桥梁墩柱的受力分析

桥梁墩柱的受力分析

桥梁结构通常分为上部结构和下部结构（包括底部基础部分）。一般的计算方法都是分两部分进行的:先计算上部结构,再计算下部结构的墩台、基础等,因此现在大部分的通用计算程序都是将两部分计算单独设计模块的。目前,上部结构计算程序相对来说已比较完善,且许多中小桥梁的上部结构均是采用标准梁,还有为了满足交通膨胀需求而拓宽地面使用受限无法加设墩台的桥梁等状况,使得下部结构的计算尤显重要。虽然现在下部结构的计算程序也很多,但能完整模拟其受力的还很少,其中有一大部分需手算,尤其是下部结构所受的外力及其组合部分。1总体分析方法《墩台设计手册》中算例对墩台内力按下列方法计算:当荷载对称布置时,按杠杆法计算;当荷载偏心布置时,按偏心压力法计算;两种布载状况的内力取大值控制设计。这种算法没有真正体现规范用意,仅为两种布载方法下的内力计算,而不是各截面最不利状态的内力计算,所算内力存在着不安全因素。精确做法,应该是将盖梁类似于上部结构主梁一样进行计算,采用通用计算程序进行建模分析。在建模时,盖梁的支承条件很难精确模拟,因为其受到墩柱及基础的刚度影响,所以为了减小误差,对于一些能将墩柱模拟进去的建议将墩柱一起模拟,然后在墩柱底进行边界约束。如图1所示为运用桥梁博士软件进行计算的几何模型,这也可以方便后面墩柱和桩基础的计算。盖梁上作用的荷载包括上部结构一期、二期恒载、活载以及自重。在计算活载时,对于简支梁,直接是在相邻两跨的跨长上利用杠杆法得到盖梁支座处的支反力Vqmax,然后对盖梁进行横向加载;对于连续梁,如果已计算了上部结构,则直接取作用于该号墩上的最大活载支反力Vqmax作用于盖梁即可;而对于没有对上部结构进行分析的状态,则可以采用一种简化方法进行计算支反力,即按简支梁在相邻两跨内利用杠杆法得到作用于盖梁的支反力,然后乘以放大系数β,再对盖梁加载。在进行盖梁横向加载时,应根据柱底或支承处支反力Vdq考虑车道数偏载,得到盖梁各控制截面(一般包括悬臂根部、跨中和支点截面)的最不利内力组合进行设计或验算。2最不利组合的组合桥梁墩柱根据其受力特点,大部分都属于偏心受压构件。偏心受压构件在弯矩、轴力共同作用下,截面的极限承载能力随弯矩与轴力的比值,即偏心距e0变化而变化。到大截面极限承载能力时的弯矩MR与NR轴力的曲线关系如图2所示。对于一般桥梁结构的桥墩,除去一些特殊高墩桥外,均属于短柱范围,由图2可见,对于短柱,M与N呈线性关系;对于中长柱,M与N呈非线性关系;NR随MR增大有所降低。根据MR—NR相关图可知:对小偏心受压构件:NR随MR减小而增大;对大偏心受压构件:NR随MR增大而增大,增大到最大的MR后即界限破坏后减小。所以在进行墩柱设计或验算时,应根据偏心受压构件的受力特点来确定其最不利受力状态对应的内力。作用在墩柱上的力,竖向力主要来自上部结构一期及二期恒载、活载,对于有盖梁的还包括盖梁的恒载及墩柱自身重力;水平力主要为桥面汽车制动力,支座摩阻力,梁体混凝土收缩、徐变、温差、地震产生的水平力的不利组合;弯矩由以上竖向力偏心力矩和水平力力矩组成。按照规范规定和构件受力特点进行最不利组合。所有组合的恒载都是一致的,只是可变荷载的组合变化。概括如下:1)组合一(1——最大弯矩对应的最小轴力组合,仅考虑汽车作用):这种组合可能是大偏心受压构件,故在弯矩一定的情况下,轴力愈小,就愈趋近轴力抗力NR;如果是属于小偏心受压构件,则由下一种组合控制。这种组合具体做法如下:a.简支梁。采用汽车单跨加载产生的支反力Vqmax′作用于盖梁后,在墩柱支承处产生的最小支承反力Vdqmin′作为汽车竖向力;此处Vdqmin′可以由单跨加载支反力与双跨加载支反力比值乘以双跨加载得到墩柱支承处的最小支承力Vdqmin(盖梁分析时已得到)得到,即Vqmax´Vqmax×VdqminVqmax´Vqmax×Vdqmin;水平力H主要取制动力和支座摩阻力中的大值,对于桥面连续的简支梁还要考虑梁体混凝土收缩、徐变、温差等产生的水平力;弯矩由Vqmax′和水平力H产生。b.连续梁。竖向力直接为计算盖梁时的Vqmax作用于盖梁后得到墩柱支承处产生的最小支承反力Vdqmin作为汽车竖向力;水平力与桥面连续的简支梁差不多,为制动力、支座摩阻力、梁体收缩、徐变、温差等产生的水平力根据规范进行分配的不利组合;竖向力一般无偏心距,所以弯矩全由水平力产生。2)组合二(2——最小弯矩对应的最大轴力组合,仅考虑汽车作用):这种组合是为了弥补上一种组合发生小偏心受压情况。对于小偏心受压构件,在固定弯矩作用下,轴力愈大,愈接近其轴力抗力NR。对于简支梁,这种组合需要把1)中单跨汽车在墩柱的支承处产生的最小支承反力Vdqmin′改为双跨汽车产生的最大支承反力Vdqmax,弯矩是由双跨汽车支反力和水平力产生的最小弯矩;对于连续梁则只需将墩柱处最小支承反力Vdqmin改为最大支承反力Vdqmax即可。这两种组合对于独柱无盖梁的连续梁墩柱来说并无区别。3)组合三(1——最大弯矩对应的最小轴力组合,考虑有汽车和人群荷载共同作用):由于人群荷载形式不同于汽车,故须考虑只有汽车作用和有人群荷载参与作用两种工况进行对比计算,得到最不利受力状态。人群加载原则与组合一类似,相应得到Vdrmin′和Vdrmin,然后根据规范进行作用效应组合。4)组合四(2——最小弯矩对应的最大轴力组合,考虑有汽车和人群荷载共同作用):同理,人群加载原则与组合二类似,相应得到Vdrmax,然后根据规范进行作用效应组合。得到以上4种组合后,即可进行墩柱的设计或验算。3桩身强度内力组合桩基础计算一般包括单桩极限承载力和桩身强度的设计或验算。单桩承载力的内力只需考虑最大竖向力的组合,比较简洁。进行桩身强度内力计算则类似于墩柱,属于偏心受压构件(对于群桩可能会出现偏心受拉构件),因此可以利用与墩柱一致的方法,计算墩柱的内力组合,根据桩的地质条件,按规范规定的一系列方法计算得到桩对应的不利内力组合。对于群桩基础只要得到承台底的不利组合,即可根据规范进行分配,目前也已有小程序完成这项工作。4算算过程中考虑因素的影响由于桥台还受到土侧压力和台上填土、搭板等的作用,故计算时还应考虑它们的影响进行不利组合。对于台帽计算与桥墩盖梁一致,台身计算内力一般考虑最大弯矩对应的最大轴力作用。桥台桩基础的组合原则同桥墩桩基础,在此不再赘述。5从计算结果的角度进行计算的模式随着公路等级的提高,斜交桥数量也在增多。根据规范规定,当斜交角大于5°时,墩台需斜向布置,对于斜设墩台的计算,目前有3种计算模式,模式一:完全按正桥计算模式进行简化计算(如图3所示);模式二:将纵向外力分解成垂直和顺沿盖梁(或承台)长边方向的两组外力,分别求得再叠加,然后求墩柱或桩的内力(如图4所示);模式三:将模式二在顺桥向进行投影作为墩台的计算模式(如图5所示),即斜向单排桩作为垂直的多排桩来计算。模式一是通常计算中采用的模式,也是最简单、方便的模式,在计算一般的荷载作用时是偏安全的,而在进行抗震设计时则趋于不安全。模式二虽然计算比较模拟实际,但两个方向的力无法共同作用,而且计算复杂,故实际计算中很少采用。模式三是文献中提出的相对比较经济、合理的方法,相对于模式一来说较复杂。因此,在一般荷载作用下计算内力时,大多还是采用模式一,在考虑地震荷载等特殊荷载作用时,推荐采用模式三进行计算。6新结构下部结构的计算目前计算重点主要集中在对上部结