橋梁墩柱的受力分析

橋梁墩柱的受力分析

橋梁結(jié)構(gòu)通常分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)（包括底部基礎(chǔ)部分）。一般的計(jì)算方法都是分兩部分進(jìn)行的:先計(jì)算上部結(jié)構(gòu),再計(jì)算下部結(jié)構(gòu)的墩臺(tái)、基礎(chǔ)等,因此現(xiàn)在大部分的通用計(jì)算程序都是將兩部分計(jì)算單獨(dú)設(shè)計(jì)模塊的。目前,上部結(jié)構(gòu)計(jì)算程序相對(duì)來(lái)說(shuō)已比較完善,且許多中小橋梁的上部結(jié)構(gòu)均是采用標(biāo)準(zhǔn)梁,還有為了滿足交通膨脹需求而拓寬地面使用受限無(wú)法加設(shè)墩臺(tái)的橋梁等狀況,使得下部結(jié)構(gòu)的計(jì)算尤顯重要。雖然現(xiàn)在下部結(jié)構(gòu)的計(jì)算程序也很多,但能完整模擬其受力的還很少,其中有一大部分需手算,尤其是下部結(jié)構(gòu)所受的外力及其組合部分。1總體分析方法《墩臺(tái)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中算例對(duì)墩臺(tái)內(nèi)力按下列方法計(jì)算:當(dāng)荷載對(duì)稱布置時(shí),按杠桿法計(jì)算;當(dāng)荷載偏心布置時(shí),按偏心壓力法計(jì)算;兩種布載狀況的內(nèi)力取大值控制設(shè)計(jì)。這種算法沒(méi)有真正體現(xiàn)規(guī)范用意,僅為兩種布載方法下的內(nèi)力計(jì)算,而不是各截面最不利狀態(tài)的內(nèi)力計(jì)算,所算內(nèi)力存在著不安全因素。精確做法,應(yīng)該是將蓋梁類似于上部結(jié)構(gòu)主梁一樣進(jìn)行計(jì)算,采用通用計(jì)算程序進(jìn)行建模分析。在建模時(shí),蓋梁的支承條件很難精確模擬,因?yàn)槠涫艿蕉罩盎A(chǔ)的剛度影響,所以為了減小誤差,對(duì)于一些能將墩柱模擬進(jìn)去的建議將墩柱一起模擬,然后在墩柱底進(jìn)行邊界約束。如圖1所示為運(yùn)用橋梁博士軟件進(jìn)行計(jì)算的幾何模型,這也可以方便后面墩柱和樁基礎(chǔ)的計(jì)算。蓋梁上作用的荷載包括上部結(jié)構(gòu)一期、二期恒載、活載以及自重。在計(jì)算活載時(shí),對(duì)于簡(jiǎn)支梁,直接是在相鄰兩跨的跨長(zhǎng)上利用杠桿法得到蓋梁支座處的支反力Vqmax,然后對(duì)蓋梁進(jìn)行橫向加載;對(duì)于連續(xù)梁,如果已計(jì)算了上部結(jié)構(gòu),則直接取作用于該號(hào)墩上的最大活載支反力Vqmax作用于蓋梁即可;而對(duì)于沒(méi)有對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的狀態(tài),則可以采用一種簡(jiǎn)化方法進(jìn)行計(jì)算支反力,即按簡(jiǎn)支梁在相鄰兩跨內(nèi)利用杠桿法得到作用于蓋梁的支反力,然后乘以放大系數(shù)β,再對(duì)蓋梁加載。在進(jìn)行蓋梁橫向加載時(shí),應(yīng)根據(jù)柱底或支承處支反力Vdq考慮車道數(shù)偏載,得到蓋梁各控制截面(一般包括懸臂根部、跨中和支點(diǎn)截面)的最不利內(nèi)力組合進(jìn)行設(shè)計(jì)或驗(yàn)算。2最不利組合的組合橋梁墩柱根據(jù)其受力特點(diǎn),大部分都屬于偏心受壓構(gòu)件。偏心受壓構(gòu)件在彎矩、軸力共同作用下,截面的極限承載能力隨彎矩與軸力的比值,即偏心距e0變化而變化。到大截面極限承載能力時(shí)的彎矩MR與NR軸力的曲線關(guān)系如圖2所示。對(duì)于一般橋梁結(jié)構(gòu)的橋墩,除去一些特殊高墩橋外,均屬于短柱范圍,由圖2可見(jiàn),對(duì)于短柱,M與N呈線性關(guān)系;對(duì)于中長(zhǎng)柱,M與N呈非線性關(guān)系;NR隨MR增大有所降低。根據(jù)MR—NR相關(guān)圖可知:對(duì)小偏心受壓構(gòu)件:NR隨MR減小而增大;對(duì)大偏心受壓構(gòu)件:NR隨MR增大而增大,增大到最大的MR后即界限破壞后減小。所以在進(jìn)行墩柱設(shè)計(jì)或驗(yàn)算時(shí),應(yīng)根據(jù)偏心受壓構(gòu)件的受力特點(diǎn)來(lái)確定其最不利受力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的內(nèi)力。作用在墩柱上的力,豎向力主要來(lái)自上部結(jié)構(gòu)一期及二期恒載、活載,對(duì)于有蓋梁的還包括蓋梁的恒載及墩柱自身重力;水平力主要為橋面汽車制動(dòng)力,支座摩阻力,梁體混凝土收縮、徐變、溫差、地震產(chǎn)生的水平力的不利組合;彎矩由以上豎向力偏心力矩和水平力力矩組成。按照規(guī)范規(guī)定和構(gòu)件受力特點(diǎn)進(jìn)行最不利組合。所有組合的恒載都是一致的,只是可變荷載的組合變化。概括如下:1)組合一(1——最大彎矩對(duì)應(yīng)的最小軸力組合,僅考慮汽車作用):這種組合可能是大偏心受壓構(gòu)件,故在彎矩一定的情況下,軸力愈小,就愈趨近軸力抗力NR;如果是屬于小偏心受壓構(gòu)件,則由下一種組合控制。這種組合具體做法如下:a.簡(jiǎn)支梁。采用汽車單跨加載產(chǎn)生的支反力Vqmax′作用于蓋梁后,在墩柱支承處產(chǎn)生的最小支承反力Vdqmin′作為汽車豎向力;此處Vdqmin′可以由單跨加載支反力與雙跨加載支反力比值乘以雙跨加載得到墩柱支承處的最小支承力Vdqmin(蓋梁分析時(shí)已得到)得到,即Vqmax′Vqmax×VdqminVqmax′Vqmax×Vdqmin;水平力H主要取制動(dòng)力和支座摩阻力中的大值,對(duì)于橋面連續(xù)的簡(jiǎn)支梁還要考慮梁體混凝土收縮、徐變、溫差等產(chǎn)生的水平力;彎矩由Vqmax′和水平力H產(chǎn)生。b.連續(xù)梁。豎向力直接為計(jì)算蓋梁時(shí)的Vqmax作用于蓋梁后得到墩柱支承處產(chǎn)生的最小支承反力Vdqmin作為汽車豎向力;水平力與橋面連續(xù)的簡(jiǎn)支梁差不多,為制動(dòng)力、支座摩阻力、梁體收縮、徐變、溫差等產(chǎn)生的水平力根據(jù)規(guī)范進(jìn)行分配的不利組合;豎向力一般無(wú)偏心距,所以彎矩全由水平力產(chǎn)生。2)組合二(2——最小彎矩對(duì)應(yīng)的最大軸力組合,僅考慮汽車作用):這種組合是為了彌補(bǔ)上一種組合發(fā)生小偏心受壓情況。對(duì)于小偏心受壓構(gòu)件,在固定彎矩作用下,軸力愈大,愈接近其軸力抗力NR。對(duì)于簡(jiǎn)支梁,這種組合需要把1)中單跨汽車在墩柱的支承處產(chǎn)生的最小支承反力Vdqmin′改為雙跨汽車產(chǎn)生的最大支承反力Vdqmax,彎矩是由雙跨汽車支反力和水平力產(chǎn)生的最小彎矩;對(duì)于連續(xù)梁則只需將墩柱處最小支承反力Vdqmin改為最大支承反力Vdqmax即可。這兩種組合對(duì)于獨(dú)柱無(wú)蓋梁的連續(xù)梁墩柱來(lái)說(shuō)并無(wú)區(qū)別。3)組合三(1——最大彎矩對(duì)應(yīng)的最小軸力組合,考慮有汽車和人群荷載共同作用):由于人群荷載形式不同于汽車,故須考慮只有汽車作用和有人群荷載參與作用兩種工況進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,得到最不利受力狀態(tài)。人群加載原則與組合一類似,相應(yīng)得到Vdrmin′和Vdrmin,然后根據(jù)規(guī)范進(jìn)行作用效應(yīng)組合。4)組合四(2——最小彎矩對(duì)應(yīng)的最大軸力組合,考慮有汽車和人群荷載共同作用):同理,人群加載原則與組合二類似,相應(yīng)得到Vdrmax,然后根據(jù)規(guī)范進(jìn)行作用效應(yīng)組合。得到以上4種組合后,即可進(jìn)行墩柱的設(shè)計(jì)或驗(yàn)算。3樁身強(qiáng)度內(nèi)力組合樁基礎(chǔ)計(jì)算一般包括單樁極限承載力和樁身強(qiáng)度的設(shè)計(jì)或驗(yàn)算。單樁承載力的內(nèi)力只需考慮最大豎向力的組合,比較簡(jiǎn)潔。進(jìn)行樁身強(qiáng)度內(nèi)力計(jì)算則類似于墩柱,屬于偏心受壓構(gòu)件(對(duì)于群樁可能會(huì)出現(xiàn)偏心受拉構(gòu)件),因此可以利用與墩柱一致的方法,計(jì)算墩柱的內(nèi)力組合,根據(jù)樁的地質(zhì)條件,按規(guī)范規(guī)定的一系列方法計(jì)算得到樁對(duì)應(yīng)的不利內(nèi)力組合。對(duì)于群樁基礎(chǔ)只要得到承臺(tái)底的不利組合,即可根據(jù)規(guī)范進(jìn)行分配,目前也已有小程序完成這項(xiàng)工作。4算算過(guò)程中考慮因素的影響由于橋臺(tái)還受到土側(cè)壓力和臺(tái)上填土、搭板等的作用,故計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮它們的影響進(jìn)行不利組合。對(duì)于臺(tái)帽計(jì)算與橋墩蓋梁一致,臺(tái)身計(jì)算內(nèi)力一般考慮最大彎矩對(duì)應(yīng)的最大軸力作用。橋臺(tái)樁基礎(chǔ)的組合原則同橋墩樁基礎(chǔ),在此不再贅述。5從計(jì)算結(jié)果的角度進(jìn)行計(jì)算的模式隨著公路等級(jí)的提高,斜交橋數(shù)量也在增多。根據(jù)規(guī)范規(guī)定,當(dāng)斜交角大于5°時(shí),墩臺(tái)需斜向布置,對(duì)于斜設(shè)墩臺(tái)的計(jì)算,目前有3種計(jì)算模式,模式一:完全按正橋計(jì)算模式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算(如圖3所示);模式二:將縱向外力分解成垂直和順沿蓋梁(或承臺(tái))長(zhǎng)邊方向的兩組外力,分別求得再疊加,然后求墩柱或樁的內(nèi)力(如圖4所示);模式三:將模式二在順橋向進(jìn)行投影作為墩臺(tái)的計(jì)算模式(如圖5所示),即斜向單排樁作為垂直的多排樁來(lái)計(jì)算。模式一是通常計(jì)算中采用的模式,也是最簡(jiǎn)單、方便的模式,在計(jì)算一般的荷載作用時(shí)是偏安全的,而在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)則趨于不安全。模式二雖然計(jì)算比較模擬實(shí)際,但兩個(gè)方向的力無(wú)法共同作用,而且計(jì)算復(fù)雜,故實(shí)際計(jì)算中很少采用。模式三是文獻(xiàn)中提出的相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)、合理的方法,相對(duì)于模式一來(lái)說(shuō)較復(fù)雜。因此,在一般荷載作用下計(jì)算內(nèi)力時(shí),大多還是采用模式一,在考慮地震荷載等特殊荷載作用時(shí),推薦采用模式三進(jìn)行計(jì)算。6新結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu)的計(jì)算目前計(jì)算重點(diǎn)主要集中在對(duì)上部結(jié)