橋梁墩柱的受力分析

橋梁墩柱的受力分析

橋梁結構通常分為上部結構和下部結構（包括底部基礎部分）。一般的計算方法都是分兩部分進行的:先計算上部結構,再計算下部結構的墩臺、基礎等,因此現(xiàn)在大部分的通用計算程序都是將兩部分計算單獨設計模塊的。目前,上部結構計算程序相對來說已比較完善,且許多中小橋梁的上部結構均是采用標準梁,還有為了滿足交通膨脹需求而拓寬地面使用受限無法加設墩臺的橋梁等狀況,使得下部結構的計算尤顯重要。雖然現(xiàn)在下部結構的計算程序也很多,但能完整模擬其受力的還很少,其中有一大部分需手算,尤其是下部結構所受的外力及其組合部分。1總體分析方法《墩臺設計手冊》中算例對墩臺內力按下列方法計算:當荷載對稱布置時,按杠桿法計算;當荷載偏心布置時,按偏心壓力法計算;兩種布載狀況的內力取大值控制設計。這種算法沒有真正體現(xiàn)規(guī)范用意,僅為兩種布載方法下的內力計算,而不是各截面最不利狀態(tài)的內力計算,所算內力存在著不安全因素。精確做法,應該是將蓋梁類似于上部結構主梁一樣進行計算,采用通用計算程序進行建模分析。在建模時,蓋梁的支承條件很難精確模擬,因為其受到墩柱及基礎的剛度影響,所以為了減小誤差,對于一些能將墩柱模擬進去的建議將墩柱一起模擬,然后在墩柱底進行邊界約束。如圖1所示為運用橋梁博士軟件進行計算的幾何模型,這也可以方便后面墩柱和樁基礎的計算。蓋梁上作用的荷載包括上部結構一期、二期恒載、活載以及自重。在計算活載時,對于簡支梁,直接是在相鄰兩跨的跨長上利用杠桿法得到蓋梁支座處的支反力Vqmax,然后對蓋梁進行橫向加載;對于連續(xù)梁,如果已計算了上部結構,則直接取作用于該號墩上的最大活載支反力Vqmax作用于蓋梁即可;而對于沒有對上部結構進行分析的狀態(tài),則可以采用一種簡化方法進行計算支反力,即按簡支梁在相鄰兩跨內利用杠桿法得到作用于蓋梁的支反力,然后乘以放大系數(shù)β,再對蓋梁加載。在進行蓋梁橫向加載時,應根據(jù)柱底或支承處支反力Vdq考慮車道數(shù)偏載,得到蓋梁各控制截面(一般包括懸臂根部、跨中和支點截面)的最不利內力組合進行設計或驗算。2最不利組合的組合橋梁墩柱根據(jù)其受力特點,大部分都屬于偏心受壓構件。偏心受壓構件在彎矩、軸力共同作用下,截面的極限承載能力隨彎矩與軸力的比值,即偏心距e0變化而變化。到大截面極限承載能力時的彎矩MR與NR軸力的曲線關系如圖2所示。對于一般橋梁結構的橋墩,除去一些特殊高墩橋外,均屬于短柱范圍,由圖2可見,對于短柱,M與N呈線性關系;對于中長柱,M與N呈非線性關系;NR隨MR增大有所降低。根據(jù)MR—NR相關圖可知:對小偏心受壓構件:NR隨MR減小而增大;對大偏心受壓構件:NR隨MR增大而增大,增大到最大的MR后即界限破壞后減小。所以在進行墩柱設計或驗算時,應根據(jù)偏心受壓構件的受力特點來確定其最不利受力狀態(tài)對應的內力。作用在墩柱上的力,豎向力主要來自上部結構一期及二期恒載、活載,對于有蓋梁的還包括蓋梁的恒載及墩柱自身重力;水平力主要為橋面汽車制動力,支座摩阻力,梁體混凝土收縮、徐變、溫差、地震產生的水平力的不利組合;彎矩由以上豎向力偏心力矩和水平力力矩組成。按照規(guī)范規(guī)定和構件受力特點進行最不利組合。所有組合的恒載都是一致的,只是可變荷載的組合變化。概括如下:1)組合一(1——最大彎矩對應的最小軸力組合,僅考慮汽車作用):這種組合可能是大偏心受壓構件,故在彎矩一定的情況下,軸力愈小,就愈趨近軸力抗力NR;如果是屬于小偏心受壓構件,則由下一種組合控制。這種組合具體做法如下:a.簡支梁。采用汽車單跨加載產生的支反力Vqmax′作用于蓋梁后,在墩柱支承處產生的最小支承反力Vdqmin′作為汽車豎向力;此處Vdqmin′可以由單跨加載支反力與雙跨加載支反力比值乘以雙跨加載得到墩柱支承處的最小支承力Vdqmin(蓋梁分析時已得到)得到,即Vqmax′Vqmax×VdqminVqmax′Vqmax×Vdqmin;水平力H主要取制動力和支座摩阻力中的大值,對于橋面連續(xù)的簡支梁還要考慮梁體混凝土收縮、徐變、溫差等產生的水平力;彎矩由Vqmax′和水平力H產生。b.連續(xù)梁。豎向力直接為計算蓋梁時的Vqmax作用于蓋梁后得到墩柱支承處產生的最小支承反力Vdqmin作為汽車豎向力;水平力與橋面連續(xù)的簡支梁差不多,為制動力、支座摩阻力、梁體收縮、徐變、溫差等產生的水平力根據(jù)規(guī)范進行分配的不利組合;豎向力一般無偏心距,所以彎矩全由水平力產生。2)組合二(2——最小彎矩對應的最大軸力組合,僅考慮汽車作用):這種組合是為了彌補上一種組合發(fā)生小偏心受壓情況。對于小偏心受壓構件,在固定彎矩作用下,軸力愈大,愈接近其軸力抗力NR。對于簡支梁,這種組合需要把1)中單跨汽車在墩柱的支承處產生的最小支承反力Vdqmin′改為雙跨汽車產生的最大支承反力Vdqmax,彎矩是由雙跨汽車支反力和水平力產生的最小彎矩;對于連續(xù)梁則只需將墩柱處最小支承反力Vdqmin改為最大支承反力Vdqmax即可。這兩種組合對于獨柱無蓋梁的連續(xù)梁墩柱來說并無區(qū)別。3)組合三(1——最大彎矩對應的最小軸力組合,考慮有汽車和人群荷載共同作用):由于人群荷載形式不同于汽車,故須考慮只有汽車作用和有人群荷載參與作用兩種工況進行對比計算,得到最不利受力狀態(tài)。人群加載原則與組合一類似,相應得到Vdrmin′和Vdrmin,然后根據(jù)規(guī)范進行作用效應組合。4)組合四(2——最小彎矩對應的最大軸力組合,考慮有汽車和人群荷載共同作用):同理,人群加載原則與組合二類似,相應得到Vdrmax,然后根據(jù)規(guī)范進行作用效應組合。得到以上4種組合后,即可進行墩柱的設計或驗算。3樁身強度內力組合樁基礎計算一般包括單樁極限承載力和樁身強度的設計或驗算。單樁承載力的內力只需考慮最大豎向力的組合,比較簡潔。進行樁身強度內力計算則類似于墩柱,屬于偏心受壓構件(對于群樁可能會出現(xiàn)偏心受拉構件),因此可以利用與墩柱一致的方法,計算墩柱的內力組合,根據(jù)樁的地質條件,按規(guī)范規(guī)定的一系列方法計算得到樁對應的不利內力組合。對于群樁基礎只要得到承臺底的不利組合,即可根據(jù)規(guī)范進行分配,目前也已有小程序完成這項工作。4算算過程中考慮因素的影響由于橋臺還受到土側壓力和臺上填土、搭板等的作用,故計算時還應考慮它們的影響進行不利組合。對于臺帽計算與橋墩蓋梁一致,臺身計算內力一般考慮最大彎矩對應的最大軸力作用。橋臺樁基礎的組合原則同橋墩樁基礎,在此不再贅述。5從計算結果的角度進行計算的模式隨著公路等級的提高,斜交橋數(shù)量也在增多。根據(jù)規(guī)范規(guī)定,當斜交角大于5°時,墩臺需斜向布置,對于斜設墩臺的計算,目前有3種計算模式,模式一:完全按正橋計算模式進行簡化計算(如圖3所示);模式二:將縱向外力分解成垂直和順沿蓋梁(或承臺)長邊方向的兩組外力,分別求得再疊加,然后求墩柱或樁的內力(如圖4所示);模式三:將模式二在順橋向進行投影作為墩臺的計算模式(如圖5所示),即斜向單排樁作為垂直的多排樁來計算。模式一是通常計算中采用的模式,也是最簡單、方便的模式,在計算一般的荷載作用時是偏安全的,而在進行抗震設計時則趨于不安全。模式二雖然計算比較模擬實際,但兩個方向的力無法共同作用,而且計算復雜,故實際計算中很少采用。模式三是文獻中提出的相對比較經濟、合理的方法,相對于模式一來說較復雜。因此,在一般荷載作用下計算內力時,大多還是采用模式一,在考慮地震荷載等特殊荷載作用時,推薦采用模式三進行計算。6新結構下部結構的計算目前計算重點主要集中在對上部結