變化產(chǎn)生水平力的總和大于支座摩阻力時，按摩阻力計算。墩頂水平位移的計算（1）柔性墩（臺）頂制動力及其水平位移計算 墩頂制動力FKKfiiizizfiK 作用在第i墩（臺）頂?shù)闹苿恿Γ?第i墩（臺）的抗水平位移剛度； 全橋（或一聯(lián)）承受的制動力。F由制動力產(chǎn)生的墩頂水平位移：iizzKf（2）梁的溫度變形itLt（3）在豎向活載作用下梁長度的變化 當(dāng)橋跨結(jié)構(gòu)跨徑較大時，在豎向活載作用下梁下緣伸長而影響柔性墩的位移 也應(yīng)予考慮，此時由梁的撓度 近似得到梁的撓曲半徑：sssiL