桥梁工程第15章-墩台与基础构造课件.ppt

1、15.1概 述桥梁墩(台)由墩(台)帽、墩(台)身和基础三部分组成。(图15.1)。桥墩和桥台都属于桥梁的下部结构,是用来支承上部结构并将荷载传递给基础进而传至地基的结构物。基础是桥墩和桥台中使全部荷载传至地基的底部奠基部分,是结构物直接与地层接触的最下部分,是介于地基和墩(台)身之间的传力结构。1图 15.1桥梁重力式墩台2桥墩系指多跨桥梁的中间支承结构物,它除承受上部结构的荷重外,还要承受流水压力、水面以上的风力以及可能出现的冰荷载、船只、排筏或漂浮物的撞击力。桥台除了支承桥跨结构之外,它还衔接两岸接线路堤;既要能挡土护岸,又要能承受台背填土及填土上车辆荷载所产生的附加土压力。因此,桥梁墩

2、台不仅本身应具有足够的强度、刚度和稳定性,而且对地基的承载能力、沉降量,地基与基础之间的摩阻力等也都提出一定的要求,以避免在这些荷载作用下有过大的水平位移,转动或者沉降发生,这一点对超静定结构桥梁尤为重要。3结构的造型新颖上,而且也反映在下部结构向轻型合理的方向发展。从 20 世纪 50 年代以来,国内外出现了不少新型桥梁墩台,尤其是在桥墩形式上显得更为突出,它把结构上的轻巧合理和艺术造型上的美观统一起来。例如,对于大跨径的桥墩,既要考虑墩身的轻巧,又要考虑能有利于上部结构的受力和施工,以节约材料降低工程造价,于是便创造出 V 型、X 型墩等各种优美 的立面形式(图15.2)。当前,世界各国的

3、桥梁建设都在迅速发展,这不仅反映在上部4 对于城市立交桥,既要承托较宽的桥面,又要能减小墩身和基础尺寸,给人以艺术的享受,常常将桥墩做成独柱式或排柱式(图 15.3(a)、(b),倾斜式(图 15.3(c)、(d)、双叉式(图 15.3(e)、T 型、Y 型和 X 型(图 15.3(f)、(g)、(h)及四叉形等型式多样的桥墩形式。此外,设计理论、施工工艺的进步也推动了桥墩结构形式的发展。例如 1979 年在德国建成的科秋塔尔高架桥,桥墩高度为 183 m,采用滑动模板工艺,墩底截面仅为 10 m 9 m。国内上海至成都高速公路(G42 国道)重庆万州至梁平段癞子坝大桥,上部结构为 14 40

4、 m 预应力混凝土简支梁,下部结构为双柱式矩形变截面空心薄壁墩,其中 8 号墩高 102.5 m,9 号墩高 101.5 m,墩顶截面为 2.0 m 2.5 m(纵向 横向),纵向两侧按 1001 放坡,横向尺寸不变,墩身采用大块钢模翻模法施工。5图 15.2V 形和 X 形桥墩6 墩台构造还与上部结构的受力有关。例如澳大利亚的盖特威大桥,是一座主跨 260 m 的预应力混凝土连续刚构桥,主墩高 40 m,采用中距 11 m、壁厚 2.5 m 的直立双薄壁墩身,因而使主梁在桥墩处削减了负弯矩峰值,提高了桥墩的抗弯能力,在造型上使预应力混凝土连续刚构桥具有轻盈、和谐、庄重的外观。重庆嘉陵江黄花园

5、大桥,主桥为(137+3 250+137)m 预应力混凝土连续刚构桥,主墩设 计高 为 42 57 m 不等,同样采用直立双壁式墩身,壁 厚2.5 m,双壁净距 7 m。美国长岛桥是一座由 103 跨组成的多联预应力混凝土连续梁桥,全长3 708 m,标准跨径 36 m,其下部结构采用预制的 V 形 斜撑 桥墩,它与上部的 单箱截面构成了一 幅长龙画面。7流速、河床及其埋深有关。桥梁下部结构要经受洪水、地震、桥梁活载等的动力作用,要确保安全、耐久,必须充分考虑上述各种因素的组合作用。桥梁是一个整体,上、下部结构共同工作、相互影响,要重视下部结构与上部结构的合理组成,特别是在墩梁固结的预应力混凝

6、土连续刚构桥中,桥墩与上部结构融合在一起,因此,桥梁下部结构很难与上部结构截然分开,同时还要求桥梁下部结构的造型与周围的地形、地物条件匹配,使桥梁与环境和谐、匀称。尽管桥梁墩台的类型繁多,但常用的墩、台形式大体可以归纳为两大类。确定桥梁下部结构构造应遵循安全耐久、满足交通要求、造价低、维修养护少、施工方便、工期短、与周围环境协调、造型美观等原则。桥梁墩台的设计与结构受力、土质构造、地质条件和水文、89截面面积 在水平 方向和 竖直 方向均 不小 于 250 mm/m。重力式1)重力式墩、台重力式墩、台依靠自身的重量来平衡外力而保持其稳定,因此墩、台身比较厚实,当用天然石材或片石混凝土砌筑时,可

7、以不配置钢筋;当用混凝土浇筑时,混凝土墩台身宜设置表层钢筋网,其2墩、台适用于地基良好的大、中型桥梁,或流冰、漂浮物较多的河流中。在砂石料丰富的地区,小桥也往往采用重力式墩、台。重力式墩、台的主要缺点是 圬工体积较大,因而其自重和阻水 面积也较大,对地基要求较高。10综合考虑确定。由于轻型墩、台的刚度小,受力后允许有一定范围内的弹性变形,因此所用建筑材料大多以钢筋混凝土和少量配筋的混凝土为主,但也有一些轻型墩台,通过验算后可以用石料砌筑。本章着重介绍各类墩台的墩(台)帽和墩(台)身的构造,对墩台基础仅作概略介绍,详细内容可参见 基础工程课程。2)轻型墩、台属于这类墩、台的形式很多,而且都有各自

8、的特点和使用条件,选用时必须根据桥位处的地形、地质、水文和施工条件等因素1115.2.1基础的类型公路桥涵的墩台基础,根据基础埋置深度不同分为以下三种。15.2墩台基础(1)浅埋基础基础的埋置深度 h(无冲刷时从河底或地面至基础底面的距离;有冲刷时从最大冲刷线包括河床自然演变冲刷、设计洪水位的一般冲刷深度及构造物阻水引起局部冲刷深度至基础底面的距离)小于 5 m 的称为浅基础。桥梁工程中常用的浅埋基础有刚性扩大基础和柔性扩大基础。12(2)深基础基础埋置深度大于 5 m 的称为深基础。桥梁工程中常用的深基础有桩基础和沉井基础。(3)深水基础水深在 5 6 m 以上,不能采用一般的土围堰、木板桩

9、围堰等防水技术施工的桥梁基础,称之为桥梁深水基础。常见的深水基础有管柱基础、锁口钢管桩基础、深水设置基础等。13(1)刚性扩大基础这是桥涵及其他构造物常用的基础形式,其平面形状常为矩形,因设置了基础襟边,故基础平面尺寸一般均较墩台身底面要大(图15.4)。15.2.2桥涵常用基础14图 15.4刚性扩大基础剖面、平面图15 刚性扩大基础大多采用混凝土或石料砌体,材料的抗压性能较好,但抗拉、抗剪强度不高,设计时必须保证基础的拉应力和剪应力不超过材料的强度设计值。这种保证通常是通过对基础构造的限制来实现的,即要求基础每个台阶对应的宽度与其高度之比不得超过允许值(用 的正切 tan 表示),也即受刚

10、性角(max)的控制。刚性角的大小与基础所用的圬工材料强度有关,实体墩台基础的扩散角(刚性角),对于片石、块石和料石砌体,当用 M5 砂浆砌筑时不应大于 30;当用M5 以上的砂浆砌筑时不应大于35;对于混凝土不应大于 40。16(2)联合基础为了满足地基强度要求,有时必须扩大基础平面尺寸,当扩大后的单独基础在平面上出现相接甚至重叠时,则可将它们联在一起成为联合基础。联合基础还可用于调整相邻两柱的沉降差,或防止两者之间的相向倾斜等(图15.5)。17(3)条形基础它是挡土墙或涵管常用的基础形式。条形基础长度远大于基础宽度,在横剖面可以是矩形或将一侧筑成台阶形。如挡土墙很长,为了避免在沿墙长方向

11、因沉降不匀而开裂,可根据土质和地形予以分段设置沉降缝。在受力分析时可取单位长度进行(图 15.6)。18图 15.5单独和联合基础(a)单独基础;(b)联合基础19图 15.6挡土墙下的条形基础20(4)柔性扩大基础在扩大基础中配置有足够数量的钢筋,基础的抗弯和抗剪性能良好,可在竖向荷载较大,地基承载力不高以及承受水平力和力矩荷载等情况下使用。由于这类基础的高度不受台阶宽高比的限制,故适宜于需要“宽基浅埋”的场合下使用(图15.7)。21图 15.7柔性扩大基础22图 15.8钻(挖)孔灌注桩基础23(5)桩基础当地基浅层土质不良,采用浅基础无法满足结构物对地基强度、变形和稳定性方面的要求时往

12、往需要采用深基础,桩基础是一种常用的深基础(图 15.8);当桥墩所处的位置有一定的水深,同时还有很厚的河床覆盖层,适于承力的地基又很深时,可以选用设置承台的桩基础,在承台上再修筑桥墩、桥台。桩基础按承台位置可以分为高桩承台基础和低桩承台基础(简称高桩承台和低桩承台)(图 15.9)。有流冰的河流,承台底面标高应在最低冰层底面以下不小于 0.25 m;当有流筏、其他漂流物或船舶撞击时,承台底面标高应保 证桩不受直接撞击损 伤;在冻胀土 地区,承台底 面在土中时,其埋置深度应符合公路桥涵地基与基础设计规范(JTGD63 2007)第 4.1.1 条的规定;总体上承台标高宜根据桥位情况、施工难易程

13、度、美观与整体协调综合确定。24图 15.9高桩承台和低桩承台(a)露在水面上的高桩承台;(b)埋藏在水面下的高桩承台;(c)低桩承台25 桩基础可以将荷载穿过覆盖层传递到地基深处。根据地质条件的不同,桩的传力方式有两种:一种是将桩尖通过软弱的覆盖层嵌入坚实的岩面,荷载由桩尖直接传到基岩中,称为柱桩(嵌岩桩);另一种是当基岩埋藏很深,桩尖不可能达到时,荷载通过位于覆盖层中的桩壁与土壤间的摩阻力及桩端的支承力共同承受,这种桩称为摩擦桩。桩基础按施工方法有沉入桩、就地钻(挖)孔灌注桩及钻孔埋置桩等。26(6)管柱钻孔桩基础管柱钻孔桩基础是桩基础向大直径发展的必然过程。它是我国在 1953 1957

14、 年修建武汉长江大桥时研制的一种先进的深水基础。目前,国内管柱基础深度已达 70 m(其中穿过45 m覆盖层),最大直径为 5.8 m。日本横滨港湾大桥管柱直径达 10.0 m。管柱体有钢筋混凝土、预应力混凝土和钢管柱 3 种。管柱施工到位后,以管柱的管壁作护筒,在管柱内钻岩成孔,下放钢筋骨架笼,灌注混凝土,使每根管柱都牢固地嵌固在基岩中(图 15.10)。27(7)沉井基础沉井基础是一种历史悠久的基础形式,适用于地基表层较差而深部较好的地层,既可用在陆地上,也可用在深水之中。所谓沉井基础,就是将一个预先筑好并在以后充当基础的混凝土井筒安置在墩位,在其井筒内部挖土依靠自重不断下沉到设计标高。沉

15、井下沉到预定标高后,再以混凝土封底,填塞井孔,并建筑沉井顶盖,沉井基础即告完成。然后在其上修建墩身(图 15.11)。2829(8)地下连续墙基础地下连续墙是一种新型的桥梁基础形式。它是在泥浆护壁条件下,采用专用的挖槽(孔)设备,顺序沿着基础结构物的周边开挖出一个具有一定宽度与深度的槽孔,宽度一般为 0.8 2.2 m,其深度一般为 20 40 m,最深的记录已超过 100 m,然后在槽内安放钢筋笼,浇注混凝土,用特殊处理的接头,使相邻单元互相联结为整体,逐步形成一道连续的地下钢筋混凝土墙。当混凝土达到一定强度后,即可作为基坑开挖时的挡土、防渗以及对邻近建筑物的支护,在连续墙围堰内进行挖掘工作

16、,到达设计标高后就地灌注像沉井基础一样的深置基础。采用这种方法可以在地层中做成由坚固的钢筋混凝土壁墙单元组成的矩形、圆形、多角形或井字形截面的闭合基础。图 15.12 所示为广东虎门大桥西锚锭基础简图。30图 15.12广东虎门大桥西锚碇基础简图(尺寸单位:m)(a)西锚碇立面轮廓尺寸;(b)地下连续墙示意;31(9)锁口钢管桩基础锁口钢管桩基础是一种较新的桥梁深水基础形式。它是在墩位处打入大型锁口钢管桩(1.0 1.3 m,壁厚 10 15 mm,两侧焊上钢锁口),形成一个环状围堰,再以砂浆将锁口处封闭,然后在围堰内挖除土壤到一定深度,处理平整后再灌注水下混凝土进行封底。其优点是既具有桩基础

17、那种能适应基岩高低不平的灵活性,又具有像沉井那样的整体刚度。在围堰内抽水后即可灌注承台及墩身混凝土直到水面以上,然后在围堰内回灌水,以水下切割机将承台以上的锁口钢管桩切除。锁口钢管桩基础的承载能力大,又有锁口钢管桩作保护,不但安全可靠,施工也比较容易,是一种较好的基础形式(图 15.13)。32图 15.13锁口钢管桩基础示意图及锁口的不同形式33(10)深水设置基础深水设置基础系采用先在陆地上将基础结构物预制好,然后在深水中设置的一种基础形式,适用于水深、潮急、航运频繁等修建基础甚为困难的条件。采用这种基础形式时必须对地质条件调查清楚,如果是不平整的岩面,就应采用爆破取平;如有承载力不足的覆

18、盖层,应分别清除开挖,加固处理或打入基桩承力等方法加以改善。基底清理完毕形成基底台面以后,再用浮运沉井下沉或以大型浮吊吊装的方法在深水中设置预制好的基础及墩身块件,以很快的速度完成深水基础的施工工作。3415.3.1重力式桥墩重力式桥墩在公路梁桥和拱桥中应用较为普遍。它们除了在墩帽构造上有所差别以外,其他部分的构造外形大致相同。因此,我们把重力式桥墩的构造重点放在梁桥桥墩中详细介绍,而对拱桥桥墩只略述它们的特点部分。15.3桥墩35(1)梁桥重力式桥墩1)墩帽墩帽是桥墩顶端的传力部分,它通过支座承托上部构造、并将相邻两孔桥跨结构的自重和活载传到墩身上。因此,墩帽的强度要求较高,一般 都用 C2

19、0 以上的 混凝土,设置构 造钢筋或 受力钢筋。墩帽平面尺寸的合理确定,将直接影响墩身的平面尺寸和材料的选用。当顺桥向的墩帽宽度较小,而桥墩又较高时,墩身就显得很薄,因此需要采用钢筋混凝土结构。另一方面,如果墩身在横桥向的长度较小,或者做成柱子形式,那么又会反过来影响着墩帽(或称帽梁)的受力、尺寸及其配筋数量。因此,精心拟定墩帽尺寸对整个桥墩设计具有重要意义。墩帽和台帽厚度,对特大、大跨径桥梁不应小于 0.5 m;中、小跨径桥梁不应小于 0.4 m。设置支座的墩帽和台帽上应设置支座垫石,垫石内应设置水平钢筋网。与支座底板边缘相对的支座垫石边缘应向外展出 0.1 0.2 m。支座垫3637383

20、940414243图 15.16交接墩墩帽44 当同一桥墩相邻桥跨的跨径不同时,其桥跨结构的建筑高度不同,除可以用支承垫石来调整高度以外,也可以将墩帽做成 L 形,以适应相邻跨径不同的梁(板)高度变化,称为交接墩墩帽(图 15.16)。另外,在一些宽桥或者墩身较高的桥梁中,为了节省墩身及基础的圬工体积,常常利用挑出的悬臂或托盘来缩短墩身横向长度,做成悬臂式或托盘式桥墩(图 15.17(a)、(b)。墩帽长度和宽度视上部结构的形式和尺寸、支座的尺寸和布置,以及上部构造中主梁的施工吊装要求等条件而定。墩帽的高度视受力大小和钢筋排列的需要而定。挑出部分的高度可向两端逐渐减小。端部高度通常采用 30

21、40 cm。这种墩帽需要布置受力钢筋(图 15.17(c)和增设悬臂部分的施工脚手架。托盘式墩帽是将墩帽上的力逐渐传递到紧缩了的墩身截面上。墩帽内是否配置受力钢筋要视主梁着力点位置和托盘扩散角大小而定。45图 15.17悬臂式和托盘式墩帽462)墩身墩身是桥墩的主体。实体式桥墩墩身的顶宽,小跨径桥梁不宜小于 0.8 m(采用轻型桥台的桥梁的桥墩不宜小于 0.6 m);中跨径桥梁不宜小于 1.0 m;特大、大跨径桥梁的墩身顶宽应视上部构造类型而定。侧坡一般采用 201 301(竖 横),小跨径桥梁的桥墩也可采用直坡。47棱迎冰面应做成尖端或圆端形,混凝土破冰棱在迎冰表面应埋设钢板或角钢,墩身可用

22、高强度等级的混凝土辅之以钢筋加固。墩身通常由块石、混凝土或钢筋混凝土材料建造。为了便于水流和漂浮物通过,墩身平面形状可以做成圆端形或尖端形;无水的岸墩或高架桥墩可以做成矩形,在水流与桥梁斜交或流向不稳定时,就宜做成圆形(图 15.18(c)。在有强烈流冰、泥石流或大量漂浮物的河流中的墩身,其表面宜选用强度等级不小于 MU60 的石材或 C40 混凝土预制块镶面,镶面砌体的砂浆强度等级不应低于 M20。具有强烈流冰河道(冰厚大于 0.5 m,流冰速度大于 1 m/s)中的桥墩,桥墩的迎水端应做成破冰棱体(图 15.18(e),破冰48图 15.18墩身平面及破冰棱49 当河流属于中等流冰情况(冰

23、厚0.3 0.4 m,流速不大于1 1.2m/s)或河道上经常有大量漂浮物时,对于混凝土重力式桥墩的迎水面可以用 10 12 mm 的 钢筋加 强,钢 筋的 垂直间 距为 10 20cm,水平距离约为 20 cm(图 15.19)。50图 15.19混凝土墩身钢筋网51 此外,在一些高大桥墩中,为了减少圬工体积,节约材料,或为了减轻自重,降低基底的承压应力,也可将墩身内部作为空腔体,即所谓空心桥墩。这种桥墩在外形上与实体重力式桥墩无大的差别(图 15.20),只是自重较实体重力式的轻,因此,它介于重力式桥墩和轻型桥墩之间。空心桥墩有两种形式,一种基本为实体重力型结构,但为了减少圬工数量,在截面

24、和自重已经足够承担及平衡外力的条件下,镂空中心部分。这时需要注意:在陆上或不受船筏撞击、磨损及不受冰冻侵害的高水位以上部分,才宜采用中空截面,并须避免空心部分因渗水、积水、结冰膨胀而损坏墩壁;顶帽下应有足够高度的实体部分,将支座反力均匀分布到墙、壁;空心部分墩壁与实体部分衔接处应设置必要的构造钢筋或做成斜肋,避免在施工时因受温度影响产生局部应力而在转角处发生裂纹。52力,或减轻软弱基底的负荷,这时,可采用薄壁钢筋混凝土的空格型墩身,四周壁厚只有 30 cm 左右。为了墩壁的稳定,应在适当间距设置竖直隔墙及水平隔板,保持整体坚固。此外,由于需要传递顶帽的压力,一般在顶帽下尚有一定的实心部分。空心

25、部分应设通风及排水孔眼,以均匀内外温差及避免冻胀。空心墩按壁厚分为厚壁与薄壁两种,一般用壁厚与中面直径 D(即同一截面的中心线直径或宽度)的比来区分:t/D 1/10 为厚壁,t/D 1/10 为薄壁。薄壁空心墩按计算配筋,一般配筋率在 0.5%左右,也有只按构造或承受局部应力或附加应力配筋的。在有些情况下,为了削减墩身的自重,或地震时有较小的惯性53空心桥墩在构造尺寸上应符合下列规定:墩身最小壁厚,对于钢筋混凝土不宜小于 30 cm,对于混凝土不宜小于 50 cm。墩身内应设横隔板或纵、横隔板,以加强墩壁的局部稳定。54图 15.20空心桥墩55 墩身周围应设置适当的通风孔或泄水孔,孔的直径

26、不小于20cm;墩顶实体段以下应设置带门的过人洞或相应的检查设备。墩顶实体段厚不小于 1.0 2.0 m。图 15.20(b)还示出了沿墩高分块安装的装配式预应力空心墩构造,它促进了构件生产的装配和机械化,从而加速了下部结构的施工进度;缺点是抵抗碰撞的能力较差。因此,在通航、有流筏、流冰以及流速大并带有撞击磨损物质的河流上不宜采用。56(2)拱桥重力式桥墩拱桥是一种推力结构,拱圈传给桥墩上的力,除了垂直力以外,还有较大的水平推力,这是与梁桥的最大不同之处。从抵御结构自重水平力的能力来看,拱桥桥墩又可以分为普通墩和单向推力墩两种。普通墩除了承受相邻两跨结构传来的垂直反力外,一般不承受结构自重水平

27、推力,或者当相邻两孔不相同时只承受经过相互抵消后尚余的不平衡推力。单向推力墩又称制动墩,它的主要作用是当一侧的桥孔因某种原因遭到毁坏时,能承受住单向的结构自重水平推力,以保证另一侧的拱桥不致遭到倾塌;在多跨连拱施工时为了拱架的多次周转,或者当缆索吊装设备的工作跨径受到限制,为了能按桥台与某墩之间或者按某两个桥墩之间作为一个施工段进行分段施工,在此情况下也要设置能承受部分结构自重单向推力的制动墩。单向推力墩宜每隔 3 5 孔设置一个。由此可见,为了满足结构强度和稳定性的要求,普通墩的墩身可以57做得薄一些(图 15.21(a)(c),单向推力墩则要做得厚实一些(图 15.21(d)、(e)。58

28、图 15.21拱桥普通墩与推力墩59拱桥桥墩在构造上还有以下特点:1)拱座拱桥桥墩与梁桥桥墩的一个不同点在于,梁桥桥墩的顶面要设置传力的支座,且支座距顶面边缘保持一定的距离;而拱桥桥墩在其顶面的边缘需设置呈倾斜面的拱座,直接承受由拱圈传来的压力,故无铰拱的拱座总是设计成与拱轴线呈正交的斜面。由于拱座承受着较大的拱圈压力,故一般采用 C30 以上的整体式混凝土、混凝土预制块或 MU40 以上的块石砌筑。肋拱桥的拱座由于压力比较集中,应用强度等级高的混凝土及数层钢筋网加强;装配式肋拱的拱座,也可预留供插入拱肋的孔槽(图 15.22),就位以后再浇灌混凝土封固。为了加强肋底与拱座的联结,底部可设 U

29、 形槽浇灌混凝土,混凝土应不低于 C30。有时孔底或孔壁还应增设一些加固钢筋网。60图 15.22拱座构造612)拱座位置当桥墩两侧孔径相等时,则拱座均设置在桥墩顶部相同的起拱线标高上,有时考虑桥面的纵坡,两侧的起拱线标高可以略有不同。当桥墩两侧的孔径不等,结构自重水平推力不平衡时,需将拱座设置在不同的起拱线标高上。此时,桥墩墩身可在推力小的一侧变坡或增大边坡。从外形美观上考虑,变坡点宜设在常水位以下(图 15.23)。墩身两侧边坡和梁桥一样,一般也为 201 301(竖横)。62图 15.23拱桥墩身边坡的变化63图 15.24钢筋混凝土薄壁桥墩64量的钢筋,含钢量约为 60 kg/m。薄壁

30、桥墩的特点是圬工体积小,(1)梁桥轻型桥墩当地基土质 条件较 差时,为了减 轻地 基负担,或减 轻墩 身重量,节约圬工材料,常常采用各种形式的轻型桥墩。轻型桥墩的墩帽尺寸及构造也由上部结构及其支座尺寸等要求来确定,这与重力式桥墩并无多大差异。在梁桥中,通常采用以下几种类型:1)钢筋混凝土薄壁桥墩图 15.24 所示为钢筋混凝土薄壁桥墩,墩身直立,其厚度与高度的比值较小(一般为1/15 1/10 或 30 50 cm),墩身内配置有适3结构轻巧,比重力式桥墩可节约圬工量 70%左右,且施工简便,外形美观,过水性良好,故适用于地基土软弱的地区。缺点是当采用现浇混凝土时,需耗费用于立模的材料和一定数

31、量的钢筋。15.3.2轻型桥墩65帽采用不低于 C25 的混凝土加 8 mm 的构造钢筋。墩帽在平面上的尺寸随墩身顶部尺寸而定。墩帽高度不小于40 cm。墩帽四周挑檐宽度为 5 cm,周边做成 5 cm 倒角。2)轻型实体桥墩轻型实体桥墩较多采用圆端形,如图 15.25 所示。轻型桥墩墩66图 15.25轻型实体桥墩构造图(尺寸单位:cm)67 当桥面的横向排水坡不用三角形垫层调整时,可在墩帽顶面从中心向两端倾斜地加筑三角垫层。上部构造与墩帽之间可采用 M15 砂浆胶结,并以栓钉锚固(栓钉直径不应小于 20 mm),因此在墩帽上要预留栓钉孔,以备埋置栓钉。墩帽上栓钉孔的位置要与上部构造块件的栓

32、钉孔相对应,墩帽的构造简图如图 15.26 所示。68图 15.26墩帽一般构造(尺寸单位:cm)69 墩身可以是混凝土或浆砌块石。石料不得低于Mu30,砂浆不得低于M5。墩身宽度应满足上部构造的支承需要,一般不小于 60 cm。墩身的长度应符合上部构造宽度的要求。桥墩基础一般采用混凝土,其平面尺寸较墩身底面尺寸略大(四周各放大 20 cm 左右)。基础多做成单层,高度一般为 50 cm 左右。相邻桥台(墩)下端之间应设支撑梁,支撑梁应设于铺砌层或冲刷线以下,中距宜为 2 3 m,采用钢筋混凝土构件,其截面尺寸不宜小于20 cm 30 cm(横 竖),四角应设置直径不小于 12 mm钢筋,箍筋

33、用 8 mm;为节省钢材,也可用截面为 40 cm 40 cm 的素混凝土梁或块石砌筑。3)柱式桥墩柱式桥墩由分离的两根或多根立柱所组成,是桥梁中采用较多的桥墩 形式之一。它的 外形美观,圬工 体积少,而且 重量 较轻(图 15.27)。70图 15.27柱式桥墩(a)单柱式;(b)双柱式;(c)哑铃式;(d)混合双柱式71 近年来,我国已广泛采用钻孔灌注桩和人工挖孔桩柱式桥墩,它由灌注桩与钢筋混凝土墩柱和墩帽组成,柱与桩直接相连。当墩身桩柱的高度大于 1.5 倍的桩距时,需在柱之间布置横系梁,以增加墩身的侧向刚度。钻孔桩柱式桥墩适合于许多场合和各种地质条件。对于宽桥可采用三柱式或多柱式,视桩

34、的承载能力而定,也可把洪水位以下部分墩身做成实体式,以增强抵抗漂浮物撞击的能力。通过增大桩径、桩长或用多排桩加承台等措施,也能适用于更复杂的软弱地质条件以及较大跨径和较高的桥墩,它的施工方式也较优越,全部墩台工程都可以在水上作业,避免了最繁重的水下作业。72柱式墩一般由墩帽(亦称盖梁)与墩柱组成配桩基础或扩大基础,当为桩基础时,桩顶常以横系梁或承台连接。盖梁横截面形状一般为矩形或 T 形(或倒 T 形),底面形状有直线形和曲线形两种。直线形施工较简单(图 15.28)、曲线形施工较复杂,但材料较为节省。盖梁各截面尺寸与配筋需通过计算确定。盖梁一般就地浇筑,施工及设计条件允许时,也可采用预制安装

35、的盖梁或预应力混凝土盖梁。73图 15.28盖梁构造74 墩柱与桩的构造如图 15.29 所示。墩柱钢筋伸入盖梁或承台进行连接时,为使桩柱和盖梁或承台有较好的整体性,桩柱顶一般应嵌入盖梁或承台 15 20 cm。露出桩柱顶的主筋可弯成与铅垂线约成 15 倾斜角的喇叭形,并伸入盖梁和承台中。若受盖梁或承台尺寸的限制,也可不弯成喇叭形,钢筋的伸入长度(算至弯钩切点)应符合相关规定。在喇叭形主筋外围还应设置直径不小于 8 mm 的箍筋,间距一般为 10 20 cm。75图 15.29桩、柱及横系梁构造76 墩柱配筋的一般要求为:纵向受力钢筋直径应不小于12 mm;全部纵向钢筋的配筋百分率不应小于 0

36、.5,一侧钢筋的配筋百分率不应小于 0.2,构件的全部纵向钢筋配筋率不宜超过 5%。纵向受力钢筋净距应不小于 5 cm,净保护层不小于 3 cm;箍筋应做成闭合式,其直径不应小于纵向钢筋直径的 1/4,且不小于 8 mm;箍筋间距不应大于纵向受力钢筋直径的 15 倍、不大于构件短边尺寸(圆形截面采用 0.8 倍直径)且不大于 40 cm。相应桩身的配筋要求应满足 公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63 2007)第 5.2.2 条的相关规定。77强度等级不应低于 C25,纵向钢筋不应少于横系梁截面面积的 0.15%;箍筋直径不应小于 8 mm,其间距不应大于 40 cm,横系梁的主钢筋应伸

37、入桩内,其长度不小于 35 倍主筋直径。见图 15.29。独柱式桥墩有带盖梁(亦称伸臂桥墩)和不带盖梁两种。独柱式桥墩在城市高架桥、跨线桥以及高速公路匝道桥梁中应用较多,具有外形美观、占地少等优点。但在多跨独柱式桥梁中,应考虑偏载作用下的侧向稳定问题。对超过 3 跨的桥梁中,宜在中跨设置 1道双立柱桥墩,或将高立柱与主梁固结,也可将两桥台处的梁底做成与梁顶同宽,以增强桥梁的抗扭能力。柱式墩台的柱身间设置横系梁时,其截面高度可取为 0.8 1.0 倍的柱直径或长边边长,宽度可取为 0.6 0.8 倍的柱直径或长边边长。横系梁四角应设置直径不小于 16 mm 的纵向钢筋,并设直径不小于 8 mm

38、的箍筋,箍筋间距不应大于横系梁的短边尺寸或40 cm。当用横系梁加强桩之间的整体性时,横系梁高度可取为 0.8 1.0 倍桩的直径,宽度可取为 0.6 1.0 倍桩的直径,混凝土的78(2)拱桥轻型桥墩拱桥桥墩上所用的轻型桥墩,一般为配合钻孔灌注桩基础的桩柱式桥墩。从外形上看,它与梁桥上的桩柱式桥墩非常相似(图15.30)。其主要差别是:在梁桥墩帽上设置支座,而在拱桥墩顶部分则设置拱座。当拱桥跨径在 10 m 左右时,常采用两根直径为 1m 的钻孔灌注桩;跨径在 20 m 左右时可采用两根直径为 1.2 m 或3 根直径为 1 m 的钻孔灌注桩;跨径在 30 m 左右时可采用 3 根直径为 1

39、.2 1.3 m 的钻孔灌注桩。桩墩较高时,应在桩间设置横系梁以增强桩柱刚性。桩柱式桥墩一般采用单排桩,如是高墩而跨径在 40 50 m 以上,可采用双排桩(图 15.30(b),在桩顶设置承台,与墩柱联成整体。如果柱与桩直接连接,则应在接合处设置横系梁。若柱高大于 6 8 m 时,还应在柱的中部设置横系梁。79图 15.30拱桥桩柱式桥墩80 在采用轻型桥墩的多孔拱桥中,每隔 3 5 孔应设单向推力墩。当桥墩较矮或单向推力不大时,可以考虑一些轻型的单向推力墩,其优点是 阻 水面 积 小,并可节约圬工体积。轻型的单向推力墩形式有:1)带三角杆件的单向推力墩这种桥墩的特点是在普通墩的墩柱上,从两

40、侧对称地增设钢筋混凝土斜撑和水平拉杆,用来提高抵抗水平推力的能力(图 15.31(a)。为了提高构件的抗裂性,可以采用预应力 混凝土结构。这种桥墩只在桥不太高的旱地上采用。81图 15.31拱桥轻型单向推力墩822)悬臂式单向推力墩悬臂式单向推力墩的工作原理是,当该墩的一侧桥孔遭到破坏以后,可以通过另一侧拱座上的竖向分力与悬臂长所构成的稳定力矩来平衡由拱的水平推力所导致的倾覆力矩(图15.31(b)。这种形式适用于两铰双曲拱桥。但由于墩身较薄,在受力后悬臂端会有一定位移,因而对于无铰拱来说会有附加内力发生。83(1)U 形桥台梁桥和拱桥上常用的重力式桥台为 U 形桥台,它们是由台帽、台身和基础

41、三部分组成。由于台身是由前墙和两个侧墙构成的U形结构,故而得名。梁桥、拱桥桥台构造示意图见图15.32(a)、(b)。从图中比较可以看出,二者除在台帽部分有所差别外,其余部分基本相同;从尺寸上看,拱桥桥台一般较梁桥者要大。U 形桥台的优点是构造简单,可以用混凝土或片石、块石砌筑,适用于填土高度在 4 10 m 的单孔及多孔桥梁;缺点是桥台体积和自重较大,增大了对地基承载力的要求。此外,桥台两个侧墙之间的填土不易压实,容易发生沉降,积水、结冰后冻胀使侧墙产生裂缝。所以宜用渗水性较好的砂砾夯填,并做好台后排水措施。15.4.1重力式桥台15.4桥台84下面叙述 U 形桥台的各部分构造。1)台帽梁桥

42、台帽的构造和尺寸要求与相应的桥墩墩帽有许多共同之处,不同的是台帽顶面只设单排支座,在另一侧则要砌筑挡住路堤填土的矮雉墙,或称背墙。背墙的顶宽不宜小于50 cm,背墙一般做成垂直的,井与两侧墙连接。如果背墙放坡时,则在靠路堤一侧的坡度与台身一致。在台帽放置支座部分的构造尺寸、钢筋配置及混凝土强度可按相应的墩帽构造进行设计。拱桥桥台只在向河心的一侧设置拱座,其构造和尺寸可参照相应桥墩的拱座拟定。对于空腹式拱桥,在前墙顶面上还要砌筑背墙,用来挡住路堤填土和支承腹拱。85图 15.32U 形桥台862)台身台身由前墙和侧墙构成。前墙正面多采用直立或 101 的斜坡,背面坡度一般采用 31 41。侧墙与

43、前墙结合成一体,兼有挡土墙和支撑墙的作用。侧墙外侧一般是直立的,内侧设31 41的斜坡,侧墙长度视桥台高度和锥坡坡度而定。前墙的下缘一般与锥坡下缘相齐,因此,桥台越高、锥坡越坦,侧墙则越长。侧墙尾段,应有不小于 0.75 m 的长度伸入路堤中,以保证与路堤有良好的衔接。台身宽度通常与路基宽度相同。侧墙的尾端除最上段 1.0 m 采用竖直外,以下部分可采用41 81的倒坡(图15.33)。当侧墙尾端与路堤挡墙相接时或处于挖方地段时,侧墙尾端均为竖直(图 15.34)。根据地形变化,U 形台可采用阶梯式(图 15.35)。87图 15.33U 形桥台尺寸图88图 15.34尾端竖直 U 形桥台图

44、15.35阶梯式 U 形桥台89 公路圬工桥涵设计规范(JTG D612005)第6.2.4 条规定,无论是梁桥还是拱桥,桥台前墙任一水平截面的宽度,不宜小于该截面至墙顶高度的 0.4 倍。侧墙任一水平截面的宽度,对于片石砌体不宜小于该截面至墙顶高度的 0.4 倍;对于块石、粗料石砌体或混凝土不宜小于 0.35 倍;如桥台内填料为中、粗砂或砂砾时,则上述两项可分别相应减为 0.35 和 0.3 倍。侧墙的顶宽一般为 50 100cm(图 15.33)。当 U 形桥台两侧墙宽度之和不小于同一水平截面前墙全长的 0.4 倍时,可按 U 形整体截面验算截面强度。对高大桥台,前墙、侧墙内坡应更缓或设置

45、台阶,以满足构造及受力要求。在非岩石类地基上,桥台宜每隔 10 15 m 设置一道沉降缝,现浇混凝土桥台台身及基础,应根据当地气候条件及施工条件,每隔10 15 m 设置一道伸缩缝。当 U 形桥台前墙设有沉降缝或伸缩缝时,分隔的前墙和侧墙墙身或基础应分别按独立墙验算截面强度。桥台应设置台背排水设施。两个侧墙之间应填以渗透性较好90的砂砾。为了排除桥台前墙后面的积水,应于侧墙间在略高于高水位的平面上铺一层向路堤方向设有斜坡的夯实黏土作为不透水层,并在黏土层上再铺一层碎石,将积水引向设于台后横穿路堤的盲沟内(图15.32)。不受水淹的桥台,可在台身设置泄水孔,以利排出台身内积水。桥台桥头锥坡的锥体

46、及桥台台后 5 10 m 长度内的引道,可用砂性土等材料填筑。在非严寒地区缺乏透水性土时,可就地取土经处理后填筑。锥坡与桥台两侧正交线的坡度,当有铺砌时,路肩边缘下的第一个 8 m 高度内不宜陡于11;在 8 12 m 高度内不宜陡于 1 1.25;高于 12 m 的路基,其 12 m 以下的边坡坡度应由计算确定,但不应陡于 11.5,变坡处台前宜设宽 0.5 2.0 m 的锥坡平台;不受洪水冲刷的锥坡可采用不陡于 1 1.25 的坡度;经常受水淹没部分的边坡坡度不应陡于 12。91锥坡的平面形状一般为 1/4 的椭圆。锥坡填土须经夯实,其表面一般要用片石铺砌,其砌体厚度不宜小于 0.30 m

47、。洪水泛滥范围以内的锥坡和引道的边坡坡面,应根据设计流速设置铺砌层。铺砌层的高度应为:特大、大、中桥应高出计算水位 0.5 m 以上;小桥涵应高出设计水位加壅水水位(不计浪高)0.25 m 以上,但这相应的铺砌层高度,仅适用于一般情况,如有逆风、冰冻或漂流物等影响,应适当提高或采用全坡面铺砌。对于埋置式桥台和钢筋混凝土灌注桩或排架桩式桥台,其锥坡坡度不应陡于 1 1.5,对不受洪水冲刷的锥坡,加强防护时可采用不陡于 11.25 的坡度。92(2)埋置式桥台埋置式桥台将台身埋置于台前溜坡内,不需要另设翼墙,仅由台帽两端耳墙 与路堤衔 接。埋 置式桥台 台身为圬 工或混凝 土实体,台帽及耳墙采用钢

48、筋混凝土,当台前溜坡有适当保护不被冲毁时,可考虑溜坡填土的主动土压力。因此,埋置式桥台圬工数量较省,但由于溜坡伸入桥孔,压缩了河道,或者为了不压缩河道,就需要增加桥长。它适用于桥头为浅滩,溜坡受冲刷较小,填土高度在10 m 以下的中等跨径桥梁中使用。当地质情况较好时,可将台身挖空成拱形,以节省圬工,减轻自重(图 15.36)。埋置式桥台的挡土采用耳墙,它承受土压力的计算图式为悬臂板,如需要支承人 行道上的荷载,则受到两个方向的 弯矩和剪力,需要配置受力钢筋,见图 15.37。耳墙长度不宜太长,一般不超过 3 4 m。厚度为 0.15 0.3 m,高度为 0.5 2.5 m,耳墙应将主筋伸入台帽

49、或背墙借以锚固。93图 15.36重力式埋置式桥台94图 15.37耳墙钢筋布置95(3)拱座式桥台拱座式桥台即实体桥台,没有侧面挡土的问题。对山边岩质地基,桥台以嵌入岩层最为经济。如地基较为平坦时,应使主拱拱推力与桥台重力的合力作用于基底核心距内,不使基底产生拉力来确定桥台长度。地基基础条件较好的桥台,有时为了缩短基础长度,在桥台上加柱,以使合力趋近于基础前缘,减少基础圬工(图15.38)。96图 15.38拱座式桥台9715.4.2轻型桥台与重力式桥台不同,轻型桥台力求体积轻巧、自重要小,它借助结构物的整体刚度和材料强度承受外力,达到节省材料,降低对地基强度的要求和扩大应用范围的目的,为在

50、软土地基上修建桥台开辟了经济可行的途径。轻型桥台的种类繁多,下面按梁桥轻型桥台与拱桥轻型桥台分别叙述。98(1)梁桥轻型桥台1)设有支撑梁的轻型桥台轻型桥台适用于小跨径桥梁,轻型桥台与轻型桥墩配合使用时桥跨孔数不宜超过 3 个,单孔跨径不大于 13 m,多孔全长不宜大于 20 m。99用混凝土或块石砌筑,达到节约钢筋的目的,但截面尺寸不应小于40 cm 40 cm。按照翼墙(侧墙)的形式和布置方式,这种桥台又可分为:一字形轻型桥台(图 15.40(a)左);八字形轻型桥台(图 15.40(a)右);耳墙式轻型桥台(图 15.40(b)。这种桥台的特点是,台身为直立的薄壁墙,厚度不宜小于 0.6