泥石流對特載作用下高墩橋梁的影響

胡玉保

(國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院，云南昆明650216)

泥石流是山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害。橋梁作為道路的關(guān)鍵點，一旦被泥石流沖毀，造成的損失和搶修難度較道路其他部位被毀程度更大。在公路選線時，橋涵布置原則是盡量避開斷層、巖溶、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)河段。但是在云南西部山區(qū)，為滿足水電站交通運輸而建的進(jìn)場公路都是沿江而建，所處線位沖溝多。在設(shè)計選線時雖可盡量避開較大的坍塌體、深溝，但卻不能避開每一個沖溝，且在公路外業(yè)勘察時，所調(diào)查的范圍有限，難以調(diào)查到局部泥石流，更何況在線位上游還有工地施工，上游下渣土形成人工泥石流。

在橋梁設(shè)計時除滿足沿江民用公路交通外，又必須滿足水電站大件(特種平板掛車－300)運輸?shù)囊?。在考慮上述設(shè)計荷載后，還必須充分考慮泥石流對橋墩的沖擊作用，特別是較大體積石塊的沖擊作用。目前我國交通行業(yè)規(guī)范對泥石流都建議避讓，所以交通規(guī)范中未細(xì)化有關(guān)泥石流沖擊橋梁計算方法，僅給出作用在橋墩上的流水壓力、冰壓力以及船或漂流物撞擊作用的計算公式。特別是受近年來氣候環(huán)境的影響，多地發(fā)生泥石流災(zāi)害，備受關(guān)注的2010年舟曲泥石流對人民安全、城市交通、民用建筑都造成巨大的損失。由于部分山區(qū)公路橋涵橫跨發(fā)育沖溝，會受到泥石流的沖擊作用，基于橋梁構(gòu)件能力保護(hù)原則在設(shè)計時尋求一種計算泥石流沖擊作用的方法就顯得尤為重要。

橋墩的損毀和結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的一個橋梁病害問題。目前橋墩的損毀研究主要集中在地震造成的橋墩損毀、洪水造成的橋墩損毀和船舶對橋墩的撞擊等，而對于泥石流造成的橋墩損毀和結(jié)構(gòu)設(shè)計研究還較少。王志華等［1］基于任意拉格朗日歐拉描述的Navier-Stokes方程，建立了考慮流固強(qiáng)耦合效應(yīng)的深水橋墩地震反應(yīng)分析整體有限元模型，分析了在地震作用下，流固強(qiáng)耦合效應(yīng)對橋墩的影響。鐘盔等［2］基于泥石流的兩相流模型，分析了泥石流淤坦對橋梁的毀損。

針對新近泥石流沉積物流變固結(jié)作用導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生破壞的機(jī)理，Adam［3］和陳洪凱等對泥石流的流速計算方法進(jìn)行了研究［4-6］。何思明等［7-9］根據(jù)Hertz接觸理論和能量方程，得到了泥石流沖擊防撞墩時大攀石的沖擊力簡化計算公式。陳洪凱、丁繼新等［10-11］針對公路泥石流進(jìn)行了大量的研究。

橋梁高墩在承受自重及上部傳遞的豎向荷載(特種平板掛車 －300及梁)的同時，還承擔(dān)了上部傳遞的水平力及彎矩，由于高墩P-Δ效應(yīng)使橋墩底受到豎向壓力的同時還承受著較大附加彎矩，且泥石流的沖擊壓力及大塊石的撞擊力又增加了橋墩下部的彎矩和剪力。文中基于現(xiàn)有泥石流的研究成果，結(jié)合橋梁、泥石流及水工相關(guān)規(guī)范，提出泥石流及大塊石對重載高墩的沖擊力適用計算方法，為特載高墩設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 泥石流沖擊力的計算

1.1 大塊石沖擊力

參照文獻(xiàn)［12］，若受沖擊工程建筑物為墩、臺或柱時，泥石流大塊石沖擊力:

式中:Fb為泥石流大塊石沖擊力(kPa);E為工程構(gòu)件彈性模量(kPa);J為工程構(gòu)件截面中心軸的慣性矩(m4);L為構(gòu)件長度(m);V為石塊運動速度(m/s);W為石塊質(zhì)量(kN);g為重力加速度(取g=9.8 m/s2);α為塊石運動方向與構(gòu)件受力面的夾角。

1.2 泥石流整體沖壓力

根據(jù)工程規(guī)范［12］，泥石流整體沖壓力:

式中:Fδ為泥石流整體沖壓力(kPa);γc為泥石流重度(kN/m3);Vc為泥石流流速(m/s);g為重力加速度(m/s2)，g=9.8 m/s2;α為建筑物受力面與泥石流沖壓方向的夾角(°);λ為建筑形狀系數(shù)，圓形建筑物 λ =1.0，矩形建筑物 λ =1.33，方形建筑物λ =1.47。

1.3 泥石流體水平壓力

泥石流體水平壓力:

式中:γs為泥石流重度;Hc為泥石流體深度;φa為泥石流體內(nèi)摩擦角(一般取值4°～10°)。

2 工程算例

2.1 橋梁現(xiàn)狀

梅沖河大橋為16 m+4 m×20 m+16 m的簡支梁橋如圖1和圖2所示。由于平曲線半徑小(65 m)，所以在跨中只能布置20 m的標(biāo)準(zhǔn)跨。3#，4#橋墩采用雙柱空心薄壁，墩高分別為41 m，49 m，設(shè)計時盡量放在了溝邊，且考慮在4#橋墩處做順壩。

2.2 建模與計算

2.2.1 建立模型 自開始建橋以來都是以各種方式避讓泥石流為主，但尚未考慮后期由于各種因素致使河床改變而出現(xiàn)泥石流災(zāi)害問題。鑒于目前公路橋涵相關(guān)規(guī)范對泥石流沖擊橋墩的計算尚不完善，采用文中方法結(jié)合相關(guān)規(guī)范及資料［12-15］對梅沖河大橋受損最嚴(yán)重的4#橋墩進(jìn)行分析。

作用于4#墩頂?shù)幕竞奢d:橋墩自重，上部結(jié)構(gòu)自重，特種平板掛車-300，水平制動力，溫度荷載，泥石流體水平壓力，泥石流的沖擊力(整體沖壓力、大塊石沖擊力)。其中，上部結(jié)構(gòu)自重W1=2 818.2 kN，掛車荷載對墩頂產(chǎn)生的初始彎矩Mg=558.126 kN·m，豎向力Wg=1 921.636 kN，水平制動力Wz=34.153 kN，溫度荷載產(chǎn)生的水平力HW=17.04 kN。由于4#墩高49 m且承受了巨大的橋上荷載(特種平板掛車-300總重300 t)，計算過程中充分考慮了橋墩在豎向荷載下的附加彎矩效應(yīng)。

據(jù)中國水電顧問集團(tuán)昆明勘察設(shè)計研究院《梅沖河泥石流專題報告》，發(fā)生的泥石流峰值流量Q=818.74 m3/s(形態(tài)調(diào)查法)為200年一遇泥石流，石塊最大尺寸為長×寬×高 =5.3 m×2.4 m×1.1 m，重約W=370 kN。現(xiàn)在以該數(shù)據(jù)對橋墩進(jìn)行泥石流沖擊驗算。以3#，4#墩位置處斷面為驗算斷面。根據(jù)梅沖河大橋現(xiàn)場調(diào)查資料，泥石流水位到3#橋墩第1根系梁以下40 cm左右，現(xiàn)以3#橋墩承臺以上Hc=7.75 m高度為過流斷面高度，則過流斷面面積 Ac=145.5 m2，泥石流速度 Vc=5.63 m/s。

2.2.2 模型計算 根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料計算得到 Fb=1 795.85 kPa;Fδ=62.2 kPa;Fvl=1 004.4 kN。采用通用有限元軟件進(jìn)行模型計算，用土彈簧按照m法考慮土的側(cè)向作用，將上部構(gòu)造的恒載力及汽車力按照實際作用位置加到蓋梁上，泥石流水平壓力、整體沖擊力分別按照承臺以上至水位的位置加載，大塊石沖擊力選擇最不利的位置加載，有限元結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。由于墩柱較高(41 m，49 m)，考慮了上部荷載、墩自重對墩身的幾何非線性。

采用3種荷載組合根據(jù)有限元分析計算橋墩的荷載效應(yīng):(1)以泥石流的石流體水平壓力Fvl及整體沖壓力Fδ作為第2可變荷載，以特種平板掛車荷載為第1可變荷載、上部構(gòu)造及墩自重;(2)以泥石流的石流體水平壓力Fvl及整體沖擊力Fδ為第1可變荷載，以特種平板掛車荷載為第2可變荷載、上部構(gòu)造及墩自重;(3)考慮泥石流的石流體水平壓力Fvl、整體沖擊力Fδ和泥石流大塊石沖擊力Fb(偶然荷載)以及上部構(gòu)造及墩自重。各荷載的分項系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)［12-15］分別選取，計算結(jié)果如表1所示。

圖3 橋墩有限元模型，考慮樁土相互作用Fig.3 Finite element model of the bridge pier under the interaction of pile and soil

根據(jù)表1各墩柱在泥石流荷載的水平壓力、整體沖壓力下，原截面尺寸能滿足承載力要求，但是在大塊石沖擊橋墩時，按照偶然荷載進(jìn)行組合，選擇組合3進(jìn)行偶然荷載驗算，需增大截面為:4.3 m(順橋)×9 m(橫橋)，將2.5 m承臺加高即可滿足承載能力要求。

表1 計算結(jié)果分析Tab.1 Results analysis

3 結(jié)語

1)在公路泥石流計算不完善的條件下，根據(jù)文中理論方法，結(jié)合泥石流相關(guān)規(guī)范與橋梁設(shè)計規(guī)范，提出泥石流水平壓力、泥石流沖擊壓力和泥石流大塊石的計算方法以解決跨越泥石流溝的橋梁設(shè)計。

2)在高墩橋梁的墩柱設(shè)計中應(yīng)充分考慮每一水平荷載對橋墩的影響，除了該水平力產(chǎn)生的墩底彎矩，還應(yīng)充分考慮豎向力在墩底產(chǎn)生的附加彎矩。

3)在橋墩墩底截面滿足不了抗彎、剪承載能力要求時，可以采取加高承臺的方式增大墩底截面。

梅沖河大橋已建成通車3年，先后發(fā)生過3次較大規(guī)模的泥石流，全橋墩柱完好，運營狀況良好。文中為受到泥石流作用的工程結(jié)構(gòu)提供一種有效的處理方法和措施。

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