桥梁墩台的设计、构造及计算

1、桥梁墩台的设计、构造及计算内容提要桥梁墩台的设计和构造桥梁墩台的计算第一章 墩台设计与构造第一节 概述功能桥墩桥台多跨桥梁的中间支承结构桥端支承结构，衔接线路，挡土护岸组成墩台帽墩台身基础承受荷载地震力风力流水压力等竖向力水平力弯矩上部结构第二节 桥墩的类型与构造按受力刚性墩按构造实体墩空心墩柱式墩按截面圆端形尖端形等矩形圆形1、桥墩的类型柔性墩框架墩等2、桥墩的构造（1）实体桥墩 实体桥墩可分为实体重力式桥墩和实体轻型桥墩。重力式桥墩材料：实体圬工材料优点：靠自身重量平衡外力，保证其强度和稳定 自身刚度大，具有较强的防撞能力缺点：阻水面积大适用范围：适合建于承载力较高、覆盖层较薄、 基岩埋深

2、较浅的地基上轻型桥墩（或薄壁桥墩）材料：可用混凝土、浆砌块石或钢筋混凝土材料优点：显著减少了圬工体积缺点：抗冲击力、防撞能力较差适用范围：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混凝土一般C20，厚度一般0.4m，中小跨梁桥也应0.3m，并设有50100mm的檐口。 墩身是桥墩主体，其顶宽：小跨径桥重力式墩墩身宜80cm，轻型墩墩身宜60cm；中跨径桥宜100cm。（2）空心桥墩 在一些高大的桥墩中，为了减少圬工体积，节约材料，或为了减少自重，降低地基的承压应力，可将墩身内

3、部作为空腔体、即所谓空心桥墩。它介于重力式桥墩和轻型桥墩之间。 构造要求：墩身最小壁厚 对砼50cm，对钢砼30cm墩身纵横隔板 应设置横（或纵横）隔板，加强墩 身局部稳定和抗撞能力检查设施 设置进入洞或检查设备通风孔泄水孔 墩身周围设置直径为2030cm的通 风孔或泄水孔，以调节壁内外温差 和平衡水压力装配式预应力砼桥墩构造（3）柱式（桩柱式）桥墩结构：分离的两根或多根立柱（或桩柱）组成：承台、柱式墩身和盖梁（如图）分类：单柱式、双柱式、哑铃式、混合双柱式优点：外型美观，圬工体积少，施工方便缺点：因柱间空间局限，易阻滞漂浮物适用范围：桥梁宽度较大的城市桥梁和立交桥； 多在浅基础或高桩承台上采

4、用构造要点：立柱一般采用C30C40混凝土，横 截面尺寸0.61.5m，高度较大时设横系 梁；盖梁跨高比小于5时，剪力较大，其 混凝土强度等级应C25双柱式方形墩双柱式圆形墩（4）柔性排架桩墩结构组成：单排或双排钢砼桩与钢砼盖梁组成分类：单排桩、双排桩、薄壁式特点：将上部结构传来的水平力传递到全桥各柔 性墩台或相邻刚性墩台上，减少单个柔 性墩所受水平力，从而减小桩墩截面缺点：墩顶可能产生过大的位移适用范围：一般用于5080m桥长布置要点：桥长超过5080m时，需设置滑动支 座或设置刚度较大的温度墩；孔数较多 时宜将桥跨分成若干联（两活动支座间 或刚性台与第一个活动支座间称为一联） 黄石长江大桥

5、薄壁墩构造 黄石长江大桥四个江中墩采用双薄壁墩。左、右壁中心距为10.5m，墩身为310m矩形断面（如图）。 钢筋混凝土双壁墩的采用既可减小桥墩的抗推刚度，又可减小主梁支点负弯矩，同时增加了桥梁美观。黄石长江大桥（五孔连续刚构桥）（5）框架墩结构：采用钢砼或预应力砼等压挠和挠曲构件组 成平面框架代替墩身分类：纵、横向V形、X形、Y形、倒梯形等特点：轻巧美观；同时提高桥梁的跨越能力，缩 短主梁的跨径，降低梁高 X型桥墩某开合桥 V型桥墩我国首例铁路V形桥墩转体架梁3、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

6、大于0.5 m，流水速度1 m/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（如图）。 航运繁忙的河道，船只往往因突发原因引起航行失控，或因能见度低造成船墩相撞。桥墩在设计中不但要有一定抵抗船舶冲击的能力，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。墩身平面形状与破冰棱体第三节 桥台的类型与构造桥台重力式桥台轻型桥台框架式桥台八字式和一字式桥台埋式桥台U形桥台1、桥台的类型组合式桥台承拉式桥台薄壁轻型桥台支承梁型桥台2、桥台的构造（1）重力式桥台 重力式桥台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

7、用就地浇筑的方法施工。 U形桥台结构特点：由前墙和两侧墙构成 U 形优点：构造简单；基底承压面大，应力较小缺点：圬工体积大；台内填土易积水，冻胀后使 桥台结构产生裂缝适用范围：810m填土高度的中等跨径桥梁 埋置式桥台结构特点：台身埋置于台前溜坡内，不需另设 翼墙，仅由台帽两端的耳墙与路堤衔接优点：圬工数量较省，自重较小缺点：溜坡伸入桥孔压缩了河道，有时需要增 加桥长适用范围：适用于桥头为浅滩、溜坡受冲刷较 小、填土高度在10m以下的中等跨径的 多跨桥中使用八字式和一字式桥台 台身两侧为独立翼墙，一般将台身与翼墙分开，其间设变形缝。适用于河岸稳定的低桥台。（2）轻型桥台 钢砼轻型桥台，其构造特

8、点是利用钢砼结构的抗弯能力来减少圬工体积而使桥台轻型化。 薄壁轻型桥台 支承梁型桥台（略）（3）框架式桥台（4）组合式桥台（5）承拉式桥台第二章 桥梁墩台的计算第一节 墩台作用及其效应组合1、墩台计算中的作用（1）永久作用恒载支承反力 包括上部结构砼收缩、徐变影响墩台自重 包括基础襟边上的土重及其侧压力预应力 如对装配式压应力空心墩所施加的预应力基础变位影响 变位对超静定结构引起的附加内力水的浮力 对于透水性地基，稳定验算时计算水的不 利浮力，应力验算时考虑水的有利浮力（2）可变作用（桥台不计风力、流水压力、冰压力）汽车荷载 包括汽车冲击力（对重力式墩台应计入冲 击力）、离心力、制动力、土侧压

9、力人群荷载风力、流水压力、冰压力 桥台不计此项温度应力 温度变化对超静定结构引起的附加内力支座摩阻力（3）偶然作用（桥台只考虑地震力）地震力 桥台只考虑此项 船只或漂浮物撞击力施工荷载涌潮等间歇性荷载 某些特殊河道出现涌潮现象2、荷载计算 包括恒载和水的浮力、侧向土压力、汽车荷载冲击力、汽车荷载制动力、流水压力、冰压力、般只或漂浮物的撞击力、地震力。（1）恒载和水的浮力 桥梁上部结构恒载传至墩台的计算值，由桥梁支座反力计算确定。对于墩台在水下和土中部分自重的计算方法，要根据地基土性质加以考虑。 公路桥梁设计规范中，在考虑水的浮力时，对不同的土质和不同的计算内容作了不同的规定：位于透水性地基上的

10、墩台，在验算稳定时，应 采用设计高水位的浮力；在验算地基应力时， 仅考虑低水位时的浮力，或不考虑水的浮力。基础嵌入不透水性地基的墩台，可不考虑水的 浮力。当地基是否透水未定时，按透水与不透水，以 最不利荷载组合计算。 关于自由水与结合水对浮力的影响砂性土：孔隙水多为自由水，可按有浮力考虑粘性土：孔隙水中既有自由水又有结合水含水量接近或超过液限，应考虑浮力含水量小于塑限时 ，不考虑浮力含水量介于液限与塑限之间 ，按不利情况考虑（2）土的重力及侧向土压力 一般桥台和挡土墙考虑主动土压力，台前和墙前可考虑静土压力。静土压力标准值ej高度h处静土压力强度； 压实土的静土压力系数； 土的重力密度； 土的

11、内摩擦角； h填土顶面至任一点高度；H填土顶面至基底高度；Ej高度范围内单位宽度的静 土压力标准值。主动土压力标准值a 土层特性无变化且无汽车荷载时E主动土压力标准值； 土的重力密度；B台的计算宽度或挡土 墙的计算长度；H计算土层高度； 填土表面与水平面的 夹角。 主动土压力的着力点自计算土层地面算起，C=H/3。b 土层特性无变化但有汽车荷载，在=0时按下式计算h 汽车荷载的等代均布土层厚度。土压力着力点自计算土层地面算起：c 当=0时，破坏棱体破裂面与竖直线间的夹角的正切 值可按下式计算式中桩柱式桥台土压力的计算宽度 公路桥涵设计规范规定： 当桩柱间净距 li 不大于桩柱直径 D 或宽度时

12、，不考虑桩柱间空隙的折减，作用在每根桩柱上的土压力计算宽度 b 按下式计算： 当桩柱间净距 li 大于桩柱直径 D 或宽度时：若 D1m若 D 1m（3）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。因属于局部加载，故冲击系数取1.3。（4）汽车荷载制动力 汽车荷载的制动力是桥梁墩台承受的主要纵向水平力之一。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。（5）流水压力 作用在桥墩上的流水压力，可按公路桥涵设计规范中有关规定计算。流水压力的合力作用点，假定在设计水

13、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。（6）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（流冰压力）等。（7）船只或漂流物的撞击力 船只或

14、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：W漂流物的重量；可根据实际调 查确定； V水的流速； T撞击时间，在无实际资料时可 用1s； g 重力加速度9.81。 规范规定，船只的撞击力可根据河道等级和船只的撞击力方向查表（如下表）取值。如航道中有大吨位船只航行时，应根据具体情况另作分析确定。 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；对于四、五、六级航道内的钢筋混凝

15、土桩墩，顺桥向撞击力按表中所列数值的50计算。内河航道标准船舶吨位DWT(t)横桥向撞击作用(kN)顺桥向撞击作用(kN)一 3000 1400 1100二 2000 1100 900三 1000 800 650四 500 550 450五 300 400 350六 100 250 200七 20 150 125（8）地震力 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：受地震后，墩台、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；引道、岸坡滑

16、移下沉致使墩台损坏。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。3、荷载组合 桥梁墩台计算时，通常需要对各种可能的荷载进行组合计算，满足各种不同的要求。在进行墩台荷载效应组合时，尚需考虑按顺桥向和横桥向的最不利布载。 在所有荷载中，车辆荷载的变动对荷载组合起着支配作用。桥墩计算中，一般需验算墩身截面的强度、作用在墩身截面上合力的偏心距及桥墩的稳定性等。因此，需根据不同的验算内容选择各种可能的最不利荷载组合。 下面分别说明梁桥和拱桥墩台可能出现的组合。 （1）梁桥重力式桥墩

17、第一种组合：桥墩各截面可能产生最大竖向力 （验算墩身强度和基底最大应力） 将车道均布荷载沿纵向布置在相邻的两孔桥跨上，并且将集中荷载（重轴）布置在计算桥墩处。这时可得到桥墩的最大汽车竖向力荷载，但偏心较小（如图a）。第二种组合：桥墩各截面在顺桥方向可能产生 最大偏心和最大弯矩（验算顺桥方向墩身强度、 基底应力、偏心和桥墩稳定性） 车道荷载仅在一孔桥跨（相邻两跨的较大跨）上布置，且有其它水平荷载（如风力、船撞力、流水压力等）作用于墩身，这时竖向力较小，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（如图b）。第三种组合：桥墩各截面在横桥方向可能产生 最大偏心和最大弯矩（验算横桥方向墩

18、身强度、 基底应力、偏心和桥墩稳定性） 在横向计算时，桥跨上的汽车荷载可能是一列或几列靠边行驶，这时可能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（如图c）。（2）拱桥重力式桥墩顺桥方向的作用及其效应组合 对于普通桥墩，应布置相邻两孔的永久作用、在较大的一孔满布车道荷载和人群荷载、其他可变作用（如制动力、纵向风力、温度影响力等），此时可对桥墩产生不平衡水平推力、竖向力和弯矩。 对于单向推力墩，只考虑相邻两孔中跨径较大一孔的永久作用效应。横桥方向的作用及其效应组合 横桥方向作用于桥墩上的外力有风力、流水压力、冰压力、船只或漂流物撞击力、地震力等。但是对于公路桥梁，横桥方向的

19、受力验算一般不作控制设计。（3）梁桥重力式桥台 桥台也须针对验算截面的台身截面强度、地基应力、桥台稳定性等按公路桥涵设计规范进行可能的荷载组合。桥台荷载组合和验算只考虑顺桥方向。 在桥跨结构上布置车辆荷载、温度下降、制动力（向 桥孔方向），并考虑台后土侧压力（考虑最大弯矩组 合，如图a）；在台后破坏棱体上布置车辆荷载、温度下降、并考虑 台后土侧压力（考虑最大水平力与最大反向弯矩组 合，如图b）；在桥跨结构上和台后破坏棱体上都布置车辆荷载、温 度下降、制动力（向桥孔方向），并考虑台后土侧压 力（考虑最大竖向力组合，如图c）。 （4）拱桥重力式桥台 同梁桥重力式桥台一样。 对于单跨无铰拱的顺桥向活

20、荷载布置一般取活荷载布置于桥跨结构上和活荷载布置于台背后破坏棱体上（分别类似于上图a、b）。 第二节 墩台计算与验算1、重力式桥墩计算与验算 重力式桥墩主要采用圬工材料，按承载能力极限状态设计时，采用下列表达式：0结构重要性系数：特大桥、重要大桥取1.1，大桥、 中桥、重要小桥取1.0，小桥、涵洞取0.9； S作用效应组合设计值； 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（可采用设计文件规定值）。（1）截面承载能力极限状态验算验算截面的选取通常选取基础顶面、墩身截面突变处悬臂式墩帽与墩身交界处高墩沿墩身每隔23m选取一个截面截面验算截面的内力计算 竖向力N、水平力H、弯

21、矩M。承载力极限状态验算 按轴心或偏心受压构件验算墩身各截面承载力。截面偏心验算 各验算截面在各种组合下的偏心距 e=(M)/(N)均不应超过表中限值。作用组合偏心距限值基本组合e 0.6s偶然组合e 0.7s受压构件偏心距限值 当偏心距超过上表限值时，构件应按下列公式计算： Nd轴向力设计值； A构件截面面积； W 受拉边缘弹性抵抗拒；ftmd弯曲抗拉强度设计值； 砌体偏心受压构件承载载力影响系数或混凝土轴心受压构件弯曲系数。直接抗剪验算 当拱桥相邻两孔的推力不相等时，应按下式验算拱座截面的抗剪强度：Vd 剪力设计值； A受剪截面面积；fvd 砌体或混凝土抗剪强度设计值； f 摩擦系数，取0

22、.7；Nk与受剪截面垂直的压力标准值。【注】上述所有参数均应按公路圬工桥涵设计规范（JTG D61-2005）中有关规定取值。（2）桥墩的稳定性验算纵向挠曲稳定性验算Nj 各种组合中最不利的设计荷载效应（竖向力）； 受压构件纵向弯曲系数，按公式计算或查表； 与砂浆强度有关的系数：对5、2.5、1号砂浆分别 采用0.002、0.0025、0.004，对混凝土采用0.002； A验算截面的面积；Rja材料的抗压极限强度； m安全系数。关于纵向弯曲系数 的确定 受压构件纵向弯曲系数，轴心受压墩台的值可查阅钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范表5.3.1；偏心受压时，弯曲平面内的纵向弯曲系数按下式计算

23、： 矩形截面取 =l0 / hw；l0、hw墩台计算长度、截面在弯曲平面的高度； e0竖向力偏心距；rw 在弯曲平面内截面（换算截面）的回转半径。抗倾覆稳定性验算 如右图，当桥墩处于临界稳定平衡状态时，绕倾覆转轴AA取矩，可得 即 上述方程左边第一项为稳定力矩，第二项为倾覆力矩。 于是，抗倾覆稳定系数K0可按下式计算：M稳 稳定力矩；M倾 倾覆力矩； Pi 作用标准值组合（地震除外）引起的竖向力； ei 竖向力Pi对验算截面重心的力臂（平距）； Hi 作用标准值组合（地震除外）引起的水平力； hi 水平力Hi对验算截面重心的力臂（垂距）； s 截面形心O至验算倾覆转轴AA的水平距离； K01抗

24、倾覆稳定系数最小容许值（见表）。抗滑移稳定性验算 抗滑移稳定系数Kc可按下式计算： Pi 竖向力总和（包括水的浮力）；Hip 抗滑稳定水平力总和；Hia 滑动水平力总和； f 圬工基础底面与地基土之间的摩擦系 数，无实测资料时可按表取值； Kc1抗滑移稳定系数最小容许值（见表）。地基土分类摩擦系数 f黏土（流塑坚硬）、粉土0.25 砂土（粉砂砾砂）0.30 0.40 碎石土（松散密实）0.40 0.50 软岩（极软岩较软岩）0.40 0.60 硬岩（较硬岩坚硬岩）0.60 0.70作用组合验算项目稳定系数 结构自重、土重及侧压力、浮力、汽车、人群的标准值效应组合抗倾覆 K01抗滑移 Kc11.

25、51.3 同上，但计入其他作用或偶然作用（地震除外）标准值效应组合抗倾覆抗滑移1.31.2 施工阶段作用标准值效应组合抗倾覆抗滑移1.2基底摩擦系数抗倾覆和抗滑动稳定系数（3）墩台顶端水平位移计算 对高度超过20m的重力式墩台及轻型墩台，应验算顶端水平方向的弹性位移，使之符合规定。顶端水平位移的规定 墩台顶端水平位移的容许极限值为：y 墩台顶端水平位移值（mm），包括墩台水平方向 弹性位移和因地基不均匀沉降产生的水平位移 （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）； L 相邻墩台间的最小跨径（m），L25m 。顶端水平弹性位移的计算 计算时可认为墩台身相当于一

26、个固定于基础顶面的悬臂梁（不考虑上部结构对墩台顶端位移的约束作用），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于基础顶面的悬臂梁，完全忽略了上部结构对墩台顶端的约束作用，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。2、桩柱式桥墩计算与验算 桩柱式墩台的计算包括盖梁计算、墩台桩柱计算、墩台顶端位移计算。（1）盖梁计算 包括外力计算、内力计算、配筋计算。 a 当盖梁线刚度与桩柱线刚度比大于5时 双柱式的盖梁 一般可按简支梁或悬臂梁进行计算和配筋；多根桩柱 的盖梁可按连续梁计算； b 当盖梁计算跨径与梁高之比对简支梁小于2，对连续梁 小于2.5时 应按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥 涵设计规范附录六作为深梁计算。 c 当线刚度比小于5时 或桥墩承受较大横向力时，盖梁 应作为横向刚架的一部分予以验算。外力计算 作用在盖梁上的外力主要考虑上部结构