PIERS
The development of bridge piers parallels the growth of the modern highway system. Previously, the use of bridge piers was confined to structures crossing rivers or railways. With the development of massive transportation networks, like the U.S. Interstate (see Section 1.2), the need for land piers to facilitate grade-separated highways increased dramatically [Ref. 4.8].
A pier is a substructure which provides the basic function of supporting spans at intermediate points between end supports (abutments). Piers are predominately constructed using concrete, although steel and, to a lesser degree, timber are also used. The concrete is generally conventionally reinforced. Prestressed concrete, however, is sometimes used as a pier material for special structures.
The basic design functions of a highway bridge pier can be summarized by the following list. In general, a pier is designed to:
❏ Carry its own weight
❏ Sustain superstructure dead loads, live loads, and lateral loads
❏ Transmit all loads to the foundation
PIERS CAN MAKE the difference between a good looking structure and an unattractive one. Simplicity is often the rule when designing a pier. The piers in Figure 4.7 incorporate elastomeric bearings upon which the prestressed concrete superstructure rests. These relatively thin bearings provide for a visually smooth transition from pier to superstructure. For most structures, including steel and timber bridges, concrete is the material of choice for substructure components. However, steel, and to a lesser degree, timber, are also used to construct piers (e.g., a steel frame pier or timber trestle support structure).
Figure 4.7 A series of single column piers support a prestressed concrete bridge.
(Photograph courtesy of D. S. Brown Company, North Baltimore, Ohio.)
In addition to providing the structural functions detailed above, a properly designed pier should also be aesthetically pleasing and economize the use of materials as much as possible. Also, piers should be located so that they provide minimal interference with traffic passing underneath the structure.
Like abutments, piers come in a variety of configurations, shapes, and sizes. The type of pier selected will depend greatly on the form of superstructure present. Figure 4.7 provides an excellent example of this. The single column piers chosen for this prestressed concrete superstructure work well with this type of structure but would not be applicable for a composite steel structure composed of several primary members and a concrete deck.
Presented below are some of the major types of piers utilized today in modern bridge construction. As with abutments discussed in Section 4.1, the reader must keep in mind that there are numerous permutations of the general forms of piers in use.
4.2.1 Types of Piers
In the sidebar accompanying Figure 1.5, a schematic of some basic types of bridge piers was presented. Like an abutment, a pier has a bridge seat upon which the superstructure rests. In Figure 4.8, this bridge seat consists of a hammerhead shaped pier cap on top of which are placed individual pedestals. The bearings are in turn placed on top of the
HAMMERHEAD PIERS are a popular style of pier used in many highway bridges. It was mentioned back in Section 1 that hammerheads are generally used on structures requiring relatively high piers. The reason for this is that a short column height with a hammerhead cap will look too top heavy. Some transportation departments maintain standards which describe span to vertical clearance ratios that determine whether or not a hammerhead pier can be used. Hammerheads can either be used in conjunction with a single or multiple columns, like the one shown in Figure 4.8. The columns can be constructed with a rectangular (or square) cross section or even with a circular cross section. When two columns are utilized in conjunction with a cap beam, like the pier shown in Figure 4.8, the pier is sometimes known as a portal frame pier.
Figure 4.8 A two column, concrete hammerhead pier under construction.
pedestals on top of which rests the superstructure. It can be seen then, that in Figure 4.8 the pier is intended to support a superstructure composed of five primary members.
The bridge seat can be supported by a single column, multiple columns, a solid wall, or a group of piles. These supporting elements are in turn connected to the pier foundation which could be composed of footings, piles, or a combination thereof.
1. Hammerhead. A hammerhead pier utilizes one or more columns with a pier cap in the shape of a hammer. Figures 1.5, 4.8, and 4.9 show various types of hammerhead piers.
Hammerhead piers, like the one shown in Figure 4.9, are constructed out of conventionally reinforced concrete. The supporting columns can be either rectangular (or other polygonal shape) or circular in shape and extend down to a supporting foundation. Hammerhead piers are predominately found in urban settings because they are both attractive and occupy a minimum of space, thereby providing room for underpass traffic. As mentioned before, hammerhead piers are most attractive when placed on structures with relatively large clearance requirements (although they have been incorporated with shorter clearances). Standards as to the use of hammerheads are often maintained by individual transportation departments.
A REINFORCING STEEL cage for a hammerhead pier cap can be seen in the foreground of Figure 4.9. The hammerhead pier in the background still has the formwork in place on the hammerhead cap.
Where the abutment shown earlier in Figure 4.4 utilized wooden formwork, the pier in this photograph m
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中文译文
4.2桥墩
桥墩的发展与现代公路系统的发展相似。之前，桥墩的使用被定义为跨越河流或铁路的结构。随着巨大交通网的发展，例如美国的各个州(见第1.2节)，分层公路的急剧发展急剧促进了对桥墩的需求[参考 4.8 ] 。
桥墩是一种在跨度范围内起支撑作用的结构物，它介于桥梁的两端（桥台）之间 。桥墩用混凝土材料建筑而成，尽管有时候钢材，少量的木材也不会被使用。当然，对于一些特殊结构的墩体为了增加其强度也会用到预应力混凝土。
基本设计功能对于桥墩来说可归结为以下方面。总体而言，桥墩的功能有：
❏ 承载自重；
❏ 支承上部结构传来的恒载、活载及附加荷载；
❏ 将所有荷载传至基础。
桥墩使桥梁结构美观起到不同的作用。桥墩的设计往往以简单为标准。如图4.7所示的桥墩通过橡胶支座支撑着上部的预应力混凝土结构。这些较薄的支座给其提供一种从上部结构到桥墩的视觉平稳过渡。对于大多数桥梁结构，包括钢桥桥和木桥，混凝土是通常的选择，用来建立墩身。然而，钢材甚至木材时常也用来作墩身材料（例如：钢框架墩或者木栈桥的支撑结构）。
图4.7 由一系列单柱式桥墩支撑的预应力混凝土桥梁。
除提供上述在结构上的功能之外，桥墩设计的美观和节省材料也是在考虑范围之内。另外，桥墩的设计应该为桥下的交通提供足够的空间。
和桥台类似，桥墩也有许多不同的类型、形状和尺寸。在选择桥墩类型时，在相当大的程度上是根据桥梁的上部结构来确定的。如图4.7便是一个很好的例子。选择这种单柱式桥墩可以支撑预应力混凝土上部结构，但却不适合用在在支撑那些由多个单元组成的复合式钢结构或者混凝土结构的桥面板。
以下是一些被广泛应用于现代桥梁结构上的几种主要桥墩类型。至于桥台的讨论详见4.1节。我们必须明白，这里有许多的桥墩形式运用在实际工程中。
4.2.1桥墩的类型
如边栏附图1.5是一些目前常见类型桥墩的简图。像桥台一样，桥墩也是起支承桥梁上部结构的作用。如图4.8所示，桥梁将安放在上部锤头形的墩帽上，以此代替了单独的基座，安放在顶部的橡胶支座支承着上部结构传来的荷载。可以看到图4.8中的桥墩是用5个支座来支承桥梁的上部结构的。
桥梁上部结构可以用单柱式、多柱式、实体墙式或排架桩式的桥墩来支撑。这些支承部件依次与包括基座、桩或者两者结合的桥墩基础相连接。
锤头式桥墩，是一种被广泛应用于公路桥梁的墩型，在第一节中已经提到，锤头形的墩帽被广泛应用于相对较高的桥墩上，此原因在于较低的桥墩配此锤头形的墩帽会使结构显得头重脚轻。一些交通部门是以桥梁的跨度与净空的比值为标准来确定是否采用该类型的桥墩。锤头形的墩帽可以用来连接单柱式或多柱式桥墩。如4.8图所示墩柱截面可以做成长方形（正方形）甚至圆形的。当两根墩柱上筑以帽梁时，如图4.8所示，这样的桥墩也被称为门式框架墩。
图4.8 建设中的双柱式混凝土锤头式桥墩
图4.9所示，前方为锤头式桥墩的墩帽钢筋笼。背景中正在施工的锤头式桥墩的墩帽仍处在模板的支护中。
如前图4.4中的桥台施工中使用的为木制模板，该图中使用的是钢模板。下方搭建的脚手架以方便工人的通行。
模板必需有足够的刚度，以使混凝土能达到预期的结构形状和使用功能。不论使用木制模板或钢模板都必须有足够的强度来保证灌注砂浆后在混凝土凝固和硬化过程中不发生变形。一般来说，施工及拆模是由承包商预先计划的。
图4.9 帽梁仍处于模板支护中的锤头式桥墩
1．锤头式
锤头式桥墩是由墩帽连接一根或多根墩柱而组成的桥墩，因其形状像锤头而得名。见图1.5，图4.8和图4.9为各种不同类型的锤头式桥墩。
如图4.9所示，锤头式桥墩多以普通混凝土建造。支承柱可以做成矩形（或多边形）或圆形，并且延伸至基础。锤头式桥墩多用于城市桥梁中，因为该种桥墩既美观又节省空间，从而提供足够的桥下净空。综上所述，锤头式桥墩用在结构有相对较大的净空要求时是最好的选择（尽管它也被用在净空较小的情况下）。锤头式桥墩的使用标准通常是由特定的交通部门制定的。
当桥梁结构坐落在倾斜的地形上时，应用锤头式桥墩通常也是很好的方案。相比偏心柱来说（见下文）单柱式锤头墩展现出了一个更加开放和灵活的前景，尤其对于在重交通、多元化的环境下。
2.排架柱
顾名思义，排架柱式墩是包括由帽梁和支承柱组成的框架型结构。该桥墩类型是公路桥梁中最受欢迎的一种。排架柱式墩在美国内陆交通发展的初期曾一度被广泛的应用
排架柱式墩是由任一边延伸的基座或者桩基础支撑的，它多以普通钢筋混凝土为材料建造。像锤头式桥墩一样，排架柱式墩的支撑柱截面也可以是圆形或者矩形的，但迄今为止前者更为常用。
排架柱式墩的使用也像锤头式的一样。但也应该有清醒的认识，排架柱式墩的选择能为只有一般净空要求的结构提供足够的下部交通空间。然而，在人口稠密的城市交汇处，大量使用排架式桥墩会给人一种杂乱的感觉，既“混凝土丛林”效应。
3．排桩
排桩式桥墩是基于排架柱式墩的一种变型，它是通过单根支撑桩来替换了支撑柱和基座。桩端通常会配有横向支撑。除混凝土外，木材也是此种桥墩中应用不错的材料。排桩式桥墩因其能以多元化且简洁的桥跨结构跨越浅海域而在跨海桥梁结构中被广泛应用。
通常此种桥墩会产生的维护问题有：外露桩的受侵蚀，海上交通的影响，岩屑的沉积。但是如果能尽量抵制这些不利条件，而给予排桩式桥墩足够保护的话，对于许多桥梁来说选用该种桥墩不失为一种经济适用的方案。
4.实体墙
实体墙墩也称为连续墙桥墩，顾名思义，它包括了从含有基座或桩的基础中延伸出来的实体墙。墙的顶端配置了单独的支座，上部结构安放其上。出于美学考虑，侧墙面常做成锥形（也就是说墙的顶部比底部要宽些）以此来创造一种美观的支撑结构。
对于后一个问题，在过宽的上部结构中利用实体墙墩是不可取的。在很宽的上部结构下并入实体墙墩会使通过桥下的驾驶者产生“隧道效应”，因而需要在此结构内加装特殊的照明装置。
实体墙墩通常设在水流交汇处，这样可以按比例建造而使其既狭长又具有流线型。这样就能够使其有最小的流水阻力。
5.整体预制式
整体预制式墩设置墩帽，以使上部结构的主要构件与其牢固连接。此种桥墩不是全部通用，通常仅限于某些特殊结构，特别是当垂直净空因狭窄而受限时。
在图4.10中，除桥墩相当独特的设计外，还存在些许不同，如果仔细看，你会发现主跨是用钢材制成的大梁。边跨则使用了预应力混凝土梁。
在图3.54的边栏中，已经提到过在同一个结构中同时应用钢材和预应力混凝土作为主要部件材料的可能性。在这个特殊结构中，钢梁提供了一个保护性外层，而且灰色的颜色使一般驾驶者通过桥下时几乎不会感到材料的差异。
在关于钢材，混凝土，其中哪种材料更适合建造桥梁的无休止的争论中，像这样的建筑物找到了一种独特的解决方案，就是两者的结合。
图4.10 除了独特的桥墩设计外，这张照片还有何与众不同之处？
6.独立柱
独立柱式墩在前述4.7图中已经出现过。这种类型的桥墩最显著的优势在于其占据的空间最小，与实体墙墩一样，独立柱桥墩往往也做成锥形的，使支撑柱的顶部比其底部要宽，这样会使与预应力混凝土箱形上部结构联结的此种桥墩显得更加美观，并且它可以为桥下交通提供一个更加开阔和灵活的环境。
实体墩非常适合布置在溪流的交汇处，它相对狭窄并具有流线型的特点，极大的减小了对水流的阻力。应用实体墙墩与河流交汇处的另一个好处在于它不像复合柱式墩那样易于沉积岩屑。图4.11所示，实体墙墩显然需要维护，在此特殊结构上的修缮工作正在进行，本例中使用的是分幅施工的方法。这种施工方法即在一半的结构上进行施工，另一半结构上正常运营。
图4.11 坐落于溪流中需要维修的实体式墙墩
4.2.2桥墩的作用和荷载
观察桥墩的断面包括与基础固结的支撑柱，在此构造中，桥墩可以看作悬臂梁或栓端支杆，这取决于它与基础和上部结构的连接形式。
如果桥墩是从基座处伸出的悬臂，通常需要一个更宽的基础以提供抗力来抵抗倾覆弯矩。当桥墩以铰接端连入基础时，因为基础会产生轴向或接近轴向的荷载。因此基座一般设计一个相对较窄的底部。
设计桥墩时一个值得关注的问题便是由上部结构的活载作用下可能会出现的水平荷载、风荷载以及任何形式的水流荷载和地震作用。风荷载、活载外力和地震作用也会给桥墩上施加以水平荷载。
设计实例4.2
已知参数：
本例是例4.1的扩展，然而在此种情况下我们提出分析现存的排架柱式墩来考察它能否承受地震荷载，将使用负荷因子设计的试验方法。
为力求简洁，我们将不进行桥墩框架的弯矩分配分析，在上次设计实例中得到的现场参数（如加速度系数）也将被应用于对该桥墩的分析。整个边跨对315k下产生的反应仍然适用。然而，对于桥墩，边跨和中跨均应设置支撑。
总中心跨度反应是给予72k，在桥墩的加载过程中，也出现了纵梁的垮塌。其余涉及到的对桥墩的加载过程中力的总量和加载条件等参数，会在整个计算过程中给出。
在例4.1的表9中，三跨均为简支。要设计的桥墩以自由支承支撑边跨，以固定支承支撑中跨。
这些水平荷载的大小可以通过纳入自由支承在桥墩的支撑点来进行折减。然而，其他水平荷载也会以摩擦力或者在自由支撑的温度应变中体现出来。作用在桥墩上的风荷载和来自海洋船舶的碰撞也应考虑进来。当对桥墩加载时，设计者应应用列于3.55节中3.2表和3.4表中适当的组荷载。所用的组荷载应该是能出现最不利情况的组合。
4.2.3设计标准
像设计任何建筑构件一样，桥墩的设计应满足基本的力学要求和安全标准。总的来说，设计一个公路桥墩包括的内容有：
❏抗翻转的安全性；
❏抗滑移的安全性；
❏抵抗土体承载力失效的安全性；
❏抗过度或不均匀沉降的安全性。
桥梁设计者越来越重视的另一个因素就是由水流冲刷桥墩（甚至桥台）造成的不利影响。在设计结构时，必须考虑冲刷深度和所能提供的抗冲刷防护。（例如抛石）桥墩基础的地下部分免受洪水和激流的冲刷（见2.3.6节）。
在分析排架柱式墩时，必须利用诸如弯矩分配的方法（见3.12.3节）。设计者需明白，此种桥墩的连接间的距离通常很大，正因为如此，应该引入一种改进的弯矩分配法。这种方法是考虑了刚节点框架效应的。
然而，在今天的设计环境下，一般会用计算机辅助的方法来处理对复合排架柱式墩的框架分析。其中，许多程序可以追溯到20世纪60年代，而且现在给予必要的修正以后仍在使用。现在市场上大部分有限元分析软件都能够进行对此种类型桥墩的分析。使用这些系统建立的桥墩模型包含有单元和节点，能输出特定单元的详细的剪力和弯矩。有些系统甚至可以提供桥墩支撑柱和盖梁的设计。
虽然每个桥墩的平面图由现场的特定限制而不尽相同，桥墩的设计仍将遵循特定交通部门的具体标准。比如，推荐在排架柱式墩中使用相同的柱直径。通过重复使用模板，大大加快了施工进度。如前所述，对于高速公路系统中的所有结构，采用类似的设计也有助于将来的维护。
读者也会注意到在这个特定环节中基于美学设计的重要性。传统的土木工程师会把这些问题留给建筑领域的工程师。总的来说，桥梁中的美学，特别是桥墩，是一个需要重点考虑的问题。在美国所有的州，例如加利福尼亚州，它们通过交通部门开展了一项积极的计划来保证他们的结构不仅功能适用，而且外形美观，特别是在桥墩的设计中。在建造公路桥梁中，利用倒角带来视觉上的美感，在这方面我们还有很长的路要走。
桥墩的保护是一个重要的课题，不论桥墩是否是坐落于水域中的主要构建，就像图4.12中支撑Tappan Zee桥的桥墩一样或者公路桥梁中小的排架柱式墩，这些坐落于急流中的桥墩必须设置缓冲装置或者类似的防护系统来保证墩体的完整性不受到破坏。当桥墩处在公路重交通之下时必须设置防护设施，这通常是由设置在桥墩外面的紧贴式挡板来实现的。这些障碍通常会配置锥形的部件来引导交通。
图4.12 由双柱式排架墩支撑的Tappan Zee桥
4.2.4受压构建的设计
公路桥梁设计关键环节在于受压构件的设计（例如排架柱式墩中支撑柱的设计）。总的来说，钢筋混凝土构建的设计见AASHTO标准第八条规定。提供应用于桥墩构建设计的AASHTO的各方面的详细分析已超出了本文的范围，然而，我们将着重于AASHTO所列的8.15.4，8.16.4和5.7.4的受压构件的设计，因为它与桥墩的设计密切相关。
设计实例4.2
步骤1：确定地震分析和标准
在第3.5.3节第二部分中，我们总体上讨论了偶然荷载的性质，特别是地震作用。在初步设计之前，我们需要确定哪种分析方法起决定作用。是直线前进单模谱分析还是较复杂的多模谱分析。
所选用的分析类型取决于结构的几何特性（即截面均匀与否）和桥位在交通网络中坐落的位置（即加速度系数）。基于结构的既定参数，我们选择单模谱分析法（此处也可用均匀负荷分析方法）
其他需要计算的抗震标准还有影响修正系数。该因素用于单个构件的抗震荷载通过除以弹性力R的因素获得。最后，荷载的分组确定下来。因为是横跨公路的桥梁，所以我们并不需要考虑浮力和水流荷载。
以下讨论概述了决定受压构件设计的主要因素。对于大多数方程，读者可参考相关文本中的相关设计章节。
1.考虑
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