第八章 桥墩和桥台

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常见桥墩形式空心墩常见桥墩截面形式355735733535678678351216142697.5102.5100.599.5625100601001006025x10025x10025x5025x5025x5025x5025x10025x1001006#墩左幅桥6#墩右幅桥50x10050x10050x5050x5050x5050x5050x10050x10050x10050x10050x10050x5050x5050x5050x5050x10050x100100100100100550100233300.5116.5351.320104400120138.870350201044006760110120375375412.5412.5351.3201044001101206761.3空心薄壁高墩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常见桩柱式桥墩结构形式常见桩柱式桥墩桥梁形式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常见框架式桥墩类型三、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常见桥台结构类型桥台的台帽、背墙、耳墙（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、板凳式等常见轻型桥台（四）组合式桥台五、墩台的设计与计算设计与计算步骤：1.结构尺寸拟定：根据前几课中所讲的内容、参考相近既有设计，进行主要结构尺寸拟定。2.荷载计算：各种荷载的计算已在第三章中讲解。3.荷载最不利组合。4.进行强度、刚度（变形）、抗裂性、稳定性检算等。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台五、墩台的设计与计算（一）墩身检算项目1．截面强度(应力)；2．截面合力偏心距；3．纵向挠曲稳定性（墩身整体稳定性）；4．墩顶弹性水平位移。（二）扩大基础基底检算项目1．基底偏心：限制不均匀沉降导致桥墩歪斜；2．基底强度(应力)；3．倾覆和滑动稳定性；4．基底以下软弱土层的强度检算；5．基础的沉降。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台五、墩台的设计与计算1.墩台的设计荷载及其组合①首先应确定作用在墩台上的荷载，详见第三章。②各荷载和外力的计算值，应采用墩台在正常情况下结构上有可能出现的最大荷载值，可依据桥规和有关资料计算。③土压力计算一般采用库伦主动土压力公式，活载土侧压力的计算，铁路桥台要考虑其沿横桥向的分布宽度，而公路桥台则按横桥向全宽均匀分布处理。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台五、墩台的设计与计算④墩台所受的各项荷载中，除恒载外，其他各项荷载的数值是变化的且不一定同时发生。因此在设计墩台时，就需要针对不同的验算项目，确定各种可能的最不利荷载组合，对墩台加以验算，确保设计安全。在荷载组合当中，车辆活载起着支配作用。⑤重力式桥墩计算中，一般需验算墩身截面的强度、墩身截面的合力偏心距及桥墩的纵向及横向稳定性。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台五、墩台的设计与计算第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台轴力强度弯矩yyxxWMWMANminmax按可能轴力、弯矩最大进行荷载布置五、墩台的设计与计算第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台轴力合力偏心距弯矩)(22yxyxMMMMMNMe或或按可能轴力最小、弯矩最大进行荷载布置五、墩台的设计与计算第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台轴力稳定性按可能轴力最大进行荷载布置acrcrRANNKN01.11116.02.01.00he2004lImEd为此，可拟订如下几种可能的荷载组合：①按在桥墩各截面上可能产生的最大竖向力的情况进行组合。它用来验算墩身强度、基底最大应力和稳定性。因此，应在相邻两跨满布活载的一种或几种，以使墩身或基底产生最大压应力。活载布置分别见图7.35(a)（铁路桥，称双孔重载）和图7.36(a)（公路桥）。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台②按桥墩各截面在顺桥向可能产生的最大偏心和最大弯矩的情况进行组合。它是用来验算墩身强度，基底应力、偏心及桥墩的稳定性。因此，应在跨径较大的一孔上布置活载的一种或几种，以及可能产生的制动力、纵向风力、支座摩阻力等。活载布置见图7.35(b)、(c)（铁路桥，分别称单孔轻载、单孔重载）和图7.36(b)（公路桥）。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台③按桥墩各截面在横桥向可能产生最大偏心和最大弯矩的情况进行组合。它是用来验算横桥向的墩身强度、基底应力、偏心及桥墩的稳定性。因此，对于铁路桥墩，应在相邻两跨布置空车以产生横向摇摆力，而竖向力又不大，称为双孔轻载（也称双孔空车）；对于公路桥墩应注意将活载偏于桥面的一侧布置，此外还应考虑其他荷载如横向风力、流水压力等，如图7.36(c)所示。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台桥台的荷载组合也和桥墩一样，依据不同的验算项目进行各种可能的荷载组合。由于活载既可布置在桥跨结构上，也可布置在台后，在确定荷载最不利组合时，通常按台后布置活载而桥上无活载（最大水平力和最大后端弯矩组合），桥上满布活载（最大前端弯矩），桥上、台后同时布置活载（最大竖向力组合）等几种不利情况，分别进行组合与验算，见图7.37。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台2.墩台的验算内容桥梁墩台的设计过程是，首先选定墩台形式及拟订各部分尺寸；然后确定各项外力并进行最不利荷载组合，选取验算截面和验算内容；计算各截面的内力，进行配筋和验算。墩台验算的目的在于确定经济合理的尺寸，并保证其在施工和使用阶段的安全。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台就重力式墩台来说，应满足两方面的要求：一是墩台本身有足够的强度和稳定性，并且不出现过大的开裂，为此，应进行强度验算、稳定性验算及偏心验算。二是桥墩或桥台作为一个整体，不致发生不容许的变位，为此，就扩大基础（见本章第三节）而言，应进行基底应力验算、整体稳定性验算（包括倾覆稳定性和滑动稳定性）。第二个方面的验算属于墩台的基础部分。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台a)对于较高的桥墩，需验算墩顶弹性水平位移；b)对超静定桥梁结构，应验算基底沉降量；c)对钢筋混凝土墩台，要进行配筋设计和验算。d)以下简要介绍重力式墩台的验算内容，凡验算式中的荷载值（竖向力、弯矩）均指最不利荷载组合值。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台砌体结构的设计理论主要有容许应力法和极限状态法。目前铁路桥规采用容许应力法，公路桥规采用极限状态法。容许应力法的验算式表现为应力的形式，极限状态法的验算式表现为荷载效应的形式。墩台身一般按偏心受压构件验算。现仅简介铁路桥规（《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》）的验算方法，公路桥规的验算方法，见《公路圬工桥涵设计规范》(JTGD61-2005）。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台(1)截面强度验算验算截面通常选在墩台身的底面与截面突变处。当桥墩较高时，由于最不利截面不一定在墩底，需沿墩身每隔2~3m选取一个验算截面。容许应力法验算式为如果由上式算得的σmin为负值，则说明截面的一部分已处于受拉状态，应视其退出工作。此时需按照只有部分截面承受压力的原则，重新确定受压区范围，以求最大压应力，也即进行应力重分布计算。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台应力重分布计算根据三项基本条件进行，即平截面假定（截面应变按线性分布）、弹性体假定（应力、应变关系符合胡克定律，但受拉区不参加工作）、力的平衡条件。对于单向偏心受压的矩形截面，重分布以后的最大压应力如图7.38所示。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台称为应力重分布系数它与外力的偏心率有关。第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台对于其他形状的截面，特别是各种截面在双向偏心（斜偏心）下受压的情况，验算较为繁杂但计算原理相同，通常可查用已有计算图表，或利用相应的计算机程序计算。第七章桥梁支座、墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台(2)截面合力偏心距验算为防止圬工结构裂缝开展过大而影响耐久性，并保证结构有足够的稳定性，应进行本项验算。容许应力法验算式为第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台MNNe][eNMecrNKN011*注意不同截面的弯矩增大系数的变化。《桥规》规定了在不同荷载组合作用下，墩身检算截面的容许偏心值：a)永久荷载＋基本可变荷载：[e]=0.5Sb)永久荷载＋基本可变荷载＋其他可变荷载：圆形截面：[e]=0.5S其他形状：[e]=0.6Sc)永久荷载＋其他可变荷载（施工荷载）：[e]=0.7S第七章桥梁墩台与基础桥梁工程第二节桥墩和桥台第七