第5章-桥涵孔径设计

第5章桥涵孔径设计§5．1桥孔长度5．1．1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。(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①到断面②（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②处壅水高Δhy，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5．1．2桥位河段水流状况和桥孔布置原则无导流堤时②～③’间水面降落，(有导流堤时到桥位中线③），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③’（或③）处水流呈现“颈口”形状；断面③～④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：kKKKiRCQKkBgQ32KKKKKKkBCgRCQi2222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。5．1．3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。ωg——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；ωd——冲刷前被桥墩所占的过水面积；ωk——冲刷前被墩台侧面涡流占去的过水面积；ωy——冲刷前桥下有效过水面积，ωy＝ωg-ωk-ωd；ωj——冲刷前桥下净过水面积，ωj=ωy+ωk=ωg-ωd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ωy乘以冲刷系数P，即Pωy(P≥1)。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）syPVPQ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：jy/SPYPVQsPjPVQsyPVPQ因桥墩本身的宽度，引入过水面积折减系数：宽浅河流：sPgPVQ)1(sPjPVQlj——两桥墩间净间距，m；Vs——河槽的天然流速(过设计流量时)，m／s；b——桥墩宽度；l——桥墩中心间距。jslV375.01(1)jgdggd/bl对不等跨距的桥孔，采用各孔μ值的加权平均值。当桥位与水流斜交时，为：cos)1(sPgPVQα——桥轴线的法线与水流方向的夹角。难点：求出ωj或ωg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。sPgPVQ)1(cos)1(sPgPVQ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。cPjqQL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，m3／s，qc——河槽平均单宽流量，m3／(m·s)；β——水流压缩系数。2经验公式法05.01)(cChBk11.002015.0)()(02.1hgVQQtCch0h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0．92；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，m／s；——设计洪水时河床全断面平均水深，m；α——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。8.02.03.1)()(CcCPjBhQQkL(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2．1～2．3；变迁性河段为1．7～2．0。B0——基本河槽宽度，m，k——系数，k=1．0～0．78；·A——河段特性系数，一般为1．0—1．5；无滩宽浅河床为1．5～3．0；J——水面比降。桥位与水流斜交时应予换算。)(25.05.00JQkAkBLPj(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，以净跨径作为标准跨径。桥涵标准跨径类型：0．75、1．0、1．25、1．5、2．0、2．5、3．0、4．0、5．0、6．0、8．0、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？①采用标准跨径，采用整数跨；②是否通航，考虑通航所需的最小净宽；③是否流冰流木，考虑流冰流木所需的最小净宽。④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。§5．2桥面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。5．2．1、桥面标高计算h1．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；ΔhD——桥梁上部结构高度，包括桥面铺装高度；——水面升高之和；Δhj——桥下净空。jDShhhZZmin(5-10)mDhhZmZmin2．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(5—10)和式(5—11)计算结果的较大值。5．2．2各类水面升高值计算JhLym21．桥前壅水曲线与桥下壅水高Δhl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；ΔhA——任意断面A处的壅水高度；Δhy——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。yyAAhhJLh2)21(22()ymqhVVη——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5—6；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5—7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Δh1：一般采用桥前最大壅水高度Δhy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Δhy,；当河床松软易于冲刷时，桥下壅水高度可以不计。Δh2——桥墩冲高值，m；ωd——桥墩阻水面积；ωg——桥下毛过水面积；V0——建桥前桥址断面平均流速，m／s；g——重力加速度。2．桥墩冲高Δh2202692()()5232dgVhg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(Δh2)波浪高度ΔhL可通过调查取得，也可按经验公式计算3．桥位处波浪壅高2ΔhL/3220.450.7220.70.0018(/)0.299[0.7()]{}0.13[0.7(/)t]hWWLWWVgDVghhgVghthVtDhΔhL——连续观测100个波浪中波浪高度最大的一个，m；——沿浪程计算方向的平均水深，m；Vω——风速，m／s，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；xxxxeeeechxshxthx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0．7时，式中D应乘以修正系数KD，KD取值见表5—8。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cthx2xxeeshx2xxeechxxxxxeeeechxshxthx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。LVAhKKKhe04．路堤边坡处波浪爬高Δhe确定河滩路堤或导流堤顶高程时，应计入这一高度.Δhe——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5—9Kv——与风速有关的系数，见表5—10；Ro——相对波浪爬高，即当KA=Kv=1，ΔhL=lm时的波浪爬高，见表5—11.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β≥30度时eehh3sin21'β——浪程方向与路堤水边线夹角即当β=90度时，Δhe’=Δhe。gRBVhw25．河弯超高Δhw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：Δhw——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．