【桥涵工程(第三版)―郭发忠】第四章桥梁墩台(31)墩台计算教程

、认知桥墩和基础设计的基本要求；2、掌握作用于桥墩和基础的荷载计算及其组合方法；3、掌握实体桥墩与扩大基础的尺寸拟定、承载能力计算及稳定性验算的方法；4、认知桩柱式桥墩的计算要点；5、能根据设计资料绘制桥墩与基础的结构设计图。桥墩计算主要内容包括：桥墩和基础设计的基本要求；作用于桥墩与基础的荷载及其组合；实体桥墩的截面强度验算、基底应力计算及桥墩稳定性验算；桩柱式桥墩的计算要点。一、作用及其组合桥墩和基础的设计应符合技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理以及有利环保的要求。除此以外，还应考虑因地制宜、就地取材、便于施工和养护等因素。在结构设计上，在满足构造和工艺方面要求的前提下，应按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进行。．桥墩上的作用1）永久作用(1)结构重力，包括主梁、桥面铺装、人行道、灯柱、护栏及其它附属物重力对墩帽或拱座产生的支承反力，以及桥墩自身的重力（包括基础台阶上土的重力）。(2)上部结构混凝土收缩及徐变作用。(3)土侧压力（指土体自重作用下的土侧压力）。(4)基础变位作用，对超静定结构，基础的任何变位都将对桥墩产生附加内力，这种附加内力只与结构本身和基础变位大小有关。(5)水的浮力（计算时按《桥规》JTGD60-2004中4.2.4之规定采用）。)可变作用•(1)汽车荷载，人群荷载。•(2)汽车冲击力，对钢筋混凝土柱式桥墩及其它轻型桥墩应计入冲击力，对于重力式实体桥墩，不计冲击力。•(3)离心力，对弯道半径小于或等于250m的弯桥桥墩应计入离心力。•(4)作用在上部结构和墩身上的纵横向风力。•(5）汽车荷载的制动力。•(6)作用在墩身上的流水压力。•(7)作用在墩身上的流冰压力。•(8)温度作用,主要指上部结构受温度变化发生伸缩而对桥墩产生的水平力。•(9)支座摩阻力。)偶然作用（1）地震作用，地震动峰值加速度等于0.10g、0.15g、0.20g、0.30g地区的公路桥涵，应进行抗震设计；（2）船只或漂流物或汽车的撞击作用。位于通航河流或有漂浮物的河流中的桥墩，设计时应考虑船只或漂浮物的撞击作用。位于城市立交或高架桥的桥墩，设计时应考虑汽车的撞击作用。（3）施工荷载作用效应组合在所有桥墩的计算作用中，不同桥梁出现的作用种类和大小不同，不同作用之间的组合效应也不同，选择什么样的作用效应组合主要与所计算的对象有关。桥墩计算一般需验算墩身截面强度、作用在墩身截面上的合力偏心距，基底应力及偏心距以及桥墩的稳定性等。应根据可能出现的各种作用情况，进行最不利的作用效应组合。1)梁桥桥墩计算作用布置与作用效应组合(1)纵桥向作用布置①第一种作用布置是根据桥墩各截面上产生最大竖向反力进行布置。即除结构重力外，相邻两孔都布满汽车和人群荷载，车道荷载中的集中力布置在桥墩截面重心处，同时还可能作用着其它纵向作用，如制动力和支座摩阻力、纵向风力和船只撞击作用等(图a)，是用来验算顺桥向墩身强度和地基承载力。桥墩计算•②第二种作用布置是根据桥墩各截面可能产生最大偏心距和最大弯矩时的情况进行布置。即除结构重力外，只在一孔布置汽车和人群荷载，若为不等跨时，则在较大跨径的一孔布置汽车和人群荷载，同时还可能作用其他纵向作用，如制动力和支座摩阻力、纵向风力和船只撞击作用等（图b），是用来验算顺桥向墩身强度和偏心、基底应力和偏心以及桥墩的稳定性。•③施工阶段各种可能的作用。•④考虑地震的作用。（2）纵桥向作用效应组合•①上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力。•②上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+汽车荷载+人群荷载。•③上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+汽车荷载+人群荷载+纵向风力+支座摩阻力（或制动力+温度作用）其中:支座摩阻力与制动力或温度作用取小者进行组合。•④上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+汽车荷载+人群荷载+船只或漂浮物撞击作用或汽车撞击作用。桥墩计算(3)横桥向作用布置•根据在垂直于行车方向桥墩各截面产生最大偏心弯矩时的情况进行布置。即除结构重力外，汽车和人群荷载在横桥向偏于一侧布置，同时还可能作用其它横向作用，如横向风力、流水或流冰压力、船只或漂浮物撞击作用或汽车撞击作用等（图c），是用来验算横桥向墩身强度和偏心距、基底应力和偏心距以及桥墩的稳定性。（4）横桥向作用效应组合(以双车道为例)•①上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔双行汽车荷载+双孔单边人群荷载+横向风力+水压力或冰压力。•②上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔单行汽车荷载+双孔单边人群荷载+横向风力+水压力或冰压力。•③上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔双行汽车荷载+双孔单边人群荷载+船只或漂浮物撞击作用或汽车撞击作用。•④上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔单行汽车荷载+双孔单边人群荷载+船只或漂浮物撞击作用或汽车撞击作用。）拱桥桥墩计算作用布置与作用效应组合（1）作用布置•①第一种作用布置是根据桥墩各截面上产生最大竖向反力进行布置。即除结构重力外，相邻两孔都布满汽车和人群荷载，车道荷载中的集中力布置在桥墩截面重心处，同时还可能作用着其它纵向作用，如制动力、温度作用、纵向风力、拱圈材料收缩作用和船只撞击或汽车撞击作用等，是用来验算顺桥向墩身强度和偏心、地基承载力和偏心。•②第二种作用布置是根据桥墩各截面可能产生最大偏心距和最大弯矩时的情况进行布置。即除结构重力外，只在一孔布置汽车和人群荷载，若为不等跨时，则在较大跨径的一孔布置汽车和人群荷载，车道荷载中的集中力应布置在拱脚弯矩影响线竖标最大值处，同时还可能作用着其它纵向作用，如制动力、温度作用、纵向风力、拱圈材料收缩作用和船只撞击作用等，是用来验算顺桥向墩身强度和偏心、基底应力和偏心距以及桥墩稳定性。•③施工阶段各种可能的荷载作用状况。•④考虑地震作用的状况。桥墩计算（2）作用效应组合•①上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩作用。•②上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩作用+汽车荷载+人群荷载。•③上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩作用+汽车荷载+人群荷载+纵向风力+制动力+温度作用。•④上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩作用+汽车荷载+人群荷载+船只或漂浮物撞击作用或汽车撞击作用。•需要特别强调的是,以上各种作用效应组合均应满足《桥规》（JTGD60-2004）中所规定的承载力、容许偏心距和稳定系数的要求。桥墩计算二、重力式桥墩计算•对于重力式桥墩计算，就某个截面而言,这些外力都可以合成为竖直方向和水平方向的合力（用和表示），以及绕该截面轴和轴的弯矩（用和表示），如图所示。NHxxyyxMyM）根据构造要求和经验拟定各部分尺寸；2）对结构进行分析，计算可能出现的作用，并进行最不利作用效应组合；3）选取验算截面及验算内容；4）计算各截面的内力。2.验算内容1）墩身截面承载力验算（1）选取验算截面通常选取墩身的底面及墩身截面突变处。对于采用悬臂式墩帽的墩身，除对墩帽进行验算外，还应对墩身与墩帽交界截面予以验算。当桥墩较高时，沿墩高每隔2~3m选取一个验算截面。桥墩计算（2）验算截面的内力计算•按照各种作用效应组合,分别计算各验算截面的竖向力、水平力和弯矩，得到、及。（3）验算截面的偏心距计算•桥墩一般属偏心受压构件，各验算截面在各种作用效应组合下，受压偏心距按下式计算：NHMNMe/桥墩计算（4）截面的承载力验算•重力式桥墩主要采用圬工材料建造，一般属偏心受压构件。根据《桥规》(JTGD61-2005)规定：•①砌体（包括砌体与混凝土组合）受压构件，当受压偏心距在（表2-1）限值范围内时，桥墩各控制截面的承载能力按下式计算:•②混凝土受压构件，当受压偏心距在（表2-1）限值范围内时，根据《桥规》JTGD61-2005）4.0.8，桥墩各控制截面的承载能力按下式计算:≤dN0cdAfdN0ccdAf注：（１）混凝土结构单向偏心的受拉一边或双向偏心的各受拉一边，当设有不小于截面面积0.05%的纵向钢筋时，表内规定值可增加0.1（２）表中s值为截面或换算截面中心轴至偏心方向截面边缘的距离作用组合偏心距限值基本组合0.6s偶然组合0.7s单向偏心受压•受压区高度应按下列条件确定：•截面的受压承载力可按下列公式计算：b.双向偏心受压•受压区高度和宽度，应按下列条件确定：•=；=•矩形截面的偏心受压承载力可按下列公式计算：cheecehbfNcddo2cyeyecxexexycddoebehfN22）单向偏心受压；b）双向偏心受压1－受压区重心（法向压应力作用点）；2－截面重心轴桥墩计算③砌体、混凝土的单向及双向偏心受压构件，当轴向力的偏心距超过(表2-1)偏心距限值时，构件承载力应按下列公式计算：单向偏心双向偏心e1WAeAfNtmddo1xyyxtmddoWAeWAeAfN桥墩计算④抗剪强度的验算当拱桥相邻两孔的推力不相等时，需要验算拱座截面的抗剪强度，以及在裸拱情况下卸落拱架时，也要进行抗剪强度验算。根据《桥规》（JTGD61-2005）规定，砌体构件或混凝土构件直接受剪时，应按下列公式计算：kfvddoNAfV4.11)地基承载力和偏心距验算•地基承载能力和偏心距验算按《桥规》（JTGD63-2007）的有关规定计算。（1）地基承载力验算•基底岩土的承载力，当不考虑嵌固作用时，可按下式验算：①当基底只承受轴心荷载时：afANP桥墩计算②当基底单向偏心受压，承受竖向力共同作用时，除满足外，尚应符合下列条件：③当基底双向偏心受压，承受竖向力和绕轴弯矩与绕轴弯矩共同作用时，除满足外，尚应符合下列条件：MN和弯矩aRfWMANPmaxafANPafANPNxxMyyMaRyyxxfWMWMANPmax桥墩计算•当设置在基岩上的桥墩基底承受单向偏心荷载，其偏心距超出核心半径时，其基底的一边出现拉应力，由于不考虑基底承受拉应力，故需按基底应力重分布（如图）验算基底最大压应力。•基底为矩形截面的最大压应力计算公式如下：基岩上矩形截面基底单向偏心受压应力重分布图a)基础立面b)基础平面0emaxPaebNdaNP0max23232桥墩计算•当设置在基岩上的桥墩基底承受双向偏心荷载，其偏心距超出核心半径时，基底最大压应力可按《桥规》（JTGD63-2007）附录K确定。（2）基底偏心距验算•为了防止基底最大压应力与最小压应力相差过大,导