橋梁工程 橋墩橋臺作用分析及計算全套

橋梁工程橋墩橋臺作用分析及計算一、概述橋梁墩臺的作用：承受橋跨結構傳來的荷載，通過基礎傳給地基；橋梁墩臺必須具有足夠的強度和穩(wěn)定性。橋梁墩臺的類型：①重力式橋墩、橋臺②輕型橋墩、橋臺橋梁墩臺的組成：墩（臺）帽、墩（臺）身和基礎三部分組成。本章主要介紹墩（臺）帽和墩（臺）身的相關知識，基礎部分在此不再贅述。橋梁墩臺的一般構造及有關規(guī)定：1.1橋梁墩臺帽尺寸的擬定1.1.1梁式橋的實體墩(臺)帽墩(臺)帽厚度一般不小于40厘米,中小橋梁也不應小于30厘米,并應有5～10厘米的檐口,墩(臺)帽可用15號、20號鋼筋混凝土或混凝土做成。1)墩(臺)帽平面尺寸(1)順橋向墩帽最小寬度式中：f：相鄰兩跨支座間的中心距e0：伸縮縫寬a、a′：支座底板順橋向?qū)挾萩2：順橋向支座邊緣至墩臺身邊緣最小距離c1：檐口寬度e1、e1′：梁端至支座中心線的長度支座邊緣到墩（臺）身邊緣的最小距離(厘米)當采用鋼筋混凝土懸臂式墩(臺)帽時,最小距離為支座至墩(臺)帽邊緣的距離?！稑蛞?guī)》對這個最小距離所作的規(guī)定，目的是：①為了避免支座過分靠近墩身側(cè)面邊緣而導致的應力集中；②為了提高混凝土的局部抗壓強度以及考慮施工誤差和預留錨栓孔的要求。(2)橫橋向墩帽最小寬度BB=兩邊主梁中心距+支座底板橫向?qū)挾?2c2橫橋向支座邊緣至墩臺身邊緣最小距離+2c1檐口寬度(3)順橋向臺帽最小寬度bb≥e0+e1+a/2+c1+c2(4)橫橋向臺帽最小寬度B由橋面寬度、接線路基寬度等決定。2）實體墩、臺帽頂支座下鋼筋網(wǎng)的設置墩、臺帽頂支座下應設置鋼筋網(wǎng)二、橋墩2.1梁橋重力式橋墩重力式橋墩由：墩帽、墩身、基礎三部分組成。2.1.1墩帽常采用的材料：C20混凝土、φ8鋼筋等。同一座橋梁，若相鄰兩孔支座高度不同，加設混凝土墊石調(diào)整高程。2.1.2墩身常采用15號片石混凝土或漿砌塊石及料石等?！稑蛞?guī)》規(guī)定重力式橋墩墩身頂寬：小跨徑橋不宜小于80厘米；中等跨徑橋不宜小于100厘米；大跨徑橋視上部構造而定。重力式橋墩可設計為實心墩、空心墩。墩身四周采用30：1或20：1（縱、橫向）的側(cè)坡，小跨徑橋可做成豎直的。在一些高大的橋墩中，為減少圬工體積、節(jié)約材料或減輕自重、降低基底承壓應力，可設計為空心橋墩。2.1.3基礎設置在天然地基上的橋墩基礎采用15號或15號以上片石混凝土，也可采用漿砌塊石。若采用樁基或沉井，應根據(jù)具體情況進行設計。沉井橋墩2.1.4重力式橋墩的特點和適用范圍靠自身的重量來平衡外力，保證橋墩的強度和穩(wěn)定性。常用圬工材料建造，適用于地基良好的大、中型橋梁。2.2拱橋重力式橋墩2.2.1拱座梁橋橋墩的頂面要設置傳力的支座，且支座距頂面保持一定的距離；而無支架吊裝的拱橋橋墩則在其頂面的邊緣設置呈傾斜面的拱座，直接承受由拱圈傳來的壓力。故無鉸拱的拱座總是設計成與拱軸線成正交的斜面。2.2.2拱座的位置當橋墩兩側(cè)孔徑相等時，拱座設置在拱橋起拱線標高上，有時考慮橋面的縱坡，兩側(cè)起拱線標高可以略有不同。2.2.3墩頂以上的構造對于實腹式拱橋，墩頂以上部分通常做成與側(cè)墻平齊的形式。對于空腹式拱橋，墩頂以上部分通常采用立柱加蓋梁式、橫墻式或跨越式。重力式橋墩鋼筋混凝土重力式橋墩2.3梁橋輕型橋墩①梁橋輕型橋墩的常見類型鋼筋混凝土薄壁橋墩、柱式橋墩、柔性排架樁墩等。其中柱式橋墩由分離的兩根或多根立柱（或樁柱）所組成，是公路橋梁中采用較多的橋墩型式之一。②輕型橋墩的特點靠材料的強度來平衡外力，剛度較小，一般用鋼筋砼建造，適用于地基較差的橋位。梁橋輕型橋墩主要是為了減輕地基負擔，減輕墩身重量，節(jié)約圬工材料。梁橋輕型橋墩柱式橋墩：墩身由分離的兩根或多根立柱（樁柱）組成。2.4拱橋輕型橋墩拱橋輕型橋墩，一般是為配合鉆孔灌注樁基礎的樁柱式橋墩。拱橋樁柱式橋墩一般采用單排樁，跨徑在40～50米以上的高墩，可采用雙排樁，在樁頂設置承臺，與墩柱聯(lián)成整體。如果柱與樁直接連接，則應在結合處設置橫系梁。拱橋是有推力的結構，常用橋墩型式有：普通墩：除承受豎向荷載外，一般不承受恒載水平推力，如果相鄰跨徑不同時，可承受少量不平衡的水平推力。制動墩：能承受單向的恒載水平推力。拱橋輕型橋墩帶斜桿的單向推力墩和懸臂式單向推力墩三、橋臺橋臺主要有重力式橋臺、輕型橋臺兩類。3.1重力式橋臺重力式橋臺：靠自重來平衡臺后填土的土壓力，臺身多由圬工材料建造。分類：U型臺、八字臺等。組成：臺帽、臺身、基礎。常用的重力式橋臺為U型橋臺：臺身為前墻和兩個側(cè)墻構成的U字型結構。由于拱橋橋臺尚須承受水平推力，在結構尺寸上比梁橋橋臺大。結構尺寸：前墻與側(cè)墻按一定比例放坡，臺身與路基同寬，各部尺寸均須滿足構造及受力要求，具體可參見《橋規(guī)》及《墩臺與基礎》之規(guī)定。若橋臺較寬，須按擋土墻計算其受力。臺后填土：須分層夯實，透水性好，壓縮性小的砂性土，并做好臺后排水措施。重力式橋臺3.2輕型橋臺輕型橋臺：利用鋼筋砼結構的抗彎能力、整體剛度和材料強度承受外力，力求減少圬工體積而使橋臺輕型化，節(jié)省材料，降低對地基強度的要求，適用于地質(zhì)不好或軟土地基。3.2.1梁橋輕型橋臺分類：肋板式橋臺、樁柱式橋臺、埋置式橋臺、鋼筋混凝土薄壁橋臺、加筋土橋臺。組成：由臺帽、臺身、基礎三基本部分組成，其余部分由橋臺類型決定。3.2.2拱橋輕型橋臺拱橋輕型橋臺利用臺后填土的抗力來平衡拱推力，適用于小跨徑拱橋。①分類：組合式橋臺、空腹式橋臺、齒檻式橋臺。②拱橋輕型橋臺的組成組合式橋臺：由臺身和后座組成?？崭故綐蚺_：由前墻、后墻、基礎板及撐墻組成。齒檻式橋臺：由前墻、側(cè)墻、底板及撐墻組成。組合式橋臺：臺身基礎承受豎向力，一般采用樁基或沉井基礎；拱的水平推力由后座基底的摩阻力及臺后的土側(cè)壓力平衡。后座基底標高低于拱腳下緣標高。臺身與后座間應密切貼合，并設置沉降縫，以適應兩者的不均勻沉降?？崭故綐蚺_：前墻承受拱圈傳來的荷載，后墻支承臺后的土壓力，在前、后墻之間設置撐墻，作為傳力構件。對后墻起到扶壁、對基礎起到加勁作用?？崭箍梢允浅诘模部梢允欠忾]的。一般在軟土地基、河床無沖刷或沖刷輕微、水位變化小的河道上采用。齒檻式橋臺：基底面積較大，可支承一定的垂直壓力；底板下的齒檻可以增加摩擦和抗滑的穩(wěn)定性；臺背做成斜擋板，利用背面的原狀土和前墻背面的新填土，共同平衡拱的水平推力；前墻與后墻之間的撐墻可以提高結構的剛度。四、橋墩計算4.1荷載及其組合4.1.1恒載1、上部構造的恒重對墩帽或拱座產(chǎn)生的支承反力2、橋墩自重3、預應力4、基礎變位影響力5、水的浮力4.1.2活載1、基本可變荷載①汽車荷載（鋼筋混凝土墩臺計入沖擊力，重力式墩臺不計沖擊力）②掛車荷載③人群荷載2、其他可變荷載①作用于上部構造和墩身上的縱、橫向風力②汽車荷載引起的制動力③墩身上的流冰壓力④墩身上的冰壓力⑤上部構造因溫度變化對橋墩產(chǎn)生的水平力⑥支座摩阻力3、偶然荷載①地震力②作用于墩身上的船只或漂浮物的撞擊力4.1.3荷載組合1、梁橋重力式橋墩①組合1：按橋墩各截面上可能產(chǎn)生最大豎向力的情況進行組合.用來驗算墩身強度和基底最大應力。《橋規(guī)》中的組合Ⅰ或組合Ⅲ。②組合2：按橋墩各截面在順橋方向上可能產(chǎn)生最大偏心和最大彎矩的情況進行組合。用來驗算墩身強度、基底應力、偏心及橋墩的穩(wěn)定性?！稑蛞?guī)》中的組合Ⅱ。③組合3：按橋墩各截面在橫橋方向上可能產(chǎn)生最大偏心和最大彎矩的情況進行組合。用來驗算橫橋方向的墩身強度、基底應力、偏心及橋墩的穩(wěn)定性?！稑蛞?guī)》中的組合Ⅱ、組合Ⅳ。2、拱橋重力式橋墩①順橋方向的荷載及其組合對于普通橋墩為相鄰兩孔的永久荷載，在一孔或跨徑較大的一孔滿布基本可變荷載的一種或幾種，其他可變荷載中的汽車制動力、縱向風力、溫度影響力等，并由此對橋墩產(chǎn)生不平衡水平推力、豎向力和彎矩。對于單向推力墩，只考慮相鄰兩孔中跨徑較大一孔的永久荷載作用力。②橫橋方向的荷載及其組合在橫橋向作用于橋墩上的外力有風力、流水壓力、冰壓力、船只或漂浮物撞擊力或地震力等。對于公路橋梁橫橋方向的受力驗算一般不控制設計。4.2重力式橋墩計算圬工橋墩墩身強度驗算對于較矮的橋墩一般驗算墩身的底截面和墩身的突變處截面；對于較高的橋墩，由于危險截面不一定在墩身底部，應沿豎向每隔2～3米驗算一個截面。4.2.1計算步驟:①內(nèi)力計算將作用于每個截面上的外力按順橋方向和橫橋方向分別進行荷載組合，以求得相應的縱向力、水平力和彎矩。②抗壓強度的驗算對于軸心受壓和偏心受壓的橋墩，可按《橋規(guī)》有關公式進行驗算，如果不滿足要求，應修改墩身截面尺寸，重新驗算。③偏心距的驗算橋墩承受偏心受壓荷載時，偏心距不得超過規(guī)定的容許值。④抗剪強度驗算當拱橋相鄰兩孔的推力不相等時，驗算拱座底截面的抗剪強度。4.2.2墩頂水平位移驗算高度超過20米的重力式橋墩應驗算墩頂水平方向的彈性位移?！稑蛞?guī)》規(guī)定墩頂端水平位移的容許限值為：l：相鄰墩臺間最小跨徑長度，以米計?？鐝叫∮?5米按25米計。4.2.3基礎底面土的承載力和偏心距的驗算1、基礎底面土的承載力驗算順橋向：橫橋向：式中:σmax：應力重分布后基底最大壓應力N：作用于基礎底面合力的豎向分力a、b：橫橋方向和順橋方向基礎底面積的邊長[σ]：地基土壤的容許承載力cx：順橋方向驗算時，基底受壓面積在順橋方向的長度cy：橫橋方向驗算時，基底受壓面積在橫橋方向的長度ex、ey：合力在X軸和Y軸方向的偏心距2、基底偏心距驗算在基礎的縱向和橫向，計算荷載偏心距應滿足規(guī)定。式中：ρ：墩臺基礎底面的核心半徑W：墩臺基礎底面的截面模量A：墩臺基礎底面的面積N：作用于基底合力的豎向分力∑M：作用于墩臺的水平力和豎向力對基底形心軸的彎矩4.2.4橋墩的整體穩(wěn)定性驗算1、傾覆穩(wěn)定性驗算式中：M穩(wěn)：穩(wěn)定力矩M傾：傾覆力矩∑Pi：作用于基底豎向力的總和(piei)：作用于橋墩上各豎向力與它們到基底形心軸距離的乘積(Tihi)：作用于橋墩上各水平力與它們到基底距離的乘積x：基底截面重心0至偏心方向截面邊緣的距離e0：所有外力的合力的豎向分力對基底重心的偏心距2、滑動穩(wěn)定性驗算式中：∑Pi：作用于基底各豎向力的總和∑Ti：作用于橋墩上各水平力的總和f：基礎底面與地基土之間的摩擦系數(shù)求得的傾覆與滑動穩(wěn)定系數(shù)K0、Kc均不得小于規(guī)定的最小值。4.3樁柱式橋墩計算樁柱式橋墩的計算包括蓋梁和樁身。4.3.1蓋梁計算樁柱式橋墩的蓋梁，對雙柱式橋墩，當蓋梁的剛度與樁柱的剛度比大于5時，一般忽略樁柱對蓋梁的彈性約束，近似地按雙懸臂梁計算；對于多柱式或多樁式橋墩，近似地按多跨連續(xù)梁計算；當橋墩承受較大橫向力時，則蓋梁應作為橫向剛架的一部分進行驗算。蓋梁計算內(nèi)容：1、恒載及其內(nèi)力計算2、活載及其內(nèi)力計算3、施工吊裝荷載及其內(nèi)力計算4、荷載組合及其內(nèi)力包絡圖5、配筋計算4.3.2樁身計算樁墩一般分為剛性樁墩和柔性樁墩兩種。剛性樁墩的計算方法與重力式橋墩相似；柔性樁墩需要從整個橋梁體系的分析來確定各橋墩的受力。柔性樁墩（多跨鉸接剛架）的計算：1、基本假定1）柔性樁墩作為下端固結、上端鉸結的超靜定梁；2）作用于墩頂?shù)呢Q向力、不平衡彎矩以及由溫度力、制動力等水平力所引起的墩頂位移，先分別進行力學分析，然后進行內(nèi)力跌加，不計這些力的相互作用影響。3）計算制動力時，各墩臺受力按墩頂抗推剛度分配，在計算土壓力時，如設有實體剛性墩臺，則由岸墩承受土壓力，并假定此時各個樁頂所受到的水平力將經(jīng)各支座直接傳遞到對岸，為對岸土抗力平衡，其余個柔性墩均不考慮受力。4）計算溫度變形時，樁墩對梁產(chǎn)生的彈性拉伸或壓縮影響忽略不計，而只計樁墩頂部水平力對樁墩所引起彎矩的影響。2、計算步驟1）抗推剛度的計算Ki=1/δi①當墩柱下端固定在基礎或承臺頂面時δi=li3/3EI②當考慮樁側(cè)土的彈性抗力時，δi按樁基礎公式計算。式中δi：單位水平力作用在第i柔性墩頂產(chǎn)生的水平位移（m/KN）li：第i柔性墩柱下端固著處到墩頂?shù)母叨龋╩）I：墩身橫截面對形心軸的慣性矩（m4）2）墩頂制動力的計算HiT=KiT/∑KiHiT：作用在第i墩臺的制動力（KN）T：全橋或第一聯(lián)承受的制動力（KN）墩頂水平位移δiT為：δiT=HiT/Ki3）梁的溫度變形引起的水平力計算各墩頂由溫度引起的水平位移為：δit=αtxi各排架樁頂所受的溫度力：Hit=Kiδit墩頂發(fā)生的水平位移為：δi=δiT+δit相應的水平力為：Hi=Kiδi=HiT+Hit4）由于墩頂產(chǎn)生的水平位移δi、豎向力N引起墩內(nèi)彎矩而產(chǎn)生的水平反力HN=-5Nδi/4li5）由于墩頂偏心彎矩M0而產(chǎn)生的水平反力HM0=-1.5M0/li作用在一個墩頂?shù)母黜椝搅τ嬎阃瓿珊?，便可根?jù)最不利荷載情況進行組合，柱墩按柱頂處的水平力、豎向力及彎矩驗算各截面強度和穩(wěn)定性。排架應考慮樁側(cè)土的彈性抗力，按彈性地基梁法進行內(nèi)力計算和截面強度、穩(wěn)定性、樁的入土深度等項目的驗算。另外，柔性排架墩在橫橋向是一個多跨剛架，橫橋向水平荷載不大，一般不控制設計，可不作驗算。五、橋臺計算5.1重力式橋臺的計算5.1.1重力式橋臺的計算特點計算重力式橋臺所考慮的荷載與重力式橋墩計算基本一樣，不同的是：對于橋臺需計入車輛荷載引起的土側(cè)壓力，而不計縱、橫向風力、流水壓力、冰壓力、船只或漂浮物的撞擊力。另外，橋臺的強度、偏心距和穩(wěn)定性的驗算也與橋墩基本相同，但只作順橋方向的驗算。5.1.2重力式橋臺計算的荷載組合1、梁橋重力式橋臺的荷載組合車輛荷載的布置：1）車輛荷載僅布置在臺后填土的破壞棱體上2）車輛荷載僅布置在橋跨結構上3）車輛荷載同時布置在橋跨結構和破壞棱體上。臺后的土側(cè)壓力，一般按主動土壓力計算，大小與土的壓實程度有關。2、拱橋重力式橋臺的荷載組合車輛荷載的布置：1）橋上滿