桥梁工程之桥墩桥台作用分析及计算

一、概述

二、桥墩

三、桥台

四、桥墩计算

五、桥台计算

一、概述

桥梁墩台的作用：承受桥跨结构传来的荷载，通过基础传给地基；桥梁墩台必须具有足够的强度和稳定性 。

  

桥梁墩台的类型：

①重力式桥墩、桥台

②轻型桥墩、桥台

桥梁墩台的组成：墩（台）帽、墩（台）身和基础三部分组成。

本章主要介绍墩（台）帽和墩（台）身的相关知识，基础部分在此不再赘述。      

桥梁墩台的一般构造及有关规定：

1.1桥梁墩台帽尺寸的拟定

1.1.1梁式桥的实体墩(台)帽

墩(台)帽厚度一般不小于40厘米,中小桥梁也不应小于30厘米,并应有5～10厘米的檐口,墩(台)帽可用15号、20号钢筋混凝土或混凝土做成。

        

1 )墩(台)帽平面尺寸

(1)顺桥向墩帽最小宽度

式中：

f：相邻两跨支座间的中心距

e0：伸缩缝宽

a、a ′：支座底板顺桥向宽度

c2：顺桥向支座边缘至墩台身边缘最小距离

c1：檐口宽度

e1、e1 ′：梁端至支座中心线的长度

支座边缘到墩（台）身边缘的最小距离(厘米)

当采用钢筋混凝土悬臂式墩(台)帽时,最小距离为支座至墩(台)帽边缘的距离。

《桥规》对这个最小距离所作的规定，目的是：

①为了避免支座过分靠近墩身侧面边缘而导致的应力集中；

②为了提高混凝土的局部抗压强度以及考虑施工误差和预留锚栓孔的要求。

(2)横桥向墩帽最小宽度B

B=两边主梁中心距+支座底板横向宽度+2c2 横桥向支座边缘至墩台身边缘最小距离+2c1檐口宽度

(3)顺桥向台帽最小宽度b

b≥e0+e1+a/2+c1+c2

(4)横桥向台帽最小宽度B

由桥面宽度、接线路基宽度等决定。

2）实体墩、台帽顶支座下钢筋网的设置

墩、台帽顶支座下应设置钢筋网

二、桥墩

2.1 梁桥重力式桥墩

重力式桥墩由：墩帽、墩身、基础三部分组成。

         

2.1.1 墩帽        

常采用的材料：C20混凝土、φ8钢筋等。    

同一座桥梁，若相邻两孔支座高度不同，加设混凝土垫石调整高程。

         

2.1.2 墩身

常采用15号片石混凝土或浆砌块石及料石等。

《桥规》规定重力式桥墩墩身顶宽：小跨径桥不宜小于80厘米；中等跨径桥不宜小于100厘米；大跨径桥视上部构造而定。

重力式桥墩可设计为实心墩、空心墩。墩身四周采用30：1或20：1（纵、横向）的侧坡，小跨径桥可做成竖直的。在一些高大的桥墩中，为减少圬工体积、节约材料或减轻自重、降低基底承压应力，可设计为空心桥墩。

        

2.1.3 基础

设置在天然地基上的桥墩基础采用15号或15号以上片石混凝土，也可采用浆砌块石。若采用桩基或沉井，应根据具体情况进行设计。

沉井桥墩

2.1.4 重力式桥墩的特点和适用范围

靠自身的重量来平衡外力，保证桥墩的强度和稳定性。常用圬工材料建造，适用于地基良好的大、中型桥梁。

2. 2拱桥重力式桥墩

2.2.1 拱座

梁桥桥墩的顶面要设置传力的支座，且支座距顶面保持一定的距离；而无支架吊装的拱桥桥墩则在其顶面的边缘设置呈倾斜面的拱座，直接承受由拱圈传来的压力。故无铰拱的拱座总是设计成与拱轴线成正交的斜面。

        

2.2.2 拱座的位置

当桥墩两侧孔径相等时，拱座设置在拱桥起拱线标高上，有时考虑桥面的纵坡，两侧起拱线

标高可以略有不同。       

2.2.3 墩顶以上的构造

• 对于实腹式拱桥，墩顶以上部分通常做成与侧墙平齐的形式。

• 对于空腹式拱桥，墩顶以上部分通常采用立柱加盖梁式、横墙式或跨越式。

重力式桥墩

钢筋混凝土重力式桥墩

2.3梁桥轻型桥墩

①梁桥轻型桥墩的常见类型

钢筋混凝土薄壁桥墩、柱式桥墩、柔性排架桩墩等。其中柱式桥墩由分离的两根或多根立柱（或桩柱）所组成，是公路桥梁中采用较多的桥墩型式之一。

      

②轻型桥墩的特点

靠材料的强度来平衡外力，刚度较小，一般用钢筋砼建造，适用于地基较差的桥位。梁桥轻型桥墩主要是为了减轻地基负担，减轻墩身重量，节约圬工材料。

梁桥轻型桥墩

柱式桥墩：墩身由分离的两根或多根立柱（桩柱）组成。

2.4拱桥轻型桥墩

拱桥轻型桥墩，一般是为配合钻孔灌注桩基础的桩柱式桥墩。

拱桥桩柱式桥墩一般采用单排桩，跨径在40～50米以上的高墩，可采用双排桩，在桩顶设置承台，与墩柱联成整体。如果柱与桩直接连接，则应在结合处设置横系梁。

拱桥是有推力的结构，常用桥墩型式有：

普通墩：除承受竖向荷载外，一般不承受恒载水平推力，如果相邻跨径不同时，可承受少量不平衡的水平推力。

制动墩：能承受单向的恒载水平推力。       

拱桥轻型桥墩

带斜杆的单向推力墩和悬臂式单向推力墩

三、桥台

桥台主要有重力式桥台、轻型桥台两类。

3.1 重力式桥台        

重力式桥台：靠自重来平衡台后填土的土压力，台身多由圬工材料建造。

分类：U型台、八字台等。

组成：台帽、台身、基础。

        

常用的重力式桥台为U型桥台：台身为前墙和两个侧墙构成的U字型结构。

由于拱桥桥台尚须承受水平推力，在结构尺寸上比梁桥桥台大。 

结构尺寸：前墙与侧墙按一定比例放坡，台身与路基同宽，各部尺寸均须满足构造及受力要求，具体可参见《桥规》及《墩台与基础》之规定。若桥台较宽，须按挡土墙计算其受力。

台后填土：须分层夯实，透水性好，压缩性小的砂性土，并做好台后排水措施。

   

重力式桥台

3.2轻型桥台

轻型桥台：利用钢筋砼结构的抗弯能力、整体刚度和材料强度承受外力，力求减少圬工体积而使桥台轻型化，节省材料，降低对地基强度的要求，适用于地质不好或软土地基。

        

3.2.1梁桥轻型桥台  

分类：肋板式桥台、桩柱式桥台、埋置式桥台、钢筋混凝土薄壁桥台、加筋土桥台。

组成：由台帽、台身、基础三基本部分组成，其余部分由桥台类型决定。

        

3.2.2 拱桥轻型桥台

拱桥轻型桥台利用台后填土的抗力来平衡拱推力，适用于小跨径拱桥。

        

①分类：组合式桥台、空腹式桥台、齿槛式桥台。

②拱桥轻型桥台的组成

组合式桥台：由台身和后座组成。

空腹式桥台：由前墙、后墙、基础板及撑墙组成。

齿槛式桥台：由前墙、侧墙、底板及撑墙组成。

组合式桥台：台身基础承受竖向力，一般采用桩基或沉井基础；拱的水平推力由后座基底的摩阻力及台后的土侧压力平衡。后座基底标高低于拱脚下缘标高。台身与后座间应密切贴合，并设置沉降缝，以适应两者的不均匀沉降。  

  

空腹式桥台：前墙承受拱圈传来的荷载，后墙支承台后的土压力，在前、后墙之间设置撑墙，作为传力构件。对后墙起到扶壁、对基础起到加劲作用。空腹可以是敞口的，也可以是封闭的。一般在软土地基、河床无冲刷或冲刷轻微、水位变化小的河道上采用。

齿槛式桥台：基底面积较大，可支承一定的垂直压力；底板下的齿槛可以增加摩擦和抗滑的稳定性；台背做成斜挡板，利用背面的原状土和前墙背面的新填土，共同平衡拱的水平推力；前墙与后墙之间的撑墙可以提高结构的刚度。

四、桥墩计算

4.1荷载及其组合

4.1.1 恒载

1、上部构造的恒重对墩帽或拱座产生的支承反力

2、桥墩自重

3、预应力

4、基础变位影响力

5、水的浮力

4.1.2 活载

1、基本可变荷载

①汽车荷载（钢筋混凝土墩台计入冲击力，重力式墩台不计冲击力）

②挂车荷载

③人群荷载

2、其他可变荷载

①作用于上部构造和墩身上的纵、横向风力

②汽车荷载引起的制动力

③墩身上的流冰压力

④墩身上的冰压力

⑤上部构造因温度变化对桥墩产生的水平力

⑥支座摩阻力

3、偶然荷载

①地震力

②作用于墩身上的船只或漂浮物的撞击力

        

4.1.3 荷载组合

1、梁桥重力式桥墩

①组合1：按桥墩各截面上可能产生最大竖向力的情况进行组合.

用来验算墩身强度和基底最大应力。

《桥规》中的组合Ⅰ或组合Ⅲ 。    

        

②组合2：按桥墩各截面在顺桥方向上可能产生最大偏心和最大弯矩的情况进行组合。

用来验算墩身强度、基底应力、偏心及桥墩的稳定性。

《桥规》中的组合Ⅱ。

         

③组合3：按桥墩各截面在横桥方向上可能产生最大偏心和最大弯矩的情况进行组合。

用来验算横桥方向的墩身强度、基底应力、偏心及桥墩的稳定性。

《桥规》中的组合Ⅱ、组合Ⅳ 。

         

2、拱桥重力式桥墩

①顺桥方向的荷载及其组合

对于普通桥墩为相邻两孔的永久荷载，在一孔或跨径较大的一孔满布基本可变荷载的一种或几种，其他可变荷载中的汽车制动力、纵向风力、温度影响力等，并由此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荷载作用力。

        

②横桥方向的荷载及其组合

在横桥向作用于桥墩上的外力有风力、流水压力、冰压力、船只或漂浮物撞击力或地震力等。对于公路桥梁横桥方向的受力验算一般不控制设计。

        

4.2重力式桥墩计算

圬工桥墩墩身强度验算

对于较矮的桥墩一般验算墩身的底截面和墩身的突变处截面；对于较高的桥墩，由于危险截面不一定在墩身底部，应沿竖向每隔2～3米验算一个截面。

        

4.2.1 计算步骤:

①内力计算

将作用于每个截面上的外力按顺桥方向和横桥方向分别进行荷载组合，以求得相应的纵向力、水平力和弯矩。

        

②抗压强度的验算

对于轴心受压和偏心受压的桥墩，可按《桥规》有关公式进行验算，如果不满足要求，应修改墩身截面尺寸，重新验算。  

③偏心距的验算

桥墩承受偏心受压荷载时，偏心距不得超过规定的容许值。

       

④抗剪强度验算

当拱桥相邻两孔的推力不相等时，验算拱座底截面的抗剪强度。

       

4.2.2 墩顶水平位移验算

高度超过20米的重力式桥墩应验算墩顶水平方向的弹性位移。

《桥规》规定墩顶端水平位移的容许限值为：    

l：相邻墩台间最小跨径长度，以米计。跨径小于25米按25米计。

4.2.3 基础底面土的承载力和偏心距的验算

1、基础底面土的承载力验算

顺桥向：

横桥向：

式中:  

σmax：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

[σ]：地基土壤的容许承载力

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

ex、ey ：合力在X轴和Y轴方向的偏心距

2、基底偏心距验算

在基础的纵向和横向，计算荷载偏心距应满足规定。

式中：

ρ：墩台基础底面的核心半径

W：墩台基础底面的截面模量

A：墩台基础底面的面积

N：作用于基底合力的竖向分力

∑M：作用于墩台的水平力和竖向力对基底形心轴的弯矩

4.2.4  桥墩的整体稳定性验算

1、倾覆稳定性验算

式中：

M稳：稳定力矩

M倾：倾覆力矩

∑Pi：作用于基底竖向力的总和

(piei)：作用于桥墩上各竖向力与它们到基底形心轴距离的乘积

(Tihi)：作用于桥墩上各水平力与它们到基底距离的乘积

x：基底截面重心0至偏心方向截面边缘的距离

e0：所有外力的合力的竖向分力对基底重心的偏心距

       

2、滑动稳定性验算

式中：

∑Pi：作用于基底各竖向力的总和

∑Ti：作用于桥墩上各水平力的总和

f：基础底面与地基土之间的摩擦系数求得的倾覆与滑动稳定系数K0、Kc均不得

小于规定的最小值。

        

4.3 桩柱式桥墩计算

桩柱式桥墩的计算包括盖梁和桩身。

        

4.3.1 盖梁计算

桩柱式桥墩的盖梁，对双柱式桥墩，当盖梁的刚度与桩柱的刚度比大于5时，一般忽略桩柱对盖梁的弹性约束，近似地按双悬臂梁计算；对于多柱式或多桩式桥墩，近似地按多跨连续梁计算；当桥墩承受较大横向力时，则盖梁应作为横向刚架的一部分进行验算。

盖梁计算内容：

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、荷载组合及其内力包络图

5、配筋计算

4.3.2 桩身计算

桩墩一般分为刚性桩墩和柔性桩墩两种。刚性桩墩的计算方法与重力式桥墩相似；柔性桩墩需要从整个桥梁体系的分析来确定各桥墩的受力。

柔性桩墩（多跨铰接刚架）的计算：

1、基本假定

1）柔性桩墩作为下端固结、上端铰结的超静定梁；

2）作用于墩顶的竖向力、不平衡弯矩以及由温度力、制动力等水平力所引起的墩顶位移，先分别进行力学分析，然后进行内力跌加，不计这些力的相互作用影响。

        

3）计算制动力时，各墩台受力按墩顶抗推刚度分配，在计算土压力时，如设有实体刚性墩台，则由岸墩承受土压力，并假定此时各个桩顶所受到的水平力将经各支座直接传递到对岸，为对岸土抗力平衡，其余个柔性墩均不考虑受力。

        

4）计算温度变形时，桩墩对梁产生的弹性拉伸或压缩影响忽略不计，而只计桩墩顶部水平力对桩墩所引起弯矩的影响。

2、计算步骤

1）抗推刚度的计算

Ki=1/δi

①当墩柱下端固定在基础或承台顶面时

δi=li3/3EI

②当考虑桩侧土的弹性抗力时，

δi按桩基础公式计算。

式中δi：单位水平力作用在第i柔性墩顶产生 的水平位移（m/KN）

li：第i柔性墩柱下端固着处到墩顶的高度（m）

I：墩身横截面对形心轴的惯性矩（m4）

        

2）墩顶制动力的计算

HiT= KiT/∑Ki

HiT：作用在第i墩台的制动力（KN）

T：全桥或第一联承受的制动力（KN）

墩顶水平位移δiT为：δiT= HiT/Ki

3）梁的温度变形引起的水平力计算

各墩顶由温度引起的水平位移为：δit= αtxi

各排架桩顶所受的温度力：Hit= Ki δit

墩顶发生的水平位移为：δi= δiT +δit

相应的水平力为：Hi= Ki δi= HiT +Hit

4）由于墩顶产生的水平位移δi、竖向力N引起墩内弯矩而产生的水平反力

HN= -5 Nδi/4 li

5）由于墩顶偏心弯矩M0而产生的水平反力

HM0= -1.5 M0/ li

        

作用在一个墩顶的各项水平力计算完成后，便可根据最不利荷载情况进行组合，柱墩按柱顶处的水平力、竖向力及弯矩验算各截面强度和稳定性。排架应考虑桩侧土的弹性抗力，按弹性地基梁法进行内力计算和截面强度、稳定性、桩的入土深度等项目的验算。另外，柔性排架墩在横桥向是一个多跨刚架，横桥向水平荷载不大，一般不控制设计，可不作验算。

五、桥台计算

5.1重力式桥台的计算

5.1.1重力式桥台的计算特点

计算重力式桥台所考虑的荷载与重力式桥墩计算基本一样，不同的是：对于桥台需计入车辆荷载引起的土侧压力，而不计纵、横向风力、流水压力、冰压力、船只或漂浮物的撞击力。另外，桥台的强度、偏心距和稳定性的验算也与桥墩基本相同，但只作顺桥方向的验算。

        

5.1.2 重力式桥台计算的荷载组合

1、梁桥重力式桥台的荷载组合

车辆荷载的布置：

1）车辆荷载仅布置在台后填土的破坏棱体上

2）车辆荷载仅布置在桥跨结构上

3）车辆荷载同时布置在桥跨结构和破坏棱体上。

台后的土侧压力，一般按主动土压力计算，大小与土的压实程度有关。

2、拱桥重力式桥台的荷载组合

车辆荷载的布置：

1）桥上满布车辆荷载，使拱脚水平推力达到最大值；

2）在台后破坏棱体上布置车辆荷载。

台后的土侧压力，一般按主动土压力计算，大小与土的压实程度有关。       

        

5.2桩长计算

5.2.1 计算步骤

1、利用上部计算结果，计算单桩桩顶外力P；

2、假定桩长L，计算单桩容许承载力[P]；

3、比较单桩桩顶外力P与单桩容许承载力[P]的大小：

①若满足[P]≥ P，且相差不大时，可确定设计桩长为假定桩长L；

②若不满足[P]≥ P，则加长桩长或加大桩径，重新进行试算，确定设计桩长L；

③若满足[P]≥ P，但相差较大时，可减短桩长或减小桩径，重新进行试算，确定设计桩长L；

5.2.1 计算公式

[P]=1/2（ULτP+AσR）

式中：

[P]：单桩轴向受压容许承载力（KN）

当按钻孔桩桩周土的极限摩阻力τi值计算时，在局部冲刷线以下时，桩身重力的1/2作为外力考虑。

U：桩的周长（m）按成孔直径计算

L：桩在局部冲刷线以下的有效长度（m）  

τP：桩壁土的平均极限摩阻力(Kpa )

A：桩底横截面面积(m 2)，采用设计直径

σR：桩尖处土的极限承载力（Kpa）

τp= ∑τi L i / L

n：土层的层数

Li：承台底面或冲刷线以下各土层厚度（ m）

τi：与Li对应的各土层与桩壁的极限摩阻力(Kpa)

[σ0]：桩尖处土的容许承载力（Kpa）

h：桩尖的埋置深度（ m）

h的计算值不大于40米，当大于40米时，按40米计算。

k2：地面土容许承载力（Kpa）

γ2：桩尖以上土的容重（KN/ m3）

λ：修正系数

m0：清底系数

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桥墩、桥台桩基桩长计算程序

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知识点：桥墩桥台作用分析及计算