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。
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