漫水桥漫水状态下的结构整体受力分析.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流漫水桥漫水状态下的结构整体受力分析.精品文档.漫水桥漫水状态下的结构整体受力分析第8卷第3期2009年8月广东交通职业技术学院JoURNAL0FGUANGD0NGCoMMUNlCATIoNSPOLYTECt-INICVo1.8No.3August2009文章编号:16718496.(2009)03.0031.04漫水桥漫水状态下的结构整体受力分析赵文秀(,州市公路管理局工程研究所,广东广州510420)摘要:文中以某漫水箱梁桥漫水状态下结构的力学反应分析为工程背景,介绍了漫水桥梁承载力分析的主要内容和计算方法,并对漫水桥梁的构造提出建议,可供

2、工程技术人员在类似工程中参考和借鉴.关键词:漫水桥;受力分析中图分类号:U448.2文献标识码:AStructuralAnalysisofSubmersibleBridgeZHAOWe13.xiu(EngineeringResearchInstitute,HighwayBureauofGuangzhouCity,Guangzhou510420,China)Abstract:Onthebasisofinoducingstructuralanalysisofacertainsubmersiblebridge,thispaperintroducesthemaincontentandmethodofc

3、alculationofthiskindofbfidge,meanwhile,givessomeadviseOnthestructureofsubmersiblebridge.Keywords:submersiblebridge;structuralanalysis在次要的公路上.跨越常水位与洪水位高差较大且不通航的河流,同时洪水时间较短,交通允许暂时中断的条件下,桥梁标高可按常水位设计,洪水时允许水流从桥面漫过.这种桥梁称为漫水桥.由于漫水桥在使用过程中.允许洪水漫过桥面高度.因此对此类桥梁的承载力评价不可避免地包含对桥梁在漫水状态下的承载力评价.对于漫水桥的承载力评价不可能象一般桥梁的承载

4、力评价那样通过成桥荷载试验来进行.因为在实际中几乎无法模拟桥梁在漫水状态下的受荷状态以及力学行为.因此对漫水桥的承载力评价不得不主要借助力学分析为主.本文以某预应力混凝土箱梁为例,详细介绍漫水桥的力学分析方法.1工程概述桥梁设汁为跨径(30+40+301m的等截面整体现浇预应力混凝土箱梁,墩梁固接,箱梁长度为收稿日期:2009.03.28作者简介:赵文秀(1976一),女,工程师研究方向:桥梁结构99.9m.为了避免接线道路路面与两侧地面存在高差从而影响道路两旁房屋的使用和城市景观.将桥面高程降低,与桥头两端道路自然接顺,因此桥梁高度不能满足2O年一遇洪水位的要求.桥梁设计为漫水桥.2漫水状态

5、桥梁结构分析与计算桥梁在漫水状态下,桥梁处在相互耦合的流速场内,即使恒定流经过非流线型箱形截面的桥梁时.也会在桥梁结构的一定范围内产生紊流.引起桥梁的振动.而振动的桥梁又将反过来影响流场,改变水流对桥梁结构的作用,受力非常复杂,精确分析是不可能的,需要做些必要的简化.预应力混凝土箱梁截面尺寸较大.刚度大,抗扭转性能好,可以认为桥梁结构在水流作用下保持静止,因此水流对其振动效应较小,基本可以忽略【,而且为了简化计算手段,仅考虑桥梁结构在定常流作用下的反应.即静力作用32广东交通职业技术学院第8卷漫水桥梁在漫水状态下的静力作用包括桥梁在水中受到的浮力作用以及在定常流场中受到的水压力作用2.1漫水状

6、态浮力分析与计算小容置疑.桥梁在漫水状态下将受到浮力的作用,根据阿基米德定律,浮力大小为桥梁在水中排开的水受到的重力,即pg(1)式中:P为水的密度;V排为桥梁排开水的体积;g为重力加速度.当桥梁处于漫水状态且箱室内空间被水充满时即全充满工况.排开水的体积即为桥梁结构的混凝土体积.但是如果考虑箱梁进水和落水的过程时,则全充满工况未必是最不利的.因为若在涨水过程中,水流上涨速度较快时,水流上涨的速度大于箱梁进水的速度,将使箱梁外水位高于箱梁内水位,桥梁排开水的体积应为没入水中箱梁体积与箱室内外水位差对应的空箱室这两部分体积之和,则最不利工况桥梁排开水的体积为桥梁结构的混凝土体积与箱室内外水位差最

7、大值对应的空箱室这两部分体积之和,此涨水工况桥梁结构受到的浮力可能会大于全充满工况.而在落水过程中,箱外落水快于箱内水排出速度,将使箱内水位高于箱外水位的情况.此时桥梁将受到箱外水位线以上的箱室内部的水的重力作用,降水工况最不利时桥梁将受到箱室内外水位差最大值的水的重力作用.在涨水以及落水的过程中,桥梁任何一一种受力状态都介于这二者之间.2.1.1涨水工况的计算若计算出涨水过程中箱室内外水位差的最大值.就可以得出桥梁在涨水工况中可能的最大排水量.根据水力学中短管出流原理可以得到涨水过程中箱内外水位高差与时间的关系.如图1所示,从水位与箱梁底面平齐时开始,箱梁内外水位高差h与时间t的关系可以用下

8、式表达:l,lI斋,/l(2)式中:,/2g/n;为箱梁底板开孔的流量系数,为箱梁内部空间水平截面的平均截面积,为箱梁底板开孔的面积,g为重力加速度;US为河流水位上涨速度.由式(2)可知,h对t为单调增函数,t越大,h越大;当dh/=0时,h将达剑极限最大值,此时ho=(V/K),此时f一,实际是不可能达到这个值的.箱外水位辖永位,图1涨水工况水位高差与时间的关系由桥梁设计资料可知.箱梁底板开孔的面积to=3.6m.箱梁内部空间水平截面的平均截面积/2=-1507m:.根据桥址水文资料,2O年一遇洪水位时河流水位上涨速度=1.0m/h.则涨水工况箱内外最大水位差计算结果见表l.表1涨水工况箱

9、内外最大水位差计算结果计算表明箱内外最大水位差仅2.736mm,基本可以忽略该项水力荷载的效应.2.1.2落水工况的计算与涨水过程类似.只要计算出落水过程中箱室内外水位差的最大值.就可以得出桥梁在落水工况中可能受到水的最大重力.根据水力学中短管出流原理可以得到落水程中箱内外水位高差与时间的关系2.如图2所示,从水位与箱梁项面平齐时开始.箱梁内外水位高差h与时间t的关系可以用下式表达:K2lxlnVx一Kl(3)箱内水位f承舒图2落水工况高差与时间的关系式中:为河流水位下降速度,其余符号含义同式(2).与式(2)同理可得,当ho=(V/K).时,h将达到极限最大值.此时一,实际也是不可能达到这个

10、值的.由桥址水文资料,20年一遇洪水位时河流水位上涨速度=0.85m/h.则落水工况箱内外最人水位差计算结果见表2.表2落水工况箱内外最大水位差计算结果第3期赵丈秀:漫水桥漫水状态下的结构整体受力分析33计算表明箱内外最大水位差仅1.977mm.本可以忽略该项水力荷载的效应.2.2漫水状态流场的计算基参照风对桥梁的作用I3_.则作用在每延米箱梁上的最大水流作用力的三分量分别为:流动的水流对箱梁表面将产生动水压力,由于假定流场为定常流.水流速与方向都不发生改变.刈箱梁的作用也是恒定不变的,可以转化成静力问题进行计算.由于桥梁结构是一个水平方向的线状结构,流场可近似看作是二维的,此时水流作用力可以

11、分解为3个分量:阻力,升力和升力矩见图3)._i图3水流作用三分量示意阻力每延米=(1/2pv)c,升力每延米=(1/2pv)C升力矩每延米=f1/2pv)CB(4)(5)(6)式中:1/2,o为水流的动压:H为桥梁的迎水投影高度;B为桥梁宽度;,G,C分别是水流各分力的静力系数,对于箱形截面带用明显的棱角.水流的分离点基本固定,其大小可以认为不随流速变化.雷诺数的影响也可以忽略不计,可以仅考虑截面形状以及水流攻角(流速与水平方向的夹角1的影响.通过流速场的数值模拟不难计算出箱梁在各种攻角时的三分力系数.进而求得水流对箱梁作用力的各分量.根据桥址水文资料.百年一遇洪水位时河水流速v=3.0m/

12、s,可得水流三分力计算结果如表3.表3水流三分力计算结果2.3桥梁漫水状态的结构计算桥梁水流作用下的空间分析利用空间有限元程序MadisCivil进行,模拟了桥梁在上述各种水力荷载作用下的受力情况.桥梁采用空问梁单元,个桥共75个节点.74个单元,全桥有限元模型见图4.经过计算.可以得出各种施工工况下桥梁结构由于漫水引起的各截面的应力情况,最不利截面应力结果如表4所示.图4有限元模型预应力效应储备在截面上的压应力如表5.表5预应力效应储备与上述荷载应力进行迭加后.除第2跨最大弯矩截面下缘将产生约1MPa的拉应力外,其余截面都为压应力.根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第6-3条截面虽

13、然出现拉应力,但小于0.7=1.85MPa,满足规范要求,桥梁结构在该计算工况下是安全的4】5】.妒广东交通职业技术学院第8卷表4应力计算结果注:表4中C,C为箱梁上缘左右角点应力,C,为箱梁下缘左右角点应力.3结论及建议通过对桥梁在漫水状态下浮力,流场的计算,模拟了桥梁结构在漫水状态下的力学行为,具有一定程度的近似性,但是可以为桥梁在漫水状态下的承载力评价和改善提供了一些有价值的参考意见.(1)桥梁在漫水状态下采用浮力和定常流场的模式进行模拟,对像箱形梁桥这类截面刚度很大的桥梁是合理的,但是对于如铡箱梁等薄壁截面的柔性较大的桥梁就不合理了,有时可能会得出错误的结论,因为这时桥梁的振动与流场的

14、相互影响,已经不可忽视.f21水力荷载中浮力和升力在桥梁水力荷载中所占的比重较大,其中除全充满工况下水的浮力基本上由截面尺寸确定,改善的余地较小,而其他水力荷载可以通过适当构造措施进行改善.对于流动水压力可以做成流线型截面,减小箱梁对水流的阻碍来改善,对于落水和涨水工况下因水头差引起的水力荷载可以通过将箱梁进行适当开孔(排水孔及排气孔),减小水头差从而减小该项水力荷载.f3)计算时没有考虑桥梁纵坡的影响,因为桥梁纵坡的存在使得桥梁在被水淹没的过程中受力较为不均匀,这可能会引起个别截面即使不是在最大荷载作用下也会出现最不利应力的情形.参考文献:【1宋一凡.公路桥梁动力学M】.北京:人民交通出版社,1996.2】周善生.水力学M.北京:人民教育出版社,1980.3】李国豪.桥梁结构的稳定与振动M.北京:中国铁道出版社.1996.4公路钢筋混凝土及预应力混凝上桥涵设计规范(JTJD622004)$1.北京:人民交通出版社,2004.f5公路桥涵设计通用规(JTGD602004)S.北京:人民交通出版社.2004