05荷载与结构设计方法

1、第第5章章 侧压力侧压力1.1第5章 侧 压 力第第5章章 侧压力侧压力1.2土的侧压力土的侧压力静水压力及流水压力静水压力及流水压力波波 浪浪 荷荷 载载冰冰 荷荷 载载习题与思考题习题与思考题本章内容本章内容第第5章章 侧压力侧压力1.3 挡土墙是防止土体坍塌的构筑物，广泛应用于房屋建筑、水利、铁路以及公路和桥梁工程挡土墙是防止土体坍塌的构筑物，广泛应用于房屋建筑、水利、铁路以及公路和桥梁工程中。土的侧压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。由于土压力中。土的侧压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。由于土压力是挡土墙的主要荷载，因此，设计挡土墙

2、时首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点。是挡土墙的主要荷载，因此，设计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点。土的侧压力土的侧压力第第5章章 侧压力侧压力1.4一、土的侧向压力分类 根据挡土墙的移动情况和墙后土体所处的状态，土压力可分为静止土压力、主动土压力和根据挡土墙的移动情况和墙后土体所处的状态，土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力被动土压力3种情形。种情形。 1.静止土压力静止土压力 挡土墙在土压力作用下，不产生任何位移或转动，墙后土体处于弹性平衡状态，此时墙背挡土墙在土压力作用下，不产生任何位移或转动，墙后土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土

3、压力所受的土压力称为静止土压力(图图5.1(a)，一般用，一般用e0表示。表示。 2.主动土压力主动土压力 当挡土墙在土压力的作用下，背离墙背方向移动或转动时当挡土墙在土压力的作用下，背离墙背方向移动或转动时(图图 5.1(b)，作用在墙背上的土压，作用在墙背上的土压力从静止土压力值逐渐减少，直至墙后土体出现滑动面。滑动面以上的土体将沿这一滑动面向力从静止土压力值逐渐减少，直至墙后土体出现滑动面。滑动面以上的土体将沿这一滑动面向下向前滑动，墙背上的土压力减小到最小值，滑动楔体内应力处于主动极限平衡状态，此时作下向前滑动，墙背上的土压力减小到最小值，滑动楔体内应力处于主动极限平衡状态，此时作用在

4、墙背上的土压力称为主动土压力，一般用用在墙背上的土压力称为主动土压力，一般用ea表示。表示。 3. 被动土压力被动土压力 如果挡土墙在外力作用下向土体方向移动或转动时如果挡土墙在外力作用下向土体方向移动或转动时(图图5.1(c)，墙体挤压墙后土体，作用在，墙体挤压墙后土体，作用在墙背上的土压力从静止土压力值逐渐增大，墙后土体也会出现滑动面，滑动面以上土体将沿滑墙背上的土压力从静止土压力值逐渐增大，墙后土体也会出现滑动面，滑动面以上土体将沿滑动方向向上向后推出，墙后土体开始隆起，作用在挡土墙上的土压力增加到最大值，滑动楔体动方向向上向后推出，墙后土体开始隆起，作用在挡土墙上的土压力增加到最大值，

5、滑动楔体内应力处于被动极限平衡状态。此时作用在墙背上的土压力称为被动土压力，一般用内应力处于被动极限平衡状态。此时作用在墙背上的土压力称为被动土压力，一般用ep表示。表示。土的侧压力土的侧压力第第5章章 侧压力侧压力1.5 一般情况下，在相同的墙高和填土条件下，主动土压力小于静止土压力，而静止土一般情况下，在相同的墙高和填土条件下，主动土压力小于静止土压力，而静止土压力又小于被动土压力，即：压力又小于被动土压力，即：ea e0l/2)时，波浪运动就不再受水域底部摩擦阻力影响，底部时，波浪运动就不再受水域底部摩擦阻力影响，底部水质点几乎不动，处于相对宁静状态，这种波浪被称为深水推进波。水质点几乎

6、不动，处于相对宁静状态，这种波浪被称为深水推进波。 当波浪推进到浅水地带，水深小于半个波长当波浪推进到浅水地带，水深小于半个波长(d0.2时，采用简化方法计算出的波峰立波波压强度将显著偏大，应采取其时，采用简化方法计算出的波峰立波波压强度将显著偏大，应采取其他方法确定。他方法确定。 波波 浪浪 荷荷 载载bp1()sssdbsdhhppppdhh2111()()22sbdpdhhdpup2bubpp 图图5.33 波谷时立波波压力分布图波谷时立波波压力分布图 第第5章章 侧压力侧压力1.54 2.远破波波压力远破波波压力 远破波波压力不仅与波高有关，而且与波陡、堤前海底坡度有关，波陡越小或底坡

7、远破波波压力不仅与波高有关，而且与波陡、堤前海底坡度有关，波陡越小或底坡越陡，波压力越大。越陡，波压力越大。 (1)图图5.34所示的波峰时静水面以上高度所示的波峰时静水面以上高度h处波压强度为零，静水面处的波压强度处波压强度为零，静水面处的波压强度 ： (5-56)式中，式中，u1水底坡度水底坡度i的函数；的函数； u2坡坦坡坦l/h的函数。的函数。 波波 浪浪 荷荷 载载s12p = u u h图图5.34 波峰时远波波压力分布图波峰时远波波压力分布图sp海底坡度海底坡度i1/101/251/401/501/601/801/100u2值值1.891.541.401.371.331.291.

8、25坡坦坡坦l/h141516171819202122u2值值1.011.061.121.171.211.261.301.341.37坡坦坡坦l/h2324252627282930u2值值1.411.441.161.491.501.521.541.55表表5-4 u1值值表表5-5 u2值值第第5章章 侧压力侧压力1.55 (2) 图图5.35示意波谷时静水面处波压强度为零，从静水面以下示意波谷时静水面处波压强度为零，从静水面以下h/2处至水底处的波压处至水底处的波压强度均：强度均：(5-58) 墙底波浪浮托力墙底波浪浮托力(方向向下方向向下)： (5-59) 波波 浪浪 荷荷 载载0.5ph

9、2ubpp 第第5章章 侧压力侧压力1.56 3.近破波波压力近破波波压力 如图如图5.36所示，当墙前水深所示，当墙前水深d10.6h时，可按下述方法计算。时，可按下述方法计算。静水面以上静水面以上z处的波压强度为零，处的波压强度为零，z按下式计算：按下式计算：(5-60)静水面处波压强度静水面处波压强度 ：(1) 当当 时时(5-61)(2) 当当 时时 (5-62) 波波 浪浪 荷荷 载载1(0.270.53)dzhh12133dd111.25(1.80.16)(10.13)shhphdd11134dd1111.25(13.936.4)(0.67)1.03(10.131.25)ssdhh

10、phphddd第第5章章 侧压力侧压力1.57墙底处波压强度：墙底处波压强度： (5-63) 单位长度墙身上的总波浪力单位长度墙身上的总波浪力p：(1) 当当 时时(5-64) (2) 当当 时时(5-65) 墙底波浪浮托力为：墙底波浪浮托力为：(5-65) 波波 浪浪 荷荷 载载0.6bspp12133dd11134dd111.25(1.90.17)hphdd1111.25(14.838.8)(0.67)1.1dhphddd0.62subpp 第第5章章 侧压力侧压力1.58墙底波浪浮托力为：墙底波浪浮托力为： (5-66) 波波 浪浪 荷荷 载载图图5.36 近破波波压力分布图近破波波压力

11、分布图 0.62subpp 图5.35 波谷时远破波波压力分布图第第5章章 侧压力侧压力1.59 冰荷载按照其作用性质的不同，可分为静冰压力和动冰压力。冰荷载按照其作用性质的不同，可分为静冰压力和动冰压力。静冰压力包括静冰压力包括 冰堆整体推移的静压力；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；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；冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力； 冰层因水位升降产生的竖向作用力。冰层因水位升降产生的竖向作用力。 动冰压力主要指河流流冰产生的冲击动压力。动冰压力主要指河流流冰产生的冲击动压力。冰冰 荷荷 载载第第

12、5章章 侧压力侧压力1.60 一、冰堆整体推移的静压力一、冰堆整体推移的静压力 当大面积冰层以缓慢的速度接触墩台时，受阻于桥墩而停滞在墩台前，形成冰层或当大面积冰层以缓慢的速度接触墩台时，受阻于桥墩而停滞在墩台前，形成冰层或冰堆现象。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，基于作冰堆现象。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，基于作用在墩台的冰压力不能大于冰的破坏力这一原理，考虑到冰的破坏力与结构物的形状、用在墩台的冰压力不能大于冰的破坏力这一原理，考虑到冰的破坏力与结构物的形状、气温以及冰的抗压极限强度等因素有关，可导出极限冰压力计算公式：气温以及冰

13、的抗压极限强度等因素有关，可导出极限冰压力计算公式： (5-67)式中，式中， 极限冰压力合力极限冰压力合力(n)； 计算冰厚计算冰厚(m)，可取发生频率为，可取发生频率为1的冬季冰的最大厚度的的冬季冰的最大厚度的0.8倍，当缺乏倍，当缺乏观测资料时，可用勘探确定的最大冰厚；观测资料时，可用勘探确定的最大冰厚； 墩台或结构物在流冰作用高程处的宽度墩台或结构物在流冰作用高程处的宽度(m)； 墩台形状系数，与墩台水平截面形状有关，可按表墩台形状系数，与墩台水平截面形状有关，可按表5-6取值；取值； 冰的抗压极限强度冰的抗压极限强度(pa)，采用相应流冰期冰块的实际强度，当缺少试验，采用相应流冰期冰

14、块的实际强度，当缺少试验资料时，取开始流冰的资料时，取开始流冰的fy =735kpa，最高流冰水位时，最高流冰水位时fy =441kpa； 地区系数，气温在零上解冻时为地区系数，气温在零上解冻时为1.0；气温在零下解冻且冰温为；气温在零下解冻且冰温为-10及及以下者为以下者为2.0；其间用插入法求得。；其间用插入法求得。 表表5-6 墩台形状系数墩台形状系数 值值冰冰 荷荷 载载ypfbhpphbyf第第5章章 侧压力侧压力1.61 二、大面积冰层的静压力二、大面积冰层的静压力 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，可根据水流方向由于水流和风的作用，推动大面积浮冰移动对结构

15、物产生静压力，可根据水流方向和风向，考虑冰层面积来计算，如图和风向，考虑冰层面积来计算，如图5.37所示。所示。 (5-68)式中，式中， 作用于结构物的正压力作用于结构物的正压力(n)； 浮冰冰层面积浮冰冰层面积(m2)，取有史以来有记载的最大值；，取有史以来有记载的最大值； 水流对冰层下表面的摩阻力水流对冰层下表面的摩阻力(pa) ； 水流对浮冰边缘的作用力水流对浮冰边缘的作用力(pa) ； 由于水面坡降对冰层产生的作用力由于水面坡降对冰层产生的作用力(pa) ； 风对冰层上表面的摩阻力风对冰层上表面的摩阻力(pa) ； 结构物迎冰面与冰流方向间的水平夹角；结构物迎冰面与冰流方向间的水平夹

16、角； 结构物迎冰面与风向间的水平夹角。结构物迎冰面与风向间的水平夹角。冰冰 荷荷 载载1234()sinsinppppp p1p2p3p4p图图5.37 大面积冰层静压力示意图大面积冰层静压力示意图第第5章章 侧压力侧压力1.62 三、冰覆盖层受到温度影响膨胀时产生的静压力三、冰覆盖层受到温度影响膨胀时产生的静压力 确定冰与结构物接触面的静压力时，其中冰面初始温度、冰温上升速率、冰覆盖层确定冰与结构物接触面的静压力时，其中冰面初始温度、冰温上升速率、冰覆盖层厚度及冰盖约束体之间的距离，由下式确定：厚度及冰盖约束体之间的距离，由下式确定： (5-69)式中，式中， 冰覆盖层升温时，冰与结构物接触

17、面产生的静压力冰覆盖层升温时，冰与结构物接触面产生的静压力(pa)； 冰层初始温度冰层初始温度()，取冰层内温度的平均值，或取，取冰层内温度的平均值，或取0.4t，t为升温开始时的为升温开始时的气温；气温； 冰温上升速率冰温上升速率(/h)，采用冰层厚度内的温升平均值；，采用冰层厚度内的温升平均值； 冰盖层计算厚度冰盖层计算厚度(m)，采用冰层实际厚度，但不大于，采用冰层实际厚度，但不大于0.5m； 墩台宽度墩台宽度(m)；系数，视冰盖层的长度系数，视冰盖层的长度l而定，见表而定，见表5-7。表表5-7 系数系数 冰冰 荷荷 载载1.670.3300.8810(1)3.1tphbtp0tbh第

18、第5章章 侧压力侧压力1.63 四、冰层因水位升降产生的竖向作用力四、冰层因水位升降产生的竖向作用力 当冰覆盖层与结构物冻结在一起时，若水位升高，水通过冻结在桥墩、桩群等结构当冰覆盖层与结构物冻结在一起时，若水位升高，水通过冻结在桥墩、桩群等结构物上的冰盖对结构物产生上拔力。可按照桥墩四周冰层有效直径为物上的冰盖对结构物产生上拔力。可按照桥墩四周冰层有效直径为50倍冰层厚度的平板倍冰层厚度的平板应力来计算：应力来计算： (5-70)式中，式中，v上拔力上拔力(n)； h冰层厚度冰层厚度(m)； d桩柱或桩群直径桩柱或桩群直径(m)，当桩柱或桩群周围有半径不小于，当桩柱或桩群周围有半径不小于20

19、倍冰层厚度的连续倍冰层厚度的连续冰层，且桩群中各桩距离在冰层，且桩群中各桩距离在lm以内；当桩群或承台为矩形，则采用以内；当桩群或承台为矩形，则采用 (a、b为矩为矩形边长形边长)。冰冰 荷荷 载载230050lnhvhddab第第5章章 侧压力侧压力1.64 五、流冰冲击力五、流冰冲击力 当冰块运动时，对结构物前沿的作用力与冰块的抗压强度、冰层厚度、冰块尺寸、当冰块运动时，对结构物前沿的作用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。由于这些条件不同，冰块碰到结构物时可能发生破碎，冰块运动速度及方向等因素有关。由于这些条件不同，冰块碰到结构物时可能发生破碎，也可能只

20、有撞击而不破碎。也可能只有撞击而不破碎。(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 =8090时：时：(5-71)(2) 当冰块的运动方向与结构物正面所成夹角当冰块的运动方向与结构物正面所成夹角 80时，作用于结构物正面的冲击力按时，作用于结构物正面的冲击力按下式计算：下式计算：(5-72)式中，式中，p流冰冲击力流冰冲击力(n)； v冰块流动速度冰块流动速度(m/s)，宜按资料确定，当无实测资料时，对于河流可采用水，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

21、历年冰块运动期内最大风速的流速度；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，但不大于0.6m/s； h流冰厚度流冰厚度(m)，可采用当地最大冰厚的，可采用当地最大冰厚的0.70.8倍，流冰初期取最大值；倍，流冰初期取最大值； 冰块面积冰块面积(m2)，可由当地或邻近地点的实测或调查资料确定；，可由当地或邻近地点的实测或调查资料确定； c系数，可取为系数，可取为136(skn/m3)； k， 与冰的计算抗压极限强度与冰的计算抗压极限强度fy有关的系数，按表有关的系数，按表5-8采用；采用； 随随 角变化的系数，按表角变化的系数，按表5-9采用。采用。冰冰 荷荷 载载p=kvh 22s

22、inpcvhh第第5章章 侧压力侧压力1.65冰冰 荷荷 载载表表5-8 系数系数k、y值值表表5-9 系数系数值值注：表中注：表中ry为其他值时，为其他值时，k、 y可用插入法求得。可用插入法求得。第第5章章 侧压力侧压力1.66思考题思考题1. 土压力有哪几种，各种土压力的大小及分布的主要影响因素是什么，如何土压力有哪几种，各种土压力的大小及分布的主要影响因素是什么，如何计算计算？2. 水中构筑物在确定流水荷载时，为什么主要考虑正压力水中构筑物在确定流水荷载时，为什么主要考虑正压力？3. 水中构筑物为什么设计成流线型水中构筑物为什么设计成流线型？4. 确定波浪荷载计算理论的依据是什么，如何计算确定波浪荷载计算理论的依据是什么，如何计算？5. 在冰压力计算时如何考虑结构物形状的影响在冰压力计算时如何考虑结构物形状的影响？第第5章章 侧压力侧压力1.67习习 题题某浆砌毛石重力式挡土墙，如图某浆砌毛石重力式挡土墙，如图5.38所示。墙高所示。墙高6m，墙背垂直光滑；墙后填，墙背垂直光滑；墙后填土的表面水平并与墙齐高；挡土墙基础埋深土的表面水平并与墙齐高；挡土墙基础埋深1m。图图5.38 习题习题1图图(1) 当墙后