大橋復(fù)合橋墩局部沖刷深度的計(jì)算分析_梁森棟

《大橋復(fù)合橋墩局部沖刷深度的計(jì)算分析_梁森棟》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。

1、水利學(xué)報(bào)2011年11月SHUILIXUEBAO第42卷第11期文章編號(hào)：0559-9350（2011）11-1334-07大橋復(fù)合橋墩局部沖刷深度的計(jì)算分析梁森棟，張永良（清華大學(xué)水利水電工程系水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）摘要：橋墩的沖刷毀壞是橋梁失事的重要原因。為保證橋梁安全，需要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)橋墩沖刷深度。本文結(jié)合某跨海大橋，使用較為可靠的HEC-18公式對(duì)其復(fù)合橋墩的局部沖刷深度進(jìn)行研究。計(jì)算結(jié)果表明，該大橋最大的可能局部沖刷深度發(fā)生在主橋主墩，復(fù)合橋墩中群樁部分造成的沖刷深度為橋墩沖刷的主要部分，且隨流速增大，其在總沖刷深度中所占比例也增大，總

2、沖刷深度對(duì)承臺(tái)吃水深度變化不敏感。進(jìn)一步分析表明，復(fù)合橋墩的沖刷深度隨水流斜交角的變化規(guī)律與簡(jiǎn)單橋墩有較明顯區(qū)別，關(guān)系更為復(fù)雜。關(guān)鍵詞：復(fù)合橋墩；局部沖刷；跨海大橋；斜交角中圖分類號(hào)：TV14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1研究背景水域中建造橋梁時(shí)，橋墩會(huì)對(duì)周圍的水流產(chǎn)生顯著的影響。簡(jiǎn)單橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)如圖1，主要有橋墩前部的下降水流、下部的馬蹄形漩渦、前邊的表層漩滾和下游的激發(fā)漩渦。這些影響使得局部泥沙運(yùn)移能力增強(qiáng)而導(dǎo)致沖刷，甚至還會(huì)威脅結(jié)構(gòu)的安全。［1］眾多統(tǒng)計(jì)資料表明，沖刷是造成橋梁失事的重要原因。Smith分析了1874—1975年間的143例橋垮事件，發(fā)現(xiàn)其中70座橋梁毀于洪水沖

3、刷，占49%。1989年KandaSamy和Melville統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，新［2］西蘭60%的水毀是由于橋臺(tái)及引航道沖刷造成的。1966年至2005年間，美國(guó)共垮塌橋梁至少1502［2-3］座，其中58%為水毀。Kumalasari等人研究了1989—2000年超過(guò)500起橋梁垮塌事故，發(fā)現(xiàn)其中水［4］毀比例為52.9%，基本上是由于洪水沖刷造成的。在我國(guó)，1995年統(tǒng)計(jì)了涉及155座橋的212次水［5］害，基礎(chǔ)埋深不足的占20%；其他各種導(dǎo)致水害的原因，也都是以沖刷的形式將橋梁破壞的?？绾４髽蛟靸r(jià)高，長(zhǎng)度大，跨度寬，環(huán)境更為復(fù)雜，一旦失事，損失極大。為避免因?yàn)闃蚨站植繘_刷造成橋

4、梁水毀，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)局部沖刷進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究。Melville和Coleman在［6］“橋梁沖刷”一書中對(duì)前人的結(jié)果做了深入的總結(jié)。Sumer等人對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物周圍的沖刷研究進(jìn)展進(jìn)［7］行了系統(tǒng)性的綜述?？绾４髽驑蚨战Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，橋墩大多是由墩柱、承臺(tái)和群樁組成的復(fù)合橋墩，而針對(duì)復(fù)合橋墩基礎(chǔ)處局部沖刷方面的研究仍然較少。本文結(jié)合某跨海大橋工程，對(duì)復(fù)合橋墩局部沖刷進(jìn)行數(shù)值研究，分析復(fù)合橋墩局部沖刷的特性。該跨海大橋位于一狹長(zhǎng)海峽南部（見圖2），海峽寬度約16km，水深較淺，平均水深僅為5~10m，海峽南口海面寬闊，海峽內(nèi)的潮波為非正規(guī)半日潮。該跨海大橋軸線蜿蜒，總長(zhǎng)約25k

5、m。大橋有兩種設(shè)計(jì)方案，兩方案除承臺(tái)厚度有所差異外，其余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本一致。兩方案的橋墩承臺(tái)頂高程相同，但方案二比方案一的橋墩承臺(tái)增加了0.5m厚的護(hù)底，吃水較深（見表1、圖3和圖4），將其分別稱為淺吃水方案和深吃水方案。本文針對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，分析兩種方案的最大可能沖刷深度，為大橋設(shè)計(jì)提供依據(jù)。并對(duì)其做進(jìn)一步的分析，研究復(fù)合橋墩各部分吃水深度與局部沖刷總深度的關(guān)系以及水流方向?qū)?fù)合橋墩沖刷深度的影響。收稿日期：2011-05-11基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51079072）；清華大學(xué)自主課題（2009THZ07060）作者簡(jiǎn)介：梁森棟（1984-），男，山西大同人

6、，博士生，主要從事橋梁沖刷研究。E-mail：lsd04@mails.tsinghua.edu.cn—1334—表層漩滾激發(fā)漩渦下降水流馬蹄形漩渦圖1圓柱形橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)圖2跨海大橋橋位表1跨海大橋橋墩的結(jié)構(gòu)參數(shù)墩柱承臺(tái)群樁橋梁分段高度/m長(zhǎng)/m寬/m尺寸/m直徑/m樁數(shù)淺/深吃水主主墩2×82×2.544.68×23.086.85/7.352.5~2.818橋過(guò)渡墩2×8.73.637×12.64.8/5.31.212墩型12×3.52.827.14×7.52.8/3.31.612墩型22×3.52.82×（11.9×7.5）2.8/3.31.612引墩型32×3.01

7、.82×（10.4×6.2）2.5/3.01.020橋墩型42×3.02.22×（11.5×6.2）2.5/3.01.024墩型52×3.01.82×（7.0×7.0）2.8/3.31.582橋墩局部沖刷的計(jì)算方法主墩處斷面邊墩處斷面簡(jiǎn)單恒定截面橋墩的局部沖刷計(jì)算方法，現(xiàn)有的公式大多根據(jù)量綱分析法加以實(shí)驗(yàn)室和野外的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，寫為類似式（2）的無(wú)因次的形A［6-10］A式。復(fù)合橋墩由墩柱、承臺(tái)和群樁組成（見圖5），可使用Richardson和Davis提出的HEC-18公式計(jì)算其沖刷深度。該方法考慮了?1