奥鹏作业网西交《桥梁工程》拓展资本（八）
第九章 桥梁墩台
一、桥梁墩台计划实例
桥梁的墩台是桥梁构造的支撑体，与上部构造简支梁的标准化出产对比，下部构造计划受地形、地质、水文、抗震以及上部构造情势等要素把持每每浮现多样化。大跨度桥梁更是如此。下面给出一个桥梁的计划实例，供同窗们进修：
如上图，该桥为一座铁路持续梁桥，中间分辨与地道跟路嵌相连接。超越V型冲沟，冲沟流量较小，但不得把沟填埋，因为沟旁另有一条道路，改移道路比较艰苦。业内有一条谚语“改河不成功的，改沟不不淤积的”，可见工程计整齐般不要锐意去改变大的地形地貌。这个沟改起来不是怕淤积，而是怕填高后还冲要刷到现在的地位。这就招致了2号桥墩桩基的计划异常艰苦（墩高30米，外侧桩基悬空有6米）。3号桥台与地道相接，台后为岩石，因此根据现实须要仅采取L型钢筋混凝土浅易桥台，降落投资。
根据地势采取1联40+64+40m持续梁停止超越，大里程偏向与太行山地道相接。根据工程地质报告，桥址区地层重要为上更新统坡洪积层细角砾土、粗角砾土，下伏震旦系串岭沟组砂质页岩、石英砂岩；地动动峰值减速度为0.10g，地动基本烈度Ⅶ度，地动动反应谱特点周期为0.40s。
主桥桥墩采取顶部尺寸为3.6×6.9m的变截面圆端型实体桥墩；1#主墩下部采取8根φ1.5m钻孔桩；2#主墩下部采取6根φ2.0m钻孔桩。
以下为抗震打算。抗震打算采取无限元顺序ANSYS停止空间分析，下图为无限元空间模型。经由过程以下内容同窗们可能懂得一下桥梁无限元仿真的一般过程。
ANSYS无限元模型图
（一）抗震打算的计划思考
1、梁体的地动感化地位
简支梁梁体地动感化点顺桥向位于支座核心，横桥向位于梁高的1/2处。对变截面持续梁横桥向地动感化地位不好断定，为了降落单墩模型与全桥模型的主要差别，本次打算对持续梁横桥向感化地位采取墩顶各段梁体质心的加权均匀值，权重为各段梁体与墩顶梁体的比值，墩顶梁体根据墩顶恒载反力占总重的比值掉掉落。
2、牢固墩与活动墩的简化差别
对简支梁桥，平日情况下一个桥墩一侧为牢固支座，一侧为活动支座，不管横桥向还是顺桥向每个墩摊派一孔梁的地动感化，力学不雅点公道、清楚。而对持续梁则差别，横桥向梁体的地动感化分布与各个桥墩的刚度及振型有关，在主墩等高的情况下牢固墩及活动墩可能看作是分歧，即各分配1/2的梁体品质；顺桥向梁体的地动感化重要由牢固墩承担，对牢固墩一般情况下是保守的（注：考虑活动支座的摩擦感化时，部分场地的持续梁牢固墩的地动力偶然是增加的。），但对活动墩假如不考虑支座摩擦感化，对工程计划来说一般是不保守的。鉴于活动支座地动感化的复杂性，对活动墩支座摩擦对地动感化的影响不考虑，按活动墩不承担纵向墩顶梁体地动感化考虑。
3、地基变形的影响
考虑地基的变形影响，根据《铁路桥涵地基与基本标准》的相干请求打算承台底的滚动柔度系数δ22。对桩侧土、桩底土的程度川基系数m、m0值以及岩石地基竖向地基系数C0值，有材料标明m值动载情况下高于静载[1]，也有文献[4]倡议地动感化下m值取用静载下的2～3倍，但《铁震规》明白m值在必定范畴内对打算成果影响不大，因袭《铁路桥涵地基与基本标准》请求取值。本次打算按《铁震规》履行。须要指出的是静力打算时偏于保守计划m值一般采取的中低值，但抗震打算m值采取高值一般是保守的。
4、无限元分析
采取通用无限元ANSYS停止分析，采取模态分析及单点呼应的减速度反应谱停止地动力打算。采取分块Lanczos法停止模态分析，该方法的特点是打算精度高，速度快，合适提取大模型的多阶模态[6]。反应谱打算成果的模态兼并采取SRSS法，横向、纵向振型累积奉献率把持在80%以上。
4．1、单位的选用及材料特点
全桥无限元模型采取BEAM188变截面梁单位来模仿预应力混凝土持续梁；采取BEAM188梁单位模仿墩身及钻孔桩，采取COMBIN14单位来模仿桩侧、桩底、竖向土弹簧；采取MASS21品质元来模仿活载反算品质及边跨墩顶梁体品质。采取BEAM4梁单位虚拟模仿刚臂连接，如承台及高低部连接。桥梁高低部构造材料均按线弹性材料考虑，具体数值按标准请求取值。全桥采取恒定阻尼比ξ=0.05。
4．2、界限前提模仿及须要简化
有关无限元桩土结合的模仿的方法较多，本文采取常用的基于标准m法的质-弹桩土模型。这种方法与标准中桩基打算都是基于m法的温克尔地基系数分析现实。
（二）地动力打算成果及分析
本桥为重载货运铁路，考虑2号墩桩基自由长度时梁底至空中大于40m，按B类桥梁抗震设防，重要性系数1.5。无限元全桥模型分辨从横向、纵向激振，打算前200阶振型，对模态参加因子大于0.005的振型停止SRSS法组合。鉴于本桥主墩墩高差别很大，本桥考虑分辨停止了矮墩（1号墩）作为牢固墩纵向及高墩（2号墩）作为牢固墩两种情况的地动力打算。
1、矮墩（1号墩）为牢固墩时地动力打算成果与分析
无限元模型纵向、横向无车、横向有车三种工况下有效振型及累积参加品质百分比见表
1-1~3。按标准单墩模型及无限元单墩模型与无限元全桥模型重要打算成果见表1-4。
表1-1 纵向激振有效振型及累积参加品质百分比表
振型号
周期
累积品质比
振型描述
Ni
Ti(s)
Mi/∑M(%)
2
0.612
39.4
1#主墩纵向1阶振动,主梁伴随竖向1阶振动
3
0.595
66.4
2#主墩纵向1阶振动
4
0.478
69.5
主梁竖向1阶振动,1#边墩伴随纵向1阶振动
7
0.253
69.7
主梁中跨竖向2阶振动,边跨1阶振动
10
0.205
75.8
2#主墩纵向2阶振动
14
0.137
80.8
0#台纵向2阶振动
15
0.135
81.1
主梁各跨竖向2阶振动
17
0.110
83.8
1#主墩纵向2阶振动
20
0.091
85.6
1#主墩纵向2阶振动,主梁中跨2阶振动奥鹏西交答案请进：opzy.net或请联系微信：1095258436
表1-2 横向激振无车状况下有效振型及累积参加品质百分比表
振型号
周期
累积品质比
振型描述
Ni
Ti(s)
Mi/∑M(%)
1
0.713
47.2
全桥横向1阶振动
5
0.423
47.7
全桥横向2阶振动,两主墩支持称振动
6
0.319
67.4
全桥横向3阶振动,1#主墩振动
8
0.249
72.7
2#墩横向2阶振动
11
0.205
73.0
全桥横向4阶振动,两主墩支持称振动
13
0.159
76.2
全桥横向5阶振动,0#台、两主墩支持称振动
16
0.132
77.8
全桥横向5阶振动
18
0.109
82.8
全桥横向5阶振动、1#主墩2阶振动
表1-3 横向激振有车状况下有效振型及累积参加品质百分比表
振型号
周期
累积品质比
振型描述
Ni
Ti(s)
Mi/∑M(%)
1
0.763
47.4
全桥横向振动,2#墩横向振动
5
0.460
47.9
全桥横向2阶振动,两主墩支持称振动
6
0.350
67.3
全桥横向3阶振动,1#主墩振动
8
0.261
72.9
2#墩横向2阶振动
10
0.223
73.5
全桥横向4阶振动,两主墩支持称振动
13
0.169
76.4
全桥横向5阶振动,0#台、两主墩支持称振动
15
0.139
77.9
全桥横向5阶振动
17
0.116
83.4
全桥横向5阶振动、1#主墩2阶振动
从表1-2、3来看，上部构造横向振动与各墩的振动是相互制约的；两主墩支持称振动振
型较多，横向有车第5阶振型如图5。累积参加品质百分比为82%
横向有车第5阶振型图
表1-4 该桥矮墩为牢固墩时承台底地动力打算成果汇总表
打算内容
单位
牢固墩（1号墩）
活动墩（2号墩）
标准单墩
ANSYS单墩
ANSYS全桥
标准单墩
ANSYS单墩
ANSYS全桥
承台底纵向柔度角
δyy
rad/kN
3.59E-09
3.42E-09
3.42E-09
4.79E-09
4.45E-09
4.45E-09
承台底横向柔度角
δxx
rad/kN
3.48E-09
3.31E-09
3.31E-09
2.66E-09
2.48E-09
2.48E-09
纵向1阶自振周期
T1X
s
0.432
0.583
0.612
0.491
0.655
0.595
横向无车1阶自振周期
T1YW
s
0.310
0.447
0.423
0.706
0.923
0.713
横向有车1阶自振周期
T1YY
s
0.341
0.504
0.46
0.765
1.009
0.763
纵向
无车
纵向力
FX
kN
5996
4715
4154
2869
2429
2686
纵向弯矩
MY
kN﹒m
80800
64550
57195
51011
44231
48779
横向
无车
横向力
FY
kN
3286
3316
2067
3468
2712
2992
横向弯矩
MX
kN﹒m
52582
52553
29194
88060
74618
74099
竖向扭矩
MZ
kN﹒m
8689
横向
有车
横向力
FY
kN
3847
3337
2167
3563
2728
2936
横向弯矩
MX
kN﹒m
62696
56729
32524
92703
77587
76394
竖向扭矩
MZ
kN﹒m
9459
2、高墩（2号墩）为牢固墩时地动力打算成果与分析
无限元模型纵向、横向无车、横向有车三种工况下有效振型及累积参加品质百分比见表
2-1~3。按标准单墩模型及无限元单墩模型与无限元全桥模型重要打算成果见表2-4。
表2-1 纵向激振有效振型及累积参加品质百分比表
振型号
周期
累积品质比
振型描述
Ni
Ti(s)
Mi/∑M(%)
1
1.430
53.6
2#主墩纵向1阶振动
3
0.488
53.7
主梁竖向1阶振动
6
0.290
66.8
2#主墩纵向2阶振动
7
0.252
67.2
主梁中跨竖向2阶振动,边跨1阶振动
11
0.182
78.9
1#主墩纵向1阶振动
14
0.137
84.1
0#台纵向1阶振动
对比表2-1、表1-1发明，高墩2号墩作为牢固墩对应的振型周期有所延长。全桥1阶振动由横向振动变为纵向振动，构造团体变柔，对抗震有利。
表2-2 横向激振无车状况下有效振型及累积参加品质百分比表
振型号
周期
累积品质比
振型描述
Ni
Ti(s)
Mi/∑M(%)
2
0.725111
49.2
全桥横向振动,2号墩横向振动
4
0.420628
49.4
全桥横向2阶振动,两主墩支持称振动
5
0.329424
72.0
全桥横向3阶振动,1号主墩振动
8
0.249122
77.6
2号墩横向2阶振动
9
0.211002
78.2
全桥横向4阶振动,2号墩扭振及横振
12
0.161954
80.7
全桥横向5阶振动,2号墩扭振及横振
13
0.13926
82.6
2号墩扭振
16
0.131634
83.7
全桥横向5阶振动,2号墩扭振
19
0.108285
88.7
全桥横向5阶振动,两主墩支持称振动
对比表2-2、表1-2发明，高墩2号墩作为牢固墩对应的振型周期有所延长。2号墩扭振参加振型增多。
表2-3 横向激振有车状况下有效振型及累积参加品质百分比表
振型号
周期
累积品质比
振型描述
Ni
Ti(s)
Mi/∑M(%)
2
0.777
49.1
全桥横向振动,2号墩横向振动
4
0.456
49.4
全桥横向2阶振动,两主墩支持称振动
5
0.361
71.7
全桥横向3阶振动,1号主墩振动
8
0.260
77.3
2号墩横向2阶振动
9
0.228
78.4
全桥横向4阶振动,2号墩扭振及横振
12
0.171
81.0
全桥横向5阶振动,2号墩扭振及横振
14
0.143
82.9
2号墩扭振
15
0.140
83.5
全桥横向5阶振动,2号墩扭振
18
0.116
89.1
全桥横向5阶振动,两主墩支持称振动
对比表2-3、表1-3，重如果2号墩扭振参加振型增多，横向有车工况无纵向振型参加。
表2-4 该桥高墩为牢固墩时承台底地动力打算成果汇总表
打算内容
单位
活动墩（1号墩）
牢固墩（2号墩）
标准单墩
ANSYS单墩
ANSYS全桥
标准单墩
ANSYS单墩
ANSYS全桥
承台底纵向柔度角
δyy
rad/kN
3.59E-09
3.42E-09
3.42E-09
4.79E-09
4.45E-09
4.45E-09
承台底横向柔度角
δxx
rad/kN
3.48E-09
3.31E-09
3.31E-09
2.66E-09
2.48E-09
2.48E-09
纵向1阶自振周期
T1X
s
0.106
0.182
0.182
1.310
1.557
1.430
横向无车1阶自振周期
T1YW
s
0.325
0.447
0.329
0.706
0.923
0.725
横向有车1阶自振周期
T1YY
s
0.358
0.504
0.361
0.765
1.009
0.777
纵向
无车
纵向力
FX
kN
1006
1579
1572
3102
2616
2767
纵向弯矩
MY
kN﹒m
8996
11057
10903
78497
68122
73755
横向
无车
横向力
FY
kN
3291
3316
2148
3468
2712
2935
横向弯矩
MX
kN﹒m
52610
52553
30244
88060
74618
73513
竖向扭矩
MZ
kN﹒m
4474
横向
有车
横向力
FY
kN
3852
3337
2238
3563
2728
2880
横向弯矩
MX
kN﹒m
62724
56729
33527
92703
77587
75674
竖向扭矩
MZ
kN﹒m
4978
3、桩基打算与分析
采取ANSYS全桥模型地动力打算成果，根据标准与恒载、活载等其他荷载停止荷载组合分析，对各桥各墩的桩基停止打算，断定何种荷载工况把持计划，并断定桩长、嵌岩深度及桩基配筋。对标准简化算法做须要的对比打算，具体过程从略，以下仅给出把持成果及分析。
该桥如矮墩（1号墩）作为牢固墩，牢固墩单桩竖向力为主加震“单线活载+纵向地动力”把持，并把持桩基配筋。如按标准简化打算单桩竖向承载力充裕度仅为1%；活动墩单桩竖向力为主加震“单线活载+横向地动力”把持，纵向地动力把持桩基配筋。绝对而言活动墩（2号墩）充裕度较小，把持计划。
表4 各桥桩基重要打算成果对比表
荷载组合
桩基轴向力打算
弯矩把持工况
ΔP (kN)
Pmax (kN)
[P](kN)
[P]/Pmax
矮墩固定
固定墩
主力把持组合
—
8725.6
11340
1.300
纵向地动力
纵向组合
4255.4
10841.5
12285
1.133
横向无车组合
2695.1
7830.3
12285
1.569
横向有车组合
2900
9486.2
12285
1.295
活动墩
主力把持组合
—
15036.5
16800
1.117
纵向地动力
纵向组合
3382.4
18839.9
21840
1.159
横向无车组合
6598.6
18136.5
21840
1.204
横向有车组合
6689.1
19907.1
21840
1.097
高墩固定
固定墩
主力把持组合
15036.5
16800
1.117
纵向地动力
纵向组合
4626.1
20153.3
21840
1.084
横向无车组合
6548.2
18085.4
21840
1.208
横向有车组合
6635
19850.3
21840
1.100
活动墩
主力把持组合
8725.6
11340
1.300
横向地动力
纵向组合
800
8052.6
12285
1.526
横向无车组合
2772
7907.6
12285
1.554
横向有车组合
2972.4
9558.4
12285
1.285
注：表中加粗为地动力感化中桩基竖向力把持工况。
该桥如高墩（2号墩）作为牢固墩，单桩竖向力为主加震“单线活载+纵向地动力”把持，并把持桩基配筋。活动墩单桩竖向力为主加震“单线活载+横向地动力”把持，横向地动力把持桩基配筋。绝对而言牢固墩（2号墩）充裕度较小，把持计划。
比较两种牢固墩设置，2号高墩充裕度均小，把持计划。抉择1号墩作为牢固墩，保险系数较高；从不雅点计划来讲，2号墩（高墩）作为牢固墩全桥第一周期延长，利于抗震，但2号墩为陡坡桥墩抗震倒霉。综合比较选定1号墩作为该桥的牢固墩。
二、岩溶区桩基安排实例
桩基安排开展图
岩溶区桩基在现实工程中是很复杂的一种工程，须要计划、施工、地质勘察相互共同才干较好地完工。上图是一个2×4行列式安排的桥墩桩基开展图，从图中同窗们可能看出各个桩长都是纷歧样长，并且差别很大。这须要在逐桩钻探的基本上，实现计划与打算。施工时还得采取特别得溶洞处理方法停止桩身混凝土的浇注，一般须要采取抛填片石，或许采取长刚护筒停止浇筑。
特其余岩溶区平日采取绕避的方法停止计划，但实在绕不开，也得处理，偶然乃至须要计划为打入钢管桩，造价相称高。
三、复杂大桥的基本计划实例
下面是一座主跨近400m的上承式拱桥（图一）拱座及陡坡桥墩安排图，从构造尺寸方面让同窗们懂得一下复杂特大桥的基本计划的难度。
图一 上承式拱桥团体后果图
1、单根桩基直径为3m的4号墩，总高40米以上，岩石边坡防护高度高达28米，图二。
图二 陡坡高墩及边坡防护
2、单个拱座顶高16米，深24～35米，全桥4个拱座。
图三 拱座地位
3、单个拱座洞室开挖型钢骨架安排，单个拱座型钢支架约150吨。
图四 拱座洞室开挖型钢支架
四、超高墩桥梁不雅赏
1）陕西洛河特大桥——主墩143.5m
2006年8月9日，被誉为“亚洲第一高墩大桥”――黄陵至延安高速公路上的洛河特大桥在陕西省洛川县建成，该桥与黄陵至延安高速公路一同在06年9月底正式通车。洛河特大桥全长1056米，主墩高达143.5米,桥面高152米,最大跨度160米，工程投资为1.1亿元。
2）晋济高速公路仙神河大桥——墩身高达150.07m
2008岁尾建成通车的仙神河大桥墩身高达150.07m，比被誉为“亚洲第一高墩”的陕西黄延高速公路洛河特大桥主墩还超过6.57m。?
二广高速公路晋城至济源段的把持性工程，位于山西省晋都会泽州县江山镇境内。仙神河大桥属晋济高速公路第十五标段，由湖南路桥建立集团公司承建。仙神河大桥与别处的差别之处在于，它两侧均是400多米高的直壁陡崖，谷底只有30多米宽，大桥从谷底起墩，垂直耸起，至152米高度，再如人之双臂，向两侧延长，直至两边峭壁。
仙神河大桥有南北两个桥台，一个在南侧地道进口的洞口地位，另一个在北侧地道出口处的山崖上。大桥桥长估计314米，因两侧峡谷均为峭壁，无法停止正确测量。大桥独墩横截面呈正8边形，152米独墩达到桥面以后，另有一个持续延长的矮塔，塔高49米。塔顶两侧将垂下26对粗大的缆索，呈扇形斜拉桥面，如凤凰展翅，非常美不雅。据大桥计划者介绍，在同类桥型比较中，仙神河大桥位居世界第一、世界第二，塔高位居世界第二，如许“国家栋梁”般的宏大独桥墩在亚洲是名列前茅的。3）雅西高速腊八斤特大桥——桥墩高度182.5m，亚洲第一
雅西高速2012年全线通车，墩高达到182.5米的腊八斤特大桥10号桥墩现在是亚洲第一高墩。腊八斤特大桥是四川雅（安）至西（昌）高速公路超越腊八斤沟的一座特大桥，是雅泸高速公路把持性工程；主桥跨径组合为：105+2×200+105m，桥长1140多米，单墩跨度最大200米，其主跨为变截面持续刚构，采取分幅设置。其10号墩有“亚洲第一高墩”称号。
4)贵州毕节至威宇高速公赫章特大桥——墩高195m，现亚洲第一这是持续刚构桥的高墩亚洲记录——赫章特大桥高达195m的主墩(11#)。赫章特大桥位于贵州省铜仁至威宁高速公路毕节至威宁段该桥地处云贵高原乌蒙山脉北段，地势北高南低，属构造腐蚀剥蚀型河谷地貌。大桥高出赫章后河，两岸桥台地势绝对较高，无长年地表径流，无水塘等地表水体。桥位区无断层经由过程，桥区下伏基岩持续、牢固，基岩厚度大，中风化岩石强度较高，场地团体牢固。
