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橋梁工程教學課件下載 樣章 ppt第二節(jié)橋梁墩臺的計算 一 作用在橋梁墩臺上的荷載及組合 荷載 恒載 土重和側(cè)向土壓力 預應力 組合式橋墩 混凝土收縮及徐變的影響力 水的浮力 永久荷載 汽車荷載 汽車沖擊力 離心力 汽車荷載引起的側(cè)向土壓力 人群荷載 掛車或履帶車荷載及其引起的土側(cè)壓力 基本可變荷載 其它可變荷載有風力 汽車制動力 流水壓力 冰壓力 支座摩阻力 在超靜定結(jié)構(gòu)中尚需考慮溫度變化的影響力 其它可變荷載 偶然荷載 船只或漂流物撞擊力 施工荷載和地震力 總之 在墩臺設計計算過程中 應根據(jù)墩臺的受力與工作階段 給出可能同時作用荷載的組合 以確定出最不利的受力狀態(tài) 一 荷載的計算 橋梁上部結(jié)構(gòu)恒載傳至墩臺的計算值 由橋梁支座反力計算確定 對于墩臺在水下和土中部分自重的計算方法 要根據(jù)地基土的性質(zhì)加以考慮 公路橋梁設計規(guī)范中 在考慮水的浮力時 對不同的土質(zhì)和不同的計算內(nèi)容作了不同的規(guī)定 位于透水性地基上的墩臺 在驗算穩(wěn)定時 應采用設計高水位的浮力 在驗算地基應力時 僅考慮低水位時的浮力 或不考慮水的浮力 基礎嵌入不透水性地基的墩臺 可不考慮水的浮力 當?shù)鼗欠裢杆炊〞r 按透水與不透水 以最不利荷載組合計算 水對水下墩臺或土的固體顆粒的浮力作用 可用墩臺圬工的浮容重或土的浮容重來反映 圬工的浮容重等于圬工容重減去水的容重 土的浮容重可以根據(jù)土質(zhì)資料得到不同的物理指標 如天然容重 天然含水量 比重或飽和容重等計算 1 恒載和水的浮力 2 側(cè)向土壓力 主動土壓力被動土壓力靜止土壓力 橋臺土壓力計算時 采用哪種土壓力 應根據(jù)橋臺位移及壓力傳播方式而定 梁式橋臺承受的水平壓力主要是臺后滑動土體 及滑動土體上的荷載 所產(chǎn)生的側(cè)壓力 它使橋臺發(fā)生向河心的移動 因此 梁橋橋臺的側(cè)土壓力 一般按主動土壓力計算 當橋臺剛度很大 不可能產(chǎn)生微量移動 滑動土體不可能形成時 可按靜止土壓力計算 圖2 7 11臺前溜坡的土壓力計算圖式 3 汽車荷載沖擊力 鋼筋混凝土樁柱式墩臺 以及其它輕型墩臺 在計算汽車荷載時應計入沖擊力 但對于重力式實體墩臺 沖擊力的作用衰減很快 因此 驗算時可不計沖擊影響 沖擊力的計算按公路橋涵設計規(guī)范進行 4 汽車荷載的制動力 汽車荷載的制動力是橋梁墩臺承受的主要縱向水平力之一 當汽車荷載在橋上制動或減速時 在車輪與橋面之間產(chǎn)生相互作用力 此時橋面受到方向與車輛行進方向相同的力 即稱制動力 制動力可按公路橋涵設計規(guī)范中有關(guān)規(guī)定計算 在計算梁式橋墩臺時 制動力可移至支座中心 鉸或滾軸中心 或滑動支座 橡膠支座 擺動支座的底座面上 5 流水壓力及冰壓力 作用在橋墩上的流水壓力 可按公路橋涵設計規(guī)范的有關(guān)規(guī)定計算 流水壓力的合力作用點 假定在設計水位以下1 3水深處 即假定河底的流速為零 作用力的分布呈倒三角形 嚴寒地區(qū)位于有冰棱河流或水庫中的橋梁墩臺 應根據(jù)當?shù)乇獾木唧w情況及墩臺形狀計算冰壓力 冰壓力有豎向和水平向作用力 主要是水平向作用力 豎向力是由冰層水位升降而對橋梁墩臺產(chǎn)生的作用 水平向作用力包括因風和水流作用于大面積冰層而產(chǎn)生的靜壓力 冰堆整體推移產(chǎn)生的靜壓力 河流流冰產(chǎn)生的動壓力等 6 船只或漂流的幢擊力 船只或漂流物的撞擊力 雖是橋梁墩臺的偶然荷載 但是對橋墩結(jié)構(gòu)的危害性很大 對于通航河道或有漂流物的河流中的墩臺 設計時應考慮船只或漂流物的撞擊力 漂流物的撞擊力 在無實際資料時可按下式估算 7 地震力 在地震區(qū)建造的橋梁 地震力是一項十分重要和危害性大的偶然荷載 在墩臺設計計算時要進行抗震驗算和必要的防護構(gòu)造措施設計 二 荷載組合 橋梁墩臺計算時 預先很難確定那一種荷載組合最不利 通常需要對各種可能的荷載進行組合計算 滿足各種不同的要求 在墩臺的計算中 尚需考慮按順橋向 與行車的方向平行 和橫橋向分別進行 故在荷載組合時也需按縱向及橫向分別計算 在所有荷載中 車輛荷載的變動對荷載組合起著支配作用 驗算墩身強度在用在墩身截面的合力偏心矩橋墩的穩(wěn)定性 因此 需根據(jù)不同的驗算內(nèi)容選擇各種可能的最不利荷載組合 圖2 7 13產(chǎn)生最大豎向荷載時的外力組合 橋墩 圖2 7 14橋梁橫向布載情況 橋墩在順橋向承受最大豎向荷載的組合 可按公路橋梁設計規(guī)范中所列的組合 組合 的內(nèi)容組合 橋墩在順橋向承受最大水平荷載的組合 可按公路橋梁設計規(guī)范中所列的組合 組合IV的荷載內(nèi)容組合 橋墩承受最大橫橋方向的偏載 最大豎向荷載 可按公路橋梁設計規(guī)范中的組合I II III IV荷載內(nèi)容組合 橋墩在施工階段的受力驗算 按組合V進行驗算 需要進行地震力驗算的橋墩 還要按組合VI進行驗算 各種不同的荷載組合 均應滿足公路橋涵設計規(guī)范中所規(guī)定的強度安全系數(shù) 容許偏心距和穩(wěn)定系數(shù) 橋臺 橋臺的荷載組合方法和橋墩相似 也須針對驗算項目及驗算截面的位置按公路橋涵設計規(guī)范進行可能的荷載組合 由于活載可以布置在橋跨結(jié)構(gòu)上 也可布置在臺后 在確定荷載最不利組合時 下列幾種加載情況可作參考 1 在橋跨結(jié)構(gòu)上布置車輛荷載 溫度下降 制動力 向橋孔方向 并考慮臺后土側(cè)壓力 考慮最大彎矩組合 2 在臺后破壞棱體上布置車輛荷載 溫度下降 并考慮臺后土側(cè)壓力 考慮最大水平力與最大反向彎矩組合 3 在橋跨結(jié)構(gòu)上和臺后破壞棱體上都布置車輛荷載 當橋臺尺寸較大時 還要考慮在橋跨結(jié)構(gòu)上 臺后破壞棱體上和橋臺上同時都布置活載的情況 溫度下降 制動力 向橋孔方向 并考慮臺后土側(cè)壓力 考慮最大豎向力組合 二 橋梁墩臺的計算與驗算 重力式墩臺 強度 偏心矩 穩(wěn)定 圬工結(jié)構(gòu) 輕型橋墩 柱式橋墩 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 一 重力式墩臺 1 截面強度驗算 重力式墩臺主要采用圬工材料建造 一般為偏心受壓構(gòu)件 截面強度的設計驗算采用分項安全系數(shù)的極限狀態(tài)法 在不利荷載組合作用下 驗算墩臺各控制截面荷載效應的設計值 內(nèi)力 應小于或等于結(jié)構(gòu)抗力效應的設計值 以方程表示為 驗算截面 墩臺身的基礎頂面 墩臺身截面突變處 墩臺帽及墩臺帽交界處墩身截面 高墩 驗算截面的內(nèi)力計算 按照各種組合 分別計算各驗算截面的豎向力 水平力和彎矩 得到并按下式計算各種組合的豎向力設計值及相應偏心矩 強度驗算 截面偏心距驗算 橋墩承受偏心受壓荷載時 各驗算截面在各種組合的偏心距應小于 表3 0 2 1的容許值 如果超過時 可按下式確定截面尺寸 2 墩臺的穩(wěn)定驗算 縱向撓曲穩(wěn)定穩(wěn)定驗算 受壓構(gòu)件縱向彎曲系數(shù) 中心受壓墩臺的值可查閱 表3 0 3 2 偏心受壓時 彎曲平面內(nèi)的縱向彎曲系數(shù)按下式計算 墩臺整體穩(wěn)定驗算 抗傾覆穩(wěn)定驗算 抗滑移穩(wěn)定驗算 基礎底面與地基土之間的摩擦系數(shù) 其值為0 25 0 7 可根據(jù)土質(zhì)情況參照 采用 在墩臺抗傾覆 抗滑移穩(wěn)定性驗算時 應分別按最高設計水位和最低水位的不同浮力進行組合 3 墩臺頂水平位移計算 水平位移的規(guī)定 對于高度超過20的重力式墩臺及輕型墩臺 應驗算頂端水平方向的彈性位移 并使其符合規(guī)定要求 墩臺頂面水平位移的容許極限值為 二 柱式橋墩的計算 1 蓋梁的計算 計算圖式 外力計算 內(nèi)力計算 配筋驗算 計算模式 樁柱式墩臺通常按鋼筋混凝土構(gòu)件設計 在構(gòu)造上 樁柱的鋼筋伸入蓋梁內(nèi) 與蓋梁的鋼筋綁扎成整體 因此蓋梁與樁柱剛結(jié)呈剛架結(jié)構(gòu) 雙柱式墩臺 當蓋梁的剛度與樁柱的線剛度比大于5時 為簡化計算可以忽略節(jié)點不均衡彎矩的分配及傳遞 一般可按簡支梁或懸臂梁進行計算和配筋 多根樁柱的蓋梁可按連續(xù)梁計算 當蓋梁計算跨徑與梁高之比 對簡支梁小于2 對連續(xù)梁小于2 5時 應按 附錄六作為深梁計算 當線剛度比小于5時 或橋墩承受較大橫向力時 蓋梁應作為橫向剛架的一部分予以驗算 外力計算 作用在蓋梁上的外力主要考慮上部結(jié)構(gòu)恒載支反力 蓋梁自重及活載 最不利活載加載 首先可根據(jù)所計算蓋梁處上部結(jié)構(gòu)支反力影響線確定活載最大支反力 其次是根據(jù)蓋梁內(nèi)力影響線決定活載最不利橫向布置 蓋梁在施工過程中 荷載的不對稱性很大 各截面將產(chǎn)生較大的內(nèi)力 因此應根據(jù)當時的架橋施工方案 作出最不利荷載工況 構(gòu)件吊裝時 視具體情況 構(gòu)件重力應乘以動力系數(shù)1 2或0 85 內(nèi)力計算 公路橋梁樁柱式墩臺的蓋梁通常采用雙懸臂式 計算時控制截面選取在支點和跨中截面 為了得到活載最不利橫向布置 可先作出控制截面的內(nèi)力影響線 活載通過上部結(jié)構(gòu)的支點間接傳遞至蓋梁頂面 然后通過活載橫向布置 就能得到活載最不利橫向布置系數(shù) 并根據(jù)最大活載支反力便能獲得最不利活載內(nèi)力 在蓋梁內(nèi)力計算時 可考慮樁柱支承寬度對削減負彎矩尖峰的影響 橋墩臺沿縱向的水平力及當蓋梁在沿橋縱向設置兩排支座時 上部結(jié)構(gòu)活載的偏心力對蓋梁將產(chǎn)生扭矩 應予以考慮 橋臺的蓋梁計算 一般可不考慮背墻與蓋梁的共同受力 此時背墻僅起擋土墻作用 必要時也可考慮背墻與蓋梁的共同受力 蓋梁按L形截面計算 橋臺耳墻視為單懸臂固端梁 水平方向承受土壓力及活載水平壓力 配筋驗算 蓋梁的配筋驗算方法與鋼筋混凝土梁配筋類同 根據(jù)彎矩包絡圖配置受彎鋼筋 根據(jù)剪力包絡圖配置斜筋和箍筋 在配筋時 還應計算各控制截面扭矩所需要的箍筋及縱向鋼筋 2 墩臺柱的計算 外力計算 橋墩樁柱的恒載有上部結(jié)構(gòu)的恒載反力 蓋梁的重量 以及樁柱的自重 樁柱承受的活載按設計荷載進行不利加載計算 最后經(jīng)恒載 活載等組合 可求得最不利的荷載 橋墩的水平力有支座摩阻力和汽車制動力等 橋臺樁柱 包括雙片墻式臺身 除上述各力之外還有臺后土壓力 活載引起的水平土壓力及溜坡的主動土壓力等 土壓力的計算寬度及溜坡主動土壓力的計算方法 見第二節(jié)和 的有關(guān)規(guī)定 內(nèi)力計算 配筋計算 在最不利的內(nèi)力組合之后 按鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件 先配筋再作驗算 3 墩臺頂部位移 在不考慮樁基變位影響時 等截面橋墩 由于墩頂承受彎矩 M 水平力 T 及沿墩高梯形分布的水平荷載 見圖2 7 17 所引起的墩頂位移可按下式計算 M作用在墩頂?shù)膹澗?Mpa 包括制動力和恒 活載偏心等引起的彎矩 T作用在墩頂?shù)乃搅?KN q1由于風力等沿墩高均勻分布的水平外力 KN q2由于風力和其他水平外力沿墩高成三角形分布的水平荷載 墩頂為零 基礎頂面為q2 KN I E橋墩截面材料的截面慣性矩 m4 抗壓彈性模量 Mpa H橋墩高度 三 柔性墩的計算要點 柔性墩是由鋼筋混凝土柔性排架樁墩 梁和剛性墩臺組成的一聯(lián)或多跨連續(xù)的鉸接剛架體系 在縱向水平力作用下 一聯(lián)的各柔性墩頂具有相同的水平位移 為了簡化計算 可把雙固定支座布置的柔性墩視為下端固結(jié) 上端有水平約束的鉸接支承的超靜定梁 如圖2 7 18a 當已知柔性墩的頂端橋跨結(jié)構(gòu)作用的豎向力和墩頂彎矩 墩頂位移可預先求出 將墩頂水平反力作為多余未知力求解 即可計算下端固結(jié)點和墩身的彎矩 剪力 根據(jù)各墩最不利的組合內(nèi)力進行樁墩的配筋和驗算 1 基本假設 1 在墩頂彎矩不大的前提下 柔性墩頂水平力可采用疊加原理進行計算 計算圖式見圖2 7 18b 其中 第一圖式是計算由于水平位移產(chǎn)生的墩頂水平力 產(chǎn)生水平位移的外力包括制動力 梁的溫度變化力以及在豎向活載作用下因梁長度變化而產(chǎn)生的水平力等種組合 第二圖式是計算由于墩頂產(chǎn)生了水平位移 在豎向力作用下引起墩內(nèi)彎矩而產(chǎn)生的水平反力 第三圖式為在墩頂彎矩作用下而產(chǎn)生的水平反力 此外 在必要時還應包括墩身受到風力產(chǎn)生的水平反力 在水平力的計算時 梁身混凝土收縮 徐變等次要因素一般可忽略不計 2 假定上部結(jié)構(gòu)與樁柱頂不發(fā)生相對位移 制動力按各墩抗水平位移的剛度分配 樁柱式柔性墩 墩柱下端固結(jié)在基礎或承臺頂面 其抗水平位移的剛度為 等截面剛度 單位水平力作用在柔性墩頂面時 該處的水平位移 墩柱下端固結(jié)處至墩頂?shù)母叨?墩柱橫截面對形心軸的慣性矩 第墩柱抗水平位移的剛度 I 3 計算土壓力時 如設有實體剛性墩臺 則全部由有關(guān)的剛性墩臺承受 如均為柔性墩 則岸墩承受的土壓力由對岸的土抗力平衡 其余柔性墩不計其影響 4 水平力組合時 樁柱頂?shù)闹苿恿?水平土壓力 當邊排架向河心偏移時 及豎向偏載產(chǎn)生的水平力的代數(shù)和不允許大于支座摩阻力 當前三者與溫度變化產(chǎn)生水平力的總和大于支座摩阻力時 按摩阻力計算 墩頂水平位移的計算 1 柔性墩 臺 頂制動力及其水平位移計算 墩頂制動力 作用在第i墩 臺 頂?shù)闹苿恿?第i墩 臺 的抗水平位移剛度 全橋 或一聯(lián) 承受的制動力 F 由制動力產(chǎn)生的墩頂水平位移 2 梁的溫度變形 3 在豎向活載作用下梁長度的變化 當橋跨結(jié)構(gòu)跨徑較大時 在豎向活載作用下梁下緣伸長而影響柔性墩的位移也應予考慮 此時由梁的撓度近似得到梁的撓曲半徑 計算值時 考慮需按幾跨梁計算 應根據(jù)所計算橋墩在一聯(lián)中的位置 支座布置情況及驗算時活載布置的位置而定 小跨徑橋梁的可忽略不計 然后按梁的撓曲 中心角為 可計算梁的下緣伸長值 柔性墩頂發(fā)生的水平位移綜合為 墩頂水平力計算 2 由于墩頂產(chǎn)生了水平位移 豎向力N將在墩內(nèi)引起彎矩而在墩頂產(chǎn)生