泥石流作用下橋墩的動力響應(yīng)分析

任　輝，張明明

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計院，鄭州　450001)

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泥石流作用下橋墩的動力響應(yīng)分析

任輝，張明明

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計院，鄭州450001)

摘要：由于部分山區(qū)橋梁跨越發(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，對泥石流作用下橋梁動力響應(yīng)分析的研究就顯得尤為重要。應(yīng)用有限元動態(tài)接觸方法對碰撞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，選取某高速公路30 m實心T墩建立三維實體有限元模型，分析其在泥石流作用下的動力響應(yīng)情況。研究表明，在泥石流沖擊作用下，塊石與橋墩接觸區(qū)及下部構(gòu)件連接處應(yīng)力較大，墩頂位移隨上部荷載壓力增大而不斷減小，即設(shè)計應(yīng)考慮分別提高橋墩的承載能力及其構(gòu)件連接處的變形能力。

關(guān)鍵詞：泥石流；橋墩；有限元方法；沖擊動力分析

山區(qū)及地形險要地區(qū)，泥石流災(zāi)害頻繁發(fā)生，其危害主要表現(xiàn)為泥石流中存在的塊石對結(jié)構(gòu)物的沖擊破壞[1]。當(dāng)山區(qū)橋梁跨越發(fā)育的沖溝時，橋墩不可避免會受到泥石流的沖擊作用，基于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計原則，對泥石流作用下橋梁動力響應(yīng)分析的研究就顯得尤為重要。

目前對于沖擊作用下橋墩的破損研究主要集中在地震及地震作用下的深水橋墩等方面，對泥石流的研究涉及較少，而泥石流的破壞力極強(qiáng)，威脅建在泥石流區(qū)域的橋梁，因此有必要對泥石流作用下橋墩結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行深層次研究。

本文在Hertz接觸問題的基礎(chǔ)上，考慮泥石流塊石碰撞橋墩產(chǎn)生的塑性彎曲變形，計算泥石流塊石對橋墩的沖擊力，并選取某高速公路30 m實心T墩為實際工程背景，采用有限元軟件LS-DYNA建立實體模型，并結(jié)合實際情況模擬邊界條件及使用階段荷載情況。由于泥石流塊石形狀各異，本次模型建立時，參考相關(guān)文獻(xiàn)對其采取理想化假設(shè)，并進(jìn)行非線性動力響應(yīng)分析。

1泥石流對橋墩沖擊力計算

對泥石流大塊石對橋墩沖擊問題，一般將其簡化為具有足夠錨固長度的懸臂梁結(jié)構(gòu)受沖擊的響應(yīng)問題，計算簡圖如圖1所示。

圖1　計算簡圖

塊石沖擊橋墩應(yīng)滿足以下關(guān)系[2]

(1)

式中，c、n為結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，可由靜載試驗獲得；P為塊石的沖擊力；δ為沖擊變形量。

根據(jù)系統(tǒng)能量守恒定律，并考慮塊石沖擊橋墩產(chǎn)生的塑性變形，即橋墩受沖擊作用下的變形應(yīng)有兩部分組成[3-6]

(2)

式中，m為簡化塊石的質(zhì)量；v為塊石的沖擊速度；δmax為最大法向變形量。

求解上述方程即可得出最大法向變形量，進(jìn)而求解出最大沖擊力、最大位移等。

2工程實例分析

選取某高速公路30 m實心T墩作為實際工程背景，采用有限元軟件LS-DYNA建立實體模型，并對其進(jìn)行一定的簡化：移動荷載作用及自重產(chǎn)生的力通過附加質(zhì)量的方法施加到蓋梁上，不考慮支座剛度對撞擊的影響；流體對橋墩的沖擊采用附加質(zhì)量法，取附加流體質(zhì)量為塊石質(zhì)量的0.07倍[7]，通過增加塊石密度的方式，施加到塊石上；不考慮樁土之間的相互作用，采用等效樁長法[8]確定錨固長度，下端采用剛性支撐。

因泥石流塊石形狀各異，難以進(jìn)行模擬，參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-11]，將泥石流塊石簡化為規(guī)則的球體進(jìn)行建模計算，塊石離樁頂(承臺)的高度取為6 m。有限元模型詳見圖2，塊石質(zhì)量取為0.5 t，計算時間長度為5 s。

圖2　30 m有限元計算模型

橋梁上部結(jié)構(gòu)有多種形式，如空心板、T梁或箱梁等，為模擬不同形式的上部結(jié)構(gòu)對橋墩動力非線性響應(yīng)的影響，在建立工況時不同形式的上部結(jié)構(gòu)采用不同的自重荷載。各工況建立詳見表1。

表1　實心T墩各工況

3計算結(jié)果及討論

3.1　碰撞力分析

各工況碰撞力時程曲線見圖3。

圖3　各工況碰撞力時程曲線

塊石碰撞橋墩的接觸時間很短，整個碰撞過程只有0.15 s，塊石接觸橋墩，碰撞力不斷增大，0.1 s時刻達(dá)到最大，之后塊石逐漸遠(yuǎn)離橋墩，能量消散，碰撞力迅速減小到0。T墩各方向最大碰撞力及根據(jù)規(guī)范計算出的碰撞力詳見表2。

3.2　能量分析

由圖4可以看出，在工況6作用下，T墩的混凝土及鋼筋都在塊石接觸橋墩的瞬間能量達(dá)到最大；說明T墩混凝土發(fā)生了彈塑性變形吸收了塊石大部分動能，而鋼筋也隨之進(jìn)入了塑性階段，發(fā)生了塑性應(yīng)變。整個碰撞過程除去1%～2%的能量損失之外，整體系統(tǒng)保持能量守恒。

表2　各工況最大碰撞力

圖4　30 m T墩各材料能量時程曲線

3.3　位移分析(圖5、圖6)

圖5　30 m T墩工況6橫向位移云圖

圖6　30 m T墩同壓力不同速度橫向位移時程曲線

在塊石與橋墩碰撞過程中，橋墩橫向位移的時程響應(yīng)是極其重要的一個觀測點。

如圖6所示，工況1作用下，橋墩結(jié)構(gòu)的最大位移為1.89 m，工況2最大位移則為1.87 m，即30 m實心T墩在相同上部荷載作用下，墩底橫向位移隨碰撞速度的增大顯線性增大，而墩頂橫向位移卻變化不大。

實心T墩受不同上部荷載作用，在相同碰撞速度下，壓力大比壓力小的墩頂位移要??；如工況2作用下最大位移為1.87 m，工況6作用下最大位移為1.74 m，即壓力的增大使墩頂位移隨之減小了0.13 m。

3.4　應(yīng)力分析

通過計算結(jié)果分析，塊石與T墩的碰撞過程中，應(yīng)力峰值多出現(xiàn)在以下幾個區(qū)域，見圖7。

圖7　30 m T墩工況6第一主應(yīng)力云圖

Ⅰ區(qū)：塊石與橋墩接觸區(qū)域。

Ⅱ區(qū)：剛性連接處如：承臺與樁柱銜接處、樁底等區(qū)域。

Ⅲ區(qū)：樁基以下8倍樁徑附近區(qū)域。

以上高應(yīng)力區(qū)域形成的原因不同，分布特點及對橋墩結(jié)構(gòu)的影響程度也不相同[12]。

分析可知，Ⅰ區(qū)的高應(yīng)力是由泥石流塊石與墩柱碰撞產(chǎn)生的局部集中載荷引起的。如圖8所示，塊石荷載引起的高應(yīng)力區(qū)域只分布在泥石流塊石碰撞的接觸面及附近局部的區(qū)域，可引起局部混凝土塑性破壞，而對整體橋墩結(jié)構(gòu)損傷作用比較有限。30 m T墩Ⅰ區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力最大值的時刻為t=0.1 s。

圖8　30 m T墩撞擊瞬間第一主應(yīng)力云圖

分析可知，Ⅱ區(qū)的高應(yīng)力是在碰撞過程中T墩及樁基的整體彎曲，引起橋墩結(jié)構(gòu)剛性連接處應(yīng)力集中造成的。30 m T墩最危險時刻在t=0.6 s，承臺連接處的應(yīng)力分布如圖9所示，由于碰撞接觸時間較短，應(yīng)力不能及時擴(kuò)散，橋墩結(jié)構(gòu)剛性連接處混凝土出現(xiàn)塑性破壞，構(gòu)件基本失效。

圖9　30 m T墩樁基承臺連接部位第一主應(yīng)力云圖

分析可知Ⅲ區(qū)的高應(yīng)力是由于樁身彎曲變形引起的。當(dāng)樁基彎曲變形最大時，樁底應(yīng)力也同時達(dá)到最大。如圖10所示，在工況6作用下，樁基發(fā)生塑性變形，樁底失效部分的已經(jīng)占樁基截面積的1/2。

圖10　30 m T墩樁底第一主應(yīng)力云圖

4結(jié)語

本論文的研究工作正是以我國高橋墩的廣泛應(yīng)用及大量建造為背景，采用有限元軟件對T形實心墩在泥石流沖擊下的動力非線性響應(yīng)進(jìn)行了計算。根據(jù)以上的計算和分析，得出以下結(jié)論。

(1)采用《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計規(guī)范》計算的泥石流塊石碰撞力與本文計算的碰撞力相差較大，規(guī)范計算的塊石撞擊力過于保守，可能造成工程浪費。

(2)塊石沖擊作用時，橋墩墩頂位移隨上部荷載壓力增大而不斷減小。

(3)泥石流塊石與橋墩的碰撞過程中，以下區(qū)域應(yīng)力水平較高：塊石與橋墩接觸區(qū)域、承臺與橋墩及樁基等剛性連接處、樁基以下8倍樁徑附近區(qū)域；以上高應(yīng)力區(qū)域混凝土易出現(xiàn)局部破損導(dǎo)致構(gòu)件失效。

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Dynamic Response Analysis of Bridge Pier under the Action of Mudslides

REN Hui， ZHANG Ming-ming

(Zhengzhou Design Institute， China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001, China)

Abstract：A bridge across the developed gully is likely to be affected by the impact of mudslides. Based on the requirement for bridge structures to be capable of being protected， the analysis of dynamic response of bridges under the action of mudslides is particularly important. This paper uses the finite element dynamic contact method to simulate numerically the collision process， and selects a classⅠhighway with 30 m T pier in Yunnan province to establish a three-dimensional solid finite element model to analyze its dynamic response under the action of mudslides. Research results show that under the impact of mudslides， stone and pier contact region and the lower member joints are exposed to larger stress， and the pier top displacement increases with the decrease of upper load pressure continuously. Thus， the bearing capacity of the bridge pier and the deformation ability of its member elements need to be improved.

Key words：Mudslides; Pier; Finite element method; Impact dynamics analysis

作者簡介：任輝(1989—)，男，助理工程師，畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，工學(xué)碩士。

收稿日期：2014-12-02； 修回日期：2014-12-24

中圖分類號：U442.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.018

文章編號：1004-2954(2016)01-0083-04