第五讲桥梁的墩台和基础

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B B≥s + b0 + 2c1 + 2c2 f——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—10cm2. 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；][0o N Me e=∑∑=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:hWMAN ][0max minσσ≤≥±=∑∑ σmin ≤0 时， he ba N][)2(320max σσ≤-=∑ 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e 0≤ηρ 规范规定了不同的η值（0.1～1.5）。

基础的整体稳定性K e yMN y K ii≥==∑∑00 K TiN K ic ≤=∑∑μ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 T i —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)(21][στA l U P i i +=∑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 ）；l i—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=0.03～0.052．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x z转角φz、弯矩M z剪力Q z。

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bmyxpdyxdEIy144-=-=令51EIbm=α则上式为0544=+yxdyxdα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 。

DEIHCEIMBAxxαααφ31211+++=122222DEIHCEIMBAxααφαφ+++=3333)(DHCMBAxEIMαφαα+++=(a)44442)(DHCMBAxEIQ+++=αφαα (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Q h = 0 M h = -C 0φh I 0 = -k h αE I φh 其中：EI I c k h ⋅=α00 单位水平力H 0=1、作用在地面处，该处的水平位移δ0HH 转角 δ-0MH )()()()(1244234432442344330B A B A k B A B A D B D B k D B D B EI h h HH -+--+-⨯=αδ)()()()(1244234432442344320B A B A k B A B A D A D A k D A D A EI h h MH -+--+-⨯=αδ 单位力矩M 0=1作用在地面处，该处的水平位移 转角)()()()(1244234432442344320B A B A k B A B A C B C B k C B C B EI h h HM -+--+-⨯=αδ)2442()3443()2442()3443(10B A B A kh B A B A C A C A kh C A C A EI MM -+--+-⨯=αδ 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M y 、剪力Q y ，并据以进行桩身配筋。

在地面处、同时作用着M 0、H 0时，单桩在地面处的位移 x 0 = H 0 δ0HH + M 0 δ0HM φ0= -(H 0 δ0MH + M 0 δ0MM )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δMH2000003023l l EIl MM MH HH HH δδδδ+++= 000202l EI l MM MH MH δδδ++=00MM MM EIl δδ+=计算桩顶的抗推刚度K=1/δHH5. 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l 0，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：a i = ac i = c +x i ββi =β桩的竖向刚度0011A c EA h l pp +⋅+=ξρ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；A 0—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（a i =1）时，桩顶产生的水平力（水平刚度）ρHH ：2)(MH MM HH MMHH δδδδρ-=垂直于桩轴线方向发生单位位移（a i =1）时，桩顶产生的弯矩ρMH =ρHM ： 2)(MH MM HH MHi MH M δδδδρ-=-= 桩顶发生单位转角（βi =1）时，桩顶产生的弯距（转动刚度）： 2)(MH MM HH HH MM δδδδρ-= 沿承台底面截取座板为自由体的位移法基本方程00=-+=-+=-M a H a P c a a aa cc βββββγγβγγγ式中： γcc =Σρpp = n ρpp γaa =ΣρHH = n ρHH γa β=-ΣρHM =-ΣρHM γββ= n ρMM +ρPP Σk i x i 2得出承台底面中心的位移如下：cc Pc γ=2)(ββββββγγγγγa aa a M H a --= 2(）ββββγγγγγβa aa a aa H M --=各桩桩顶的轴向力Ni 、剪力Qi 、弯距MiN i =（c+βx I ）ρPPQ i = a ρHH –βρHM M i =βρMM - a ρMH根据各桩的轴向力N i 值H 0 =Q iM0 =M i+Q i l0和位移x0、φ0得出各桩任意深度的内力My、Qy，并据以配筋。