第七章 支座与墩台

第七章支座与墩台

第一节支座

一、支座构造分类

由于桥梁跨径、支座反力、支座允许转动与位移的不同，选用的支座材料的不同，支座是否满足防震、减震要求的不同，桥梁支座有许多类型。

常用支座类型有：板式橡胶支座、盆式橡胶支座、球形钢支座、减隔震支座等。

1．板式橡胶支座

由数层薄橡胶片与薄钢板镶嵌、粘合、压制而成。

上部结构的竖向荷载通过固定在桥跨结构的上支座板转递给支座。

无固定支座与活动支座之分。

有较大的剪切变形以满足上部结构的水平位移。

有良好的弹性，以适应梁端的转动。

2．盆式橡胶支座

盆式橡胶支座是钢构件与橡胶组合而成的新型桥梁支座。

具有足够的竖向刚度以承受垂直荷载，能将上部结构的反力可靠地传递给墩台。

盆式橡胶支座分固定支座与活动支座。

由聚四氟乙烯板与钢板间的滑动提供水平位移量。

由承压橡胶块承受荷载，并依靠其变形保证桥跨结构在支点处的转角。

支座的布置及要求：

根据梁桥的结构体系以及桥宽，支座在纵、横向的布置方式则不同。

安放支座，应使上部结构的支点位置与下部结构的支座中线对中；要正确地确定支座所承受的荷载和活动支座的位移量。

特殊设计的支座：

一般包括：大吨位的球形钢支座、拉力支座和抗震支座。

二、支座特点及变形要求

一）梁桥支座特点

支座设置在桥梁的上部结构与墩台之间，其作用是将桥跨结构上的各种荷载反力传递到墩台上，同时保证桥跨结构所要求的位移和转动，使上、下部结构的实际受力情况与计算的理论图式相符合。

作用在支座上的竖向力有结构自重的反力、活荷载的支点反力及其影响力。在计算汽车荷载支座反力时，应计入冲击影响力。当支座可能出现上拔力时，应分别计算支座的最大竖向力和最大上拔力。

正交直线桥梁的支座，一般仅需计入纵向水平力。斜桥和弯桥的支座，还需要考虑由于汽车荷载的离心力或其它原因如风力等产生的横向水平力。

汽车荷载产生的制动力，应按照公路桥涵设计规范要求，根据车道数确定。刚性墩台各种支座传递的制动力，按规范中的规定采用。其中，规定每个活动支座传递的制动力不得大于其摩阻力；当采用厚度相等的板式橡胶支座时，制动力可平均分配至各支座。对于简支梁桥，当采用柔性排架墩时，制动力可按其刚度分配；设有板式橡胶支座的柱式墩台，可考虑联合作用。在计算支座水平力时，汽车荷载产生的制动力不应与支座的摩阻力同时考虑。其它水平力的计算按规范有关条文采用。

地震地区桥梁支座的外力计算，应根据设计的地震烈度，按<<公路工程抗震设计规范>>的规定进行计算和组合。

二）结构变形要求

支座的作用不仅在于作为桥梁上部结构的支承点、集中传力点；而且，它也应在结构图式许可的条件下，具有适应结构运营过程中必要变形的功能。

例如，对于简支梁与连续梁，由于温度变形而集中产生在支座处的水平位移，以及在车辆荷载作用下支点处的转动变形等，都是结构图式所许可的变形。因此，必须根据结构的特点，选配既满足承载能力也适应变形要求的合适支座。

三、板式橡胶支座的设计计算

根据结构的特点，选配既满足承载能力也适应变形要求的合适支座。

一）技术要要求

板式橡胶支座有矩形和圆形。支座的橡胶材料以氯丁橡胶为主，也可采用天然橡胶。氯丁橡胶一般用于最低气温不超过-25℃的地区，天然橡胶用于-30℃～-40℃的地区。

板式橡胶支座的基本设计数据应按下列规定采用，其产品分类、技术要求、试验方法、检验规则等应符合《公路桥梁板式橡胶支座》(JT/T4)的规定。

=10.0MPa

1．支座使用阶段的平均压应力限值

c

G =1.OMPa

2．常温下橡胶支座剪变模量

e

橡胶支座剪变模量随橡胶变冷而递增，当累年最冷月平均温度的平均值为O~-10℃时，e G 值应增大20%；当低于-10℃时，e G 值应增大50%；当低于-25℃时，e G 为2MPa 。

3．形状系数S 为橡胶支座的承压面积与自由表面积之比。橡胶支座抗压弹性模量和支座形状系数应按下列公式计算

24.5S G E e e =

矩形支座

)(2ob oa es ob oa l l t l l S +=

圆形支座

es o

t d S 4= 式中：e E -支座抗压弹性模量(MPa)； e G -支座剪变模量；S-支座形状系数；oa l 、ob

l 矩形支座加劲钢板短边、长边尺寸；

0d -圆形支座钢板直径；es t -支座中间层单层橡胶厚

度。 根据试验分析，橡胶压缩弹性模量E 、容许压应力[σ]和容许剪切角[tg γ]的数值，均与支座的形状系数S 有关。

支座形状系数应在5≤S ≤12范围内取用。

4．橡胶弹性体体积模量 E b =2000MPa 。

5．支座与不同接触面的摩擦系数

1)支座与混凝土接触时，μ=0.3；

2)支座与钢板按触时，μ=0.2；

3)聚四氟乙烯板与不锈钢板按触（加硅脂）时， f μ=O.06；当温度低于-25℃时， f μ值增大30%；当不加硅脂时， f μ值应加倍。当有实测资料时，也可按实测资料采用。

6．橡胶支座剪切角α正切值限值:

1)当不计制动力时，αtan ≤0.5；

2)当计入制动力时，αtan ≤0.7。

二）支座尺寸的确定：

1．确定支座平面面积A

根据橡胶支座和支承垫石混凝土的压应力不超过它们相应容许承压应力的要求确定。板式橡胶支座有效承压面积按下列公式计算：

c ck e R A σ=

A e -支座有效承压面积(承压加劲钢板面积)；

c σ-支座压力标准值，汽车荷载应计人冲击系数。

2．橡胶支座的厚度e t 。

板式橡胶支座橡胶层总厚度应符合下列规定:

1)从满足剪切变形考虑，应符合下列条件:

不计制动力时 e t ≥2l ?

计入制动力时 e t ≥1.43l ?

当板式橡胶支座在横桥向平行于墩台帽横坡或盖梁横坡没置时，支座橡胶层总厚度应符合下列条件:

不计制动力时 e t ≥22

2

t l ?+?

计入制动力时 e t ≥1.432

2

t l ?+?

l ?-由上部结构温度变化、混凝土收缩和徐变等作用标准值引起的剪切变形和纵向力标准值(当计入制动力时包括制动力标准值)产生的支座剪切变形，以及支座直接设置于不大于1%纵坡的梁底面下，在支座顶面由支座承压力标准值顺纵坡方向分力产生的剪切变形；

t ?-支座在横桥向平行于不大于2%的墩台帽横坡或盖梁横坡上设置，由支庄承压力标准值平行于横坡方向分力产生的剪切变形。

2)从保证受压稳定考虑，应符合下列条件:

矩形支座 10a l ≤e t ≤5a l

圆形支座 10d ≤e t ≤5d

式中a l -形支座短边尺寸；d -圆形支座直径。

3．板式橡胶支座竖向平均压缩变形应符合下列规定:

b e e ck e e e ck m

c E A t R E A t R +=,δ （2

a l θ[不脱空]≤m c ,δ≤0.07e t [支座稳定性]）

式中m c ,δ-支座竖向平均压缩变形；a l -矩形支座短边尺寸或圆形支座直径；θ-由上部结构挠曲在支座顶面引起的倾角，以及支座直接设置于不大于1%纵坡的梁底面下，在支座顶面引起的纵坡坡角(rad)。

4．板式橡胶支座加劲钢板应符合下列规定，且其最小厚度不应小于2mm 。

s e l es u es ck p s A t t R K t σ)

(,,+=

式中：s t -支座加劲钢扳厚度；p K -应力校正系数，取1.3[欧洲1.3国际铁联2]；

u es t ,、l es t ,-一块加劲钢板上、下橡胶层厚度；

s σ-加劲钢板轴向拉应力限值，可取钢材屈服强度的0.65倍。

加劲钢板与支座边缘的最小距离不应小于5mm ，上、下保护层厚度不应小于2.5mm 。

三）板式橡胶支座抗滑稳定

应符合下列规定:

不计汽车制动力时

GK R μ≥1.4e l g e t A G ? 计人汽车制动力时

CK R μ≥1.4e l g e t A G ?+bk F 式中：

GK R -由结构自重引起的支座反力标准值； ck R -由结构自重标准值和0.5倍汽车荷载标准值(计人冲击系数)引起的支反力； l ?-见上条，但不包括汽车制动力引起的剪切变形；

bk F -由汽车荷载引起的制动力标准值；

g

A -支座平面毛面积。: 四）聚四氟乙烯滑板式橡胶支座的摩擦力

应符合下列规定:

不计汽车制动力时 GK f R μ≤αtan g e A G

计人汽车制动力时 GK f R μ≤αtan g e A G

式中f μ-聚四氟乙烯与不锈钢板的摩擦系数，按上述规定采用；

tan -橡胶支座剪切角正切值的限值，不计制动力或计入制动力分别按上述规定采用；

ck

R -由结构自重标准值和汽车荷载你准值(计入冲击系数)引起的支座反力； g A -支座平面毛断积。

五）板式橡胶支座选配

成品的板式橡胶支座早已形成系列，故在一般的情况下，没有必要自行设计支座，只需根据标准成品支座的目录，选配合适的产品。

我国交通部颁布的成品板式橡胶支座代号表示方法，按交通部JT 标准规定：有这样几项代码组成：名称、型式、规格及胶种。如GJZ300×400×47(CR)，表示公路桥梁矩形、平面尺寸300×400、厚度为47的氯丁橡胶支座；又如GYZF4300×54(NR)，表示公路桥梁圆形、直径300、厚度为54、带聚四氟乙烯滑板的天然橡胶支座。

示例：

根据示例说明如何先配成品板式橡胶支座。

四、盆式橡胶支座

一）基本要求

应按《公路桥梁盆式橡胶支座》(JT391)选用，但应符合下列要求:

1．按竖向荷载(汽车应计入冲击系数)标准值组合计算的支座承压力

ck R ，与《公路

桥梁盆式橡胶支座》表中“设计承载力”比较选用。

2．固定支座在各方向和单向活动支座非滑移方向的水平力标准值，不得大于该标准“设计承载力”的10%。

3．计算的支座转动角度不得大于0.02 rad 。

二）支座的选配

盆式橡胶支座能否适用于所设计的桥梁，当然首先考虑的是其容许转角及水平能承受的推力能否满足要求。一般来说，GPZ 、TPZ-1等系列的支座对这两个要求均能满足。若转角和水平推力超出容许范围，则需要改变支座的设计。

关于在桥梁设计中支座如何合理选用问题，即究竟选用何种类型的支座，则需根据桥梁结构图式的要求决定。当然，在一般情况下，固定端选用固定支座，活动端选用活动支座。但若横桥向伸缩值不容忽视的时候，结构图式的固定端就不能单一采用GD 类型的支座。这是由于现代桥梁的桥面越来越宽，超过20m 已屡见不鲜，这时由温度等因

素引起的横桥向伸、缩量便不可忽略了，有的可达到中等跨径桥梁纵向的伸缩量。为保证梁不发生纵向位移，又能满足多梁式宽桥的横桥向位移，这时可将单方向活动支座转过90°横置梁下，使其顺桥向起固定支座的作用下，而横桥向则起活动支座的作用。

支座承载力大小的选择，应根据桥梁恒载、活载的支点反力之和及墩台上设置的支座数目来计算。合适的支座一般为：最大反力不超过支座容许承载力的5%，最小反力不低于容许承载力的80%。规定最小反力的目的是保证支座具有良好的滑移性能，因为聚四氟乙烯板的磨擦系数与压力成反比，如果低于规定的数值，则磨擦系数将会增大。支座选配时，一般不必过多担心支座的安全储备，比如计算得到一个支座的最大反力为4100，最小反力为3700那就选用承载力为4000的支座，这是因为4000支座的允许支反力变化范围是3200～4200，不要从更安全的角度考虑加大支座的承载力而选5000的支座。因为5000支座最低合适的承载力是4000，而最小支反力3700已小于此值，故不适宜选用。虽然我们规定最大反力，不超过容许承载力的5%，但支座实际的安全系数一般在5以上。

作业：

1．预应力混凝土简支T梁，标准跨径L=26.0m，计算跨径L计 =25.3m,由五片主梁组成，桥宽为净7+2*1.0m,双车道(见图)。设计荷载公路-I级,主梁混凝土标号为50号，

每片主梁的抗弯惯矩I

0=0.1573m4。已知梁端的恒载反力N

=266kN，活载反力

N pmax =202.4kN，N

pmin

=68.3kN，年平均最高40℃,年平均最低温度-10℃，架梁温度10℃。

如果每片主梁的梁端设置一块等厚板式橡胶支座，试设计支座尺寸，并验算支座偏转和抗滑性能。可供选择的支座规格有：150×300×21mm, 150×350×21mm, 180×300×28mm，180×350×28mm, 200×250×28mm。

(提示：在汽车荷载作用下，梁端转角θ=ql2 /24EI，变形计算中EI=0.85EI。)

2．已知梁端的最大反力为2100KN，试设计采用底盆式橡胶活动支座的

1)橡胶块的直径和厚度；

2)聚四氟乙烯板直径和厚度；

3)钢盆壁的厚度；

4)验算钢盆壁的应力；

5)画出该支座的构造图；

(提示：计算中盆壁高度取橡胶块厚度1.5倍，钢盆容许应力[σ]=120N/mm2，橡胶板和聚四氟乙烯板的[σ]值参考教材。)

3．简述橡胶支座的分类、构造和工作原理。

4．板式橡胶支座有哪些计算内容？

5．规范规定橡胶支座的基本要求是什么？

6．如何选配橡胶支座？

第二节梁桥墩台

一、概述

桥梁墩台是桥梁结构的重要组成部分，它主要由墩台帽、墩台身和基础三部分组成。桥梁承担着桥梁上部结构产生的荷载，并将荷载有效地传递给地基基础，起“承上启下”的作用。

1．桥墩的类型与构造

桥墩按构造可分为实体墩、空心墩、柱式墩、柔性墩、框架墩等。

2．桥墩防撞

流冰或飘流物对桥墩的撞击，船只因突发原因引起航行失控，或是因能见度低造成船舶与桥墩相撞。

3．桥墩造型

桥梁的美学效果。桥梁设计不但要确保安全、耐久，同时还要求桥梁下部结构的造型与周围的地形、地貌条件密切相关，使桥梁与环境和谐、匀称。

4．桥台的类型与构造

按形式可划分为重力式桥台、轻型桥台、框架式桥台、组合式桥台和承拉桥台。

5．墩台计算

根据墩台的受力与工作阶段，给出可能同时作用荷载的组合，以确定最不利的受力状态。

二、墩台计算

一）桥墩上的作用

作用在桥梁墩台上的作用有永久作用、可变作用和偶然荷载作用。

在墩台设计计算过程中，应根据墩台的受力与工作阶段，给出可能同时的作用组合，以确定出最不利的受力状态。

包括恒载和水的浮力，侧向土压力，汽车荷载冲击力，汽车荷载制动力，流水压力，冰压力，般只或飘物的撞击力，地震力。

1．恒载和水的浮力

桥梁上部结构恒载传至墩台的计算值，由桥梁支座反力计算确定。对于墩台在水下和土中部分自重的计算方法，要根据地基土的性质加以考虑。

水对水下墩台或土的固体颗粒的浮力作用，可用墩台圬工的浮容重或土的浮容重来反映。

2．侧向土压力

梁桥桥台的侧土压力，一般按主动土压力计算。当桥台刚度很大，不可能产生微量移动，滑动土体不可能形成时，可按静止土压力计算。

在计算土压力时，还需注意台背外倾、台前溜坡土压力、桩柱式桥台土压力的计算宽度、桥台后填土破坏棱体上有车辆荷载几种特殊情况。

3．汽车荷载冲击力

钢筋混凝土桩柱式墩台，以及其它轻型墩台，在计算汽车荷载时应计入冲击力。冲击力的计算按公路桥涵设计规范进行。

4．汽车荷载制动力

当汽车荷载在桥上制动或减速时，在车轮与桥面之间产生相互作用力，此时桥面受到方向与车辆行进方向相同的力，即称制动力。制动力可按公路桥涵设计规范中有关规定计算。

5．流水压力

作用在桥墩上的流水压力，可按公路桥涵设计规范的有关规定计算。

6．冰压力

严寒地区位于有冰棱河流或水库中的桥梁墩台，应根据当地冰棱的具体情况及墩台形状计算冰压力。

7．船只或飘流物的撞击力

船只或漂流物的撞击力，虽是桥梁墩台的偶然荷载，但是对桥墩结构的危害性很大，对于通航河道或有漂流物的河流中的墩台，设计时应考虑船只或漂流物的撞击力。

8．地震力

在地震区建造的桥梁，地震力是一项十分重要和危害性大的偶然荷载，在墩台设计计算时要进行抗震验算和必要的防护构造措施设计。

二）作用组合

1．最不利作用

桥墩计算时，一般需验算墩身截面的强度、作用在墩身截面上合力的偏心距及桥墩的稳定性等。需根据不同的验算内容选择各种可能的最不利作用组合。

2．桥墩作用组合

桥墩计算据不同的验算内容，可能出现的最不利作用组合。

１）桥墩在顺桥向承受最大竖向荷载的组合。（双孔荷载）

２）桥墩在顺桥向承受最大水平荷载的组合。（单孔荷载）

３）桥墩承受最大横桥方向的偏载、最大竖向荷载。

４）桥墩在施工阶段的受力验算。

５）需要进行地震力验算的桥墩，还要按偶然组合进行验算。

各种不同的作用组合，均应满足公路桥涵设计规范中所规定的强度安全系数、容许偏心距和稳定系数。

3．桥台作用组合

桥台的作用组合方法和桥墩相似，也须针对验算项目及验算截面的位置按公路桥涵设计规范进行可能的作用组合。

由于活载可以布置在桥跨结构上，也可布置在台后，在确定荷载最不利组合时，下列几种加载情况可作参考：

1）在桥跨结构上布置车辆荷载，温度下降，制动力（向桥孔方向），并考虑台后土侧压力(考虑最大弯矩组合)；

2）在台后破坏棱体上布置车辆荷载，温度下降，并考虑台后土侧压力(考虑最大水平力与最大反向弯矩组合)；

3）在桥跨结构上和台后破坏棱体上都布置车辆荷载（当桥台尺寸较大时，还要考虑在桥跨结构上、台后破坏棱体上和桥台上同时都布置活载的情况），温度下降，制动力（向桥孔方向），并考虑台后土侧压力(考虑最大竖向力组合)。

三）桥梁墩台的计算与验算

一般重力式梁桥墩台的验算包括强度验算、偏心距验算和稳定性验算等；对于高度超过20 m的重力式实体墩台、各种空心墩和桩，尤其是柱式轻型墩台，尚需要计算及验算墩台的弹性位移。

梁桥墩台在验算时需经历这些步骤：拟定各部分尺寸；根据可能出现的荷载和外力进行最不利的荷载组合；选取验算截面和验算内容；计算各截面的内力，进行配筋和验算。

1．重力式墩台的验算

包括截面强度验算、墩台的稳定验算、墩顶水平位移计算。

2．桩柱式墩台的计算

包括盖梁计算、墩台桩柱计算、墩台顶部位移计算。

1）盖梁计算

a.计算图式：桩柱式墩台通常按钢筋混凝土构件设计，盖梁与桩柱按刚构计算。 当盖梁与桩柱的线刚度（EI/L ）比大于5时，双柱式墩台盖梁可按简支梁计算，多柱式墩台盖梁可按连续梁计算，计算支点负弯矩时，可考虑柱支承宽度的影响，圆柱换算成方柱（0.8d ）。

对简支梁（2.0＜l/h ≤5.0），连续梁（2.5＜l/h ≤5.0），按深梁计算。

当（l/h ＞5.0）按一般构件计算。

简支梁的计算跨径l ，取l c (支承中心距离)和1.15l n (盖梁净跨径)较小者。当作为

连续梁或刚架计算时为支承中心距离。

b.外力计算：作用在盖梁上的外力主要考虑上部结构恒载支座反力、盖梁自重及活载。

c.内力计算：公路桥梁桩柱式墩台的盖梁通常采用双悬臂式，计算时控制截面选取在支点和跨中截面。

d.配筋验算：盖梁的配筋验算方法与钢筋混凝土梁配筋类同，根据弯矩包络图配置受弯钢筋，根据剪力包络图配置斜筋和箍筋。

e.最大裂缝宽度：限值同钢筋混凝土结构的规定，公式如下：

???

? ??++=ρσ1028.0303

21d E C C C W s ss fk 其中：??? ??+=14.0313h l C 2）墩台桩柱计算

《基础工程》讲

3）墩台顶部位移计算

《基础工程》讲

3．柔性墩的计算要点

包括墩顶水平位移计算、墩顶水平力计算。

1）计算图式：把双固定支座布置的柔性墩视为下端固结，上端有水平约束的铰接支承的超静定梁。

2）基本假定：包括水平力的叠加原理，制动力的刚度分配，土压力计算，水平力组合。

a.水平力的叠加原理：在墩顶弯矩不大的前提下，柔性墩顶水平力可采用叠加原理

进行计算。 b.制动力的刚度分配：假定上部结构与桩柱顶不发生相对位移，制动力按各墩抗推刚度（柔度倒数）分配。

i i

i l EI K δ133== c.土压力计算：计算土压力时，如设有实体刚性墩台，则全部由有关的刚性墩台承受，如均为柔性墩，则岸墩承受的土压力由对岸的土抗力平衡，其余柔性墩不计其影响。

d.墩顶水平力计算：水平力组合时，桩柱顶的制动力、水平土压力（当边排架向河心偏移时）及竖向偏载产生的水平力的代数和不允许大于支座摩阻力。当前三者与温度变化产生水平力的总和大于支座摩阻力时，按摩阻力计算。

3)墩顶水平位移计算：包括柔性墩（台）顶制动力引起的水平位移△z ，梁的温度变形△t ，在竖向活载作用下梁长度的变化△s 。

a.制动力作用：

由制动力产生的墩顶水平位移为：

i iz z K f /=? b.温度变形：

由温度变形产生的墩顶水平位移为：?∑t i t L =α；

c.竖向活载作用：

由梁的挠曲可计算梁的下缘伸长值s ?；

墩顶水平位移综合值： s t z i ?+?+?=?

4）墩顶水平力计算：

a.水平位移产生的水平力H △i ；

i i i K H ??=?

b.由于墩顶产生了水平位移竖向力在墩内引起弯矩而在墩顶产生的水平反力H N ；

i

i N l N H ?-=45 c.由于墩顶弯矩而产生的水平反力H M0。

i

M l M H 005.1-=

4．空心墩的计算特点

包括强度及稳定验算、墩顶位移计算、墩壁的局部稳定验算、温度应力计算、空心墩帽计算、自振周期。

1)强度及稳定验算：

在强度验算中，按钢筋混凝土偏心受压构件验算混凝土、钢筋的强度及整体稳定性。

2)墩顶位移计算：

在验算墩顶位移时，应计入温差产生的位移值。

3)墩壁的局部稳定验算：

空心墩的局部稳定与桥墩壁厚及其是否设置横隔板有关。空心墩的局部稳定可按板壳空间结构模型进行分析，而且局部失稳均在弹塑性范围内发生。

4)温度应力计算：

对空心墩必须进行温度应力的计算，温度沿截面的分布以向阳面为基线，随距离的增大而迅速地减小，并按指数函数规律变化。

5)空心墩帽计算：

一般应从刚度来确定墩帽高度。

6)自振周期：

空心高墩应特别注意风力和地震力的作用。应考虑风振的影响计算其自振周期，空心高墩自振周期的计算方法。

作业：

1．双柱式桥墩尺寸如图.已知：上部结构为钢筋混凝土T梁，5片主梁，主梁翼缘宽 1.6m，主梁跨径20m，桥面净空净7+2×0.75m，各个支座的恒载反力如图示：

R 1=R

5

=167.36KN，R

2

=R

4

=170.56KN，R

3

=168.66KN，设计荷载：公路-I级，人群荷载：2.0KN/m2，

试计算：

1)盖梁各截面(1#-5#)的最大内力值，画出盖梁内力包络图。

2)配置盖梁的受弯，受剪钢筋。

3)求墩柱的最大柱力。

4)进行墩柱的配筋及应力验算。

2．简述盖梁计算图式和计算内容。

3．柔性墩计算时，制动力和温度力是如何分配的？