第十六章 桥墩计算 (略 )
内容提要:
〖 了解 〗 第一节 桥墩计算的荷载及其组合;
〖 了解 〗 第二节 重力式 (梁桥) 桥墩的计算内容、步骤、方法; (
〖 了解 〗 第三节 桩柱式桥墩计算简介。
第一节 荷载及其组合
内容提要:
桥墩计算时应考虑的荷载:
6- 1- 1、永久荷载
6- 1- 2,可变荷载
6- 1- 3,偶然荷载
荷载组合
6- 1- 4,梁桥重力式桥墩的荷载组合
6- 1- 5,拱桥重力式桥墩的荷载组合
6- 1- 1、永久荷载
1、恒载产生的支承反力
~作用于墩帽、拱座;
~含上部砼的收缩、徐变影响力;
2、桥墩自重
~含襟边以上的土重力
3,预应力
~ 指施加了预应力的桥墩
4、基础变位影响力
~对于超静定结构而言;
~长期 荷载下的地基压缩(非岩基);
5、浮力
~透水性地基上必须计入;
~不透水地基且为嵌入式基础,可不计;
~不能肯定时,分别计算并比较,取不利者;
~ 最不利组合原则:
稳定验算 — 高水位浮力;基地应力验算 — 低水位浮力。
6- 1- 2、可变荷载
基本可变荷载
1、汽车
~钢砼柱式墩台计冲击作用,重力式不计;
2、验算荷载
~挂车、履带车;
3、人群
其它可变荷载
4、风力
纵、横向,上、下部;
5、制动力
汽车。 —— 验算荷载不允许制动。
6、流水压力
7、流冰压力
寒冷地区
8、上部梁端伸缩 (温变) 对墩台产生的水平力
9、支座摩阻
6- 1- 3,偶然荷载
1、地震力
抗震设防标准从规范。
2、撞击力
◎与防护措施有关
船只撞击~与航道等级有关,
流冰撞击~严寒区,
其它漂流物撞击(特殊要求)
6- 1- 4, 梁桥 重力式桥墩的荷载组合 ( 1)
1、按桥墩各截面
可能产生的最大竖向力布载:
〖 组合 Ⅰ 或 Ⅲ 〗
1)验算目的:
墩身强度
基地最大应力;
2)布载基本原则:
~永久荷载
~双侧满布活载
最大竖向力 — 双侧满布活载
6- 1- 4, 梁桥 重力式桥墩的荷载组合 ( 2)
2、按桥墩各截面
在纵桥向可能产生的最大偏
心、最大弯矩竖布载:
〖 组合 Ⅱ 〗
1)验算目的:
墩身强度、
基地应力、
偏心验算、
墩身稳定性;
2)布载基本原则:
~永久荷载
~活载靠边单侧 (大跨一侧) 满布;
~其它纵向力按规范组合
风力、制动力、摩阻力等 最大纵向偏载 — 单侧满布活载
6- 1- 4, 梁桥 重力式桥墩的荷载组合 ( 3)
3、按桥墩各截面
在 横 桥向可能产生的最大偏心、最大弯矩竖布载,〖 组合 Ⅱ, Ⅳ 〗
1)验算目的 — 横桥向的相关指标:
~墩身强度、
~基地应力、
~偏心验算、
~墩身稳定性;
2)布载基本原则:
~永久荷载
~活载靠行车道边布置; 也有可能在无活载时横向最不稳定!
~其它横向力按规范组合:横向风力、流水(流冰)压力、撞击力等。
6- 1- 5, 拱桥 重力式桥墩的荷载组合 ( 1)
1、顺桥向荷载组合
1)普通墩
~验算目的、布载原理与梁桥相同;
~与梁桥的主要区别:
@由于推力的存在,使偏载机会大增;
@多为超静定结构,引起附加反力(温变等)的因素必须考
虑;
@凡引起上部结构内力变化的因素,都须考虑其在下部产生
的不平衡推力;
6- 1- 5, 拱桥 重力式桥墩的荷载组合 ( 2)
2) 单向推力墩
仅计及较大一孔的永久荷载;不计活载作用。
2、横桥向的荷载组合
~对于公路桥梁,由于拱桥存在较大的水平推力,故横桥向一
般不控制设计。
~必要时,其横向荷载组合与梁桥同。
~~~~~~~~~~~~~~
关于荷载组合的注意事项:
1)服从桥规规定;
2)其它可变荷载中,有些荷载在考虑其同时出现的频率后,
规范做出了不同时组合的规定,必须加以注意。
如“制动力”与,流水、流冰压力”“支座摩阻力”不
同时组合等。
第二节重力式桥墩的计算
概要~拱桥、梁桥桥墩的共同点:
@外力均可合成为:
竖向合力、
水平合力、
在 X,Y方向的弯矩。
@二者仅荷载组合有所不同,但墩的计算方
法、内容基本一样。
内容提要:
2- 2- 1 墩身强度验算
2- 2- 2 墩顶水平位移计算
2- 2- 3 基底土的承载力、偏心距验算
2- 2- 4 整体稳定性验算
6- 2- 1 墩身强度验算
强度验算通式
),()( 10 kRdssd aRQS
m
j
???? ??
荷载效应函数 结构抗力函数




















































相关系数按规范取值
1、验算截面的确定
矮墩:底面、突变处;
高墩:除底面、突变处外,
竖向 每 2~ 3m取一个。
2、内力计算
○按荷载组合,求得 每个截面 的:
竖向合力 — ∑N
水平合力 — ∑H
弯 矩 — ∑M
6- 2- 1 墩身强度验算 ( 1)
6- 2- 1 墩身强度验算 ( 2)
3、抗压强度验算
轴压或偏压构件,正截面强度按下式计算:
m
j
aj ARN ?? /?
纵向力偏心系数
按规范计










力 构件截面积
材料抗压
极限强度
验算不能通过时,修改墩身截面尺寸,重新验算
6- 2- 1 墩身强度验算 ( 3)
4、截面偏心距验算,
eo = ∑M / ∑N ≤ [eo]
5、抗剪强度验算:
~拱座截面在相邻两孔推力不等时,需验算抗剪强度。
~通缝受剪,按桥规计算;
~无支架吊装肋拱、裸拱时卸架等,也需验算。
6- 2- 2 墩顶水平位移计算
◎ 要求:
~高墩( >20m)需验算;
◎计算图式:
~把桥墩视作:固定在基础顶面的悬臂梁。
~不考虑上部结构对墩的变形约束。
◎位移计算
~纵向力引起的位移:
○ 考虑荷载:制动力、风力,偏心的支反力;
○ → ⊿ 1
~不均匀沉降引起的位移:
不均匀沉降 →倾角 → 水平位移 ⊿ c
◎ 判据:
)(5.0][)(1 mmLmmc ??????
相邻两跨最小跨径,小于 25m按 25m计
6- 2- 3 基底土的承载力、偏心距验算 ( 1)
1、基底承载力验算
1)一般情况:
竖向力 的合力点在截面核心之 内,
○按顺桥向、横桥向分别验算偏心方向的基底应力。
○判据:最大应力 ≯ 容许应力
2)竖向力 的合力点在截面核心之 外,
因不考虑基底土受拉力,应计及基底应力重分布。 〖 详后 ↓〗
2,基底偏心距验算:
验算目的:
~防止因偏心过大 〖 最小应力、最大应力相差过大 〗,导致不均匀
沉降过大;
判据:
~偏心距不超过“容许值” — 截面核心半径的一定比例。
~,容许值” 与基底条件有关。
基底土质不同,其抵抗变形的能力也不同,故对不均匀压力的敏
感程度也不同。
~详见规范(或教材)规定。
6- 2- 3 基底土的承载力、偏心距验算 ( 2)
◎ 应力重分布问题:
1)重分布前后,基底应力的 合力 不变:
2)重分布前后,基底应力的 合力矩 不变:
则 (x 方向 ):
N·(b/2 - cx/3)=N·ex →
cx=3(b/2- ex)
同理,cy=3(a/2- ey)
3)顺桥向、横桥向的最大应力分别为:
2N/acx, 2N/acy ;
二者均应小于容许应力。
6- 2- 4 整体稳定性验算
◎ 稳定性包括倾覆稳定、滑动稳定。
1、倾覆稳定验算:
以 倾覆力矩 不超过 稳定力矩,并考虑一定
的安全储备为限。
抗倾覆稳定系数如下:
oP
hTeP
iiii
i
q
o
e
xx
hTeP
Px
M
M
K
i
iiii
??
???
??
??
?
??? )()(
)()(


1)即,Ko=截面中心至边缘的距离 / 所有外力偏心距;
2)Ko的值必须大于 1,
具体限制随荷载组合情况有所不同( 1.2/1.3/1.5)
6- 2- 4 整体稳定性验算
2、滑动稳定验算:
以 水平推力 不超过 摩阻力,并考虑一定的
安全储备为限。
抗滑动稳定系数如下:
i
i
c T
PfK
?
???
1)摩擦系数与基底土的性质有关
2)Kc值大必须于 1,随荷载组合情况有所不同( 1.2/1.3)
摩阻力
第三节桩柱式桥墩计算简介 — 盖梁计算( 1)
◎ 桩柱式桥墩计算包括:
2- 3- 1 盖梁计算
2- 3- 2 桩柱计算
2- 3- 1 盖梁计算
1.计算图式
(1)盖梁的刚度足够大 (与桩柱的刚度比 >5) 时,忽略柱的弹性约束:
a.双柱式 — 按简支梁或悬臂梁计算;
b.多柱式 — 按连续梁计算。
(2)当盖梁的刚度与桩柱的刚度比小于 5,或桥墩承受较大横向力时,
作为横向框架的一部分进行验算。
(3)当盖梁计算跨径与梁高之比较小(简支梁小于 2,连续梁小于
2.5 )时,(从桥规)按深梁计算。
2.荷载
主要有:
上部结构恒载及活载 (汽车计冲击 ) 引起的 支座反力, 盖梁自重 。
6— 3 桩柱式桥墩计算简介 — 盖梁计算( 2)
3.计算方法
◎公路桥梁多采用双柱式,且盖梁与桩柱的刚度比往往大于 5,故
通常按简支梁或双悬臂梁计算。
◎内力计算时
~控制截面一般在支点、跨中;
~荷载纵、横向分布的影响:参照装配式简支梁主梁梁肋;
◎ 荷载纵向分布:活载通过支座传递:
@盖梁计算截面处(上部)支反力影响线 →
@最不利布载 →
@相应最大支反力。
◎ 荷载横向分布:
@盖梁控制截面的内力横向影响线 →
@最不利布载 →
@控制截面内力。
@@计算跨中正弯矩 — 活载对称布置 ;
@@计算支点负弯矩 — 活载非对称布置。
桩柱式桥墩计算简介 — 盖梁计算( 3)
4.注意事项
(1)盖梁内力计算,
可考虑桩柱支承宽度对弯矩的削峰作用。
(2)必要时考虑盖梁受到扭矩作用:
~桥墩沿纵向的水平力将对对盖梁产生扭矩;
~纵桥向有两排支座时,上部结构活载偏心力将对盖梁产
生扭矩。
桩柱式桥墩计算简介 — 桩柱计算( 1)
2- 3- 1 桩柱的计算
◎桩柱式墩一般分刚性和柔性两种。
◎刚性桩柱计算方法同重力式桥墩
◎柔性桩柱的受力与桥梁整体结构类型有关。
◎ 橡胶支座在水平力作用下可有微小的水平位移,故:
计算图式一般按:在节点处设水平 弹簧支承 对待:
纵桥向
桩柱式桥墩计算简介 — 桩柱计算( 2)
1,外力 计算
墩上的恒载:
上部恒载支反力、盖梁及桩柱自重;
桩柱承受的活载:
◎按设计荷载进行最不利动态加载
◎经恒载、活载等组合,求得最不利的组合值。
◎桥墩的水平力:
温变支座摩阻力、制动力等。
桩柱式桥墩计算简介 — 桩柱计算( 3)
2.内力计算
◎借助于计算机技术,目前多广泛采用有限元法;
○按桩、土、柱、梁等上、下部结构联合计算;
○这是一种最合理、最准确、最为简便的方法。
◎对于柔性墩简支梁桥:
○一次迭代法、三推力方程法仍在使用。
○而集成刚度法、柔度传递法:
主要用于柔性墩连续梁桥计算
桩柱式桥墩计算简介 — 桩柱计算( 4)
3.墩顶位移计算
◎柔性墩,必须验算墩顶位移( ⊿ )。
◎在不考虑桩基变位影响时,一般图式:
~上部传递下来的承受弯矩、水平力
作用于墩顶;
~风力可按沿墩高均布;
~水压力可按沿墩高呈梯形分布;
~等截面可按力学方法计算;
~变截面一般采用近似计算;
◎如桩基本身发生变位( ⊿ 0,φ0 ),
则必须计入:
⊿ 总 = ⊿ 0+ ⊿ +φ0 ·H