第五讲桥梁墩台和基础.docx

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第五讲桥梁墩台和基础

第五讲桥梁的墩台和基础

一桥梁的墩台

（一）梁桥的重力式墩台

依靠其自身的重力及作用其上的重力维持稳定的，称为重力式墩台。

桥墩由墩帽、墩身和基础组成。

桥台由台帽、台身、基础和侧墙、护坡等组成。

墩（台）帽上安放支座，形成桥面横披，调整邻跨的支座高度。

1.墩帽

墩帽宽度，顺桥方向为b：

：

b≥f+a0+2c1+2c2≥100cm

横桥方向为BB≥s+b0+2c1+2c2f——相邻两跨支座中心的距离

S——两外侧主梁（支座）的中心距c2---20—40cm；c1一般5—10cm

2.墩身

平面形状可用圆端形或尖端形；墩顶宽度，小跨径桥梁不宜小于0.8m，中跨径桥梁不宜小于1.0m；

墩身侧面坡度

5号或15号以上的混凝土浇筑或用浆砌块石或料石砌筑，也可用混凝土预制块砌筑。

大桥常采用钢筋混凝土空心墩

3.U形桥台

适用于填土高度小于8~10m的桥梁。

二）拱桥的重力式墩台

墩帽上设拱座，以支承拱脚；

墩顶的宽度约为拱跨的1/10~1/25（石砌墩），1/15~1/30（混凝土墩）。

重力式桥台、齿键式桥台、组合式桥台

（三）轻型墩台

利用钢筋混凝土的强度和整体刚度，或某种支承构件，形成墩台。

1．桩柱式桥墩

桩柱式桥墩，由柱、盖梁、横系梁组成，用于跨径不大（8~12m）的梁桥。

盖梁高度一般为盖梁宽度的0.8~1.2倍。

柱的布置，宜使恒载作用下，盖梁在柱顶内外两侧的弯矩接近相等。

桩柱式墩，H大于7m时，应该设横系梁。

桩柱式桥台常作成埋置式的。

台帽上设耳墙

2.轻型桥台

3.钢筋混凝土薄壁墩台

4.城市立交的轻型墩台

二桥梁的基础

桥梁的基础，将桥梁墩、台的各种荷载传至地基。

桥梁的基础的设计首先要确定基底的埋置深度和基础类型。

要仔细分析地质勘察资料，拟定基础埋置深度，再经计算决定。

基底的埋置深度：

在地面下或河床下至少1m；在局部冲刷线下至少1.0~4.0m；在冻结线下（冻胀土）至少0.25m。

1.浅基础

当距现状地面几米的深度内有较合适的基础持力层时，可用浅基础,基础的顶面一般设在地面下0.5m处，基础襟边宽15~50cm，基础

厚度h由荷载大小决定。

α角小于材料的扩散角（刚性角αmax），刚性基础。

如果α≥αmax为扩展基础（柔性基础），则应配筋，成为钢筋混凝土基础。

2.沉井基础

当地面上部土层的承载力较弱，且坚硬的持力层又不太深时，的沉井基础。

沉井基础，从结构上讲是深基础，也就是应该计入土对基础的约束作用。

从施工上讲是一种施工方法。

3．桩基础

当地表以下土层的承载力较弱，可作为持力层的土层较厚、而又无大直径的卵石和漂石时，可以采用桩基础。

桩基础由基桩和承台组成，支承在岩层或硬土层上的桩称为端承桩,支承在中等的土层之中的桩称为摩擦桩。

基桩按施工方法分为沉入桩和钻（挖）孔灌注桩两类。

沉入桩用锤击沉桩法、震动沉桩法、射水沉桩法、静力压桩法、钻孔埋置法钻（挖）孔灌注桩是、钻孔、清孔、灌注水下混凝土等工序在桩位处筑成的钢筋混凝土桩。

承台的作用是将桥基内的多根桩的桩顶联结成刚性整体.

承台有低桩承台、高桩承台。

承台内要配筋（按规范）、混凝土标号不得低于15号，承台厚度不宜小于1.5m；基桩埋入承台的长度、桩的最小间距、边桩外侧距承台边缘的距离等都有具体规定。

三.桥梁墩台及浅基础的设计要点

1.荷载及其组合

编号

荷载分类

荷载名称

组合Ⅰ

组合

Ⅱ

组合

Ⅲ

组合

Ⅳ

组合Ⅵ

1

永久荷载（恒载）

上部结构的重力

*

*

*

*

*

2

桥墩基础的重力

*

*

*

*

3

水的浮力

4

基本可变荷载（活载）

汽车荷载的支反力

*

*

*

5

挂车荷载的支反力

*

6

人群荷载的支反力

*

*

*

7

其他

可变

荷载

纵向风力

*

8

汽车制动力

*

9

流水（冰）的压力

10

上部结构的温度力

*

11

支座摩阻力

12

偶然

荷载

地震力

*

13

船只或漂流物撞击力

*

首先考虑可能同时出现的荷载。

还要考虑墩身、基础和地基的工作特性

a、墩身等承受最大竖向力时，两跨均有活载Np。

b、墩身等承受顺桥向最大力矩时,一跨布有活载（组合Ⅰ），或同时布置制动力和纵向风力（组合Ⅱ）。

c、墩身等承受横桥向最大力矩时，两跨活载偏置（组合Ⅰ），或同时布置横向风力等（组合Ⅳ）。

用于验算墩身强度的荷载效应，要乘以荷载安全系数，并累计至墩底；

用于验算地基承载力的荷载效应，不乘荷载安全系数，并累计至基底。

2.墩身计算

墩身计算，应按桥墩结构特性进行。

重力式圬工墩身，验算抗压强度、荷载偏心距、抗剪强度；

对于高度大于20m的重力式墩还应验算其稳定性问题。

对于钢筋混凝土墩台、盖梁，应按其静力图式验算。

3.刚性浅基础计算

刚性浅基础，稳性仅由基底土与基础的相互作用来维持。

地基土的承载力:

σmin≤0时，

这里[σ]h是地基土的容许承载力，是经过宽深修正、并按规范予以提高后的值；

基底的偏心距

e0≤ηρ

规范规定了不同的η值（0.1～1.5）。

基础的整体稳定性

式中:

y—基础底面形心轴至接截面最大受压边缘的距离

μ—基底与地基的摩擦系数

Ti—水平力总和

Ko—倾覆稳定系数

Kc—滑动稳定系数

墩台的沉降和位移，地基总沉降量，墩顶水平位移。

四桩基础的设计要点

1．单桩的竖直承载力

摩擦桩的容许承载力

U—桩的周长（m，钻孔灌注桩按成空直径）；

A—桩底横截面面积（m2）；

li—土层厚度（m）；

τi—第层土对桩壁的极限摩阻力（kPa）；

σR—桩尖土的极限承载力（kPa）。

上部“某个深度”内土层的下沉量大于桩的竖向位移，或土的下沉速度超过桩的下沉速度时，压缩土层对桩产生向下的负摩阻力.

端承（柱）桩的容许承载力

[P]=（c1A+c2Uh）Ra

式中:

Ra—岩石的天然湿度的单轴极限抗压强度；A、U、—桩底的横截面面积、周长、

h—嵌入基岩深度；

c1=0.4～0.6、c2=0.03～0.05

2．单桩在“地面”力和位移作用下的效应

桩的入土深度为h、桩的宽度为b、桩的计算宽度为b1，

桩在地面（y=0）处，受到水平力H0和力矩M0、以及水平位移x0和转角φ0的作用，

而使桩的各个不同深度z处、即y=z处，产生水平位移xz转角φz、弯矩Mz剪力Qz。

假定如下：

土体是桩的弹性介质，地基系数即cy=my。

不考虑桩与土体间的摩擦力和粘结力；

桩为一个弹性构件，

根据梁的挠曲微分方程

令

则上式为:

解微分方程，并利用桩在地面处（y=0）的边界条件：

x（y=0）=x0，φ（y=o）=φ0，

M（y=0）=M0，Q（y=0）=Q0

得出任意深度y处的x,φ,M,Q。

1

（a）

（b）

其中，A1、B1、C1、D1．．．．．．均为y的幂级数，只要已知α和桩在地面处、y=0处、的x0、φ0、M0、H0（初参数），则可用这些公式算出任意深度处桩身的位移和内力。

3.单桩在“地面”力作用下，引起地面处的位移、桩身内力。

利用桩底ｙ＝ｈ处两个边界条件

Qh=0

　　Mh=-C0φhI0=-khαEIφh

其中：

单位水平力H0=1、作用在地面处，该处的水平位移

转角

单位力矩M0=1作用在地面处，该处的水平位移转角

这里参数A、B、C、D、………都是ｙ＝ｈ处的相应值。

代入（a）、（b）式，可以得出桩身的弯矩My、剪力Qy，并据以进行桩身配筋。

在地面处、同时作用着M0、H0时，单桩在地面处的位移

x0=H0δ0HH+M0δ0HM

φ0=-（H0δ0MH+M0δ0MM）

4.单桩在“桩顶”力作用下，引起桩顶的位移

在桩顶的水平力H=1，引起的桩顶的水平位移δHH、转角δMH

计算桩顶的抗推刚度K=1/δHH

5.群桩基础的计算

多排、竖直、对称、桩底置于非岩石类土或基岩面上的高桩承台的计算。

这是由12根桩组成的群桩基础，承台底面高出地面的高度为l0，在承台底面作用着由荷载引起的外

力M、N、P，使承台底面中心产生了水平位移a、竖向位移c、转角β.

则承台底面各桩桩顶的位移为：

ai=a

ci=c+xiβ

βi=β

桩的竖向刚度

式中：

E—桩身材料的弹性模量；

ξ—系数，摩擦桩ξ=2/3（沉入桩）、ξ=1/2（钻孔桩），端承桩ξ=1；

A—入土部分桩的平均截面面积；

A0—摩擦桩四周自地面按φ/4向下扩散至桩底处的面积，但不得超过桩底面中心距所包围的面积.

其他符号同前。

垂直于桩轴线方向发生单位位移（ai=1）时，桩顶产生的水平力（水平刚度）ρHH：

垂直于桩轴线方向发生单位位移（ai=1）时，桩顶产生的弯矩ρMH=ρHM：

桩顶发生单位转角（βi=1）时，桩顶产生的弯距（转动刚度）：

沿承台底面截取座板为自由体的位移法基本方程

式中：

γcc=Σρpp=nρpp

γaa=ΣρHH=nρHH

γaβ=-ΣρHM=-ΣρHM

γββ=nρMM+ρPPΣkixi2

得出承台底面中心的位移如下：

各桩桩顶的轴向力Ni、剪力Qi、弯距Mi

Ni=（c+βxI）ρPP

Qi=aρHH–βρHM

Mi=βρMM-aρMH

根据各桩的轴向力Ni值

H0=Qi

M0=Mi+Qil0

和位移x0、φ0得出各桩任意深度的内力My、Qy，

并据以配筋。

由计算可知，最大弯距Mymax大约在地面以下（1.5～1.7）/α处,在4/α以下桩身内力My、Qy

均可认为等于零。

最小桩距2.5D、3D、4D

桩距小于6倍桩径

五刚性深基础（沉井、管柱）的设计要点

基础底面的埋置深度大于5m，且计算深度αh<2.5时,称为刚性深基础，

假定：

地基系数cy=my；基础刚度视为无穷大；基础与土的摩阻力、黏结力不计。

在水平力作用下，深基础将绕其深度上某一点发生微小的转动，使基础两侧的土体产生水平土抗力、基底土体产生竖向土抗力。

σmax≤[σ]h

σy≤pp-pa=

刚性深基础除验算整体稳定性外，还应对其结构进行核算.

六柔性墩的设计要点

在多跨连续梁桥、多跨连续桥面简支梁桥，纵向抗推刚度墩与支座的联合抗推刚度比较小，在纵向（顺桥向）力作用下，墩顶[支座顶面]可以随上部结构纵向位移，这类桥墩被称为柔性墩。

1.柔性墩台的抗推刚度：

多跨柔性墩的桥梁中，纵向力H=1作用在墩顶处，而引起整个桩柱变位桩柱式墩，在纵向力H=1作用下，墩顶的纵向水平位移：

顶位移l03/3EI小得多时，群桩基础上的柔性墩墩顶纵向位移.

柔性墩墩身的刚度

板式橡胶支座的刚度（是n1个支座的并联刚度）

整个柔性墩联合抗推刚度（串联刚度）：

某柔性墩墩身的刚度=45690kN/m，支座刚度=11670kN/m，柔性墩的联合抗推刚度K=9296kN/m。

其值更接近支座的刚度。

2.墩顶制动力

各墩墩顶所受制动力

式中，T—全桥（或一联桥）所受的全部制动力。

为一列车车队总重的10%、但不得小于一辆重车车重的30%。

3.桥跨结构的温度变形引起的纵向力（温度力）

温度零点O，至该联左端的距离x0

则各墩的温度力：

式中：

t—月最高或最底平均温度与合拢温度之差；

α—桥跨结构的材料的线膨胀系数；

Ｌｉ—第ｉ号墩至该联桥梁左端（参考点）的距离；

Ｓｉ—第ｉ号墩至该联桥梁温度零点Ｏ的距离。

4.墩顶的地震力

5.桥台的土压力

墩顶水平位移、墩顶偏心活载弯距，也会引起墩顶纵向水平力。

桩柱式墩，可按墩顶的各种纵向水平力组合值，推求出地面处桩内的M0、H0，以及地面处的位移，并据以计算桩身内力和配筋。