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 α≥α

max ），刚性基础。如果α

max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 上部结构的重力 桥墩基础的重力 组合 组合 Ⅰ Ⅱ 组合 Ⅲ 组合 Ⅳ 组合 Ⅵ 1 2 3 4 5 6 7 永久荷载（恒载） 基本可变（活载） 水 的 浮 力 汽车荷载的支反力 荷 载 挂车荷载的支反力 人群荷载的支反力 其他 纵 向 风 力 * * * * * * * * * * * * * * * * * 8 9 10 11 12 13 可变 荷载 流水（冰）的压力 上部结构的温度力 支座摩阻力 偶然 地 震 力 荷载 船只或漂流物撞 击力 汽车制动力 * * * * 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；e0N[eo]

M 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:

maxminNMAW[]h σmin≤0 时， 0max2N[]hb3a(e0)2 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

K0yNiMiyK e0KcNiTiK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 [P]1(UliiA)

2 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

4mxb1dd4xEIpymyxb1令5则上式为45yx0 解微分方

EIdydy4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 。

xx0A10H0DxAB2M0C2H0D20B1MC1123EIEIEI2EI020MEI(x0A30B3)M0C3H0D3 (a)

Q2EI(x0A40B4)M0C4H0D4 (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 = -khαE Iφ

cI其中：h kh00

EI 单位水平力H0=1、作用在地面处，该处的水平位移

HH转角 MH

00HH0(B3D4B4D3)kh(B2D4B4D2)13EI(A3B4A4B3)kh(A2B4A4B2)

1(A3D4A4D3)kh(A2D4A4D2) 2EI(A3B4A4B3)kh(A2B4A4B2)0MH单位力矩M0=1作用在地面处，该处的水平位移 转角

0HM(B3C4B4C3)kh(B2C4B4C2)12EI(A3B4A4B3)kh(A2B4A4B2)1(A3C4A4C3)kh(A2C4A4C2)EI(A3B4A4B3)kh(A2B4A4B2)0MM 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 = H0 δφ0= -(H0 δ

0

0

HH

+ M0 δ

0

HM

MH

+ M0 δ

0

MM

)

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δ转角δ

MH

HH、

HH3l0000HH2MHl0MMl02 3EIMHl02l000MHMMl0MM0MM2EIEI

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： a i = a c i = c +xiββ

i =β

桩的竖向刚度

pp1式中：E—桩身材料的弹性模量；

l0h1EAc0A0 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 ：HHMMHHMM(MH)2

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 ：

MHMiMHHHMM(MH)2HH 桩顶发生单位转角（βi=1）时，桩顶产生的弯距

（转动刚度）：

MMHHMM(MH)2 沿承台底面截取座板为自由体的位移法基本方程

cccP0aaaaH0aaM0式中： γ

aa=Σ

cc=Σ

ρ

pp= nρpp

γ γ γ

ρ

HH= nρHH HM=-Σ

aβ

=-Σρ= nρ

ρ

HM

ββ

MM +ρPPΣkixi2

得出承台底面中心的位移如下：

cPccaHaM 2aa(a)aaMaH各桩桩顶的轴向力2aa(a）Ni、剪力Qi、弯距Mi

Ni =（c+βxI）ρPP Qi = aρHH –βρ Mi =βρMM - aρ

MH

HM

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 = 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。 σ

max

≤[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：

3l0xx00l0顶位移l03/3EI小得多时，群桩基础上的柔性墩墩顶

3EI纵向位移 .

3l0x 柔性墩墩身的刚度 3EI 板式橡胶支座的刚度（是n1个支座的并联刚度）

Ki\"n1KGAt 整个柔性墩联合抗推刚度（串联刚度）：

KK 某柔性墩墩身的刚度=45690kN/m，支座刚度KK=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

HiTKiT式中，T—全桥（或一联桥）所受的全部制动力。为一Ki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：

HitKitSi

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。