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1、 桥梁墩台设计桥梁墩台设计学习情境二学习情境二 桥梁墩台设计桥梁墩台设计工作任务一工作任务一 桥墩设计与计算桥墩设计与计算学习目标：学习目标：1.叙述桥墩上的作用及最不利作用布置； 2.能够进行桥墩的尺寸确定； 3.知道重力式桥墩的设计计算内容并按照公路桥涵设计规范要求完成桥墩设计； 4.知道桩柱式墩的设计要点“叙述常用墩台的类型及使用场合。 任务描述：任务描述：根据所学知识并视需要收集相关信息，完成桥墩的施工图设计，并上交桥 梁桥墩设计说明书和桥墩施工图。学习引导：学习引导：本工作任务沿着以下脉络进行学习: 一、桥墩上的作用及其作用效应组合一、桥墩上的作用及其作用效应组合 1.桥墩上的作用桥
2、墩上的作用 桥墩计算中考虑的永久作用桥墩计算中考虑的永久作用 上部构造的恒重对墩帽或拱座产生的支示反力，包括上部构造混凝土收缩，徐变影响； （2）桥墩自重，包括在基础襟边卜的土重； （3）预应力，例如对装配式预应力空心桥墩所施加的预应力； （4）基础变位影响力，对于奠基于非岩石地基上的超静定结构，应当考虑由于地基压密等引起的支座K期变位的影响，并根据最终位移量按弹性理论计算构件截面的附加内力； （5）水的浮力，位于透水性地基上的桥梁墩台，当验算稳定时，应计算设计水位时水的浮力；当验算地基应力时，仅考虑低水位时的浮力；基础嵌人不透水性地基的墩台，可以不计水的浮力；当不能肯定是否透水时，则分别按透
3、水或不透水两种情况进行最不利的荷载组合。 桥墩计算中考虑的可变作用桥墩计算中考虑的可变作用 1)作用在上部构造上的汽车荷载，对于钢筋混凝土柱式墩台应计人冲击力，对于重 力式墩台则不计冲击力； 2)人群荷载； 3)作用在上部构造和墩身上的纵、横向风力； 4)汽车荷载引起的制动力； 5)作用在墩身上的流水压力； 6)作用在墩身上的冰压力； 7)上部构造因温度变化对桥墩产生的水平力； 8)支座摩阻力。 作用于桥墩上的偶然作用作用于桥墩上的偶然作用 1)地震力； 2)船只或漂浮物的撞击力。 3)汽车的撞击作用2.作用的计算作用的计算1)上部结构重力上部结构重力 桥梁上部结构重力包括桥面系、主梁及其它附
4、属物，其传至墩台的计算值，由桥梁支座反力计算确定。2)桥墩自重及土重桥墩自重及土重 对于墩台在水下和土中部分自重的计算方法，要根据地基土的性质加以考虑，自重包括在基础襟边上的土重。3)水的浮力水的浮力 在公路桥涵设计通用规范（JTG D602004）中，水的浮力对不同的土质和不同的计算内容有不同的规定。基础底面位于透水性地基上的桥梁墩台，当验算稳定时，应考虑设计水位的浮力；当验算地基应力时，可仅考虑低水位的浮力，或不考虑水的浮力。基础嵌入不透水性地基的桥梁墩台不考虑水的浮力。作用在桩基承台底面的浮力，应考虑全部底面积。对桩嵌入不偷水地基并灌注混凝土封闭者，不应考虑桩的浮力，在计算承台底面浮力时
5、应扣除桩的截面面积。当不能确定地基是否漏水时，应以透水或不透水两种情况与其他作用结合，取其最不利者。4)汽车荷载冲击力汽车荷载冲击力 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。冲击力的计算按公路桥涵设计通用规范4.3.2条进行。5)汽车荷载制动力汽车荷载制动力 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。6)流水压力流水压力 作用在桥墩上的流水压力，可按公路桥涵设计通用规范的有关规定计算。流水压力的合力作用点，假定在设计水位以下1/3水深处，即假定河底的流速为零，作用力的
6、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。7)冰压力冰压力 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等。8)船只或飘流物的撞击力船只或飘流物的撞击力船只或漂流物的撞击力，虽是桥梁墩台的偶然荷载，但是
7、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：式中：w漂流物的重量(KN)，可根据实际调查确定；v水的流速(m/s)；T撞击时间(s)，在无实际资料时可用1s；g重力加速度9.81(m/s2)。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。海轮撞击作用的标准值9)地震力：地震力： 地震区建造的桥梁，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
8、能会出现的震害有：受到地震力后，墩台和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，桥梁损坏；引道、岸坡滑移下沉致使墩台损坏，危及上部结构等。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。船舶装载量DWT(t)300050007500100002000030000横桥向撞击作用(kN)196002540031000358005070062100顺桥向撞击作用(kN）98001270015500179002535031
9、0503.作用布置与作用效应组合作用布置与作用效应组合1） 梁桥桥墩计算作用布置及作用效应组合(1)作用布置第一种：按桥墩在顺桥向承受最大竖向荷载布置（图第一种：按桥墩在顺桥向承受最大竖向荷载布置（图2-1-1 a） 用来验算顺桥向墩身强度和地基最大承载力用来验算顺桥向墩身强度和地基最大承载力 除了有关的永久作用下，应在相邻两孔都布满汽车和人群荷载，同时还可能作用着其它纵向力，如制 动力和温度作用、纵向风荷载、船只或漂浮物的撞击作用和汽车撞击作用等。 第二种：按桥墩在顺桥向承受最大偏心和最大弯矩布置（图第二种：按桥墩在顺桥向承受最大偏心和最大弯矩布置（图2-1-1 b） 用来验算顺桥向墩身承载
10、力和偏心距、地基承载力和偏心距以及桥墩的稳定性用来验算顺桥向墩身承载力和偏心距、地基承载力和偏心距以及桥墩的稳定性 除永久作用外，应在相邻两孔的一孔上布置汽车和人群荷载，若为不等跨时，则在较大跨径的一孔 布置汽车和人群荷载，同时还可能作用着其它纵向力，如制动力和温度作用、支座摩阻力、纵向风 荷载、船或漂浮物的撞击作用和汽车撞击作用等。 当汽车荷载只在一孔桥跨上布置时，竖向荷载较小，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，或者此时桥墩的稳定性也是最不利的。 第三种：桥墩在横桥向承受最大偏心和最大弯矩（图2-1-1 c）。 在横向计算时，桥跨上的汽车荷载可能是一列靠边行驶，这
11、时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。 （2）作用效应组合）作用效应组合 顺桥向作用效应组合（双孔布置和单孔布置分别组合）主要有：顺桥向作用效应组合（双孔布置和单孔布置分别组合）主要有：上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+汽车荷载+人群荷载。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+汽车荷载+人群荷载+纵向风 力+支座摩阻力（或制动力+温度影响力）。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+汽车荷载+人群荷载+船只撞 击作用或漂浮物撞击作用。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+汽车荷载+人群荷载+汽车撞 击作用
12、 横桥向（以双车道为例）作用效应组合主要有：横桥向（以双车道为例）作用效应组合主要有：上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔双行汽车荷载+双孔单 边人群荷载+横向风荷载+水压力或冰压力。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔单行汽车荷载+双孔单 边人群荷载+横向风荷载+水压力或冰压力。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔双行汽车荷载+双孔单 边人群荷载+船只撞击作用或漂浮物撞击作用。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔双行汽车荷载+双孔单 边人群荷载+汽车撞击作用。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔单行汽车荷载+双孔单 边人群荷载+船只撞击作用或
13、漂浮物撞击作用。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+双孔单行汽车荷载+双孔单 边人群荷载+汽车撞击作用。（1）作用布置第一种组合：桥墩在顺桥向承受最大竖向荷载 它是用来验算墩身承载力和偏心距、地基承载力和偏心距，即除永久作用外，相邻两孔都不满汽车荷载和人群荷载，同时还可能作用着其它纵向力，如制动力、纵向风荷载、温度作用、拱圈材料收缩和徐变作用、船只撞击作用和汽车撞击作用；当相邻两孔为等跨时，则由上部结构重力、温度作用和拱圈材料收缩和徐变作用引起的拱座水平推力和弯矩相抵销。2）拱桥桥墩的作用布置及作用效果组合）拱桥桥墩的作用布置及作用效果组合第二种组合：桥墩在顺桥向承受最大偏心和最大弯矩的
14、组合 它是用来验算顺桥向墩身承载力和偏心距、地基承载力和偏心距以及桥墩的稳定性，即除永久作用外，只在一孔上布置汽车和人群荷载，若为不等跨时，则在较大跨径的一孔布置汽车和人群荷载，同时还可能作用着其它纵向力，如制动力、温度作用、纵向风荷载、拱圈材料收缩作用、船或漂浮物的撞击作用和汽车撞击作用等。第三种组合：桥墩在横桥向承受最大偏心和最大弯矩。 在横桥方向可能作用于桥墩上的外力有风荷载、流水压力、冰压力、船只或漂浮物撞击作用、汽车撞击作用或地震作用等。但对于公路拱桥，横桥方向的受力验算一般不控制设计，除非桥的长宽比特别大，或者受到地震作用、冰压力和船只撞击力作用时才考虑。（2）顺桥向作用效应组合（
15、双孔布置和单孔布置分别组合）主要有：上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩和徐变作用。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩和徐变作用+汽车荷载+ 人群荷载。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩和徐变作用+汽车荷载+ 人群荷载+纵向风荷载+制动力+温度影响力。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩和徐变作用+汽车荷载+ 人群荷载+船只撞击作用或漂浮物撞击作用。上部结构重力+计算截面以上桥墩重力+浮力+混凝土收缩和徐变作用+汽车荷载+ 人群荷载+汽车撞击作用。 需要强调的是，以上各种荷载组合均应满足公路桥涵设计通用规范（JTG D6020
16、04）中所规定的安全系数、容许偏心距和稳定系数；而且，为使设计合理、符合实际情况，有的作用不能同时组合。二、重力式桥墩计算二、重力式桥墩计算 桥墩计算可按以下步骤进行：桥墩计算可按以下步骤进行：（1）根据构造要求和经验拟定各部分尺寸；（2）计算作用在桥墩上的作用；（3）进行作用布置与作用效应组合，并选取截面，计算各截面的内力；（4）验算墩身截面承载力和偏心距；（5）验算地基承载力和偏心距；（6）验算桥墩倾覆和滑动稳定性。除此之外，还应结合施工情况进行必要的验算。如拱桥在施工过程中可能产生的单向水平推力，可使砌体强度和基底土的承载能力提高，使倾覆和滑动稳定性系数降低。1.桥墩尺寸拟定桥墩尺寸拟定1）墩帽尺寸拟定顺桥向的墩帽宽度b：横桥向的墩帽最小宽度横桥向的墩帽最小宽度B：B=两侧主梁间距+支座横向宽度+2Cl+2C22）墩身尺寸拟定墩身顶部尺寸=墩帽尺寸-C2（墩帽檐口宽度）墩身任意截面尺寸=墩身顶部尺寸+2Hi式中：H任意截面至墩顶高度；i墩身坡度。2.墩身截面的作用效应计算墩身截面的作用效应计算对于梁桥和拱桥的重力式桥墩的计算，虽然在荷载组合的内容上稍有不同，但是就某个截面而言，这
