第5章桥涵孔径设计ppt课件.ppt

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1、第5章 桥涵孔径设计,51 桥 孔 长 度511 桥渡分类及桥位选择 1桥渡分类 公路工程技术标准规定，桥梁按跨径大小划分。2桥位选择 1) 服从 路线走向，适应 市政规划 和 景观建设，路桥 综合考虑； 2) 满足 经济发展 和 国防需要 ； 协调好与航运、防洪、铁路等方面的关系； 注意文物、环境和军事设施的保护； 同时还要照顾群众利益，少占良田，少拆迁有价值的建筑物。,设计原则：安全，适用，经济，美观，环保。,桥位选择时还应满足： (1)桥位选择在 水文泥沙 方面的要求； (2)桥位选择在 地形地貌 方面的要求； (3)桥位选择在 工程地质 方面的要求； (4)桥位选择在 航运方面 的要求

2、。,(3) 桥轴线一般为 直线 或 曲率小的曲线，纵坡 较小； (4) 应对各个可比选方案进行详细调查和勘探，经全面分析 论证，确定推荐方案。,河滩流量较大时，桥上游应修建导流堤 1）被 桥头路堤阻断的河滩流量占总流量的15(单侧河滩) 或25(双侧河滩)以上时，应设置导流堤； 2）当桥位上游有支汉汇人，水流紊乱时，应视地形、流向及 地质条件设置导流堤。,（1）无导流堤，缓坡断面到断面（无导流堤时距桥位约一个桥孔长度L，有导流堤时到上游坝端附近）为壅水段，水面坡降变缓，水深逐渐增加。 断面处壅水高hy，达到最大，流速则逐渐减小，该段可能出现淤积。,1桥位河段水流状况分析,512 桥位河段水流状

3、况和桥孔布置原则,无导流堤时间水面降落， (有导流堤时到桥位中线 ） ，水流在 宽度 和 深度 方向均收缩，流速加大，挟沙力增加，河床可能冲刷，断面（或）处水流呈现“颈口”形状； 断面为扩散段，沿流向该段冲刷逐渐变小转为淤积，又从淤积逐渐恢复到天然输沙平衡状态。,（2）有导流堤时,陡坡,临界坡度是指正常水深恰等于临界水深时的渠度坡度。,临界坡度 ik 满足均匀流基本关系式：临界坡度 ik 满足临界水深的普遍：联解求得：,1）桥位选定后，桥孔的位置和大小，应与天然断面的流量分配相适应，满足泄洪排沙要求，保证桥头路堤不致溃决。2）桥孔孔径、类型，应力求简化，同一座桥上，除跨越通航或深谷的桥孔外，宜

4、采用类型相同的等跨梁，以利施工和养护。 3） 在通航和筏运的河段上，应将通航孔布设在稳定航道上。 4）在有流冰、流木的河段上，桥孔应适当放大，必要时，墩台应设置破冰体。,2桥孔布置原则,(1) 山区河流 峡谷河段一般宜单孔跨越，桥台不得伸人河槽，墩台基础可置于不同高程的基岩上。 开阔河段容许桥头路堤压缩河滩，但不能压缩河槽。 (2) 平原河流 1) 顺直微变和蜿蜒河段上，应预测河弯的发展和深泓线的摆动情况，在深泓摆动范围内应布设桥孔；2) 分汊型河段上，应在各汊道上分别架桥；3) 游荡型河段上，桥孔不宜过多压缩河床，应结合当地治 理规划，辅以必要的 整治工程，在深泓线可能摆动的 范围内均应布设

5、桥孔,(3)山前区河流 1) 冲积漫流(山前扩散)河段上，桥位宜在河流上游狭窄段或下游收缩处跨越。 桥位通过河床宽阔、水流具有显著分支处时，可采用一河多桥方案。 2)山前变迁河段上，允许压缩河滩，但需辅以适当的整治建筑物。,513 桥孔长度计算,桥孔长度是指 相应于设计水位时 两桥台前缘之间的水面宽度，以 L表示。 扣除全部桥墩宽度后的长度，称为 桥孔净长，以 Lj 表示。,大中桥的桥下河床，一般不采用 铺砌加固。,g冲刷前 桥下 毛过水面积，即设计水位下冲刷 前两桥台间的总面积；d 冲刷前 被 桥墩所占 的过水面积；k 冲刷前 被 墩台侧面涡流占去的过水面积；,y 冲刷前 桥下有效过水面积，

6、 yg- k- d；j 冲刷前 桥下净过水面积， j=y+k=g - d,桥位断面的设计洪峰流量为Qp，设冲刷前后水位不变。 冲刷停止时桥下有效过水面积 为 冲刷前桥下有效过水面积y乘以 冲刷系数P，即Py (P1)。 假定：桥下过水面积扩大到使桥下流速等于天然河槽流速时，桥下冲刷停止。（别列柳伯斯基，1875年）,1 冲刷系数法,设计流速Vs （河槽冲刷停止时的平均流速）：采用天然河槽平均流速。,因墩台侧面涡漩阻水，引入的侧收缩系数：,因桥墩本身的宽度，引入过水面积折减系数：宽浅河流：,l j两桥墩间净间距，m； Vs河槽的天然流速(过设计流量时)，ms；b桥墩宽度；l 桥墩中心间距。,对不

7、等跨距的桥孔，采用各孔值的加权平均值。当桥位与水流斜交时，为：,桥轴线的法线与水流方向的夹角。,难点： 求出j或g后，在桥位断面的剖面图上试着布置桥孔，即可确定桥孔长度。,或,(1) 单宽流量公式 主要考虑桥下河床 单宽流量的重新分布 建立的公式。 适用于稳定、次稳定和宽滩河段。,峡谷河段，一般按地形布孔，不作桥长计算。其他类型河段，可用经验公式计算桥孔净长Lj。,Lj桥孔净长，m， Qp设计流量，m3s， qc河槽平均单宽流量，m3(ms)； 水流压缩系数。,2 经验公式法,对稳定、次稳定河段：,对宽滩河段：,河槽平均水深，m； Bc河槽宽度，m； K1系数，稳定河段取1，次稳定河段取092

8、； Qc河槽流量； Qt河滩流量； V0设计洪水时，河床全断面平均流速，ms； 设计洪水时河床全断面平均水深，m； 断面流速不均匀修正系数。,适用于滩、槽可分的变迁、游荡性河段。,(2) 输沙平衡公式主要考虑断面总输沙平衡建立的公式。,k系数： 游荡性河段为2123； 变迁性河段为1720。,B0基本河槽宽度，m， k 系数，k =10078； A 河段特性系数，一般为1015； 无滩宽浅河床为1530； J 水面比降。 桥位与水流斜交时应予换算。,(3) 基本河宽公式,适用于不能划分出滩、槽的变迁、游荡性河段,梁式桥、板式桥，以 桥墩中心线之间的距离 为标准跨径 ；拱式桥(涵)、箱涵、圆管涵

9、，以 净跨径作 为标准跨径。桥涵标准跨径类型：075、10、125、15、20、 25、 30、 40、 50、 60、 80、 10、 13、 16、 20、 25、 30、 35、 40、 45、 50、 60m。设计中因可直接选用这些标准跨径的各类标准图，简化大量的设计计算工作，跨径在60m以下的桥孔，一般应选用标准跨径。,3 标准跨径的选择,用冲刷系数法求出过水毛面积后进行桥孔布置是还应考虑哪些因素？, 采用标准跨径，采用整数跨； 是否通航，考虑通航所需的最小净宽； 是否流冰流木，考虑流冰流木所需的最小 净宽。 桥台、桥墩位置要在桥位断面图上 多次试着布置 后最终确定。,52 桥 面

10、标 高,桥面中心线上最低点的标高，称为桥面标高。 应满足桥下通过 设计洪水、通航、流木、流冰 的要求，并考虑壅水高、风浪高、河弯超高 和 河床淤积抬高 等影响。,521、桥面标高计算,1非通航河段(或通航河段过设计水位时)，考虑过设计洪水需要的标高,Zmin 桥面标高； Zs 设计洪水位； hD桥梁上部结构高度，包括桥面铺装高度； 水面升高之和； hj 桥下净空。,(5-10),2通航河段，考虑通航需要的标高,Zm设计最高通航水位，一至四级航道采用5频率的 洪水位，五至六级航道采用10频率的洪水位； hm 通航净空高度，与航道等级、航道情况有关。 注意：设计洪水位Zs 与设计最高通航水位Zm不

11、同。,(5-11),通航河段需同时满足泄洪和通航要求，所以通航河段的桥面标高应取式(510)和式(511)计算结果的较大值。,522 各类水面升高值计算,1桥前壅水曲线与桥下壅水高 hl对缓坡河流，桥前壅水曲线一般可近似看做为二次抛物线,Lm壅水曲线的全长； hA任意断面A处的壅水高度；hy桥前最大壅水高度； J 河床比降； LA 桥前任意断面A至最大壅水断面的距离。,壅高系数，与 河滩路堤阻断流量占设计流量的比值 有关，见表56； Vm通过设计流量时，桥下断面 设计平均流速，按土壤 和土质类别由表57计算； Vq桥前河流全断面（桥上游断面）的平均流速。河滩路堤阻断流量: 原天然断面一部分布置

12、桥孔，一部分布置成路堤，布置成路堤的那部分没建桥时过的流量。为红色阴影线部分面积对应的流量。,桥下壅水高h1：一般采用桥前最大壅水高度hy的一半；当河床坚实不易冲刷时，可采用桥前最大壅水高度值hy,；当河床松软易于冲刷时，桥下壅水高度可以不计。,h2桥墩冲高值，m；d 桥墩阻水面积；g 桥下毛过水面积；V0 建桥前 桥址断面平均流速，ms；g 重力加速度。,2桥墩冲高h2,缓流时，河道中的桥墩会对上游产生壅水。 急流时，不会对上游产生壅水，但墩前水流会突然冲高(h2 ),波浪高度hL 可通过调查取得，也可按经验公式计算,3桥位处波浪壅高 2hL /3,hL连续观测100个波浪中波浪高度最大的一

13、个，m； 沿浪程计算方向的平均水深，m； V风速，ms，为水面上10m高度处 多年 测得的洪水期间 自记 2分钟平均最大风速 的 平均值；,D计算浪程（吹程），图中为最大浪程。 对水面狭窄的河流，当平均泛滥宽度B与计算浪程D 之比小于07时，式中D应乘以修正系数KD，KD 取值见表58。 计算桥面标高时，波浪引起的壅高 按上述计算值的三分之二计入。,关于双曲正切函数thx,双曲正弦函数双曲余弦函数双曲正切函数双曲余切函数cthx,风向玫瑰图（简称风玫瑰图）也叫风向频率玫瑰图，它是根据某一地区多年平均统计的各个风向和风速的百分数值，并按一定比例绘制，一般多用8个或16个罗盘方位表示，由于形状酷似

14、玫瑰花朵而得名。玫瑰图上所表示风的吹向，是指从外部吹向地区中心的方向，各方向上按统计数值画出的线段，表示此方向风频率的大小，线段越长表示该风向出现的次数越多。风向玫瑰图中，线段最长者即为当地主导风向。,计算浪程 是波浪沿一定风向可能传播的距离，由汛期 风玫瑰图和桥位地形确定。最大浪程 是从泛滥边界至计算波浪处的距离。最大浪程方向与风向夹角不超过22.5度时，认为方向一致。 风速、平均水深、计算浪程互相关联，利用气象站的实测风速和风向资料，绘制风玫瑰图，求相应的风速，平均水深和计算浪程。 选择最不利组合计算最大的波浪高度。,4路堤边坡处波浪爬高he,确定河滩路堤或导流堤顶高程时，应计入这一高度.

15、,he自静水位起计算的波浪爬高， KA边坡糙渗系数，与边坡护面情况有关，见表59 Kv与风速有关的系数，见表510； Ro相对波浪爬高，即当KA=Kv=1，h L =lm时的波 浪爬高，见表511.,波浪斜向侵袭时，当边坡系数m1，浪程方向与路堤水边线夹角30度时,浪程方向与路堤水边线夹角,即当=90度时， he= he。,5河弯超高hw,由于离心力作用，使弯道凹岸水位升高。凹岸水位与凸岸水位之差称河弯超高，可按下式估算：,hw河弯超高； V断面平均流速； B水面宽度； R河弯凸岸和凹岸曲率半径的平均值。 计算桥面标高时，按上述计算值的二分之一计入。,6河床淤积,大多数河流河床淤积抬高的速度极

16、慢。 但对一些 堆积性明显的河段 如黄河下游和永定河下游)，以及大中型水库的回水末端附近河段(如位于黄河三门峡水库回水末端的渭河下游等)，确定桥下净空时，应对河床淤积问题给予充分考虑。 河床淤积抬高量的估计比较困难，一般需用河工模型试验或河床变形数学模型来预估。,设计流量QP6150 ，设计水位ZP10700 m，河槽天然流速Vs=20 ms，河滩天然平均流速Vt=095 ms，水流与桥位正交，通航等级为五级航道，通航水位10500 m（这里直接给的水位，不是给通航频率对应的流量，再查水位-流量关系曲线得最高通航水位）。试计算 (1)桥孔长度； (2)桥面标高。,例51,已知某桥址断面及地质资

17、料如图57所示。 桥位河段属平原 次稳定河段，,由桥位断面图可知，桥下断面分为七个单元，设计水位下：040：三角形面积60平方米；40240：梯形面积900240340：梯形面积650； 340400：梯形面积=330400500：梯形面积=350； 5001000：梯形面积=125010001400：三角形面积400,(1)基本数据计算,河槽过水面积 c=十+ +=2290 河滩过水面积 t=+=1650 天然情况下河槽设计流量 Qc=cVs=22902=4580 天然情况下河滩设计流量 Qt=tVt=1650095=1570 河床断面平均流速,水面总宽 B1400m 河槽宽 Bc=500m

18、河床全断面平均水深,河槽平均水深及系数,1) 用经验公式计算,桥孔净长,次稳定河段可用公式(55)和式(56)计算,河槽平均单宽流量,(2)桥孔长度计算,初步拟定，上部结构采用预应力钢筋混凝土简支梁，本河流为五级航道，要求桥下净跨不小于38m，选用标准跨径40m(桥墩中心间距)，并假定墩宽lm。从表52选用 P125（平原），,侧收缩系数桥墩引起的过水面积折减系数,计算出通过设计流量时所需要的桥下最小毛过水面积,2) 用冲刷系数法计算,在全部500m宽的河槽上可以得到毛过水面积2290m2，另外需要河滩上布置过水面积为25752290=285。根据河滩几何形状，可算得相应的距离(桩号)为600

19、m。 参照桥位处的河流横断面和现场勘察的意见，确定将一岸桥台前缘置于距离(桩号)为0处，采用15孔跨径40m的桥孔，则另一桥台前缘位于距离(桩号)600m处，即桥孔长度600m。此为巧合，15孔40 m的孔径对应的毛面积正好是计算所需的毛面积，一般不会这样，但最终应选整数跨。,布置出的桥孔净长：与经验公式计算结果相比差别不大。,上述计算结果是桥下宣泄设计洪水所需要的最小孔径， 实际中应综合考虑桥前壅水，桥下冲刷，河道主流摆动幅度，以及技术经济方面的要求。 为减少对航运影响，还可加大航道所在桥孔的跨径。,壅水高度（例题中没有给出河段坡度？这里假设为缓坡）河滩路堤（阴影部分）阻断面积zd ,河滩路堤阻断流量Qzd,（3）桥面标高确定,2) 波浪高度,桥位附近无波浪资料，采用式(5-16)计算。假设浪程及沿浪程的平均水深。,根据调查，本河段其他引起水位升高的因素可忽略：,（2）通航： 五级航道的通航净空高度hm8m(见表55)：,3)桥面标高（注意设计水位与通航最高水位不同）,（1）过设计洪水：采用桥下净空 h j05m(见表53)，假设桥梁上部结构高度h D=18m（由上部结构设计得），则,桥面标高以两者的较大者控制，采用 Zmin=114.8m,