一种公路及铁路简支梁桥上部结构洪水荷载计算方法

本发明涉及桥梁抗洪能力评估，具体涉及一种公路及铁路简支梁桥上部结构洪水荷载计算方法。

背景技术：

1、在发生极端洪水时，公路及铁路桥梁上部结构可能部分或完全被淹没，洪水会对桥梁施加较大的洪水荷载，导致主梁破坏，简支梁桥设计标准低，在发生洪水时易被淹没而水毁，因此确定桥梁上部结构所受洪水荷载的大小对于上部结构抗洪能力评估至关重要，当桥梁上部结构被洪水淹没时，由于梁体阻碍水流运动，周围会形成复杂的绕流流场，梁体在流场中会受到不均匀分布的粘性切应力和压强，现行规范体系未给出桥梁上部结构洪水荷载的具体计算公式，国内外相关研究提出的洪水荷载计算方法考虑因素不全面，因此，如何准确快速地计算公路及铁路简支梁桥上部结构洪水荷载，是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有方法的不足以及实际应用的需求，为了解决公路及铁路简支梁桥上部结构洪水荷载偏安全的快速计算问题。本发明提供一种公路及铁路简支梁桥上部结构洪水荷载计算方法，包括以下步骤：

2、构建简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型；获取所述简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的有量纲影响因素，根据所述有量纲影响因素，获得无量纲影响因素；利用所述无量纲影响因素，获得所述简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的分力系数，将所述分力系数代入所述简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型，获得公路及铁路简支梁桥上部结构洪水荷载。本发明根据洪水荷载作用构建简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型，整理相关影响因素调整简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的分力系数，有效解决了公路及铁路简支梁桥上部结构洪水荷载偏安全的快速计算问题。

3、可选地，所述分力系数包括推力系数、升力系数和力矩系数；

4、所述简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型，满足以下公式：

5、

6、其中，fd表示顺水流方向的集中荷载代表的水平推力，cd表示推力系数，ρ表示洪水密度，v表示来流流速，l0表示简支梁长，h表示阻水高度，fl表示垂直于水流方向竖直向上的力，cl表示升力系数，w表示简支梁宽，m0表示在截面形心处的倾覆力矩，cm表示力矩系数。本发明根据桥梁参数构建的简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型，充分表示了洪水作用荷载，有利于提高公路及铁路简支梁桥上部结构洪水荷载计算准确度。

7、可选地，所述简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型，包括公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型和铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型。本发明根据实际情况将模型分为公路模型和铁路模型，有利于精准解决公路和铁路简支梁桥上部结构洪水荷载计算问题。

8、可选地，所述有量纲影响因素，包括水力因素和结构因素；

9、所述水力因素，包括来流流速、来流水深、水的密度、重力加速度和水的运动粘度系数；

10、所述结构因素，包括截面形式、简支梁高、简支梁宽和简支梁底与河床距离。本发明的有量纲影响因素，进一步有利于准确获得简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的分力系数。

11、可选地，所述根据所述有量纲影响因素，获得无量纲影响因素，包括以下步骤：

12、设置基本变量，利用所述基本变量对所述有量纲影响因素进行量纲分析，获得所述无量纲影响因素。对有量纲影响因素进行无量纲处理，有利于提高计算效率，消除各指标之间的量纲影响。

13、可选地，所述无量纲影响因素，满足以下公式：

14、

15、其中，h*表示淹没度，hu表示来流水深，hb表示简支梁底与河床距离，s表示简支梁高，pr表示接近比，fr表示弗劳德数，g表示重力加速度，ar表示宽高比，w表示简支梁宽。本发明通过公式化无量纲影响因素，进一步提高了本发明的客观性和准确性。

16、可选地，公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数，满足以下公式：

17、cd1＝ks1kf1kp1ka1·f1(h*)

18、

19、kf1＝-0.464fr+1.197

20、kp1＝0.742+2.404e-0.544pr

21、

22、其中，cd1表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数，ks1表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的截面形状系数，kf1表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的来流弗劳德数影响系数，kp1表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的接近比影响系数，ka1表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的宽高比影响系数，f1(·)表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的淹没度函数，h*表示淹没度，pr表示接近比，fr表示弗劳德数，ar表示宽高比；

23、铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数，满足以下公式：

24、cd2＝ks2kf2kp2ka2·f2(h*)

25、

26、kf2＝-0.606fr+1.258,0<fr<1

27、kp2＝0.873+3.188e-0.786pr

28、

29、其中，cd2表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数，ks2表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的截面形状系数，kf2表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的来流弗劳德数影响系数，kp2表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的接近比影响系数，ka2表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的宽高比影响系数，f2(·)表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的推力系数的淹没度函数。

30、可选地，公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数，满足以下公式：

31、cl3＝ks3kf3kp3ka3·f3(h*)

32、

33、

34、其中，cd3表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数，ks3表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的截面形状系数，kf3表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的来流弗劳德数影响系数，kp3表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的接近比影响系数，ka3表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的宽高比影响系数，f3(·)表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的淹没度函数，h*表示淹没度，pr表示接近比，fr表示弗劳德数，ar表示宽高比；

35、铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数，满足以下公式：

36、cl4＝ks4kf4kp4ka4·f4(h*)

37、

38、kf4＝-2.407fr+2.023，0≤fr＜1

39、

40、其中，cd4表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数，ks4表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的截面形状系数，kf4表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的来流弗劳德数影响系数，kp4表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的接近比影响系数，ka4表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的宽高比影响系数，f4(·)表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的升力系数的淹没度函数，st表示单线t梁，rt表示双线t梁。

41、可选地，公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数，满足以下公式：

42、cm5＝ks5kf5kp5ka5·f5(h*)

43、

44、kf5＝-1.564fr+1.513

45、kp5＝1+76.226e-3.694pr

46、

47、其中，cm5表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数，ks5表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的截面形状系数，kf5表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的来流弗劳德数影响系数，kp5表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的接近比影响系数，ka5表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的宽高比影响系数，f5(·)表示公路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的淹没度函数，h*表示淹没度，pr表示接近比，fr表示弗劳德数，ar表示宽高比；

48、铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数，满足以下公式：

49、cm6＝ks6kf6kp6ka6·f6(h*)

50、

51、kf6＝-0.694fr+1.295,0＜fr＜1

52、

53、

54、其中，cm6表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数，ks6表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的截面形状系数，kf6表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的来流弗劳德数影响系数，kp6表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的接近比影响系数，ka6表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的宽高比影响系数，f6(·)表示铁路简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的力矩系数的淹没度函数。本发明通过公式化确定公路和铁路的简支梁桥上部结构洪水荷载等效模型的分力系数，进一步提高了本发明的计算效率。