CN114277857B - 一种桥梁洪水期抗浮结构及计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种桥梁洪水期抗浮结构，设置于桥墩的下游，包括浮体、基础；浮体和基础之间通过拉索连接；所述基础包括一号桩体、二号桩体、三号桩体、底板，所述的底板浇筑在一号桩体、二号桩体、三号桩体上，一号桩体、二号桩体、三号桩体的位置成三角形排列，一号桩体、二号桩体、三号桩体中任意两个桩体之间的距离相等，底板的顶部设置拉环，拉索穿过拉环，拉索的一端连接桥面板，拉索的另一端连接浮体，浮体放置在沟道中，沟道水位上升后浮体上浮可以通过拉索给桥面板提供竖直向下的力。本发明的结构在洪水发生后，浮体受到浮力，通过基础将浮力转换为桥面板的拉力，增加桥梁桩基础的摩擦力，提高桥梁的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于桥梁工程领域，具体涉及一种桥梁抗浮结构及计算方法。
背景技术
修建在河道或沟道的桥梁工程，在遇到较大洪水时，桥梁受到浮力影响，桥梁桩基础会受到竖直向上的力，桩基础的摩擦力降低，受到洪水的冲击后，桥梁整体容易内被冲垮，造成巨大经济财产损失。
现有技术中，常用的技术手段是在桥梁上堆放重物进行压重，例如2020年夏季，中国南方多地发生汛情，绵阳市采将两列重载货物列车推上宝成铁路涪江大桥进行压重，防止桥梁被冲垮。
然而，列车压重的技术存在存在一定风险，如果压重没有抵过洪水冲击力，列车及重物也会被洪水冲走，给下游带来更大的安全隐患。因此需要发明安全稳定的机构及方法。
发明内容
本发明的技术方案为：一种桥梁洪水期抗浮结构，设置于桥墩的下方，包括浮体、基础；浮体和基础之间通过拉索连接；所述基础包括一号桩体、二号桩体、三号桩体、底板，所述的底板浇筑在一号桩体、二号桩体、三号桩体上，一号桩体、二号桩体、三号桩体的位置成三角形排列，一号桩体、二号桩体、三号桩体中任意两个桩体之间的距离相等，底板的顶部设置拉环，拉索穿过拉环，拉索的一端连接桥面板，拉索的另一端连接浮体，浮体放置在沟道中，沟道水位上升后浮体上浮可以通过拉索给桥面板提供竖直向下的力。
可选的，拉环可以设置若干个，每根拉索可以连接若干个浮体。
可选的，二号桩体与三号桩体间的连线方向用于垂直于水流方向。
可选的，拉索为钢丝绳。
本发明提供的上述桥梁洪水期抗浮结构，在有洪水发生时，河流水位上升，浮体上浮，浮体通过拉索向桥面板提供一个竖直向下的力，增加桥梁桩基础的摩擦力，提高桥梁的稳定性。
一种桥梁洪水期抗浮结构的计算方法，其中，二号桩体、三号桩体设置在桥面板正下方，一号桩体设置在二号桩体、三号桩体的下游方向，水平面内过一号桩体且垂直于水流方向的直线为基准方向，一号桩体与二号桩体之间的连线与基准方向之间的夹角为第一夹角，一号桩体与三号桩体之间的连线与基准方向之间的夹角为第二夹角，浮体受到上浮力以及水流的冲击力，基础受到沿流水方向的拉力，桥梁洪水期抗浮结构的计算方法用于计算上述的桥梁洪水期抗浮结构的基础最稳定时，第一夹角的大小；
计算方法包括以下步骤：
（1）根据每个桩体能够提供的最大抗拔力，计算基础能够提供的抗倾覆力矩，抗倾覆力矩为关于第一夹角和第二夹角的函数；（2）由于三个桩体之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；（3）对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为基础最稳定时的第一夹角的大小，亦即稳定效果最佳时的第一夹角的大小。本发明提供的上述计算方法，能够根据桩体的抗拔力得到按何种角度设置基础使桥梁洪水期抗浮结构最稳定，有利于优化稳定效果。
可选的，抗倾覆力矩为：
K=FSsinα+FSsinβ
其中，K为抗倾覆力矩；
F为每根桩体能够提供的最大抗拔力；
S为两根桩体的桩心间距；
α为第一夹角；
β为第二夹角，β=120°-α。
可选的，当α=60°时，K达到最大值，基础最稳定。
综上所述，本发明的优点如下：
1、本发明的结构在洪水发生后，浮体受到浮力，通过基础将浮力转换为桥面板的拉力，增加桥梁桩基础的摩擦力，提高桥梁的稳定性。
2、本发明的底板与桩体浇筑在一起，既起到防冲刷的作用又可以提供一定的抗拔力。
3、本发明提供的桥梁洪水期抗浮结构的计算方法，能够得到基础最稳定时，基础的位置角度，从而对桥梁提供更加有力的稳定。
附图说明
图1是本发明实施例提供的桥梁洪水期抗浮结构在竖直面内正常水位时的示意图。
图2是本发明实施例提供的桥梁洪水期抗浮结构在竖直面内洪水发生时的示意图。
图3是本发明实施例提供的桥梁洪水期抗浮结构的俯视图。
图4是本发明实施例提供的桥梁洪水期抗浮结构的在洪水发生时的受力分析图。
图5是本发明实施例提供的桥梁洪水期抗浮结构在第一夹角取值任意时的简化受力示意图。
图6是本发明实施例提供的桥梁洪水期抗浮结构在第一夹角取值60°时的简化受力示意图。
图标：；桥面板1；桥墩2；拉索3；浮体4；拉环5；基础6；一号桩体61；二号桩体62；三号桩体63；底板64；沟道7。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
实施例
请参阅图1-图6，本发明实施例提供了一种桥梁洪水期抗浮结构，设置于桥墩的下方，包括浮体4、基础6；浮体4和基础6之间通过拉索3连接；所述基础6包括一号桩体61、二号桩体62、三号桩体63、底板64，所述的底板64浇筑在一号桩体61、二号桩体62、三号桩体63上，一号桩体61、二号桩体62、三号桩体63的位置成三角形排列，一号桩体61、二号桩体62、三号桩体63中任意两个桩体之间的距离相等，底板64的顶部设置拉环5，拉索3穿过拉环5，拉索3的一端连接桥面板1，拉索3的另一端连接浮体4，浮体4放置在沟道7中，沟道7水位上升后浮体4上浮可以通过拉索3给桥面板1提供竖直向下的力。拉环5可以设置若干个，每根拉索3可以连接若干个浮体4。二号桩体62与三号桩体63间的连线方向用于垂直于水流方向。拉索3为钢丝绳。
在其他实施例中，本发明提供的上述桥梁洪水期抗浮结构，在有洪水发生时，河流水位上升，浮体4上浮，浮体4通过拉索3向桥面板1提供一个竖直向下的力，增加桥梁桩基础的摩擦力，提高桥梁的稳定性。
本发明实施例还提供了一种桥梁洪水期抗浮结构的计算方法，其中，二号桩体62、三号桩体63设置在桥面板1正下方，一号桩体61设置在二号桩体62、三号桩体63的下游方向，水平面内过一号桩体61且垂直于水流方向的直线为基准方向，一号桩体61与二号桩体62之间的连线与基准方向之间的夹角为第一夹角，一号桩体61与三号桩体63之间的连线与基准方向之间的夹角为第二夹角，浮体4受到上浮力以及水流的冲击力，基础6受到沿流水方向的拉力N，N分解为水平方向对基础6的里N1和竖直方向作用给桥面板1的力N2，桥梁洪水期抗浮结构的计算方法用于计算上述的桥梁洪水期抗浮结构的基础最稳定时，第一夹角的大小；
计算方法包括以下步骤：
1、根据每个桩体能够提供的最大抗拔力，计算基础6能够提供的抗倾覆力矩，抗倾覆力矩为关于第一夹角和第二夹角的函数；由于三个桩体之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；具体的，假设每个桩体能够提供的最大抗拔力为F，绕一号桩体61倾覆时，一号桩体61的抗滑力的力臂为0，所产生的力矩为0。对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为基础6最稳定时的第一夹角的大小，亦即稳定效果最佳时的第一夹角的大小。本发明提供的上述计算方法，能够根据桩体的抗拔力得到按何种角度设置基础使桥梁洪水期抗浮结构最稳定，有利于优化稳定效果。
可选的，抗倾覆力矩为：
K=FSsinα+FSsinβ
其中，K为抗倾覆力矩；
F为每根桩体能够提供的最大抗拔力；
S为两根桩体的桩心间距；
α为第一夹角；
β为第二夹角，β=120°-α。
可选的，当α=60°时，K达到最大值，基础最稳定。
2、根据三个所述桩体之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；
由于三个桩体的桩间距相等，一号桩体61、二号桩体62和三号桩体63在水平面内的投影形成等边三角形结构，则第一夹角与第二夹角之和为120°，故有β=120°-α，且α的取值范围为[0°，120]，则：
K=FSsinα+FSsin（120°-α）
3、对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为基础6最稳定时的第一夹角大小，亦即为稳定效果最佳时的第一夹角的大小；
具体的，由于抗拔力F与桩心间距S为已知定值，因此只需求sinα+ sin（120°-α）的最大值。
sinα+ sin（120°-α）=sinα+sin120°cosα-cos120°sinα=cosα；
对cosα求导，得到/>sinα，在区间[0，60°)，sinα的值大于0；区间（60°，120°]，/>sinα的值小于0；60°处，sinα的值等于0。
则，cosα在第一夹角α的取值为[0，60°)的范围内递增，第一夹角α的取值在（60°，120°]的范围内递减，第一夹角α等于60°处取得最大值。
即，第一夹角α为60°时，抗倾覆力矩最大，基础6最稳定。
可以理解的是，由于cosα在[0，60°)的范围内递增，在（60°，120°]的范围内递减，换言之，第一夹角α的取值在[0，60°)时，基础6的抗倾覆力矩递增，在（60°，120°]时，基础6的抗倾覆力矩递减，第一夹角α的取值越接近60°，基础6越稳定。那么，若施工现场环境存在不利条件，使得第一夹角α无法刚好被设置为60°，结合施工现场环境，优选使第一夹角α的取值尽可能靠近60°。
Claims (4)
1.一种桥梁洪水期抗浮结构的基础稳定计算方法，其特征在于，设置于桥墩的下方，包括浮体、基础；浮体和基础之间通过拉索连接；所述基础包括一号桩体、二号桩体、三号桩体、底板，所述的底板浇筑在一号桩体、二号桩体、三号桩体上，一号桩体、二号桩体、三号桩体的位置成三角形排列，一号桩体、二号桩体、三号桩体中任意两个桩体之间的距离相等，底板的顶部设置拉环，拉索穿过拉环，拉索的一端连接桥面板，拉索的另一端连接浮体，浮体放置在沟道中，沟道水位上升后浮体上浮可以通过拉索给桥面板提供竖直向下的力，所述的二号桩体与三号桩体间的连线方向用于垂直于水流方向；
二号桩体、三号桩体设置在桥面板正下方，一号桩体设置在二号桩体、三号桩体的下游方向，水平面内过一号桩体且垂直于水流方向的直线为基准方向，一号桩体与二号桩体之间的连线与基准方向之间的夹角为第一夹角，一号桩体与三号桩体之间的连线与基准方向之间的夹角为第二夹角，浮体受到上浮力以及水流的冲击力，基础受到沿流水方向的拉力，桥梁洪水期抗浮结构的计算方法用于计算上述的桥梁洪水期抗浮结构的基础最稳定时，第一夹角的大小；
计算方法包括以下步骤：
（1）根据每个桩体能够提供的最大抗拔力，计算基础能够提供的抗倾覆力矩，抗倾覆力矩为关于第一夹角和第二夹角的函数；（2）由于三个桩体之间的桩间距相等，将抗倾覆力矩转化为关于第一夹角的函数；（3）对抗倾覆力矩取最大值，其对应的第一夹角即为基础最稳定时的第一夹角的大小，亦即稳定效果最佳时的第一夹角的大小；所述的抗倾覆力矩为：
K=FSsinα+FSsinβ
其中，K为抗倾覆力矩；
F为每根桩体能够提供的最大抗拔力；
S为两根桩体的桩心间距；
α为第一夹角；
β为第二夹角，β=120°-α。
2.根据权利要求1所述的桥梁洪水期抗浮结构，其特征在于，所述的拉环设置若干个，每根拉索连接若干个浮体。
3.根据权利要求1所述的桥墩滑块释能结构，其特征在于，所述的拉索为钢丝绳。
4.根据权利要求1所述的桥梁洪水期抗浮结构的计算方法，其特征在于，当α=60°时，K达到最大值，基础最稳定。
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