大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析_梁森栋

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1、水利学报2011年11月SHUILIXUEBAO第42卷第11期文章编号：0559-9350（2011）11-1334-07大桥复合桥墩局部冲刷深度的计算分析梁森栋，张永良（清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084）摘要：桥墩的冲刷毁坏是桥梁失事的重要原因。为保证桥梁安全，需要准确评价桥墩冲刷深度。本文结合某跨海大桥，使用较为可靠的HEC-18公式对其复合桥墩的局部冲刷深度进行研究。计算结果表明，该大桥最大的可能局部冲刷深度发生在主桥主墩，复合桥墩中群桩部分造成的冲刷深度为桥墩冲刷的主要部分，且随流速增大，其在总冲刷深度中所占比例也增大，总

2、冲刷深度对承台吃水深度变化不敏感。进一步分析表明，复合桥墩的冲刷深度随水流斜交角的变化规律与简单桥墩有较明显区别，关系更为复杂。关键词：复合桥墩；局部冲刷；跨海大桥；斜交角中图分类号：TV14文献标识码：A1研究背景水域中建造桥梁时，桥墩会对周围的水流产生显著的影响。简单桥墩周围的水流结构如图1，主要有桥墩前部的下降水流、下部的马蹄形漩涡、前边的表层漩滚和下游的激发漩涡。这些影响使得局部泥沙运移能力增强而导致冲刷，甚至还会威胁结构的安全。［1］众多统计资料表明，冲刷是造成桥梁失事的重要原因。Smith分析了1874—1975年间的143例桥垮事件，发现其中70座桥梁毁于洪水冲

3、刷，占49%。1989年KandaSamy和Melville统计发现，新［2］西兰60%的水毁是由于桥台及引航道冲刷造成的。1966年至2005年间，美国共垮塌桥梁至少1502［2-3］座，其中58%为水毁。Kumalasari等人研究了1989—2000年超过500起桥梁垮塌事故，发现其中水［4］毁比例为52.9%，基本上是由于洪水冲刷造成的。在我国，1995年统计了涉及155座桥的212次水［5］害，基础埋深不足的占20%；其他各种导致水害的原因，也都是以冲刷的形式将桥梁破坏的。跨海大桥造价高，长度大，跨度宽，环境更为复杂，一旦失事，损失极大。为避免因为桥墩局部冲刷造成桥

4、梁水毁，国内外学者对局部冲刷进行过系统的试验和理论研究。Melville和Coleman在［6］“桥梁冲刷”一书中对前人的结果做了深入的总结。Sumer等人对海洋结构物周围的冲刷研究进展进［7］行了系统性的综述。跨海大桥桥墩结构复杂，桥墩大多是由墩柱、承台和群桩组成的复合桥墩，而针对复合桥墩基础处局部冲刷方面的研究仍然较少。本文结合某跨海大桥工程，对复合桥墩局部冲刷进行数值研究，分析复合桥墩局部冲刷的特性。该跨海大桥位于一狭长海峡南部（见图2），海峡宽度约16km，水深较浅，平均水深仅为5~10m，海峡南口海面宽阔，海峡内的潮波为非正规半日潮。该跨海大桥轴线蜿蜒，总长约25k

5、m。大桥有两种设计方案，两方案除承台厚度有所差异外，其余结构设计基本一致。两方案的桥墩承台顶高程相同，但方案二比方案一的桥墩承台增加了0.5m厚的护底，吃水较深（见表1、图3和图4），将其分别称为浅吃水方案和深吃水方案。本文针对两种设计方案进行计算，分析两种方案的最大可能冲刷深度，为大桥设计提供依据。并对其做进一步的分析，研究复合桥墩各部分吃水深度与局部冲刷总深度的关系以及水流方向对复合桥墩冲刷深度的影响。收稿日期：2011-05-11基金项目：国家自然科学基金项目（51079072）；清华大学自主课题（2009THZ07060）作者简介：梁森栋（1984-），男，山西大同人

6、，博士生，主要从事桥梁冲刷研究。E-mail：lsd04@mails.tsinghua.edu.cn—1334—表层漩滚激发漩涡下降水流马蹄形漩涡图1圆柱形桥墩周围的水流结构图2跨海大桥桥位表1跨海大桥桥墩的结构参数墩柱承台群桩桥梁分段高度/m长/m宽/m尺寸/m直径/m桩数浅/深吃水主主墩2×82×2.544.68×23.086.85/7.352.5~2.818桥过渡墩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桥墩型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桥墩局部冲刷的计算方法主墩处断面边墩处断面简单恒定截面桥墩的局部冲刷计算方法，现有的公式大多根据量纲分析法加以实验室和野外的数据验证，写为类似式（2）的无因次的形A［6-10］A式。复合桥墩由墩柱、承台和群桩组成（见图5），可使用Richardson和Davis提出的HEC-18公式计算其冲刷深度。该方法考虑了Ñ1