第7章梁桥桥墩.ppt

本章主要内容 7 1桥墩类型及适用条件 7 2桥墩构造与尺寸拟定 7 3桥墩计算 7 4铁路桥墩计算示例 第7章梁桥桥墩 上部结构下部结构 桥墩 台及基础 梁式桥 桥墩的作用 支承上部 传递上部及自身荷载至地基桥墩承受作用力 上部传来荷载 墩身风力 流水 冰压力 船筏撞击力等桥墩设计要求 强度 刚度 稳定性 7 1桥墩类型及适用条件 桥墩型式 取决于桥上线路或道路条件 桥下水流速度 水深 水流方向与桥梁中轴线的夹角 通航及桥下漂流物 基底土壤的承载能力 梁部结构及施工方法等情况 一般分类 重力式实体墩 空心墩 柱式墩 轻型墩 拼装式墩 7 1桥墩类型及适用条件 桥墩型式 取决于桥上及桥下总的情况一般分类 重力式实体墩 空心墩 柱式墩 轻型墩 拼装式墩 一 重力式实体墩靠自重平衡外力保证桥墩的稳定 适用于地基良好或桥下有通航 流冰等漂流物大 中 小桥梁 建材 多用混凝土及石 尺寸 较大 外形粗壮 其自重和阻水面积也较大 应用 很少用于城市分类 按截面形式分为 矩形 圆形 圆端形 一 矩形桥墩截面为矩形 优点 节省圬工 模板简单 易施工 缺点 对水流阻力特别大 易遭冲刷 适用 无水 静水 靠近岸边水流流速小 山区跨谷桥 旱桥 二 圆形优点 不受水流流向条件限制 缺点 不便纵 横向分别处理 增大了阻水面积 不宜石砌 适用 流向不稳 或水流与桥法向夹角大于15度 三 圆端形桥墩截面中间为矩形 两端各加一个半圆 能使水流顺畅地通过桥孔 减小冲刷和流水压力 具有矩 圆形的优点 一般应用于斜交角小于15度水中墩 是一种常用的桥墩形式 二 空心墩1 高墩时 重力墩有如下缺点 圬工量大 自重大而相应地对地基承载力要求高 地震时惯性力较大 此时设计中可采用空心墩 混凝土空心墩可节省20 30 的圬工 钢筋混凝土空心墩可节省50 的圬工 2 空心墩截面形式圆形空心 双圆孔空心 圆端形空心 圆端形中间设纵隔板 矩形空心 矩形中设隔板 3 适用条件墩壁较薄 一般有船筏 漂流物 冰压力的河上不宜采用 可下实体上空心 圆形空心截面最好 可不设隔板 施工最方便 宜优先选用当横向尺寸很宽 横向水平力大时 如双线铁路 公路 弯道桥等 可考虑圆端形或矩形带纵隔板 方形温度应力较大 4 立面直坡 用于墩身不高或某些特殊需要的桥上 斜坡 使用各种条件下的桥墩 受力合理 施工方便 三 柱式桥墩1应用广泛用于城市 公路及中小跨铁路旱桥即可减重量 又较美观 2型式单柱式 多柱式 哑铃式 混合柱式等组成盖梁 墩柱及基础截面型式圆形和矩形为主 单柱式 有水 水流急弯 流向不定或斜交角大于15 无水 城市弯桥中间墩 天桥双柱式 多柱式 斜交角小于15 或仅有小漂流物 城市宽桥哑铃式 漂流物大 防止卡在柱中间 可在双柱间加隔墙 40 60cm 混合式 墩身较高时 下部实体 上部双柱 四 轻型桥墩1型式 薄壁矩形 薄壁圆端形实体截面 其它如V形 X形 Y形 倒梯形等2适用 小跨 低墩 三孔以下 全长不大于20m 的公路桥 3特点 不要求重力墩那样的稳定性 美观可节约材料 五 拼装式墩整个桥墩是由部分预制构件现场组拼而成 优点 提高质量 缩短工期 减轻劳动强度 适用 同类量大的中小跨桥 7 2桥墩构造与尺寸拟定 一 重力式实体桥墩 一 顶帽尺寸的拟定顶帽作用 桥墩顶的传力部分 它通过支座承托着上部结构 并将墩两侧桥跨上的荷载传到墩身上 再由墩身传给地基 要求强度高 C20以上 尺寸要求 满足摆放支座 架梁 更换支座 及对墩身尺寸的影响 材料的选用 1 铁路桥墩顶帽构造特点一般为矩形 圆端形 上设支承垫石 为了把支座反力均匀地传给墩身 其厚度 40cm 混凝土等级 C20 一般配筋 单线铁路 等跨L 16m的钢筋混凝土梁的实体墩台顶帽有下列情况之一者 可以不设置钢筋 无支座的墩台顶帽 在雨水极少且不受冻害影响的地区 用整体灌注的混凝土墩台 要求顶帽厚度 60cm 支承垫石配钢筋网 顶面设不小于3 的排水坡 垫石顶高出排水坡上棱 设挑出墩身10 20cm的飞檐 直线上顶帽尺寸纵向 横向 B 4m L5m 8m6m L 20m a支座板纵向尺寸w支座板横向尺寸b支座板至垫石边缘c垫石边至顶帽边f支座板中心距 支座板纵横向尺寸考虑 局部承压计算支座板至垫石边缘b 15 20cm考虑 提高局部承压 施工误差 预留锚栓孔垫石边至顶帽边c 15 25 40cm L 8 8 20 20 考虑 架梁或养护时安放移梁顶梁设备支座板中心距f 2e e0考虑 梁端距支座中心距 梁缝 曲线上墩帽 平面尺寸大原因 由于直梁曲线布置 梁缝内窄外宽 而内侧梁缝与直线同 梁端与墩横向中心线不平行 垫石平面形状 可做成梯形 为简化施工可做成矩形 横向预偏心 定义 支座布置偏向曲线内侧 使梁中心对桥墩中心线有一预偏心d原因 墩承受横向水平离心力P 预偏心后 支反力R产生向曲线内侧的偏心弯矩 以抵消一部分由离心力所产生的向曲线外侧的弯矩 纵向偏心 定义 支座在纵向上对墩中心线不对称布置原因 相邻桥跨不等时 支座反力不同 为减小垂直力和力的偏心距墩帽构造措施 为适应两相邻跨不同的建筑高度 可采取两种 a 支承垫石不等高b 顶帽布置在不同高程上 顶帽尺寸的其他要求 墩身顶宽的要求安装上部结构的要求安装抗震设施的要求 2 公路桥墩拟定原理 同铁路桥墩 唯具体尺寸大小不同 顶帽厚度 大跨 40cm 中小跨 30cm 排水坡10 飞檐为5 10cm 做成沟槽形排水 规定局部最小尺寸 100 120cm 目的 避免支座过分靠近墩身侧面边缘而导致应力集中 提高局部承压强度 考虑施工误差及留栓孔 二 托盘尺寸托盘作用 顶帽尺寸横向多由施工及维修决定 墩身则决定于受力的大小 尺寸小于顶帽 故顶帽下设托盘过渡 称为托盘式顶帽 托盘尺寸 据实验及使用经验 缩颈处宽B1 墩中心至支座板外缘间距b1 缩颈处设构造筋 三 墩身尺寸拟定两个方向一般均做成斜坡 一般为20 1 30 1 具体由以下计算决定 截面偏心 截面应力 墩整体稳定性 墩顶位移等多方面试算确定 高度不大的可做成直坡 墩高很高的也可分阶段做成台阶状的 材料一般采用C20片石混凝土或C10水泥砂浆砌片石或块石 公路墩身的顶宽 小跨度 80cm 中等跨度 120cm 二 空心桥墩分类 混凝土空心墩及钢筋混凝土空心墩 前者需设置护面钢筋 组成 顶帽 实体过渡段 顶帽下 基础上 空心墩身 一 实体过渡段实体段与墩壁连接处应力分布比较复杂 试验表明 顶厚1m时 在顶帽下D 2处应力才均匀分布于壁上 固端干扰力矩使墩壁应力增大40 76 帽下实体为3m时 连接处仍有应力集中现象 但应力较小 铁路 桥规 宜设过渡段 连接处增设补充钢筋或设牛腿 实体段合理厚度尚难具体确定 一般采用3 5m 考虑墩高 梁跨 壁厚 内孔比率等 二 空心墩的壁厚与隔板 铁路 桥规 钢筋混凝土 0 3m 素混凝土 0 5m 宜设护面钢筋 实际应以计算确定 薄壁钢筋用量多 施工难度大 实际中多用厚壁 薄壁中温度 日照 收缩等引起的结构内力较复杂 隔板为增强整体稳定和局部稳定 增强桥墩的抗扭 抗震能力 但模型试验和理论计算中未能确定隔板对稳定和强度明显作用 关于隔板设置与否尚待研究 有隔板增加施工难度 目前一般仍采用隔板 当壁厚t 1 10 1 15 b时 一般可不设隔板 三 通风孔与进人洞通风孔 调节内外温差 减少施工中混凝土水化热对墩内温度的影响 圆形通风孔对墩壁应力分布较好 直径不宜小于20cm 隔3 5m交错设置 离地面宜高于5m 高出设计水位 并设栅栏 排水孔 墩下部过渡段顶部设置排水孔 排水孔周应设加强钢筋网 施工时设置的临时排水孔 竣工后应加以封堵 进人洞 便于检查维修 相应的检查设备 检查梯等 三 柱式桥墩组成 柱式桥墩由盖梁 墩柱及基础组成 盖梁的截面形状为矩形或T形 在城市桥梁中常采用倒T形使得架梁后盖梁不外漏 墩身线条简洁 增加美观 盖梁的宽度依上部结构的形式 支座间距和尺寸等而定 当铁路桥墩的墩高大于7m时 在两柱间距基础顶3 5m处设一横系梁以保证柱的稳定 公路 尤其是市内立交桥桥墩一般可不设的横系梁 公路桥梁采用的柱式桥墩有桩柱式 双排桩单排柱式 扩大基础柱式墩 四 轻型桥墩轻型桥墩的形状及尺寸多样 除顶帽的纵 横向尺寸拟定同重力式墩的拟定方法外 其余尺寸的拟定应根据具体情况由计算确定 轻型桥墩中一种特殊的类型 柔性墩 桥墩设计经验表明 重力式墩控制设计 是截面合力偏心及墩顶位移 偏心及墩顶位移值 主要取决于桥墩受纵向水平力 制动力或牵引力 及墩身刚度 一孔梁上的纵向水平力由一个墩承受 其值较大 桥墩截面尺寸必然较大 柔性墩是把几孔简支梁及其墩台用适当的措施连接起来 纵向形成多跨的门式结构 以共同承受水平力 其中 有的墩设计为重力式实体墩 而其余的墩身截面尺寸较小 则作用在桥上的纵向水平力将按各墩的抗推刚度分配 大部分水平力由较刚的重力式墩台承受 比较柔细的墩将承受较小的水平力 柔性墩的类型 1 刚架式刚架式柔性墩主要用于铁路桥 横桥向为一刚架 单线桥的刚架柔性墩常由两根立柱 数根横撑和顶帽组成 如图11 20 a 所示 用于曲线桥时 立柱可改用斜柱以增加墩身横向刚度 墩身一般采用C20 C50钢筋混凝土建造 2 排架式排架式柔性墩的特点是墩身直接由基桩延伸至顶帽 地面以下不设承台 仅在上端通过顶帽把基桩联接如图11 20 b 所示 适用于公路基桩栈桥 3 板壁式该类型墩身为一实体钢筋混凝土矩形薄壁 如图11 20 c 构造简单 横向刚度大 便于滑动模板施工 使用较为广泛 第五章梁桥桥墩 4 上柔下刚式柔性墩铁路上当墩高大于20m时 墩身已经具有足够的柔度 达到了减小水平力的效果 此时 若柔性墩过高 柔度过大 对施工 架梁都可能存在一些问题 所以 当墩身很高时 可采用上柔下刚式的桥墩截面形式 刚性部分承受柔性部分传来的力 截面较大 结构与实体墩相同 铁路柔性墩桥设计规定 规定 图11 20的柔性墩墩高或上柔下刚的桥墩的柔性部分 高度不宜超过24m 柔性墩的总高度不宜超过40m 另外 在水位较低而水流湍急的河流上 或在有漂流的河流上 宜采用上柔下刚式桥墩 五 拼装式桥墩拼装式桥墩的混凝土强度等级一般不宜低于C25 对于不宜更换的重要受力构件或处于易受撞击 磨损 腐蚀环境中的构件 混凝土强度等级不易低于C30 常采用的拼装式桥墩按装配构件的形状有块件拼装式桥墩及杆件拼装式桥墩 杆件拼装式桥墩又可分为板凳式 排架式及双柱式 如图11 21 在构造上拼装式桥墩由帽梁 墩柱和基础组成 7 3桥墩计算 一 荷载计算 一 永久荷载 重力 支座传来恒载 墩自重 含基础襟边土 及上部结构混凝土收缩及徐变的影响 预应力空心墩所受预应力 基础变位影响力 水浮力 水中墩位于碎石类 砂类 粘砂类透水地基时 检算墩稳定时 设计频率水位 检算基底强度及偏心 常水位若不能确定是否存在浮力 应按最不利情况考虑 土压力 墩侧土压力 一般基本两侧平衡 位于山坡或桥台锥体护坡范围时不平衡 二 基本可变荷载列车 汽车 对于钢筋混凝土柱式墩台应计入冲击力 对重力式墩台则不计冲击力 作用于上部结构的平板挂车或履带车 公路桥人群荷载 离心力 三 其它可变荷载制动力或牵引力风力流水 冰 压力温度力及支座摩擦力人群 铁路桥 四 偶然荷载地震力船筏撞击力 二 实体墩计算针对强度 刚度 抗裂性 稳定性等方面进行检算 一 墩身检算项目1 截面合力偏心距 2 截面强度 应力 3 墩身整体稳定性 4 墩顶弹性水平位移 二 扩大基础基底检算项目1 基底偏心 限制不均匀沉降导致墩歪斜 2 基底强度 应力 3 倾覆和滑动稳定性 4 基底以下软弱土层的强度检算 5 基础的沉降 一 墩身检算项目1截面合力偏心距 桥规 规定了在不同荷载组合作用下 墩身检算截面的容许偏心值 永久荷载 基本可变荷载 e 0 5S永久荷载 基本可变荷载 其他可变荷载 圆形截面 e 0 5S其他形状 e 0 6S永久荷载 其他可变荷载 施工荷载 e 0 7S 2截面强度 当最小应力为负值时 应进行应力重分布 3墩身整体稳定性 墩身平均截面积计算长度 与支承有关 一般按悬臂柱初始切线模量底部垂直弯曲方向全截面惯性矩变截面影响系数桥顶顺弯曲方向对墩身平均截面形心的初始偏心弯曲平面内该平均截面的长度 4墩顶弹性水平位移 墩挠曲变形引起地基变形引起 按结构力学方法可采用数值积分 沿墩高分段总和 不均匀压缩产生角变位 墩底 或桩基承台顶 水平位移 铁路 桥规 顺桥向 mm 横桥向 mm 二 扩大基础基底检算项目 1 基底偏心 限制不均匀沉降 防止导致墩倾斜非岩石 恒载时合力重心尽量接近基底截面重心恒 活 制动力时 岩石基础 恒 活 制动力时 硬岩 其它岩 对斜向挠曲可