CN104929037A - 一种桥梁墩柱导流装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥梁墩柱导流装置，该装置由两片导流板组成，导流板之间由焊接或螺栓进行连接固定，两片导流板沿连接面对称。本发明提供的桥梁墩柱导流装置通过加装在现有桥梁墩柱外侧，可提高桥梁墩柱抗流水冲刷和溶蚀能力，该装置设计简单，安装方便，可有效延长桥梁墩柱的使用寿命。
Description
技术领域
本发明桥梁建设领域，具体涉及一种桥梁墩柱导流装置。
背景技术
改革开放之初，我国公路里程仅有88.8万公里，公路桥梁仅有12.8万座，总长3283公里。经过30年努力，2007年底，我国公路网总里程已达358万公里。公路桥梁总计57万座，长2.32万公里，年增1.5万座，长664公里，公路桥梁技术发展取得了举世瞩目的成绩。此后七年，中国的桥梁工程师们自主创新，完成了一批批世界级高难度桥梁建设工程，推动我国由桥梁大国向桥梁强国迈进。随着港珠澳大桥等世界级超级工程的破土动工，“中国创造”蜚声海外，国人再次站在世界桥梁的巅峰。
然而，随着现有桥梁服役时间的增加，所存在的问题也逐渐暴露出来，桥梁墩柱水中部分腐蚀受流水的冲刷和溶蚀病害会出现桩基保护层剥落、钢筋锈蚀。该病害的产生与桩身的施工质量、施工方式、水环境、桩柱抗流水冲刷和溶蚀措施有很大关系。一般的表现形式有：钢护筒锈蚀：钢护筒是桩身施工时的附属工具，在浇筑桩身时预埋在桩孔内，起成孔护桩的作用。桩体浇筑好之后钢护筒与桩身连在一起，一般不做拆除。钢护筒锈蚀仅是护筒外部的钢材出现锈蚀现象，病害较为常见，也较轻微。当仅存有这种危害时，如果桩体和钢护筒结合良好，一般情况下桩身水中部分(相对于水面以下)无裂缝、无露筋的现象发生；混凝土保护层剥落：混凝土保护层的作用是保护钢筋，避免钢筋直接接触外界空气的那一部分混凝土。当墩柱水中部分长期被水流冲刷、溶蚀会造成混凝土保护层的剥离。一般是，混凝土保护层剥落直接导致桩身随着出现钢筋裸露锈蚀；钢筋锈蚀：钢筋锈蚀是桩体的混凝土保护层剥离，钢筋直接裸露接触外界，从而被锈蚀破坏；或混凝土保护层尚未剥离但已失去保护作用，水或氯离子从保护层的空隙或微通道中侵入，导致钢筋受锈胀，钢筋被锈蚀后自身体积增大，保护层被胀裂，最终产生剥离。这些现象会大大降低墩柱的耐久性，甚至对桥梁墩台的强度、刚度造成较大的破害，影响桥梁结构的正常使用。
我国现行使用的桥梁，对流水影响的考虑存在有多种情况。对于20世纪末至现阶段施工的特大桥，下部结构多采用高桩承台形式。水中墩柱通过高性能抗渗混凝土抵抗复杂的水环境。而流水对河床、海床的局部冲刷影响均作为下部结构设计控制因素。水中墩柱的外形以椭圆形扩大承台为主，此类桥墩具备一定能力的抗流水冲刷和溶蚀能力。然而，在普通高速公路桥及城市道路桥梁中，对流水影响仅考虑其满足规范要求或凭借以往工程经验进行设计。在流水的冲刷和溶蚀方面，通常采用提高混凝土的强度、混凝土保护层厚度和不断改善桩基施工工艺作为提高桥墩抗流水冲刷和溶蚀能力的方法。水中墩柱的外形以圆形、椭圆形为主，此类桥墩一定时间段内具备抵抗流水冲刷和溶蚀的能力，但效果并不理想。随桥梁使用年限的增加，墩柱水下部分往往出现不同程度混凝土保护层剥落、风化和钢筋露筋、锈蚀现象，桩基本身也伴随较为明显的缩颈与空洞。
发明内容
本发明的目的之一是为解决上述桥梁墩柱水下部分出现混凝土保护层剥落、风化和钢筋露筋、锈蚀的现象，提供一种桥梁墩柱导流装置，通过加装此装置，以提高桥梁墩柱抗流水冲刷和溶蚀能力。
本发明提供的一种桥梁墩柱导流装置，由两片导流板组成，所述导流板之间由焊接或螺栓进行连接，所述两片导流板沿连接面对称，所述导流板同桥梁墩柱通过预埋件固定。
所述导流板由第一圆弧段、第一曲线段、第二圆弧段、第二曲线段和第三圆弧段组成。
所述第一圆弧段、第二圆弧段和第三圆弧段平面线型为直径与桥梁墩柱直径相同的圆弧。
所述第一曲线段为曲率半径于第一圆弧段与第三圆弧段间连续变化的曲线。所述第一曲线段平面线型为正反两段缓和曲线拼接而成的S型缓和曲线段，所述第二曲线段的平面线型与所述第一曲线段的平面线型相同。
所述导流板为金属材料。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种桥梁墩柱导流装置，通过在现有桥梁墩柱外侧加装该装置，可提高桥梁墩柱抗流水冲刷和溶蚀能力，该装置设计简单，安装方便，可有效延长桥梁墩柱的使用寿命。
附图说明
图1所示为本发明桥梁墩柱导流装置的结构示意图。
图2所示为本发明桥梁墩柱导流装置的剖面图。
图3所示为本发明桥梁墩柱导流装置流场计算模型。
图4所示为本发明桥梁墩柱导流装置流场计算模型网格划分示意图。
图5所示为本发明桥梁墩柱导流装置周围流场压强分布图。
图6所示为本发明桥梁墩柱导流装置周围流场速度场分布图。
图7所示为本发明桥梁墩柱导流装置周围流场流水流向图。
图8所示为本发明桥梁墩柱导流装置周围流场流速对比图。
图9所示为本发明桥梁墩柱导流装置周围所受压强值对比图。
图中：1-第一圆弧段、2-第一曲线段、3-第三圆弧段、4-第二曲线段、5-第二圆弧段、6-迎水面界限点、7-背水面界限点、8-安装螺栓、9-固定螺栓、10-桥梁墩柱
具体实施方式
下文将结合具体实施例详细描述本发明的内容。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
实施例1
方案设计
以桥梁墩柱10的核心承压区混凝土柱的直径为2.75m，混凝土保护层的厚度为5cm为例，设计安装了本实施中的桥梁墩柱导流装置。从图1可以看出，桥梁墩柱10与该装置导流板的相对位置关系，该装置导流板的第一圆弧段1、第二圆弧段5和第三圆弧段3均为直径为2.8m的圆弧形，第一圆弧段1选用回旋线(放射螺旋型)作为缓和曲线平面线型模型。沿曲线走向曲率半径由-1/2.8连续变化至+1/2.8。第一圆弧段1和第一曲线段2、第一曲线段2和第三圆弧段3、第三圆弧段3和第二曲线段4、第二曲线段4和第二圆弧段5之间光滑连接，该装置导流板位于桥梁墩柱10的外部。如图2所示，两片导流板之间通过安装螺栓8进行连接，桥梁墩柱导流装置通过固定螺栓9固定在桥梁墩柱10上。
迎水面界限点6处通过两个ψ2.8m的圆弧段实现对迎水面的流水进行直接分流，形成左右两个分区。迎水面的设计方式削弱甚至消除了流水对迎水面界限点6的直接冲刷，同时，向下射流也被削弱。
流水通过第一个圆弧段1后，在第二个圆弧段5到来之前，导流区为正反两段由第一曲线段2和第二曲线段4以及第三圆弧段3拼接而成的S型缓和曲线段。导流板的曲率由正直连续变化为负值。此时的流水将以十分缓和的形式通过这个区域且被装置吸收的动能十分少。
背水面界限点7处同样借助通过两个ψ2.8m的圆弧段实现引导左右两区的流水平顺合流。随着流水的平顺合流，尾流旋涡将直接被削弱或消除。
仿真模拟
桥梁墩柱导流装置计算模型的计算区域网格划分采用桥梁墩柱10周边局部区域加密的六面体网格划分形式，网格数为4806。计算模型如图3所示，网格划分如图4所示。
本发明桥梁墩柱导流装置成功将迎水面界限点6处的水流分流，使得流水在界限点处不发生速度的突变，从而减弱甚至消除了向下射流、马蹄形涡对桥梁墩柱10的影响。同时，该装置成功引导背水面界限点7处的水流合流，使得经过桥梁墩柱10的流水在界限点处不发生各向流速的合流，从而减弱甚至消除了背水面界限点7处的尾流旋涡。桥梁墩柱导流装置周围流场压强分布图如图5所示，流场速度分布模拟结果如图6所示。
为更加清晰表明模拟结果，为两个模型的分析结果建立相同的图例标准，将瞬态数值模拟结果以动水流场压强分布、流场流速分布和流水场流向分别列出，如图5、图6和图7所示。为更清楚的反映安装本发明桥梁墩柱导流装置后模型的抗冲刷性能，我们提取了桥梁墩柱10周边动水压强、流场流速的数据，如图8和图9所示，图中Optimize表示安装本发明装置的桥梁墩柱，Original代表圆柱形墩柱。
图中表明：安装本发明桥梁墩柱导流装置的桥梁墩柱10周围流水流速变化较为缓和。同时，桥梁墩柱10周围流水变化幅度小，较圆柱形墩平缓。安装本发明桥梁墩柱导流装置的桥梁墩柱10的迎水面界限点6处的峰值压力减少，压强由517.95MPa减至289.21MPa。背水面界限点7类似。仿真结果证实桥梁墩柱10周围流场流速幅值降低，变化较为缓和。同时，桥梁墩柱10受流水压力的幅值也得以降低。实际工程中，考虑河床冲刷的影响，宜将导流层深度延伸至河床下lm。
本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (5)
1.一种桥梁墩柱导流装置，其特征在于，由两片导流板组成，所述导流板之间由焊接或螺栓进行连接，所述两片导流板沿连接面对称，所述导流板同桥梁墩柱通过预埋件固定。
2.如权利要求1所述的一种桥梁墩柱导流装置，其特征在于，所述导流板的几何形状由第一圆弧段、第一曲线段、第二圆弧段、第二曲线段和第三圆弧段组成。
3.如权利要求2所述的一种桥梁墩柱导流装置，其特征在于，所述第一圆弧段、第二圆弧段和第三圆弧段平面线型为直径与桥梁墩柱直径相同的圆弧。
4.如权利要求2所述的一种桥梁墩柱导流装置，其特征在于，所述第一曲线段平面线型为正反两段缓和曲线拼接而成的S型缓和曲线段，所述第二曲线段的平面线型与所述第一曲线段的平面线型相同。
5.如权利要求1所述的一种桥梁墩柱导流装置，其特征在于，所述导流板为金属材料。
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