第二章 桥墩的设计计算 第一节 作用及其组合 一、桥墩上的作用 （一）桥墩计算中考虑的永久作用

Presentation on theme: "第二章 桥墩的设计计算 第一节 作用及其组合 一、桥墩上的作用 （一）桥墩计算中考虑的永久作用"— Presentation transcript:

1 第二章 桥墩的设计计算 第一节 作用及其组合 一、桥墩上的作用 （一）桥墩计算中考虑的永久作用
第二章 桥墩的设计计算 第一节 作用及其组合 一、桥墩上的作用 （一）桥墩计算中考虑的永久作用 上部构造的恒重对墩帽或拱座产生的支示反力，包括上部构造混凝土收缩，徐变影响； （2）桥墩自重，包括在基础襟边卜的土重； （3）预应力，例如对装配式预应力空心桥墩所施加的预应力； （4）基础变位影响力，对于奠基于非岩石地基上的超静定结构，应当考虑由于地基压密等引起的支座K期变位的影响，并根据最终位移量按弹性理论计算构件截面的附加内力； （5）水的浮力，位于透水性地基上的桥梁墩台，当验算稳定时，应计算设计水位时水的浮力；当验算地基应力时，仅考虑低水位时的浮力；基础嵌人不透水性地基的墩台，可以不计水的浮力；当不能肯定是否透水时，则分别按透水或不透水两种情况进行最不利的荷载组合。

2 （二）桥墩计算中考虑的可变作用 1．作用在上部构造上的汽车荷载，对于钢筋混凝土柱式墩台应计人冲 击力，对于重力式墩台则不计冲击力； 2．人群荷载； 3．作用在上部构造和墩身上的纵、横向风力； 4．汽车荷载引起的制动力； 5．作用在墩身上的流水压力； 6．作用在墩身上的冰压力； 7．上部构造因温度变化对桥墩产生的水平力； 8．支座摩阻力。 （三）作用于桥墩上的偶然作用 1．地震力； 2．船只或漂浮物的撞击力。

3 二、作用的计算 1 ．上部结构重力 桥梁上部结构重力包括桥面系、主梁及其它附属物，其传至墩台的计算值，由桥梁支座反力计算确定。 2 ．桥墩自重及土重 对于墩台在水下和土中部分自重的计算方法，要根据地基土的性质加以考虑，自重包括在基础襟边上的土重。 3．水的浮力 在《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）中，水的浮力对不同的土质和不同的计算内容有不同的规定。基础底面位于透水性地基上的桥梁墩台，当验算稳定时，应考虑设计水位的浮力；当验算地基应力时，可仅考虑低水位的浮力，或不考虑水的浮力。基础嵌入不透水性地基的桥梁墩台不考虑水的浮力。作用在桩基承台底面的浮力，应考虑全部底面积。对桩嵌入不偷水地基并灌注混凝土封闭者，不应考虑桩的浮力，在计算承台底面浮力时应扣除桩的截面面积。当不能确定地基是否漏水时，应以透水或不透水两种情况与其他作用结合，取其最不利者。

4 4．汽车荷载冲击力 钢筋混凝土桩柱式墩台，以及其它轻型墩台，在计算汽车荷载时应计入冲击力。冲击力的计算按《公路桥涵设计通用规范》4.3.2条进行。 5．汽车荷载制动力 制动力可按公路桥涵设计规范中有关规定计算。在计算梁式桥墩台时，制动力可移至支座中心（铰或滚轴中心）或滑动支座、橡胶支座、摆动支座的底座面上。 6．流水压力 作用在桥墩上的流水压力，可按《公路桥涵设计通用规范》的有关规定计算。流水压力的合力作用点，假定在设计水位以下1/3水深处，即假定河底的流速为零，作用力的分布呈倒三角形。 位于涌潮河段的桥墩台，应考虑因涌潮潮差产生的水压力和涌潮对桥墩的拍击力。由于涌潮现象机理十分复杂，在设计计算前须对涌潮在桥位出现的规律及对结构物的作用力大小和计算图式进行研究分析。

5 7．冰压力 严寒地区位于有冰棱河流或水库中的桥梁墩台，应根据当地冰棱的具体情况及墩台形状计算冰压力。冰压力有竖向和水平向作用力，主要是水平向作用力。竖向力是由冰层水位升降而对桥梁墩台产生的作用；水平向作用力包括因风和水流作用于大面积冰层而产生的静压力、冰堆整体推移产生的静压力、河流流冰产生的动压力等。 8．船只或飘流物的撞击力 船只或漂流物的撞击力，虽是桥梁墩台的偶然荷载，但是对桥墩结构的危害性很大，对于通航河道或有漂流物的河流中的墩台，设计时应考虑船只或漂流物的撞击力。 漂流物的撞击力，在无实际资料时可按下式估算： 式中：w——漂流物的重量(KN)，可根据实际调查确定； v——水的流速(m/s)； T——撞击时间(s)，在无实际资料时可用了ls； g——重力加速度9.81(m/s2)。 船只撞击力的作用点，假定在计算通航水位线上，墩台身的宽度或长度的中点处；当设有与墩、台分开的防撞击的防护构造时，可不计船只撞击力；

6 地震区建造的桥梁，地震力是一项十分重要和危害性大的偶然荷载，在墩台设计计算时要进行抗震验算和必要的防护构造措施设计。
海轮撞击作用的标准值 9．地震力： 地震区建造的桥梁，地震力是一项十分重要和危害性大的偶然荷载，在墩台设计计算时要进行抗震验算和必要的防护构造措施设计。 桥梁下部结构在地震时可能会出现的震害有：受到地震力后，墩台和基础截面强度延性和稳定性不够，以致发生结构开裂、折断、位移而引起落梁；地基土液化使墩台下沉、位移、倾斜，桥梁损坏；引道、岸坡滑移下沉致使墩台损坏，危及上部结构等。因此，深入研究地震力对桥梁下部结构的作用力、作用方式，在结构设计和地基处理方面进行抗震验算是不可缺少的，桥梁的抗震设计计算和设防可参照《公路工程抗震设计规范》有关规定进行。 船舶装载量DWT(t) 3000 5000 7500 10000 20000 30000 横桥向撞击作用(kN) 19600 25400 31000 35800 50700 62100 顺桥向撞击作用(kN） 9800 12700 15500 17900 25350 31050

7 （一） 梁桥桥墩计算作用布置及作用效应组合
三、作用布置与作用效应组合 （一） 梁桥桥墩计算作用布置及作用效应组合 1．作用布置 第一种：桥墩在顺桥向承受最大竖向荷载 将荷载纵向布置在相邻的两孔桥跨上，这时可得到作用在桥墩上最大的汽车竖向荷载，但偏心较小。它是用来验算顺桥向墩身强度和地基最大承载力，因此除了有关的永久作用下，应在相邻两孔都布满汽车和人群荷载，同时还可能作用着其它纵向力，如制动力和温度作用、纵向风荷载、船只或漂浮物的撞击作用和汽车撞击作用等。 第二种：桥墩在顺桥向承受最大偏心和最大弯矩的组合 它是用来验算顺桥向墩身承载力和偏心距、地基承载力和偏心距以及桥墩的稳定性，因此除永久作用外，应在相邻两孔的一孔上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，同时还可能作用着其它纵向力，如制动力和温度作用、支座摩阻力、纵向风荷载、船或漂浮物的撞击作用和汽车撞击作用等。当汽车荷载只在一孔桥跨上布置时，竖向荷载较小，而水平荷载引起的弯矩大，可能使墩身截面产生很大的合力偏心距，或者此时桥墩的稳定性也是最不利的。

8 第三种：桥墩在横桥向承受最大偏心和最大弯矩。
在横向计算时，桥跨上的汽车荷载可能是一列靠边行驶，这时产生最大横向偏心距；也可能是多列满载，使竖向力较大而横向偏心较小。

9 2．作用效应组合 顺桥向作用效应组合（双孔布置和单孔布置分别组合）主要有： 上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力。
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。 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+温度影响力）。 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+船只撞 击作用或漂浮物撞击作用。 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+汽车撞 击作用

10 横桥向（以双车道为例）作用效应组合主要有：
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+横向风荷载+水压力或冰压力。 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+船只撞击作用或漂浮物撞击作用。 边人群荷载+汽车撞击作用。

11 （二）拱桥桥墩的作用布置及作用效果组合 1、作用布置 第一种组合：桥墩在顺桥向承受最大竖向荷载
它是用来验算墩身承载力和偏心距、地基承载力和偏心距，即除永久作用外，相邻两孔都不满汽车荷载和人群荷载，同时还可能作用着其它纵向力，如制动力、纵向风荷载、温度作用、拱圈材料收缩和徐变作用、船只撞击作用和汽车撞击作用；当相邻两孔为等跨时，则由上部结构重力、温度作用和拱圈材料收缩和徐变作用引起的拱座水平推力和弯矩相抵销。 第二种组合：桥墩在顺桥向承受最大偏心和最大弯矩的组合 它是用来验算顺桥向墩身承载力和偏心距、地基承载力和偏心距以及桥墩的稳定性，即除永久作用外，只在一孔上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，同时还可能作用着其它纵向力，如制动力、温度作用、纵向风荷载、拱圈材料收缩作用、船或漂浮物的撞击作用和汽车撞击作用等。

12 第三种组合：桥墩在横桥向承受最大偏心和最大弯矩。
在横桥方向可能作用于桥墩上的外力有风荷载、流水压力、冰压力、船只或漂浮物撞击作用、汽车撞击作用或地震作用等。但对于公路拱桥，横桥方向的受力验算一般不控制设计，除非桥的长宽比特别大，或者受到地震作用、冰压力和船只撞击力作用时才考虑。 2．顺桥向作用效应组合（双孔布置和单孔布置分别组合）主要有： 上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩和徐变作用。 上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩和徐变作用+汽车荷载+ 人群荷载。 人群荷载+纵向风荷载+制动力+温度影响力。 人群荷载+船只撞击作用或漂浮物撞击作用。 人群荷载+汽车撞击作用。 需要强调的是，以上各种荷载组合均应满足《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）中所规定的安全系数、容许偏心距和稳定系数；而且，为使设计合理、符合实际情况，有的荷载不能同时组合。

13 2、顺桥向作用效应组合（双孔布置和单孔布置分别组合）主要有：
上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩和徐变作用。 上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩和徐变作用+汽车 荷载+人群荷载。 荷载+人群荷载+纵向风荷载+制动力+温度影响力。 荷载+人群荷载+船只撞击作用或漂浮物撞击作用。 荷载+人群荷载+汽车撞击作用。 需要强调的是，以上各种荷载组合均应满足《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）中所规定的安全系数、容许偏心距和稳定系数；而且，为使设计合理、符合实际情况，有的荷载不能同时组合，

14 第二节 重力式桥墩计算 桥墩计算可按以下步骤进行： （1）根据构造要求和经验拟定各部分尺寸； （2）计算作用在桥墩上的作用；
第二节 重力式桥墩计算 桥墩计算可按以下步骤进行： （1）根据构造要求和经验拟定各部分尺寸； （2）计算作用在桥墩上的作用； （3）进行作用布置与作用效应组合，并选取截面，计算各截面的内力； （4）验算墩身截面承载力和偏心距； （5）验算地基承载力和偏心距； （6）验算桥墩倾覆和滑动稳定性。 除此之外，还应结合施工情况进行必要的验算。如拱桥在施工过程中可能产生的单向水平推力，可使砌体强度和基底土的承载能力提高，使倾覆和滑动稳定性系数降低。

15 一、墩身截面的内力计算 对于梁桥和拱桥的重力式桥墩的计算，虽然在荷载组合的内容上稍有不同，但是就某个截面而言，这些外力都可以合成为竖向的和水平方向的合力 、 ，以及绕该截面x—x轴、y—y轴的总弯矩 和 ，见图，然后对墩身进行承载力验算。 二、墩身截面承载力和偏心验算 桥墩验算截面的选择，对矮桥桥墩，因墩身尺寸一般较大，各截面承载力往往都能满足要求，所以通常只验算墩身底截面即可；对高桥桥墩，其危险截面不一定在墩身底截面，应多选几个截面进行验算，一般可相距2~3米取一截面。

16 当砌体受压构件，在规范规定的受压偏心距限值范围内的承载力应按下列公式计算：
（一）墩身截面承载力验算 重力式墩台主要采用圬工材料建造，一般为偏心受压构件，截面承载力的设计验算采用极限状态法。在不利效应组合作用下，验算桥墩各控制截面的作用效应组合设计值（内力）应小于或等于构件承载力的设计值，用方程式表示为： 当砌体受压构件，在规范规定的受压偏心距限值范围内的承载力应按下列公式计算： 式中：S—作用效应组合设计值，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）的规定计算； R(·)—构件承载力设计值函数 fd—材料强度设计值 ad—几何参数设计值，可采用几何参数标准值，即设计文件规定值； γ0 —结构重要性系数，对于《桥规》规定的一级、二级、三级设计安全等级分别取用1.1、 1.0、0.9； Nd —轴向力设计值； A—构件截面面积，对于组合截面按强度比换算； fcd —砌体或混凝土轴心抗压强度设计值，对于组合截面应采用标准层轴心抗压强度设计值； φ—构件轴向力的偏心矩e和长细比β对受压构件承载力的影响系数。

17 式中： 、 ——分别为x方向和y方向偏心受压构件承载力影响系数；
x、y——分别为x方向、y方向截面重心至偏心方向的截面边缘的距离； ex、eY——轴向力在 x方向、y方向的偏心距， ， ，其值不应超过规范规定及下图所示在x方向、y方向的规定值，其中Myd、Mxd分别为绕x轴、y轴的弯矩设计值。

18 m——截面形状系数，对于圆形截面取2.5；对于T形或U形截面取3.5；对于箱形
截面或矩形截面（包括两端设有曲线形或圆弧形的矩形墩身截面）取8.0； ix、iy——弯曲平面内的截面回转半径， 、 ；Ix、Iy分别为截面绕x轴、y 轴的惯性矩，A为截面面积； a——与砂浆强度等级有关的系数，当砂浆强度等级大于或等于M5或为组合构件时， a为0.002；当砂浆强度为0时，a为0.013； βx、βy——构件在x方向、y方向的长细比，当βx、βy小于3时取3，计算砌体偏心 受压构件承载力的影响系数时，构件长细比、按下列公式计算： 式中 ——不同砌体材料构件的长细比修正系数； ——构件计算长度； 0.7 2.0 1.0 0.5 构件计算长度 长细比修正系数γβ 构件及两端约束情况 L0 直杆 两端固结 0.5L 一端固结，一端为不移动的铰 0.7L 两一端均为不移动的铰 1.0L 一端固定，一端自由 2.0L 砌体材料类别 γβ 混凝土预制块砌体或组合构件 1.0 细料石、半细料石砌体 1.1 粗料石、块石、片石砌体 1.3

19 （二）墩身截面偏心验算 桥墩承受偏心受压荷载时，各验算截面在各种作用效应组合下偏心距：
、 ——竖向力在x方向、y方向的偏心距，其值不应超过表的规定。 受压构件偏心矩限制 作用组合 偏心矩限制值 基本组合 ≤0.6s 偶然组合 ≤0.7s 当竖向力的偏心距e超过上表的偏心距限值时，构件承载力应按下列公式计算： 单向偏心 双向偏心

20 如果承载力不满足要求，应重新验算墩身截面尺寸。
式中：Nd——轴向力设计值； A——构件截面面积，对于组合截面应按弹性模量比换算为换算截面面积； W——单向偏心时，构件受拉边缘的弹性抵抗矩，对于组合截面应按弹性模 量比换算为换算截面弹性抵抗矩； wx 、wy——双向偏心时，构件x方向受拉边缘绕y轴的截面弹性抵抗矩和构件y方 向受拉边缘绕x轴的截面弹性抵抗矩，对于组合截面应按弹性模量比换 算为换算截面弹性抵抗矩； ——构件受拉边层的弯曲抗拉强度设计值； e——单向偏心时，轴向力偏心距； ex 、ey——双向偏心时，轴向力在x方向和Y方向的偏心距； ——砌体偏心受压构件承载力影响系数或混凝土轴心受压构件弯曲系数。

21 三、基础底面土的承载力和偏心距的验 （一）地基土的承载力验算
地基土的承载力一般按顺桥方向和横桥方向分别进行验算。当偏心荷载的合力作用在基底截面的核心半径以内时，应按下式验算基底应力。 当设置在基岩上的桥墩基底上的合力偏心距超出核心半径时，其基底的一边将会出现拉应力，由于不考虑基底承受拉应力，故需按基底应力重分布重新验算基底最大压应力，其验算公式如下： 顺桥方向 横桥方向 基底应力重分布墩身截面强度验算

22 （二）基底偏心距验算 式中： ——应力重分布后基底最大压应力； N ——作用于基础底面合力的竖向分力；
式中： ——应力重分布后基底最大压应力； N ——作用于基础底面合力的竖向分力； a、b——横桥方向和顺桥方向基础底面积的边长； ——地基土的容许承载力、并按作用及使用情况计入容许承载力的提高系数； CX——顺桥方向验算时，基底受压面积在顺桥方向的长度， ； CY——横桥方向验算时，基底受压面积在横桥方向的长度， ； 其中：ex、ey——合力在x轴和y轴方向的偏心距。 （二）基底偏心距验算 为了使恒载基底应力分布比较均匀，防止基底最大压应力与最小压应力相差过大，导致基底产生不均匀沉降和影响桥墩的正常使用，故在设计时，应对基底合力偏心距加以限制，在基础纵向和横向，其计算的荷载偏心距应满足下表要求。

23 其中：ρ——墩台基础底面的核心半径； W ——墩台基础底面的截面摸量； A——墩台基础底面的面积； N——作用于基底的合力的竖向分力； ∑M——作用于墩台的水平力和竖向力对基底形心轴的弯矩。

24 四、桥墩的整体稳定性验算 （一）抗倾覆稳定验算 （二）抗滑移稳定验算
扩大基础的墩台需依最不利组合，并考虑水的浮力验算；一般只考虑桥墩在顺桥方向的稳定性。应分别按最高设计水位和最低水位的不同浮力进行组合。 墩台的抗倾覆稳定性验算可按下式进行： 桥墩稳定性验算 （二）抗滑移稳定验算 墩、台的抗滑移稳定验算，可按下式进行：

25 在墩台抗倾覆、抗滑移稳定性验算时，应分别按最高设计水位和最低水位的不同浮力进行组合。
地基土分类 摩檫系数f 软塑性土 0.25 硬塑性土 0.30 砂性土、粘砂土、半干硬的粘土 0.30~0.40 砂类土 0.40 碎石类土 0.50 软质类土 0.40~0.60 硬质类土 0.60~0.70 在墩台抗倾覆、抗滑移稳定性验算时，应分别按最高设计水位和最低水位的不同浮力进行组合。

26 五、墩顶水平位移计算 墩顶过大的水平位移会影响桥跨结构的正常使用， 对于高度超过20m的重力式桥墩，应验算顶端水平方向的弹性位移，并使其符合规定要求。墩台顶面水平位移的容许极限值为： 式中：L——相邻墩台间的最小跨径，以米计。跨径小于25M时仍以25M计算； ∆Y ——墩台顶水平位移值(mm)，它的数值应包括墩台水平方向的弹性位移和 由于地基不均匀沉降而产生的水平位移值的总和。地基不均匀沉降所 产生的水平位移值，可通过计算不均匀沉降引起的倾斜角求得。 计算时可认为墩台身相当于一个固定在基础顶面的悬臂梁，不考虑上部结构对墩、台顶位移的约束作用，而引起水平弹性位移的荷载为制动力、风力及偏心的竖向支反力等。由于将墩台视为固定在基础顶面的悬臂梁，完全忽略了上部结构对墩台顶的约束作用，所以结果是偏大的。 重力式墩台帽一般可不进行验算，支座垫石下的局部承压应力与支座计算的有关内容相同。采用悬臂式帽的重力式墩台，悬臂墩台帽需配受力钢筋，悬臂部分按悬臂梁计算。有关施工时的特殊受力，可按实际情况验算。

27 双柱式墩：当盖梁的刚度与桩柱的刚度比大与5时，可忽略桩柱对盖梁的约束，近似按双悬臂梁计算。对多柱式或多桩式桥墩，可按多跨连续梁计算。
第三节 桩柱式桥墩计算要点 一、盖梁计算 力学图示： 双柱式墩：当盖梁的刚度与桩柱的刚度比大与5时，可忽略桩柱对盖梁的约束，近似按双悬臂梁计算。对多柱式或多桩式桥墩，可按多跨连续梁计算。 计算内容： 1、恒载及其内力计算； 2、活载及其内力计算； 3、施工吊装荷载及其内力计算； 4、荷载组合及内力包络图； 5、配筋计算。 二、桩身计算 分刚性和柔性两种