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—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 其他纵向风力*
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；][0
o N M
e 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:
h
W
M
A
N ][0
max min
σσ
≤≥±=
∑∑ σmin ≤0 时， h
e b
a 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 y
M N y K i
i
≥=
=
∑∑0
0 K Ti
N K i
c ≤=
∑∑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 )(2
1][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=0.03～0.05
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
b myx p dy x d EI y 144-=-=令51EI b m =α则上式为0544=+yx dy x d α 解微分方程，并利用桩在地面处（y=0）的边界条件：
x （y=0） = x 0， φ（y=o ）=φ0，
M （y=0）= M 0， Q （y=0）= Q 0 得出任意深度y 处的x ,φ,M,Q 。

D EI H C EI M B A x x αααφ301201010+++=12202020
20D EI H C EI M B A x ααφαφ+++=30
3033)(00D H C M B A x EI M αφαα+++= (a)
40404402)(0D H C M B A x EI Q +++=αφαα (b)
其中，A 1、B 1、C 1、D 1．．．．．．均为y 的幂级数，只要已知α和桩在地面处、y=0处、的x 0、φ0、M 0、H 0（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
δ0
HH 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δMH
2000003023l l EI
l MM MH HH HH δδδδ+++= 000202l EI l MM MH MH δδδ++=00MM MM EI
l δδ+=
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 = a
c i = c +x i β βi =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 MM
HH 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 MH
i 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 P
c 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Mi
N i =（c+βx I ）ρPP
Q i = a ρHH –βρHM
M i =βρMM - a ρMH
根据各桩的轴向力N i 值
H 0 =Q i
M0 =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。

由计算可知，最大弯距M ymax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 c y= m y；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
≤p p-p a =
σ
y
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： EI l l x x 330000+-=β顶位移l 03/3EI 小得多时，群桩基础上的柔性墩墩顶纵向位移 .
EI
l x 330= 柔性墩墩身的刚度 板式橡胶支座的刚度（是n 1个支座的并联刚度） ∑⋅
=t GA n K i 1" 整个柔性墩联合抗推刚度（串联刚度）： K
K K K K ''+'''⋅'= 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
T K K H i
i iT ∑=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x 0
则各墩的温度力：
i i it S t K H ⋅⋅⋅=α
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M 0、H 0，以及地面处的位移，并据以计算桩身内力和配筋。