第3章 水作用.ppt

1、荷載與結(jié)構(gòu)設計方法,第三章 水作用,第三章 水作用,水以不同的存在形態(tài)和作用方式對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生作用力。 水庫堤壩、河流橋墩：靜水壓力和流水壓力作用； 港口建筑、沿海堤壩：波浪沖擊力作用。,第三章 水作用,北方嚴冬，千里冰封，河流結(jié)凍，引起凍脹力； 春暖花開，河流解凍，冰堆推移，流冰沖擊，產(chǎn)生冰壓力。,第三章 水作用,本章內(nèi)容 第一節(jié) 靜水壓力 第二節(jié) 流水壓力 第三節(jié) 波浪作用力 第四節(jié) 冰壓力 第五節(jié) 撞擊力 第六節(jié) 浮托力,第三章 水作用第一節(jié) 靜水壓力,在實際工程中，設計和建造水閘、堤壩、橋墩和碼頭時，必須考慮水在結(jié)構(gòu)物表面產(chǎn)生的靜水壓力。靜水壓力是指靜止液體對其接觸面產(chǎn)生的壓力。,靜水壓

2、強具有兩個特征：,（1）靜水壓強垂直于作用面，并指向作用面內(nèi)部； （2）靜止液體中任一點處各方向的靜水壓強都相等。,靜水壓強液體表面壓強液體內(nèi)部壓強,第三章 水作用第一節(jié) 靜水壓力,工程中只考慮相對壓強（扣除大氣壓），即：,式中 pa自由水面下作用在結(jié)構(gòu)物任一點a的壓強； ha結(jié)構(gòu)物上的水壓強計算點a到水面的距離（m）； g水的重度（kN/m3）。,第三章 水作用第一節(jié) 靜水壓力,靜水壓強的大小及分布：,（1）與水深呈線性關(guān)系，隨水深按比例增加； （2）水壓力作用在結(jié)構(gòu)物表面法線方向，其分布與受壓面形狀有關(guān)，分布圖的外包線為直線或曲線。,第三章 水作用第二節(jié) 流水壓力,位于流水中的橋墩，其上游

3、迎水面受到流水沖擊作用。流水受到橋墩阻礙，對橋墩施加壓力。,第三章 水作用第二節(jié) 流水壓力,受到洪水沖擊后的橋梁,第三章 水作用第二節(jié) 流水壓力,一、水流流經(jīng)結(jié)構(gòu)物特征,等速流動的河流可視為流速為v的平面流場，流線為互相平行的水平線。 等速流動的河流中放置一橋墩，流線在接近柱體時流動受阻，在橋墩前一分為二，沿柱面兩側(cè)向后流動，橋墩后出現(xiàn)旋渦區(qū)。,第三章 水作用第二節(jié) 流水壓力,等速流動的河流中放置一圓柱體（橋墩），流線在接近圓柱體時流動受阻，流速減小，壓強增大。 到達a點，流線停滯，流速為零，壓強最大，a點稱為停滯點。 a點開始，一分為二，沿柱面兩側(cè)向前流動，形成邊界層流動，到達b點。,第三章

4、 水作用第二節(jié) 流水壓力,a點到b點區(qū)間，柱面彎曲，流線密集，邊界層內(nèi)流動處于加速減壓狀態(tài)。 過了b點，流線擴散，處于減速加壓狀態(tài)。 到達e點，來流質(zhì)點脫離邊界向前流動，出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象。 e點下游水壓較低，必有新的流體反向回流，出現(xiàn)旋渦區(qū)。,第三章 水作用第二節(jié) 流水壓力,根據(jù)試驗結(jié)果繞流阻力可由下式計算：,式中v來流流速；A繞流物體在垂直于來流方向上的投影面積；CD繞流阻力系數(shù)，主要與結(jié)構(gòu)物形狀有關(guān)；r流體密度。,為減小繞流阻力，常將橋墩、閘墩設計成流線型，降低阻力。,第三章 水作用第二節(jié) 流水壓力,二、橋墩流水壓力計算,橋墩上的流水壓力標準值可按下式計算,式中Fw作用在橋墩上的流水壓力

5、標準值（kN）； g水的重度（kN/m3）； v設計流速（m/s）； A橋墩阻水面積（m2），計算至一般沖刷線處； g重力加速度，取9.81（m/s2）； K由試驗測得的橋墩形狀系數(shù)，按下表取用。,第三章 水作用第二節(jié) 流水壓力,橋墩形狀系數(shù)K,第三章 水作用第二節(jié) 流水壓力,流速隨深度呈曲線變化，河床底面處流速接近于零。為了簡化計算，流水壓力的分布可近似取為倒三角形，故其著力點位置取在設計水位以下1/3水深處。,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,一、波浪特性,波浪是液體自由表面在外力作用下產(chǎn)生的周期性起伏波動，它是液體質(zhì)點振動的傳播現(xiàn)象。,無風不起浪，波浪在干擾力的作用下生成： 由風力引起的

6、波浪稱風成波； 由月球引力引起的波浪稱潮汐波； 由船舶航行引起的波浪稱船行波。,風成波是工程設計主要考慮對象,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,在風力直接作用下，靜水表面形成的波稱強制波；風力漸止后，波浪依靠其慣性力和重力作用繼續(xù)運動的波稱自由波。 若自由波的外形是向前推進的稱推進波，而不再向前推進的波稱駐波。當水域底部對波浪運動無影響時形成的波稱深水波，有影響形成的波稱淺水波。,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,描述波浪運動性質(zhì)及形態(tài)的要素：波峰、波谷、波高、波長、波陡、波速、波周期等。,波陡浪高（H）/ 波長（L）； 波浪中線平分波高的水平線； 超高波浪中

7、線到靜止水面的垂直距離（hs）。,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,波浪發(fā)生于海面上，然后向海岸傳播。 在海洋深水區(qū)（d L/2），波浪運動不受海底摩擦阻力影響，海底水質(zhì)點，寧靜狀態(tài)，稱深水推進波； 在海洋淺水區(qū)（d L/2），海底對波浪運動產(chǎn)生摩阻作用，海底水質(zhì)點，前后擺動，這種波浪稱淺水推進波；,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,淺水波波長變短，波速減小，波高增加，波峰尖突，波陡增大； 當淺水波繼續(xù)向海岸推進時，波陡相應增大，波峰發(fā)生破碎，這個區(qū)域稱為波浪破碎帶； 淺水推進波破碎后，又重新組成新的波浪向前推進，幾度破碎。形成一股水流向前推移，這種波浪稱為擊岸波； 擊岸波形成的沖擊水流即為波

8、浪荷載； 波浪沖擊岸灘或建筑物后，水流順岸灘上涌，回流大海，這個區(qū)域稱為上涌帶。,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,二、波浪作用力的計算,波浪特性、構(gòu)筑物型式、地形地貌、海底坡度等。,現(xiàn)行確定波浪荷載的方法帶有很大的經(jīng)驗性，一般情況下當浪高超過0.5m時，應考慮波浪對構(gòu)筑物的作用力。,波浪作用力的主要影響因素：,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,三、直墻上波浪作用力,波浪作用力應按三種波浪進行設計：,（1）立波原始推進波沖擊垂直墻面后和反射波互相疊加形成的一種干涉波； （2）近堤破碎波距直墻附近半個波長范圍內(nèi)發(fā)生破碎的波； （3）遠堤破碎波距直墻半個波長以外發(fā)

9、生破碎的波。,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,直立式防波堤存在暗基床（左圖）或明基床（右圖）。,應根據(jù)基床類型、水底坡度i、波高H及水深d判別波態(tài)，對應進行波浪作用力計算。,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,（一）立波波壓力,假定波壓強沿水深按直線分布，當相對水深d/L=0.10.2和波陡H/L1/30時，先計算直墻各轉(zhuǎn)折點壓強，再將各點用直線相連，即得直墻上立波壓強分布。,1.波峰時,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,（1）水底處波壓力強度pd為：,式中 g水的重度。,（2）靜水面上H+hs處（即波浪中線上H處）波壓力強度為零；,（3）靜水面處的波浪壓力強度ps為：,式中 hs波浪中線超出

10、靜水面的高度，按下式確定：,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,（4）墻底處波浪壓力強度pb為：,（5）單位長度直墻上總波浪壓力P為：,（6）墻底波浪浮托力（方向向下）Pu為：,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,2.波谷時,（1）水底處波浪壓力強度pd為：,（2）靜水面處波壓強度為零；,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,（3）靜水面下H-hs處（即波浪中線下H處）波壓強度ps為：,（4）墻底波壓強度pb為：,（5）單位長度上總波壓力P 為：,（6）墻底波浪浮托力（方向向下） Pu為：,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,（二）遠破波波壓力,遠破波波壓力與波高、波陡、堤前海底坡度有關(guān)，波陡越小或底坡

11、越陡，波壓力越大。,1. 波峰時,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,（1）靜水面以上高度H處波壓強度為零；,（2）靜水面處的波壓強度ps為：,式中 k1水底坡度i的函數(shù)，按表3.3取用； k2波陡L/H的函數(shù)，按表3.4取用。,（3）靜水面以下H/2處，波壓強為0.7ps；,（4）墻底處波壓強度pd取為：,（5）墻底波浪浮托力Pu為：,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,2. 波谷時,（1）靜水面處波壓強度為零；,（2）靜水面以下H/2處至水底 處的波壓強度均為：,（3）墻底波浪浮托力Pu （方向向下）為：,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,（三）近破波波壓力,當墻前水深d10.6H時，按下述方

12、法計算,（1）靜水面以上Z處的波壓強度為零，Z按下式計算：,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,（2）靜水面處波壓強度ps為：,當2/3d1/d1/3時：,當1/3d1/d1/4時：,（3）墻底處波壓強度pb為：,第三章 水作用第三節(jié) 波浪作用力,（4）單位長度墻身上的總波浪力P為：,當2/3d1/d1/3時：,當1/3d1/d1/4時：,（5）墻底波浪浮托力pu為 ：,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,位于冰凌河流的橋梁墩臺和水庫的壩體，由于冰層作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生冰壓力。按照其作用性質(zhì)的不同可分為：,靜冰壓力： 冰堆整體推移的靜壓力； 風和水流作用于大面積冰層引起的靜壓力； 冰覆蓋層受溫度影響膨脹時產(chǎn)

13、生的靜壓力； 冰層因水位升降還會產(chǎn)生豎向作用力。,動冰壓力主要指河流流冰產(chǎn)生的沖擊動壓力。,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,冰堆整體推 移產(chǎn)生壓力,風和水流 作用冰面,冰蓋的溫度 變化膨脹力,流冰產(chǎn)生的 沖擊動壓力,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,一、冰堆整體推移的靜壓力,當大面積冰層受阻于橋墩，形成冰層或冰堆。墩臺受到流冰擠壓，并在冰層破碎前的一瞬間對墩臺產(chǎn)生最大壓力，此壓力等于冰強度乘以擠壓面積，可導出極限冰壓力計算公式。,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,式中P 極限冰壓力合力（N）； h 計算冰厚（m）； b 墩臺或結(jié)構(gòu)物在流冰作用高程處的寬度（m）； Ry 冰的抗壓極限強度（Pa），流冰期冰

14、塊的實際強度，也可取開始流冰的Ry=735kPa，最高流冰水位時Ry=441kPa； A 地區(qū)系數(shù)，氣溫在零上解凍時為1.0；氣溫在零下 解凍且冰溫為-10及以下者為2.0；其間插入； m 墩臺形狀系數(shù)，與墩臺截面形狀有關(guān)，表3.5。,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,表3.5 墩臺形狀系數(shù)m值,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,式中 Ft冰壓力標準值（kN）； m樁或墩迎冰面形狀系數(shù)，按表a取用； Ct冰溫系數(shù)，可按表b取用； b樁或墩迎冰面投影寬度（m）； t計算冰厚（m），可取實際調(diào)查的最大冰厚；Rik冰的抗壓強度標準值（kN/m2），可取當?shù)乇鶞?時的冰抗壓強度；當缺乏實測資料時，對海冰可取R

15、ik=750 kN/m2；對河冰，流冰開始時Rik750 kN/m2，最高流冰水位時可取Rik=450kN/m2。,04橋規(guī)：,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,表a 樁或墩迎冰面形狀系數(shù)m,表b 冰溫系數(shù)Ct,注：(1)表列冰溫系數(shù)可直線內(nèi)插； (2)對海冰，冰溫取結(jié)冰期最低冰溫；對河冰，取解凍期最低冰溫。,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,二、大面積冰層的靜壓,由于水流和風的作用，推動大面積浮冰移動對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生靜壓力，可根據(jù)水流方向和風向，考慮冰層面積按下式計算,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,式中 P作用于結(jié)構(gòu)物的正壓力（N）； 浮冰冰層面積(m2)，一般采用歷史最大值； P1水流對冰層下表面摩阻

16、力(Pa)，取為0.5vs2，vs為冰層下的流速(m/s)； P2水流對浮冰邊緣的作用力(Pa)，可取為50hvs2/l，h為冰厚(m)，l為冰層沿水流方向的平均長度(m)，在河中不得大于兩倍河寬；,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,P3由于水面坡降對冰層產(chǎn)生的作用力(Pa)，等于920hi，i為水面坡降； P4風對冰層上表面摩阻力(Pa)，P4=(0.001-0.002)VF，VF為風速,采用歷史上有冰時期和水流方向基本一致的最大風速(m/s)； a結(jié)構(gòu)物迎冰面與冰流方向間的水平夾角； b結(jié)構(gòu)物迎冰面與風向間的水平夾角。,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,大面積浮冰移動對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生靜壓力，與浮冰冰層

17、面積成正比，美國某市Bailey Avenue Bridge采用破冰手段減小浮冰對橋墩的壓力。,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,三、冰覆蓋層受到溫度影響膨脹時產(chǎn)生的靜壓力,冰蓋層溫度上升產(chǎn)生膨脹而受到橋墩等結(jié)構(gòu)物約束時，則在橋墩周圍出現(xiàn)冰壓力。冰的膨脹壓力與冰面溫度、升溫速率和冰蓋厚度有關(guān)。,冰與結(jié)構(gòu)物接觸面的靜壓力按下式確定：,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,式中 P冰層升溫時，冰與結(jié)構(gòu)物接觸面產(chǎn)生的靜壓力(Pa)； t0冰層初始溫度()，取冰層內(nèi)溫度的平均值，或取0.4t，t為升溫開始時的氣溫； h冰溫上升速率（/h），采用冰層厚度內(nèi)的溫升平均值，即h=t1/s=0.4t2/s，其s為氣溫變化

18、的時間(h)，t1為期間s內(nèi)冰層平均溫升值，t2為期間s內(nèi)氣溫的上升值；,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,h冰蓋層計算厚度(m)，采用冰層實際厚度，但不大于0.5m； b墩臺寬度(m)； j系數(shù)，視冰蓋層的長度L而定，見下表。,冰壓力分布：冰厚方向呈上大下小的倒三角形分布，其合力作用點在冰面以下1/3冰厚處。,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,四、冰層因水位升降產(chǎn)生的豎向作用力,冰蓋層因水位上升，對橋墩、樁群產(chǎn)生的豎向上拔力，可按照橋墩四周冰層有效直徑為50h的平板應力來推算：,式中 V上拔力（N）； h冰層厚度（m）； d樁柱或樁群直徑（m）。,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,五、流冰沖擊力,流冰沖

19、擊力與冰塊的抗壓強度、冰層厚度、冰塊尺寸、冰塊運動速度及方向等因素有關(guān)。,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,（1）當冰塊的運動方向大致垂直于結(jié)構(gòu)物的正面，即冰塊運動方向與結(jié)構(gòu)物正面的夾角j = 80o90o時：,（2）當冰塊的運動方向與結(jié)構(gòu)物正面所成夾角j80o時：,第三章 水作用第四節(jié) 冰壓力,式中 P流冰沖擊力（N）； v冰塊流動速度（m/s），宜按資料確定，當無實測資料時，對于河流可采用水流速度；對于水庫可采用歷年冰塊運動期內(nèi)最大風速的3%，但不大于0.6m/s； h流冰厚度（m），可采用當?shù)刈畲蟊竦?.70.8倍，流冰初期取最大值； 冰塊面積（m2），可由當?shù)鼗蜞徑攸c的實測或調(diào)查資料確

20、定； C系數(shù)，可取為136（skN/m3）； k、l與冰的計算抗壓極限強度Ry有關(guān)的系數(shù)，按表3.7采用； m隨j角變化的系數(shù)，按表3.8采用。,第三章 水作用第五節(jié) 撞擊力,在通行船只或有漂流物的河流中，設計水中橋梁墩臺時，需要考慮船只或漂流物的撞擊力。,2007年6月15日清晨，廣東九江大橋遭運砂船撞擊，200米橋面墮入江中。船舶橫橋向撞擊力遠大于設計撞擊力40噸。,2007年8月29日中午，江蘇省昆山市大洋橋水域，一艘貨船撞上大洋橋橋墩，致使大橋部分橋面發(fā)生坍塌。,第三章 水作用第五節(jié) 撞擊力,廣東九江大橋遭運砂船撞擊，200m橋面墮入江中。船舶橫橋向撞擊過程示意。,第三章 水作用第五節(jié)

21、 撞擊力,一、撞擊力計算理論,撞擊力的大小與撞擊速度、撞擊方位、撞擊時間、船只噸位或漂流物重量、船只撞擊部位形狀、橋墩尺寸及強度等諸多因素有關(guān)。 因此，確定船只及漂流物的撞擊作用是一個復雜的問題，一般均根據(jù)能量相等原理采用一個等效靜力荷載表示撞擊作用。,我國公路橋規(guī)假定船只或排筏作用于墩臺上有效動能全部轉(zhuǎn)化為撞擊力所做的功，按等效靜力導出撞擊力F 近似計算公式。,第三章 水作用第五節(jié) 撞擊力,設船只或排筏的質(zhì)量為m，駛近墩臺的速度為v，撞擊時船只或排筏的縱軸線與墩臺面的夾角為a，如圖所示，其動能為：,船只順墩臺面可以自由滑動，側(cè)面動能不能傳遞到橋墩，動能由正面撞擊產(chǎn)生，動能僅有前一項，即：,第

22、三章 水作用第五節(jié) 撞擊力,在碰撞瞬間，船身以一角速度繞撞擊點A旋轉(zhuǎn)，消耗部分能量，撞擊部位塑性變形吸收部分能量，其動能應予折減：,橋墩獲得動能,能量折減系數(shù)按下式計算：,式中 R水平面上船只對其質(zhì)心G的回轉(zhuǎn)半徑（m）； d質(zhì)心G與撞擊點A在平行墩臺面方向的距離（m）。,第三章 水作用第五節(jié) 撞擊力,碰撞過程中，通過船只把傳遞給墩臺的有效動能E全部轉(zhuǎn)化為碰撞力F所作的靜力功。 設撞擊點的總變位為，材料彈性變形系數(shù)為C（單位力所產(chǎn)生的變形），則有：,所做靜力功：,此靜力功等于船只碰撞前的動能：,第三章 水作用第五節(jié) 撞擊力,根據(jù)功的互等定理，有：,令 及 代入上式，得：,第三章 水作用第五節(jié) 撞

23、擊力,式中 F船只或排筏撞擊力（kN）； g動能折減系數(shù)； v船只或排筏撞擊墩臺速度（m/s）； a船只或排筏撞擊方向與墩臺撞擊點切線的夾角； m船只或排筏質(zhì)量（t）； C彈性變形系數(shù)，包括船只或排筏及橋梁墩臺的綜合彈性變形在內(nèi)，一般順橋軸方向取0.0005，橫橋軸方向取0.0003。,第三章 水作用第五節(jié) 撞擊力,若取動能折減系數(shù) g=0.4，船只行駛速度v =2m/s，撞擊角 a=20；再按照航運部門規(guī)定的各級內(nèi)河航道的船只噸位：一級航道3000t，二級航道2000t，三級航道1000t，四級航道500t， 五級航道300t， 六級航道50100t，即可算出表3.9船只撞擊力。,表 3.9 船只撞