Chapter05-大中橋孔徑計算

SchoolofCivilEngineeringHefeiUniversityofTechnologyPhD/ProfessorMingwuWANGHydrologyofBridge&CulvertChapter5大中橋孔徑計算SchoolofCivilEngineeringPhDChapter5大中橋孔徑計算1.概述1.1橋涵分類分類多孔跨徑總長L(m)單孔跨徑總長L0（m）特大橋L≥500L0≥100大橋100≤L＜50040≤L0＜100中橋30＜L＜10020≤L0＜40小橋8≤L≤308≤L0＜30涵洞L＜8L0＜8大中橋孔徑計算:據(jù)橋位斷面的設計流量和設計水位，推算橋孔的最小長度和橋面中心最低高程，為確定橋孔設計方案提供依據(jù)。Chapter5大中橋孔徑計算1.概述1.1橋涵1.2大中橋設計一般規(guī)定避免橋前壅水危及農(nóng)田；一般對橋下河床不采用鋪砌加固；橋基應選良好地段；不影響通航和其它功能；流冰河道應考慮流冰、破冰措施；橋梁便于施工維修和連接工程。1.2大中橋設計一般規(guī)定避免橋前壅水危及農(nóng)田；Chapter05-大中橋孔徑計算Chapter05-大中橋孔徑計算Chapter05-大中橋孔徑計算2橋位選擇2.1一般要求服從路線總方向及建橋的特殊要求；橋軸線為直線或曲率小的平滑曲線，縱坡??；少占農(nóng)田，少拆遷和少淹沒；有利于施工；適應國防、經(jīng)濟開發(fā)等需要。橋位:橋梁、引道路堤及調(diào)治構(gòu)筑物三者位置的總稱。橋位選擇:選定合理的跨河位置。2橋位選擇2.1一般要求服從路線總方向及建橋的特2.2水文及地形要求河床穩(wěn)定；河道順直；避免引道上游形成回流區(qū)；橋位應在支流上流；橋軸線應與洪水主流向正交。應考慮河段特點：峽谷性河段宜單跨；次穩(wěn)定性河段對彎曲河段應選在主槽與河流總趨勢一致的較長河段；變遷性河段應選在兩岸與河槽穩(wěn)定的束狹段或河槽擺動范圍小河段上；游蕩性河段應選在兩岸有固定依托的較長束狹段上；寬灘性河段應選在河灘地勢高、河槽穩(wěn)定居中，灘、槽流量比小的河段；沖積漫灘性河段應選在沖積扇頂部或沖積區(qū)下游，橋軸線與洪水總趨勢正交。2.2水文及地形要求河床穩(wěn)定；河道順直；避免引道上Chapter05-大中橋孔徑計算Chapter05-大中橋孔徑計算2.2水文及地形要求平原彎曲(婉蜒)河段：橋位應選在河灣逼近河岸處，較穩(wěn)定的河灣中部，并選擇河床與河槽方向接近平行處跨越2.2水文及地形要求平原彎曲(婉蜒)河段：橋位應選在河灣逼2.2水文及地形要求平原游蕩性河段：橋位應選在河岸有固定的土丘或岸壩的天然束窄處，如無法利用時，應結(jié)合治河工程，筑堤束水，穩(wěn)定河道。2.2水文及地形要求平原游蕩性河段：橋位應選在河岸有固定的2.2水文及地形要求山前區(qū)變遷性河段：橋位應與岸邊正交，考慮多變河汊的位置，必須設置導流、防護設施。若有可能，橋位選在上下游河道較窄、岸邊穩(wěn)定處為好。2.2水文及地形要求山前區(qū)變遷性河段：橋位應與岸邊正交，考Chapter05-大中橋孔徑計算2.2水文及地形要求1957年建成的武漢長江大橋，橋位選在長江河道順直，橋頭在林木繁茂的龜山和蛇山上。該橋位河道穩(wěn)定，正橋和引橋都最短，既能滿足長江通航凈空的要求，又避免了兩岸高填土路堤，同時，鐵路在山林中通過城市中心地帶，消除了對城市噪聲污染和景觀的干擾。2.2水文及地形要求1957年建成的武漢長江大橋，橋位選在Chapter05-大中橋孔徑計算2.2地質(zhì)要求應選在橋基地質(zhì)條件相對良好地段，盡量避免斷層、溶洞、侵蝕性巖類基礎的地段；避免橋頭引道通過不良工程地質(zhì)地段；地震區(qū)還需滿足抗震規(guī)范要求。2.3航運要求應選在順直河段，遠離淺灘急彎，上游不小于最長拖船隊或木排長度的三倍及頂推船隊的4倍，下游相應為1.5倍和2倍。河段航道穩(wěn)定，有足夠的水深，橋軸線與設計通航水位時的航跡線垂直。在流放水排的河段上，應取碼頭、貯木場或木材編排場的上游。2.4其它要求2.2地質(zhì)要求應選在橋基地質(zhì)條件相對良好地段，盡量3橋位勘測基本內(nèi)容選定橋位橋位測量（總平面圖、橋址地形圖和縱剖面圖）水文調(diào)查工程地質(zhì)勘測（查明橋位區(qū)的巖性，構(gòu)造，地基穩(wěn)定性及不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，提供相應的設計所需參數(shù)和建議）橋位勘測:在橋位設計前，對橋位地區(qū)的政治經(jīng)濟情況、自然地理情況及其它條件作詳細調(diào)查與測量。3橋位勘測基本內(nèi)容選定橋位橋位勘測:在橋位設計前，對橋位地4大中橋孔徑計算4.1橋位河段的水流圖式大中橋位段多為緩坡河段，水流因受橋孔壓縮影響，橋前出現(xiàn)α1型水面曲線；過橋水流多屬堰流性質(zhì)，即橋孔中將發(fā)生縱向與側(cè)向收縮，呈淹沒出流與自由出流情況。而自由出流條件下，收縮斷面流速大，沖刷力強，橋孔設計除滿足泄流條件外，還需考慮橋孔沖刷因素。故大中橋計算按自由出流情況，且允許橋下有一定的沖刷。4大中橋孔徑計算4.1橋位河段的水流圖式大中橋位4.1橋位河段的水流圖式水流自斷面1至斷面2，因水面壅高，過水面積加大使流速逐漸減少，從上游挾帶的泥沙則慢慢淤積。斷面2至斷面3，因過水斷面減小，斷面3（3’)處過水面積最小，相應流速最大，出現(xiàn)沖刷。斷面3（3’）到斷面4，則過水斷面的慢慢恢復，挾沙能力也相應恢復，達到新的平衡。壅水曲線：水深沿程變化的水面曲線。4.1橋位河段的水流圖式水流自斷面1至斷面2，因水4.2橋孔布置原則A）應與天然河流斷面流量分配相適應。B）在通航和筏運河段，通航孔應設在穩(wěn)定河段。E）山區(qū)河段：峽谷河段橋孔不宜壓縮河槽，宜單孔跨越，橋基置于基巖上；開闊河段容許壓縮河灘，但不容許壓縮河槽，橋頭河灘路堤應盡量與洪水主流正交。D）有流冰、流木的河段，橋孔宜適當放大。C）主流深泓線上不宜布設橋墩。4.2橋孔布置原則A）應與天然河流斷面流量分配相適應。B）4.2橋孔布置原則F）平原區(qū)河段：

順直微彎和蜿蜒河段應通過河床演變調(diào)查預測河灣的發(fā)展和深泓的擺動，考慮河床演變布設橋孔；分汊河段斷面流量分配基本穩(wěn)定的可作一河多橋布設，在灘槽不穩(wěn)定應預估分配比例來布設橋孔；寬灘河段容許對河灘作較大壓縮，但要考慮壅水影響；游蕩性河段不宜過多壓縮河床，結(jié)合當?shù)匾?guī)劃修必要調(diào)治工程，在深泓線可能擺動范圍內(nèi)均應布設橋孔。4.2橋孔布置原則F）平原區(qū)河段：4.2橋孔布置原則G）山前區(qū)河段：

沖積漫流性河段應在河流上游狹窄段或下游收縮處跨越；山區(qū)變遷性河段容許較大壓縮河灘，但需輔以調(diào)治構(gòu)筑物，橋軸線與河岸或洪水總趨勢正交，河灘內(nèi)不宜設小橋或涵洞。4.2橋孔布置原則G）山前區(qū)河段：4.3橋孔長度計算橋孔長L：設計水位下，兩橋臺前緣之間的水面寬度。橋孔凈長Lj：橋長扣除全部橋墩厚度后的長度。4.3橋孔長度計算橋孔長L：設計水位下，兩橋臺前緣之間的水凈跨徑lj：在設計水位下，相鄰橋梁墩臺間的距離，總跨徑等于多孔凈跨之和。橋孔最小凈長Lj：指在給定的水文河河床條件下，安全通過設計洪水流量所必需的最小橋孔凈長度。凈跨徑lj：在設計水位下，相鄰橋梁墩臺間的距離，總跨徑等于多4.3橋孔長度計算標準跨徑：對設支座橋梁（梁式橋、板式橋），指支座中心間的水平距離。對不設支座橋梁（拱式橋、鋼構(gòu)橋），指上下部結(jié)構(gòu)的相交面之中心間的水平距離。標準跨徑有:0.75,1.0,1.25,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0,5.0,6.0,8.0,10,13,16,20,25,30,35,40,45,50,60橋孔計算方法：沖刷系數(shù)法和經(jīng)驗公式法4.3橋孔長度計算標準跨徑：對設支座橋梁（梁式橋、板式橋）Ax：沖刷前由墩臺側(cè)面渦流（立軸輻流）形成滯水區(qū)所阻斷的過水面積。Ad：沖刷前橋墩、橋臺所占的橋下過水面積。Ay：沖刷前橋下實際的過水面積（有效過水面積）。Aq：沖刷前橋下毛過水面積（設計水位下沖刷前兩橋臺間的總面積）。Ax：沖刷前由墩臺側(cè)面渦流（立軸輻流）形成滯水區(qū)所阻斷的過水Ay：沖刷前橋下實際的過水面積（有效過水面積）。Aj：沖刷前橋下毛過水面積扣除橋墩、橋臺的阻水面積后的過水面積（凈過水面積）。Ad：沖刷前橋墩、橋臺所占的橋下過水面積。Ay：沖刷前橋下實際的過水面積（有效過水面積）。Aj：沖刷前λ：墩臺阻水引起橋下過水面積的折減系數(shù)。對寬淺性河流，若兩墩中心線間距離（跨徑）為L0，墩厚為dλ：墩臺阻水引起橋下過水面積的折減系數(shù)。對寬淺性河流μ：墩臺側(cè)面因漩渦形成滯留區(qū)而減少過水面積的折減系數(shù)。橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)μ：墩臺側(cè)面因漩渦形成滯留區(qū)而減少過水面積的折減系數(shù)。橋墩水a(chǎn)）沖刷系數(shù)法沖刷系數(shù)：橋下河床沖刷后過水面積A沖后與沖刷前過水面積A沖前之比值。1875年，別列柳伯斯基假定：當橋下斷面平均流速等于天然河槽斷面平均流速時，橋下沖刷將隨之停止。a）沖刷系數(shù)法沖刷系數(shù)：橋下河床沖刷后過水面積A沖后與沖刷a）沖刷系數(shù)法則Ay：沖刷前橋下實際的過水面積（有效過水面積）。Aj：沖刷前橋下毛過水面積扣除橋墩、橋臺的阻水面積后的過水面積（凈過水面積）。Ad：沖刷前橋墩、橋臺所占的橋下過水面積。Aq：沖刷前橋下毛過水面積（設計水位下沖刷前兩橋臺間的總面積）。a）沖刷系數(shù)法則Ay：沖刷前橋下實際的過水面積（有效過水面a）沖刷系數(shù)法計算法:在實測橋位斷面圖上布設橋孔方案；計算設計水位下所取方案的毛過水面積Aqx（或凈過水面積Ajx）；取Aqx≥Aq（略大于）且水面寬度最小的布設方案為采用方案，則所的最小水面寬度即為所求橋長；綜合其它要求，按標準跨徑劃分橋孔長度、布設橋孔孔數(shù)。Aj：沖刷前橋下毛過水面積扣除橋墩、橋臺的阻水面積后的過水面積（凈水面積）。Aq：沖刷前橋下毛過水面積（設計水位下沖刷前兩橋臺間的總面積）。a）沖刷系數(shù)法計算法:在實測橋位斷面圖上布設橋孔方案；計算Chapter05-大中橋孔徑計算Example已知設計洪峰流量Qp＝3500m3/s，設計水位Hp=63.65m;河槽流量Qc=3190m3/s,過水面積Ac=1030m2;河灘流量Qt=310m3/s,過水面積At=310m2;橋軸線與流向正交，若采用預應力鋼筋混凝土簡支梁橋跨此河道，標準跨徑L0=30m，橋墩寬d=1m,沖刷系數(shù)P取1.2,試求橋孔長度L。Example已知設計洪峰流量Qp＝3500m3/sExample已知設計水位Hp=63.65m，比降J＝0.00035，河槽ηc=0.25,河灘ηt=0.05,若橋軸線與流向正交，若采用預應力鋼筋混凝土簡支梁橋跨此河道，標準跨徑L0=30m，橋墩寬d=1m,沖刷系數(shù)P取1.2,試求橋孔長度L。Example已知設計水位Hp=63.65m，比降J則解：橋下最小的毛過水面積Aq計算Example則解：橋下最小的毛過水面積Aq計算Example橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)μ橋墩阻水引起的過水面積折減系數(shù)λ橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)μ橋墩阻水引起的過水面積折減系數(shù)λ繪制水面寬度與過水面積累積曲線橋長L計算將兩岸橋臺前緣置于樁號730.07與611.07間，得Aqx＝1053m2≈Aq繪制水面寬度與過水面積累積曲線橋長L計算將兩岸橋臺前緣置于樁b）經(jīng)驗公式法公路橋位勘測設計規(guī)范穩(wěn)定和次穩(wěn)定及寬灘性河段（單寬流量公式）b）經(jīng)驗公式法公路橋位勘測設計規(guī)范穩(wěn)定和次穩(wěn)定及寬灘性河段穩(wěn)定、次穩(wěn)定及不穩(wěn)定河段（灘槽可分）（河槽寬度公式）穩(wěn)定、次穩(wěn)定及不穩(wěn)定河段（灘槽可分）（河槽寬度公式）灘槽可分的變遷性、游蕩性河段（輸沙平衡公式）灘槽難分的不穩(wěn)定河段（基本河寬公式）灘槽可分的變遷性、游蕩性河段（輸沙平衡公式）灘槽難分的不穩(wěn)定灘槽難分的變遷性、游蕩性河段灘槽難分的變遷性、游蕩性河段則解：按單寬流量公式計算Example某橋跨越次穩(wěn)定河段，設計流量Qp＝8470m3/s，河槽流量Qc=8060m3/s,河床全寬Bc=300m;設計水位下河槽平均水深為6.4m,河灘平均水深為3.5m,試求橋孔凈長。則解：按單寬流量公式計算Example某橋跨越次穩(wěn)定Chapter05-大中橋孔徑計算4.4橋面標高計算橋面標高：橋面中心線上最低點的標高。非通航河流4.4橋面標高計算橋面標高：橋面中心線上最低點的標高。非通4.4橋面標高計算橋面標高：橋面中心線上最低點的標高。通航河流4.4橋面標高計算橋面標高：橋面中心線上最低點的標高。通航ΣΔh計算a)壅水高度天然水面以上壅起的水流高度。在無導流堤時，最大壅水高度大約位于橋位中心線上游一個橋孔長度處。在有導流堤時，最大壅水高度大約位于導流堤的上游壩端附近。計算公式有三種。ΣΔh計算a)壅水高度天然水面以上壅起的水流高度。在ΣΔh計算a)壅水高度橋前最大壅水高度ΣΔh計算a)壅水高度橋前最大壅水高度水流阻力系數(shù)η表河灘路堤阻斷流量與設計流量的比值（％）<1011-3031-50>50η0.050.070.100.15橋下平均流速υ土質(zhì)土壤類型橋下平均流速松軟土淤泥、細砂、淤泥質(zhì)亞粘土中等土粗砂、礫石、小卵石、亞粘土和粘土密實土大卵石、大漂石水流阻力系數(shù)η表河灘路堤阻斷流量與設計流量的比值（％）<10壅水曲線任一斷面壅水高度ΔZ’壅水曲線任一斷面壅水高度ΔZ’橋下壅水高度1)一般取橋前最大壅水高度的一半；2)山區(qū)和半山區(qū)河流取橋前最大值；3)平原河流取0。橋下壅水高度1)一般取橋前最大壅水高度的一半；2)山區(qū)和b)波浪波浪高度波浪高度：相鄰波峰與波谷間的垂直距離。波浪高度在計算橋面標高時通常計2/3。波浪長度：相鄰兩個波峰（波谷）間的水平距離。浪程（風距）：相波浪傳播的。b)波浪波浪高度波浪高度：相鄰波峰與波谷間的垂直距離。波浪高b)波浪波浪高度雙曲正切函數(shù)hyperbolictangentb)波浪波浪高度雙曲正切函數(shù)hyperbolictangb)波浪侵襲高度：波浪沿斜面的爬高。波射線：波浪推進的路線。河灘路堤或?qū)Я鞯谈叱蹋篵)波浪侵襲高度：波浪沿斜面的爬高。波射線：波浪推進的路線。解：ΔZ計算Example已知設計流量Qp＝2457m3/s，按沖刷系數(shù)法得橋下實有過水面積A=578m2;河灘路堤阻斷得河灘過水面積Atn=255m2，河灘流速υtn=1.12m/s,橋墩面積折減系數(shù)λ=0.04,河床土質(zhì)中等密實土壤，浪程D=0.5km,河灣汛期沿浪程方向風速υw=12m/s,平均水深為7m，平均泛濫寬度B=130m,有效浪程系數(shù)KD=0.6,引道邊坡系數(shù)m=1.5,橋前最大壅水高度要求不超過1m，試求：橋下水面升高值ΣΔh，檢查橋孔是否可滿足橋前最大壅水高度限制。解：ΔZ計算Example已知設計流量Qp＝2457查表5－10可知，橋下平均流速計算公式為：天然狀態(tài)下橋下全斷面平均流速河槽平均流速則橋前最大壅水高度為橋下壅水高度為故橋孔設計符合最大壅水高度要求。查表5－10可知，橋下平均流速計算公式為：天然狀態(tài)下橋下全斷查表5－11，12，13得KA=0.75，KV=1.2，Ke=2.52ΣΔh計算波浪高度查表5－11，12，13得KA=0.75，KV=1.2，Ke已知某橋位斷面及地質(zhì)鉆孔資料如下圖所示，橋位河段屬山區(qū)開闊河段，設計水位位997.061m，設計流量Qp＝2074m3/s，河床比降為0.005,平灘水位為994.828m,灘槽分界點里程樁號為K118＋565.3m和K118＋660m，河槽糙率系數(shù)1/nc＝35，河灘糙率系數(shù)1/nt=25,河床土層分界點標高為990m,982m,978m，水流與橋位正交。通過風向、風速觀測資料分析整理，并結(jié)合河段的水域地形，計算所得浪程為600m,沿浪程的平均水深為2.81m，風速為30m/s。試確定橋孔長度和橋面標高。Example已知某橋位斷面及地質(zhì)鉆孔資料如下圖所示，橋位河段屬山解：1）基本數(shù)據(jù)計算橋位斷面可分為三部分：左河灘（K118+560.7～565.3)、河槽（K118+565.3～

660）、右河灘（K118+660～668.8)Example解：1）基本數(shù)據(jù)計算橋位斷面可分為三部分：左河灘（K118+橋孔長度計算此是橋下宣泄設計洪水所需要的最小孔徑。全斷面設計流量a）經(jīng)驗公式計算該橋位河段屬山區(qū)開闊河段，故橋孔長度計算此是橋下宣泄設計洪水所需要的最小孔徑。全斷面設計b）沖刷系數(shù)計算初步擬定上部結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土簡支梁，等跨布置跨徑30m，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，假定墩徑為1.3m。

查表5－1得P=1.25,查表5－2，得橋墩側(cè)向壓縮系數(shù)μ＝0.95。河槽的天然平均流速υc作為設計流速υs。則橋下毛過水面積Aqjb）沖刷系數(shù)計算初步擬定上部結(jié)構(gòu)采用預應力混凝土簡支b）沖刷系數(shù)計算擬定將左岸0號橋臺前緣置于歷程K＋118＋560m處，采用4跨，跨徑30m，依次向右布置，4號橋臺前緣置于歷程K118+580m,其橋孔凈長Lj＝30×4－1.3×3=113.5m?？梢?，該方案沒有壓縮左河灘，而壓縮了右河灘，里程K