工程荷载与可靠度设计原理3 水作用.pptVIP

第3章 水 作 用 3.1 静水压力 在实际工程中，设计和建造水闸、堤坝、桥墩和码头时，必须考虑水在结构物表面产生的静水压力。静水压力是指静止液体对其接触面产生的压力。 静水压强具有两个特征： 一是静水压强垂直于作用面，并指向作用面内部； 二是静止液体中任一点处各方向的静水压强都相等。 静止压强由两部分组成，液体表面压强，液体内部压强,即： （3.1） 式中： p ——静止液体中任一点静水压强； p0 ——静止液体中液面压强； h ——液面以下深度； γ ——液体重度。 静止液体某点的压强与该点在液面以下的深度成正比。 水面及挡水结构物周围都有大气压力作用，处于相互平衡状态，常以大气压强为基准点。称为相对压强，工程中只考虑相对压强，即： (3.2) 式中：pa ——自由水面下作用在结构物任一点的压强； ha ——结构物上的水压强计算点到水面的距离（m）； γ ——水的重度（kN/m3）。 3.2 流水压力 位于流水中的桥墩，其上游迎水面受到流水冲击作用。流水受到桥墩阻碍，对桥墩施加压力。 等速流动的河流可视为流速为v的平面流场，流线为互相平行的水平线。 3.2.1 流体流动特征 等速流动的河流中放置一桥墩，流线在接近柱体时流动受阻，在桥墩前一分为二，沿柱面两侧向前流动，桥墩后出现旋涡区。 等速流动的河流中放置一圆柱体（桥墩），流线在接近圆柱体时流动受阻，流速减小，压强增大。 到达a点，流线停滞，流速为零，压强最大，a点称为停滞点。 a点开始，一分为二，沿柱面两侧向前流动，形成边界层流动，到达b点。 a点到b点区间，柱面弯曲，流线密集，边界层内流动处于加速减压状态。 过了b点，流线扩散，处于减速加压状态。 置于河流中的桥墩，在流场中受到流动方向上的流体阻力，叫做绕流阻力。 绕流阻力两部分组成： 摩擦阻力，切应力，高速流动中表现； 压强阻力，正应力，水流受阻时表现。 迎水面的高压区与背水面的低压区，压力差形成的压强阻力起着主导作用。根据试验绕流阻力可由下式计算： （3.3） 式中： v ——来流流速； A ——绕流物体在垂直于来流方向上的投影面积； CD ——绕流阻力系数，主要与结构物形状有关； ρ ——流体密度。 为减小绕流阻力，常将桥墩、闸墩设计成流线型，降低阻力。 3.2.2 桥墩流水压力计算 位于流水中的桥墩，其上游迎水面受到流水压力作用。 在桥墩迎水面，流速接近于零，压力达到最大值。 流水压力与桥墩形状、墩面粗糙度、水流速度等有关。 桥墩迎水面的压强p为： 桥墩迎水面受阻面积为A，引入墩台平面形状系数K， 桥墩上的流水压力为： (3.4) 式中：p ——作用在桥墩上的流水压力（kN）； γ——水的重度（kN/m3）； v ——设计流速（m/s）； A ——桥墩阻力面积，一般算至冲刷线处； K ——由试验测得的桥墩形状系数，按表3.1取用。 流速随深度呈曲线变化，河床底面处流速接近于零。为了简化计算，流水压力的分布可近似取为倒三角形，故其着力点位置取在设计水位以下1/3水深处。 3.3 波浪作用力 3.3.1 波浪特性 波浪是液体自由表面在外力作用下产生的周期性起伏波动，它是液体质点振动的传播现象。 无风不起浪，波浪在干扰力的作用下生成： 由风力引起的波浪称风成波； 由月球引力引起的波浪称潮汐波； 由船舶航行引起的波浪