柔性墩台水平力浅析

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摘要:本文介绍了墩台承受水平力类型,理想情况温度力、制动力如何计算,非理想情

况如何简化分析,以及设计中注意的问题。

关键词:柔性墩台;刚度;橡胶支座

Abstract: This paper introduces the Piers Subjected to horizontal force types, the ideal temperature force, braking force calculation, non ideal.How to simplify the analysis, and the noticed problems in the design.

Key words: flexible pier; stiffness; rubber bearing

中图分类号：U443.22 文献标识码： A 文章编号：

1、概述

柔性墩台一般是指能够借上部构造来传递水平力的墩台。在水平力作用下任何墩台都要发生变形,只是大小问题,当墩台的变形对水平力分配起不到明显作用,即可认为是刚性的,所以讨论墩台刚性与柔性都是相对的,墩台的刚度是墩台身刚度和支座的刚度合成的,一般在重力式墩台等刚度较大的墩台设置固定支座时,因其变形很小,可视刚性墩台,余者均应按柔性墩台考虑。

随着钻孔灌注桩和橡胶支座的大量采用,墩台变形能力大大增加,按刚性墩台计算,势必造成浪费。只有按柔性墩台计算,接近实际受力情况,设计才更加合理,更经济,这正是我们追求的。墩台受力情况无论在施工过程还是使用过程中都较为复杂,难以用一种统一的模式去概括,即使采用电算也只能减少部分工作量,很难将实际情况全部涵盖,同样要对结果进行分析采用,所以对水平力分配的定性分析是至关重要的,既能减少工作量,又保证设计的安全性。

2、水平力荷载类型

墩台所受水平力有以下三种基本类型:

(1)直接作用于梁的水平力,以制动力为主,还有主梁的地震力,由于纵坡梁身自重沿支座顶面产生的剪力等等;

(2)梁长的变化即主梁的变形或位移对下部的影响而产生的力,如温度变化而引起主梁的伸长与缩短、梁身混凝土的收缩与徐变、荷载作用下梁身下翼缘的伸长等等;

(3)作用于墩台的外力,通过墩台的位移来对结构产生影响的,如墩顶及墩身的弯矩、纵向风力、恒载和活载的土压力等等。

一般说来,路线纵坡的影响,对每一孔都存在的,水平力分配可以不考虑。纵向风力对每个桥墩均有作用,只是由于上部结构的影响,使各墩受力重新分配。荷载作用下梁身下翼缘的伸长、墩顶弯矩等是一孔有活载,另一孔无活载时产生的,也会通过上部结构,使一个桥墩的水平力传递给其他桥墩,这些水平力较小,可以偏安全地在荷载组合时按单孔最大值计入。漂浮物、船只等撞击力一般较大,需要水平力分配计算,由其他桥墩共同承担,其计算方法与制动力相似。但要注意上述这些水平力可由桥墩传递至桥台,桥台计算应充分考虑其影响。综上分析,一般水平力分配计算以制动力及温度升降而产生的力为主。桥台的恒载与活载土压力是桥墩计算容易忽略

的问题,认为桥台承担全部的土压力是片面的,实际上柔性桥台同样将水平力传递给桥墩,所以边联桥墩计算要注意桥台的影响。水平力计算可分为纯简支梁及桥面连续简支梁两类,(就水平力分配而言,连续梁与桥面连续简支梁的计算理论是一致的),纯简支梁的计算方法桥规的条文说明中已明确介绍,本文仅就现在普遍采用的桥面连续简支梁的设计,以集成刚度法为准进行分析。

3、理想计算单元的分析与计算

水平力计算一般是以两个滑板支座之间为一个计算单元,如果伸缩缝桥墩上设置滑板支座,则水平力只在一联内传递,而不影响其它联,此时受力简单明确,称为理想计算单元,对此情况的分析是水平力分配计算的基础。

3.1基本计算公式

(1)设有橡胶支座的桥墩承担全联内的汽车制动力,并按各墩的集成刚度分配。各墩支座顶部的集成刚度按式1计算:

K=K1×K2/(K1+K2) (1)

K——支座顶部的集成刚度;

K1——支座的抗推刚度,即支座产生单位剪切变形所需的力;

按式(2)计算;K2——墩顶的抗推刚度,即墩顶产生单位水平变形所需的力,按桥墩不同结构形式计算;

K1=mnAG/t (2)

其中:m——桥墩支座排数;n——一排支座个数;

A——支座的平面积;

G——橡胶支座的剪切模量;t——支座橡胶层总厚度;

K2——墩顶的抗推刚度,即墩顶产生单位水平变形所需的力,按桥墩不同结构形式计算。

(2)橡胶支座桥墩温度力计算首先应根据式3计算一联内温度变形零点,然后由各墩的集成刚度及其距变形零点距离与收缩系数C相乘即可得出温度力,注意此时温差应按降温及升温分别计算。

X=(C∑KiLi+∑μR)/C∑Ki(3)

X——变形零点距离该联伸缩缝的距离;

C——收缩系数,温差乘以混凝土的收缩系数0.

00001;(计算降温温差时应包括混凝土收缩、徐变折算的降温值)

μ——滑板支座的摩阻系数;

R——滑板支座桥墩的上部结构竖直力;

±∑μR——正负号根据相对变形零点左右而定,

滑板支座对称布置时∑μR=0;

Ki——i号墩支座顶集成刚度;

Li——i号墩距该联伸缩缝的距离;

Ki,Li均针对设有橡胶支座桥墩而言。

(3)设有滑板支座桥墩的计算较简单,其水平力只有支座摩阻力,按式4计算即可:

摩阻力=恒载与活载对支座的垂直力之和×支座摩阻系数μ

3.2使用上述公式注意如下几个问题

(1)汽车制动是一个瞬时过程,滑板支座亦有橡胶体,所以也分担部分制动力,上述对橡胶支座的计算是安全的。

(2)对滑板支座而言,所计算的水平力是施工及使用阶段的最大值,也是安全的。实际上,选择滑板支座可以控制桥墩的最大水平力。笔者认为在滑板支座即将滑动的瞬间,其承担的水平力要比滑动时大,所以在支座摩阻系数的选择上不宜过小,虽然随条件的变化支座摩阻系数可以降低,但偏于安全地取规范规定的0.06是适宜的。

(3)汽车制动力作用的时间较短,一般情况下支座的变形较小,支座剪切模量较大,而对于温度力而言,以月平均温差计算其值,是一个缓慢的过程,此时剪切模量较小,所以支座的抗推刚度在不同水平力时应分别计算。

(4)有无冲刷对橡胶支座桥墩水平力的影响:对墩柱选择不冲刷的情况计算是安全的,对桩基不计入冲刷水平力较大,但自由长度小,弯矩不一定最大,计入冲刷水平力虽然小了,但自由长度增加,所以应有无冲刷分别计算。滑板支座桥墩由于水平力为定值,以考虑冲刷结果为大。

(5)混凝土弹性模量的折减:桥梁规范中规定钢筋混凝土受弯构件计算变形时,对超静定结构采用0.67EhI0,(其中I0为构件换算截面的惯性矩),对静定结构采用0.85EhI01,(其中I01为开裂截面的换算惯性矩),所以计算桥墩的刚度时,应考虑上述折减系数。虽然有人提出计算温度力时应进行内力折减,但现在无明确的规定,由于制动力的大小只与桥墩之间的刚度相对值有关,刚度绝对值只与温度力有关,笔者认为对桥墩来说,上述计算是可行的,但如果桥台向路堤方向移动时,路堤填土及路面材料对桥台的抗力会有较大的应力松弛,还应根据实际情况(一般取1/2.5折减系数)对温度力进行折减。