橋梁工程 橋墩橋臺(tái)作用分析及計(jì)算全套

橋梁工程橋墩橋臺(tái)作用分析及計(jì)算一、概述橋梁墩臺(tái)的作用：承受橋跨結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，通過(guò)基礎(chǔ)傳給地基；橋梁墩臺(tái)必須具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。橋梁墩臺(tái)的類型：①重力式橋墩、橋臺(tái)②輕型橋墩、橋臺(tái)橋梁墩臺(tái)的組成：墩（臺(tái)）帽、墩（臺(tái)）身和基礎(chǔ)三部分組成。本章主要介紹墩（臺(tái)）帽和墩（臺(tái)）身的相關(guān)知識(shí)，基礎(chǔ)部分在此不再贅述。橋梁墩臺(tái)的一般構(gòu)造及有關(guān)規(guī)定：1.1橋梁墩臺(tái)帽尺寸的擬定1.1.1梁式橋的實(shí)體墩(臺(tái))帽墩(臺(tái))帽厚度一般不小于40厘米,中小橋梁也不應(yīng)小于30厘米,并應(yīng)有5～10厘米的檐口,墩(臺(tái))帽可用15號(hào)、20號(hào)鋼筋混凝土或混凝土做成。1)墩(臺(tái))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(tái)身邊緣最小距離c1：檐口寬度e1、e1′：梁端至支座中心線的長(zhǎng)度支座邊緣到墩（臺(tái)）身邊緣的最小距離(厘米)當(dāng)采用鋼筋混凝土懸臂式墩(臺(tái))帽時(shí),最小距離為支座至墩(臺(tái))帽邊緣的距離。《橋規(guī)》對(duì)這個(gè)最小距離所作的規(guī)定，目的是：①為了避免支座過(guò)分靠近墩身側(cè)面邊緣而導(dǎo)致的應(yīng)力集中；②為了提高混凝土的局部抗壓強(qiáng)度以及考慮施工誤差和預(yù)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(tái)身邊緣最小距離+2c1檐口寬度(3)順橋向臺(tái)帽最小寬度bb≥e0+e1+a/2+c1+c2(4)橫橋向臺(tái)帽最小寬度B由橋面寬度、接線路基寬度等決定。2）實(shí)體墩、臺(tái)帽頂支座下鋼筋網(wǎng)的設(shè)置墩、臺(tái)帽頂支座下應(yīng)設(shè)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(chǔ)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(shè)混凝土墊石調(diào)整高程。2.1.2墩身常采用15號(hào)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(gòu)造而定。重力式橋墩可設(shè)計(jì)為實(shí)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(yīng)力，可設(shè)計(jì)為空心橋墩。2.1.3基礎(chǔ)設(shè)置在天然地基上的橋墩基礎(chǔ)采用15號(hào)或15號(hào)以上片石混凝土，也可采用漿砌塊石。若采用樁基或沉井，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。沉井橋墩2.1.4重力式橋墩的特點(diǎn)和適用范圍靠自身的重量來(lái)平衡外力，保證橋墩的強(qiáng)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(shè)置傳力的支座，且支座距頂面保持一定的距離；而無(wú)支架吊裝的拱橋橋墩則在其頂面的邊緣設(shè)置呈傾斜面的拱座，直接承受由拱圈傳來(lái)的壓力。故無(wú)鉸拱的拱座總是設(shè)計(jì)成與拱軸線成正交的斜面。2.2.2拱座的位置當(dāng)橋墩兩側(cè)孔徑相等時(shí)，拱座設(shè)置在拱橋起拱線標(biāo)高上，有時(shí)考慮橋面的縱坡，兩側(cè)起拱線標(biāo)高可以略有不同。2.2.3墩頂以上的構(gòu)造對(duì)于實(shí)腹式拱橋，墩頂以上部分通常做成與側(cè)墻平齊的形式。對(duì)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(diǎn)靠材料的強(qiáng)度來(lái)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(fù)擔(dān)，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(chǔ)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(shè)置承臺(tái)，與墩柱聯(lián)成整體。如果柱與樁直接連接，則應(yīng)在結(jié)合處設(shè)置橫系梁。拱橋是有推力的結(jié)構(gòu)，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(shí)，可承受少量不平衡的水平推力。制動(dòng)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(tái)橋臺(tái)主要有重力式橋臺(tái)、輕型橋臺(tái)兩類。3.1重力式橋臺(tái)重力式橋臺(tái)：靠自重來(lái)平衡臺(tái)后填土的土壓力，臺(tái)身多由圬工材料建造。分類：U型臺(tái)、八字臺(tái)等。組成：臺(tái)帽、臺(tái)身、基礎(chǔ)。常用的重力式橋臺(tái)為U型橋臺(tái)：臺(tái)身為前墻和兩個(gè)側(cè)墻構(gòu)成的U字型結(jié)構(gòu)。由于拱橋橋臺(tái)尚須承受水平推力，在結(jié)構(gòu)尺寸上比梁橋橋臺(tái)大。結(jié)構(gòu)尺寸：前墻與側(cè)墻按一定比例放坡，臺(tái)身與路基同寬，各部尺寸均須滿足構(gòu)造及受力要求，具體可參見《橋規(guī)》及《墩臺(tái)與基礎(chǔ)》之規(guī)定。若橋臺(tái)較寬，須按擋土墻計(jì)算其受力。臺(tái)后填土：須分層夯實(shí)，透水性好，壓縮性小的砂性土，并做好臺(tái)后排水措施。重力式橋臺(tái)3.2輕型橋臺(tái)輕型橋臺(tái)：利用鋼筋砼結(jié)構(gòu)的抗彎能力、整體剛度和材料強(qiáng)度承受外力，力求減少圬工體積而使橋臺(tái)輕型化，節(jié)省材料，降低對(duì)地基強(qiáng)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(tái)分類：肋板式橋臺(tái)、樁柱式橋臺(tái)、埋置式橋臺(tái)、鋼筋混凝土薄壁橋臺(tái)、加筋土橋臺(tái)。組成：由臺(tái)帽、臺(tái)身、基礎(chǔ)三基本部分組成，其余部分由橋臺(tái)類型決定。3.2.2拱橋輕型橋臺(tái)拱橋輕型橋臺(tái)利用臺(tái)后填土的抗力來(lái)平衡拱推力，適用于小跨徑拱橋。①分類：組合式橋臺(tái)、空腹式橋臺(tái)、齒檻式橋臺(tái)。②拱橋輕型橋臺(tái)的組成組合式橋臺(tái)：由臺(tái)身和后座組成?？崭故綐蚺_(tái)：由前墻、后墻、基礎(chǔ)板及撐墻組成。齒檻式橋臺(tái)：由前墻、側(cè)墻、底板及撐墻組成。組合式橋臺(tái)：臺(tái)身基礎(chǔ)承受豎向力，一般采用樁基或沉井基礎(chǔ)；拱的水平推力由后座基底的摩阻力及臺(tái)后的土側(cè)壓力平衡。后座基底標(biāo)高低于拱腳下緣標(biāo)高。臺(tái)身與后座間應(yīng)密切貼合，并設(shè)置沉降縫，以適應(yīng)兩者的不均勻沉降。空腹式橋臺(tái)：前墻承受拱圈傳來(lái)的荷載，后墻支承臺(tái)后的土壓力，在前、后墻之間設(shè)置撐墻，作為傳力構(gòu)件。對(duì)后墻起到扶壁、對(duì)基礎(chǔ)起到加勁作用?？崭箍梢允浅诘?，也可以是封閉的。一般在軟土地基、河床無(wú)沖刷或沖刷輕微、水位變化小的河道上采用。齒檻式橋臺(tái)：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(tái)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(jié)構(gòu)的剛度。四、橋墩計(jì)算4.1荷載及其組合4.1.1恒載1、上部構(gòu)造的恒重對(duì)墩帽或拱座產(chǎn)生的支承反力2、橋墩自重3、預(yù)應(yīng)力4、基礎(chǔ)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(tái)計(jì)入沖擊力，重力式墩臺(tái)不計(jì)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(gòu)造和墩身上的縱、橫向風(fēng)力②汽車荷載引起的制動(dòng)力③墩身上的流冰壓力④墩身上的冰壓力⑤上部構(gòu)造因溫度變化對(duì)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(jìn)行組合.用來(lái)驗(yàn)算墩身強(qiáng)度和基底最大應(yīng)力?！稑蛞?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(jìn)行組合。用來(lái)驗(yàn)算墩身強(qiáng)度、基底應(yīng)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(jìn)行組合。用來(lái)驗(yàn)算橫橋方向的墩身強(qiáng)度、基底應(yīng)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(duì)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(dòng)力、縱向風(fēng)力、溫度影響力等，并由此對(duì)橋墩產(chǎn)生不平衡水平推力、豎向力和彎矩。對(duì)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(fēng)力、流水壓力、冰壓力、船只或漂浮物撞擊力或地震力等。對(duì)于公路橋梁橫橋方向的受力驗(yàn)算一般不控制設(shè)計(jì)。4.2重力式橋墩計(jì)算圬工橋墩墩身強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)于較矮的橋墩一般驗(yàn)算墩身的底截面和墩身的突變處截面；對(duì)于較高的橋墩，由于危險(xiǎn)截面不一定在墩身底部，應(yīng)沿豎向每隔2～3米驗(yàn)算一個(gè)截面。4.2.1計(jì)算步驟:①內(nèi)力計(jì)算將作用于每個(gè)截面上的外力按順橋方向和橫橋方向分別進(jìn)行荷載組合，以求得相應(yīng)的縱向力、水平力和彎矩。②抗壓強(qiáng)度的驗(yàn)算對(duì)于軸心受壓和偏心受壓的橋墩，可按《橋規(guī)》有關(guān)公式進(jìn)行驗(yàn)算，如果不滿足要求，應(yīng)修改墩身截面尺寸，重新驗(yàn)算。③偏心距的驗(yàn)算橋墩承受偏心受壓荷載時(shí)，偏心距不得超過(guò)規(guī)定的容許值。④抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算當(dāng)拱橋相鄰兩孔的推力不相等時(shí)，驗(yàn)算拱座底截面的抗剪強(qiáng)度。4.2.2墩頂水平位移驗(yàn)算高度超過(guò)20米的重力式橋墩應(yīng)驗(yàn)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(tái)間最小跨徑長(zhǎng)度，以米計(jì)?？鐝叫∮?5米按25米計(jì)。4.2.3基礎(chǔ)底面土的承載力和偏心距的驗(yàn)算1、基礎(chǔ)底面土的承載力驗(yàn)算順橋向：橫橋向：式中:σmax：應(yīng)力重分布后基底最大壓應(yīng)力N：作用于基礎(chǔ)底面合力的豎向分力a、b：橫橋方向和順橋方向基礎(chǔ)底面積的邊長(zhǎng)[σ]：地基土壤的容許承載力cx：順橋方向驗(yàn)算時(shí)，基底受壓面積在順橋方向的長(zhǎng)度cy：橫橋方向驗(yàn)算時(shí)，基底受壓面積在橫橋方向的長(zhǎng)度ex、ey：合力在X軸和Y軸方向的偏心距2、基底偏心距驗(yàn)算在基礎(chǔ)的縱向和橫向，計(jì)算荷載偏心距應(yīng)滿足規(guī)定。式中：ρ：墩臺(tái)基礎(chǔ)底面的核心半徑W：墩臺(tái)基礎(chǔ)底面的截面模量A：墩臺(tái)基礎(chǔ)底面的面積N：作用于基底合力的豎向分力∑M：作用于墩臺(tái)的水平力和豎向力對(duì)基底形心軸的彎矩4.2.4橋墩的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算1、傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)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(duì)基底重心的偏心距2、滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)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(chǔ)底面與地基土之間的摩擦系數(shù)求得的傾覆與滑動(dòng)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(jì)算樁柱式橋墩的計(jì)算包括蓋梁和樁身。4.3.1蓋梁計(jì)算樁柱式橋墩的蓋梁，對(duì)雙柱式橋墩，當(dāng)蓋梁的剛度與樁柱的剛度比大于5時(shí)，一般忽略樁柱對(duì)蓋梁的彈性約束，近似地按雙懸臂梁計(jì)算；對(duì)于多柱式或多樁式橋墩，近似地按多跨連續(xù)梁計(jì)算；當(dāng)橋墩承受較大橫向力時(shí)，則蓋梁應(yīng)作為橫向剛架的一部分進(jìn)行驗(yàn)算。蓋梁計(jì)算內(nèi)容：1、恒載及其內(nèi)力計(jì)算2、活載及其內(nèi)力計(jì)算3、施工吊裝荷載及其內(nèi)力計(jì)算4、荷載組合及其內(nèi)力包絡(luò)圖5、配筋計(jì)算4.3.2樁身計(jì)算樁墩一般分為剛性樁墩和柔性樁墩兩種。剛性樁墩的計(jì)算方法與重力式橋墩相似；柔性樁墩需要從整個(gè)橋梁體系的分析來(lái)確定各橋墩的受力。柔性樁墩（多跨鉸接剛架）的計(jì)算：1、基本假定1）柔性樁墩作為下端固結(jié)、上端鉸結(jié)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(dòng)力等水平力所引起的墩頂位移，先分別進(jìn)行力學(xué)分析，然后進(jìn)行內(nèi)力跌加，不計(jì)這些力的相互作用影響。3）計(jì)算制動(dòng)力時(shí)，各墩臺(tái)受力按墩頂抗推剛度分配，在計(jì)算土壓力時(shí)，如設(shè)有實(shí)體剛性墩臺(tái)，則由岸墩承受土壓力，并假定此時(shí)各個(gè)樁頂所受到的水平力將經(jīng)各支座直接傳遞到對(duì)岸，為對(duì)岸土抗力平衡，其余個(gè)柔性墩均不考慮受力。4）計(jì)算溫度變形時(shí)，樁墩對(duì)梁產(chǎn)生的彈性拉伸或壓縮影響忽略不計(jì)，而只計(jì)樁墩頂部水平力對(duì)樁墩所引起彎矩的影響。2、計(jì)算步驟1）抗推剛度的計(jì)算Ki=1/δi①當(dāng)墩柱下端固定在基礎(chǔ)或承臺(tái)頂面時(shí)δi=li3/3EI②當(dāng)考慮樁側(cè)土的彈性抗力時(shí)，δi按樁基礎(chǔ)公式計(jì)算。式中δi：?jiǎn)挝凰搅ψ饔迷诘趇柔性墩頂產(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(duì)形心軸的慣性矩（m4）2）墩頂制動(dòng)力的計(jì)算HiT=KiT/∑KiHiT：作用在第i墩臺(tái)的制動(dòng)力（KN）T：全橋或第一聯(lián)承受的制動(dòng)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(jì)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(yīng)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(gè)墩頂?shù)母黜?xiàng)水平力計(jì)算完成后，便可根據(jù)最不利荷載情況進(jìn)行組合，柱墩按柱頂處的水平力、豎向力及彎矩驗(yàn)算各截面強(qiáng)度和穩(wěn)定性。排架應(yīng)考慮樁側(cè)土的彈性抗力，按彈性地基梁法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和截面強(qiáng)度、穩(wěn)定性、樁的入土深度等項(xiàng)目的驗(yàn)算。另外，柔性排架墩在橫橋向是一個(gè)多跨剛架，橫橋向水平荷載不大，一般不控制設(shè)計(jì)，可不作驗(yàn)算。五、橋臺(tái)計(jì)算5.1重力式橋臺(tái)的計(jì)算5.1.1重力式橋臺(tái)的計(jì)算特點(diǎn)計(jì)算重力式橋臺(tái)所考慮的荷載與重力式橋墩計(jì)算基本一樣，不同的是：對(duì)于橋臺(tái)需計(jì)入車輛荷載引起的土側(cè)壓力，而不計(jì)縱、橫向風(fēng)力、流水壓力、冰壓力、船只或漂浮物的撞擊力。另外，橋臺(tái)的強(qiáng)度、偏心距和穩(wěn)定性的驗(yàn)算也與橋墩基本相同，但只作順橋方向的驗(yàn)算。5.1.2重力式橋臺(tái)計(jì)算的荷載組合1、梁橋重力式橋臺(tái)的荷載組合車輛荷載的布置：1）車輛荷載僅布置在臺(tái)后填土的破壞棱體上2）車輛荷載僅布置在橋跨結(jié)構(gòu)上3）車輛荷載同時(shí)布置在橋跨結(jié)構(gòu)和破壞棱體上。臺(tái)后的土側(cè)壓力，一般按主動(dòng)土壓力計(jì)算，大小與土的壓實(shí)程度有關(guān)。2、拱橋重力式橋臺(tái)的荷載組合車輛荷載的布置：1）橋上滿