第三章 水作用

荷载与结构设计方法 第三章水作用 第三章水作用 水以不同的存在形态和作用方式对结构物产生作用力 水库堤坝 河流桥墩 静水压力和流水压力作用 港口建筑 沿海堤坝 波浪冲击力作用 第三章水作用 北方严冬 千里冰封 河流结冻 引起冻胀力 春暖花开 河流解冻 冰堆推移 流冰冲击 产生冰压力 第三章水作用 本章内容第一节静水压力第二节流水压力第三节波浪作用力第四节冰压力第五节撞击力第六节浮托力 第三章水作用第一节静水压力 在实际工程中 设计和建造水闸 堤坝 桥墩和码头时 必须考虑水在结构物表面产生的静水压力 静水压力是指静止液体对其接触面产生的压力 静水压强具有两个特征 1 静水压强垂直于作用面 并指向作用面内部 2 静止液体中任一点处各方向的静水压强都相等 静水压强 液体表面压强 液体内部压强 第三章水作用第一节静水压力 工程中只考虑相对压强 扣除大气压 即 式中pa 自由水面下作用在结构物任一点a的压强 ha 结构物上的水压强计算点a到水面的距离 m g 水的重度 kN m3 第三章水作用第一节静水压力 静水压强的大小及分布 1 与水深呈线性关系 随水深按比例增加 2 水压力作用在结构物表面法线方向 其分布与受压面形状有关 分布图的外包线为直线或曲线 第三章水作用第二节流水压力 位于流水中的桥墩 其上游迎水面受到流水冲击作用 流水受到桥墩阻碍 对桥墩施加压力 第三章水作用第二节流水压力 受到洪水冲击后的桥梁 第三章水作用第二节流水压力 一 水流流经结构物特征 等速流动的河流可视为流速为v的平面流场 流线为互相平行的水平线 等速流动的河流中放置一桥墩 流线在接近柱体时流动受阻 在桥墩前一分为二 沿柱面两侧向后流动 桥墩后出现旋涡区 第三章水作用第二节流水压力 等速流动的河流中放置一圆柱体 桥墩 流线在接近圆柱体时流动受阻 流速减小 压强增大 到达a点 流线停滞 流速为零 压强最大 a点称为停滞点 a点开始 一分为二 沿柱面两侧向前流动 形成边界层流动 到达b点 第三章水作用第二节流水压力 a点到b点区间 柱面弯曲 流线密集 边界层内流动处于加速减压状态 过了b点 流线扩散 处于减速加压状态 到达e点 来流质点脱离边界向前流动 出现边界层分离现象 e点下游水压较低 必有新的流体反向回流 出现旋涡区 第三章水作用第二节流水压力 二 绕流阻力 式中v 来流流速 A 绕流物体在垂直于来流方向上的投影面积 CD 绕流阻力系数 主要与结构物形状有关 r 流体密度 为减小绕流阻力 常将桥墩 闸墩设计成流线型 降低阻力 根据试验结果绕流阻力可由下式计算 第三章水作用第二节流水压力 三 桥墩流水压力计算 桥墩上的流水压力标准值可按下式计算 式中Fw 作用在桥墩上的流水压力标准值 kN g 水的重度 kN m3 v 设计流速 m s A 桥墩阻水面积 m2 计算至一般冲刷线处 g 重力加速度 取9 81 m s2 K 由试验测得的桥墩形状系数 按下表取用 第三章水作用第二节流水压力 桥墩形状系数K 第三章水作用第二节流水压力 流速随深度呈曲线变化 河床底面处流速接近于零 为了简化计算 流水压力的分布可近似取为倒三角形 故其着力点位置取在设计水位以下1 3水深处 第三章水作用第三节波浪作用力 一 波浪特性 波浪是液体自由表面在外力作用下产生的周期性起伏波动 它是液体质点振动的传播现象 无风不起浪 波浪在干扰力的作用下生成 由风力引起的波浪称风成波 由月球引力引起的波浪称潮汐波 由船舶航行引起的波浪称船行波 风成波是工程设计主要考虑对象 第三章水作用第三节波浪作用力 第三章水作用第三节波浪作用力 在风力直接作用下 静水表面形成的波称强制波 风力渐止后 波浪依靠其惯性力和重力作用继续运动的波称自由波 若自由波的外形是向前推进的称推进波 而不再向前推进的波称驻波 当水域底部对波浪运动无影响时形成的波称深水波 有影响形成的波称浅水波 第三章水作用第三节波浪作用力 描述波浪运动性质及形态的要素 波峰 波谷 波高 波长 波陡 波速 波周期等 波陡 浪高 H 波长 L 波浪中线 平分波高的水平线 超高 波浪中线到静止水面的垂直距离 hs 第三章水作用第三节波浪作用力 波浪发生于海面上 然后向海岸传播 在海洋深水区 d L 2 波浪运动不受海底摩擦阻力影响 海底水质点 宁静状态 称深水推进波 在海洋浅水区 d L 2 海底对波浪运动产生摩阻作用 海底水质点 前后摆动 这种波浪称浅水推进波 第三章水作用第三节波浪作用力 浅水波波长变短 波速减小 波高增加 波峰尖突 波陡增大 当浅水波继续向海岸推进时 波陡相应增大 波峰发生破碎 这个区域称为波浪破碎带 浅水推进波破碎后 又重新组成新的波浪向前推进 几度破碎 形成一股水流向前推移 这种波浪称为击岸波 击岸波形成的冲击水流即为波浪荷载 波浪冲击岸滩或建筑物后 水流顺岸滩上涌 回流大海 这个区域称为上涌带 第三章水作用第三节波浪作用力 第三章水作用第三节波浪作用力 二 波浪作用力的计算 波浪特性 构筑物型式 地形地貌 海底坡度等 现行确定波浪荷载的方法带有很大的经验性 一般情况下当浪高超过0 5m时 应考虑波浪对构筑物的作用力 波浪作用力的主要影响因素 第三章水作用第三节波浪作用力 三 直墙上波浪作用力 波浪作用力应按三种波浪进行设计 1 立波 原始推进波冲击垂直墙面后和反射波互相叠加形成的一种干涉波 2 近堤破碎波 距直墙附近半个波长范围内发生破碎的波 3 远堤破碎波 距直墙半个波长以外发生破碎的波 第三章水作用第三节波浪作用力 直立式防波堤存在暗基床 左图 或明基床 右图 应根据基床类型 水底坡度i 波高H及水深d判别波态 对应进行波浪作用力计算 第三章水作用第三节波浪作用力 一 立波波压力 假定波压强沿水深按直线分布 当相对水深d L 0 1 0 2和波陡H L 1 30时 先计算直墙各转折点压强 再将各点用直线相连 即得直墙上立波压强分布 1 波峰时 第三章水作用第三节波浪作用力 1 水底处波压力强度pd为 式中g 水的重度 2 静水面上H hs处 即波浪中线上H处 波压力强度为零 3 静水面处的波浪压力强度ps为 式中hs 波浪中线超出静水面的高度 按下式确定 第三章水作用第三节波浪作用力 4 墙底处波浪压力强度pb为 5 单位长度直墙上总波浪压力P为 6 墙底波浪浮托力 方向向下 Pu为 第三章水作用第三节波浪作用力 2 波谷时 1 水底处波浪压力强度pd 为 2 静水面处波压强度为零 第三章水作用第三节波浪作用力 3 静水面下H hs处 即波浪中线下H处 波压强度ps 为 4 墙底波压强度pb 为 5 单位长度上总波压力P 为 6 墙底波浪浮托力 方向向下 Pu 为 第三章水作用第三节波浪作用力 二 远破波波压力 远破波波压力与波高 波陡 堤前海底坡度有关 波陡越小或底坡越陡 波压力越大 1 波峰时 第三章水作用第三节波浪作用力 1 静水面以上高度H处波压强度为零 2 静水面处的波压强度ps为 式中k1 水底坡度i的函数 按表3 3取用 k2 波陡L H的函数 按表3 4取用 3 静水面以下H 2处 波压强为0 7ps 4 墙底处波压强度pd取为 5 墙底波浪浮托力Pu为 第三章水作用第三节波浪作用力 2 波谷时 1 静水面处波压强度为零 2 静水面以下H 2处至水底处的波压强度均为 3 墙底波浪浮托力Pu 方向向下 为 第三章水作用第三节波浪作用力 三 近破波波压力 当墙前水深d1 0 6H时 按下述方法计算 1 静水面以上Z处的波压强度为零 Z按下式计算 第三章水作用第三节波浪作用力 2 静水面处波压强度ps为 当2 3 d1 d 1 3时 当1 3 d1 d 1 4时 3 墙底处波压强度pb为 第三章水作用第三节波浪作用力 4 单位长度墙身上的总波浪力P为 当2 3 d1 d 1 3时 当1 3 d1 d 1 4时 5 墙底波浪浮托力pu为 第三章水作用第四节冰压力 位于冰凌河流的桥梁墩台和水库的坝体 由于冰层作用对结构产生冰压力 按照其作用性质的不同可分为 静冰压力 冰堆整体推移的静压力 风和水流作用于大面积冰层引起的静压力 冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力 冰层因水位升降还会产生竖向作用力 动冰压力主要指河流流冰产生的冲击动压力 第三章水作用第四节冰压力 冰堆整体推移产生压力 风和水流作用冰面 冰盖的温度变化膨胀力 流冰产生的冲击动压力 第三章水作用第四节冰压力 一 冰堆整体推移的静压力 当大面积冰层受阻于桥墩 形成冰层或冰堆 墩台受到流冰挤压 并在冰层破碎前的一瞬间对墩台产生最大压力 此压力等于冰强度乘以挤压面积 可导出极限冰压力计算公式 第三章水作用第四节冰压力 式中P 极限冰压力合力 N h 计算冰厚 m b 墩台或结构物在流冰作用高程处的宽度 m Ry 冰的抗压极限强度 Pa 流冰期冰块的实际强度 也可取开始流冰的Ry 735kPa 最高流冰水位时Ry 441kPa A 地区系数 气温在零上解冻时为1 0 气温在零下解冻且冰温为 10 及以下者为2 0 其间插入 m 墩台形状系数 与墩台截面形状有关 表3 5 第三章水作用第四节冰压力 表3 5墩台形状系数m值 第三章水作用第四节冰压力 式中Ft 冰压力标准值 kN m 桩或墩迎冰面形状系数 按表a取用 Ct 冰温系数 可按表b取用 b 桩或墩迎冰面投影宽度 m t 计算冰厚 m 可取实际调查的最大冰厚 Rik 冰的抗压强度标准值 kN m2 可取当地冰温0 时的冰抗压强度 当缺乏实测资料时 对海冰可取Rik 750kN m2 对河冰 流冰开始时Rik 750kN m2 最高流冰水位时可取Rik 450kN m2 04桥规 第三章水作用第四节冰压力 表a桩或墩迎冰面形状系数m 表b冰温系数Ct 注 1 表列冰温系数可直线内插 2 对海冰 冰温取结冰期最低冰温 对河冰 取解冻期最低冰温 第三章水作用第四节冰压力 二 大面积冰层的静压 由于水流和风的作用 推动大面积浮冰移动对结构物产生静压力 可根据水流方向和风向 考虑冰层面积按下式计算 第三章水作用第四节冰压力 式中P 作用于结构物的正压力 N 浮冰冰层面积 m2 一般采用历史最大值 P1 水流对冰层下表面摩阻力 Pa 取为0 5vs2 vs为冰层下的流速 m s P2 水流对浮冰边缘的作用力 Pa 可取为50hvs2 l h为冰厚 m l为冰层沿水流方向的平均长度 m 在河中不得大于两倍河宽 第三章水作用第四节冰压力 P3 由于水面坡降对冰层产生的作用力 Pa 等于920hi i为水面坡降 P4 风对冰层上表面摩阻力 Pa P4 0 001 0 002 VF VF为风速 采用历史上有冰时期和水流方向基本一致的最大风速 m s a 结构物迎冰面与冰流方向间的水平夹角 b 结构物迎冰面与风向间的水平夹角 第三章水作用第四节冰压力 大面积浮冰移动对结构物产生静压力 与浮冰冰层面积成正比 美国某市BaileyAvenueBridge采用破冰手段减小浮冰对桥墩的压力 第三章水作用第四节冰压力 三 冰覆盖层受到温度影响膨胀时产生的静压力 冰盖层温度上升产生膨胀而受到桥墩等结构物约束时 则在桥墩周围出现冰压力 冰的膨胀压力与冰面温度 升温速率和冰盖厚度有关 冰与结构物接触面的静压力按下式确定 第三章水作用第四节冰压力 式中P 冰层升温时 冰与结构物接触面产生的静压力 Pa t0 冰层初始温度 取冰层内温度的平均值 或取0 4t t为升温开始时的气温 h 冰温上升速率 h 采用冰层厚度内的温升平均值 即h t1 s 0 4t2 s 其s为气温变化的时间 h t1为期间s内冰层平均温升值 t2为期间s内气温的上升值 第三章水作用第四节冰压力 h 冰盖层计算厚度 m 采用冰层实际厚度 但不大于0 5m b 墩台宽度 m j 系数 视冰盖层的长度L而定 见下表 冰压力分布 冰厚方向呈上大下小的倒三角形分布 其合力作用点在冰面以下1 3冰厚处 第三章水作用第四节冰压力 四 冰层因水位升降产生的竖向作用力 冰盖层因水位上升 对桥墩 桩群产生的竖向上拔力 可按照桥墩四周冰层有效直径为50h的平板应力来推算 式中V 上拔力 N h 冰层厚度 m d 桩柱或桩群直径 m 第三章水作用第四节冰压力 五 流冰冲击力 流冰冲击力与冰块的抗压强度 冰层厚度 冰块尺寸 冰块运动速度及方向等因素有关 第三章水作用第四节冰压力 1 当冰块的运动方向大致垂直于结构物的正面 即冰块运动方向与结构物正面的夹角j 80o 90o时 2 当冰块的运动方向与结构物正面所成夹角j 80o时 第三章水作用第四节冰压力 式中P 流冰冲击力 N v 冰块流动速度 m s 宜按资料确定 当无实测资料时 对于河流可采用水流速度 对于水库可采用历年冰块运动期内最大风速的3 但不大于0 6m s h 流冰厚度 m 可采用当地最大冰厚的0 7 0 8倍 流冰初期取最大值 冰块面积 m2 可由当地或邻近地点的实测或调查资料确定 C 系数 可取为136 s kN m3 k l 与冰的计算抗压极限强度Ry有关的系数 按表3 7采用 m 随j角变化的系数 按表3 8采用 第三章水作用第五节撞击力 在通行船只或有漂流物的河流中 设计水中桥梁墩台时 需要考虑船只或漂流物的撞击力 2007年6月15日清晨 广东九江大桥遭运砂船撞击 200米桥面堕入江中 船舶横桥向撞击力远大于设计撞击力40吨 2007年8月29日中午 江苏省昆山市大洋桥水域 一艘货船撞上大洋桥桥墩 致使大桥部分桥面发生坍塌 第三章水作用第五节撞击力 广东九江大桥遭运砂船撞击 200m桥面堕入江中 船舶横桥向撞击过程示意 第三章水作用第五节撞击力 一 撞击力计算理论 撞击力的大小与撞击速度 撞击方位 撞击时间 船只吨位或漂流物重量 船只撞击部位形状 桥墩尺寸及强度等诸多因素有关 因此 确定船只及漂流物的撞击作用是一个复杂的问题 一般均根据能量相等原理采用一个等效静力荷载表示撞击作用 我国公路 桥规 假定船只或排筏作用于墩台上有效动能全部转化为撞击力所做的功 按等效静力导出撞击力F近似计算公式 第三章水作用第五节撞击力 设船只或排筏的质量为m 驶近墩台的速度为v 撞击时船只或排筏的纵轴线与墩台面的夹角为a 如图所示 其动能为 船只顺墩台面可以自由滑动 侧面动能不能传递到桥墩 动能由正面撞击产生 动能仅有前一项 即 第三章水作用第五节撞击力 在碰撞瞬间 船身以一角速度绕撞击点A旋转 消耗部分能量 撞击部位塑性变形吸收部分能量 其动能应予折减 桥墩获得动能 能量折减系数按下式计算 式中R 水平面上船只对其质心G的回转半径 m d 质心G与撞击点A在平行墩台面方向的距离 m 第三章水作用第五节撞击力 碰撞过程中 通过船只把传递给墩台的有效动能E全部转化为碰撞力F所作的静力功 设撞击点的总变位为 材料弹性变形系数为C 单位力所产生的变形 则有 所做静力功 此静力功等于船只碰撞前的动能 第三章水作用第五节撞击力 根据功的互等定理 有 令及代入上式 得 第三章水作用第五节撞击力 式中F 船只或排筏撞击力 kN g 动能折减系数 v 船只或排筏撞击墩台速度 m s a 船只或排筏撞击方向与墩台撞击点切线的夹角 m 船只或排筏质量 t C 弹性变形系数 包括船只或排筏及桥梁墩台的综合弹性变形在内 一般顺桥轴方向取0 0005 横桥轴方向取0 0003 第三章水作用第五节撞击力 若取动能折减系数g 0 4 船只行驶速度v 2m s 撞击角a 20 再按照航运部门规定的各级内河航道的船只吨位 一级航道3000t 二级航道2000t 三级航道1000t 四级航道500t 五级航道300t 六级航道50 100t 即可算出表3 9船只撞击力 表3 9船只撞击力 kN 第三章水作用第五节撞击力 漂流物对墩台撞击力可视为作用在桥墩上的一个冲量 由能量原理冲量等于动量的改变量 可导出撞击力估算公式 式中W 漂流物重力 k