泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋承載力分析

辛鵬

摘 要：該文依托天山公路K630泥石流淤埋路段工程實(shí)例，提出一種泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋應(yīng)急通行結(jié)構(gòu)，介紹相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。建立ANSYS有限元模型，對(duì)戰(zhàn)備浮橋整體及細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行承載力分析。結(jié)果表明，泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋結(jié)構(gòu)安全可靠，可以解決大型泥石流淤埋道路后應(yīng)急通行問題，為搶險(xiǎn)救災(zāi)工程節(jié)約寶貴時(shí)間。

關(guān)鍵詞：泥石流淤埋路段 戰(zhàn)備浮橋 承載墩 承載力分析

中圖分類號(hào)：U44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）02（a）-0014-04

Abstract： A debris flow passage structure of emergency readiness buried pontoon is designed， baseing on the K630 section of the Tianshan Highway debris flow buried engineering examples. The ANSYS finite element model is established for analysis of the bearing capacity of the whole bridge and the detail structure of combat readiness. Results show that the safety and reliability of debris flow buried readiness pontoon structure. The structure can solve the problem of disaster relief emergency traffic， saving valuable time when the buried road debris flow.

Key Word： Mudslides buried section； Combat readiness bridge； Bearing pier； Carrying capacity analysis

作為一種典型的災(zāi)害性地質(zhì)現(xiàn)象，泥石流在我國(guó)西部山區(qū)發(fā)生次數(shù)頻繁，對(duì)山區(qū)公路運(yùn)行和養(yǎng)護(hù)過程產(chǎn)生了很大的破壞，嚴(yán)重影響到我國(guó)西部地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民的人身財(cái)產(chǎn)安全。僅僅2015年，我國(guó)西部地區(qū)泥石流突發(fā)淤埋沿線公路的重大事件就有20余起，累計(jì)造成的交通中斷時(shí)間達(dá)到100余天，直接造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)30億元。尤其是特大泥石流暴發(fā)后，造成沉積物淤埋深度大于3 m，累計(jì)方量達(dá)到上萬立方米，清淤工作量巨大，中斷交通時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15天以上，嚴(yán)重阻礙了災(zāi)后的搶險(xiǎn)救災(zāi)和備戰(zhàn)能力，給國(guó)家?guī)砹酥卮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。因此，大型泥石流淤埋路段應(yīng)急搶險(xiǎn)修復(fù)技術(shù)是減弱泥石流災(zāi)害的關(guān)鍵所在，是亟待解決的關(guān)鍵性問題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在泥石流防災(zāi)減災(zāi)方面的研究已經(jīng)取得了較多的成果，從工程措施和生態(tài)修復(fù)等方面形成了較完備的泥石流防治體系[1-4]。陳洪凱等提出了速流結(jié)構(gòu)、翼型墩匯流結(jié)構(gòu)、底埋隧道等泥石流防治措施，大量工程實(shí)踐表明防治效果顯著，取得了較大的社會(huì)和環(huán)境效益[5]。王兆印等通過比較分析攔擋壩與階梯-深潭消能對(duì)文家溝泥石流的防護(hù)效果，提出攔擋壩有利于穩(wěn)固邊坡，階梯-深潭可以消散泥石流能量從而保護(hù)攔擋壩穩(wěn)定溝床，兩者綜合運(yùn)用對(duì)大型泥石流防護(hù)效果顯著[6]。Takahara等設(shè)計(jì)一種新型緊密水平單元的防砂壩結(jié)構(gòu)，更好地防止土顆粒流失，降低泥石流發(fā)生的概率[7]。崔鵬等針對(duì)大型泥石流成災(zāi)特點(diǎn)，提出了不同孔徑的攔砂壩群對(duì)泥石流分級(jí)攔淤，谷坊群對(duì)泥石流物源攔截等泥石流防治規(guī)劃設(shè)計(jì)方法[8]。

然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)泥石流淤埋斷道應(yīng)急搶險(xiǎn)方面的研究仍然十分薄弱，當(dāng)發(fā)生泥石流淤埋道路后，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)交通，嚴(yán)重阻礙了災(zāi)后搶險(xiǎn)救災(zāi)以及應(yīng)急備戰(zhàn)。該文以天山公路K630泥石流沖失路段為依托，介紹了一種可以在大型泥石流淤埋道路后快速恢復(fù)交通的戰(zhàn)備浮橋結(jié)構(gòu)，并分析了其整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及相應(yīng)細(xì)部構(gòu)造的受力情況，可為泥石流災(zāi)害發(fā)生后應(yīng)急搶險(xiǎn)提供寶貴的時(shí)間。

1 工程概況

G217國(guó)道地處拉帕特河道右岸，是連接新疆阿勒泰與和田市的重要交通運(yùn)輸通道，但由于地處K630泥石流沉積區(qū)腹地，自1977年通車以來，基本平均每年暴發(fā)1～2次泥石流災(zāi)害，中斷時(shí)間均為10天以上，嚴(yán)重影響新疆北部的交通情況。圖1為最近一次K630泥石流暴發(fā)情況，此次泥石流淤埋方量達(dá)到4萬 m3，淤埋沿線15 m長(zhǎng)的公路，泥石流淤埋體厚度達(dá)到4 m左右，造成經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)1億元。

2 戰(zhàn)備浮橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋裝置由承載墩、連系桿、橋面板以及側(cè)向錨固拉鎖組成，所有構(gòu)件都是可批量生產(chǎn)的，可以自由地組裝拆卸，運(yùn)輸十分方便。泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

承載墩是整個(gè)泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋裝置中最核心部分，它是由上部充氣氣墩和下部防側(cè)傾穩(wěn)定裝置組成，如圖3所示。氣墩采用高強(qiáng)度橡膠制品，呈圓柱體，底面半徑R為50 cm，高為80 cm。氣墩上下表面為兩層橡膠制品，夾層內(nèi)制有一塊1 cm厚的輕質(zhì)鋁合金板，上下表面鋁合金板圓心處分別固定一個(gè)直徑4 cm，高為10 cm的螺芯，并制備與之配套的螺帽，構(gòu)成承載墩的鎖固端。鎖固端與連系桿可以通過定制的連接板連接起來。在承載墩上表面制有充氣閥門，用于氣墩的充放氣體。下部防側(cè)傾穩(wěn)定裝置是由角鋼、PVC板和正方形輕質(zhì)鋁合金板組成。鋁合金板邊長(zhǎng)為1 m，厚為8 mm，與氣墩下部鎖固端連接。在鋁合金板的4個(gè)角邊緣下部連接長(zhǎng)為0.8 m的角鋼，并用相應(yīng)尺寸的PVC板連接四周。下部防側(cè)傾裝置可以很好地限制承載墩的側(cè)向傾斜。

泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋是一種可循環(huán)利用應(yīng)急搶險(xiǎn)設(shè)施，綜合考慮結(jié)構(gòu)用途、經(jīng)濟(jì)性以及材料的耐腐蝕程度等方面因素，浮橋連系桿選用材質(zhì)為Q345，型號(hào)為22a的標(biāo)準(zhǔn)工字鋼，雖然Q235鋼較Q345鋼價(jià)格上便宜一些，但由于連系桿所處工作環(huán)境極易腐蝕，故選用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，耐腐蝕性更好的Q345鋼。連系桿預(yù)制成2 m和0.9 m兩種長(zhǎng)度，并預(yù)留相應(yīng)孔位以便自由拼裝。浮橋的橋面板采用耐腐蝕性較強(qiáng)的PVC木塑復(fù)合板，板厚為5 cm，縱向長(zhǎng)為2 m，橫向長(zhǎng)為0.9 m，待連系桿架設(shè)好后可依次用螺栓與其進(jìn)行搭接鋪設(shè)。戰(zhàn)備浮橋橋體結(jié)構(gòu)架設(shè)完成后，沿浮的橋兩側(cè)各設(shè)置兩條斜向剛性拉鎖與地面連接，為浮橋整體發(fā)生側(cè)移留有安全儲(chǔ)備。

3 戰(zhàn)備浮橋結(jié)構(gòu)承載能力分析

3.1 有限元模型的建立

基于天山公路K630泥石流淤埋路段工程情況，建立相應(yīng)泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋有限元模型，模型尺寸長(zhǎng)為20 m，寬為3.6 m，分為5個(gè)橋跨，戰(zhàn)備浮橋承載墩采用三維有限應(yīng)變LINK180單元模擬，橫縱連系桿采用BEAM188模擬，橋面板采用SHELL63單元模擬。泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋整體有限元模型如圖4所示。

單塊橋面板尺寸為2 m×0.9 m×0.08 m，與下部連系桿剛性連接，其材料參數(shù)中彈性模量為3.776E+09Pa，泊松比為0.16。整個(gè)戰(zhàn)備浮橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用連續(xù)體系，橫縱連系桿在節(jié)點(diǎn)處剛性連接，其截面尺寸設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)22a工字鋼，彈性模量為2.08E+11Pa，泊松比為0.16。承載墩在泥石流淤埋體中可以隨著外部荷載的變化進(jìn)行沉浮，其受到泥石流淤埋體對(duì)它的承載力和浮力的疊加作用。泥石流淤埋體承載力會(huì)隨著固結(jié)時(shí)間的增加而變大，新近淤埋體承載力最小。該文模擬泥石流戰(zhàn)備浮橋最不利情況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，故不考慮泥石流淤埋體承載力作用，將其作為安全儲(chǔ)備。承載墩與連系桿節(jié)點(diǎn)處不限制Uz方向位移，讓其可以自由沉浮。承載墩材料參數(shù)中泊松比為0.16，彈性模量考慮到其所受浮力作用，其值為1.71E+05Pa。

3.2 橋面板承載強(qiáng)度分析

橋面板采用耐腐蝕性較強(qiáng)的PVC木塑板，其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

單塊橋面鋪裝板長(zhǎng)為2 m，寬為0.9 m，泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋設(shè)計(jì)載重為10 t，車輛移動(dòng)荷載布置在以浮橋中心線為對(duì)稱軸、間距為1.8 m的兩個(gè)a×b的矩形區(qū)域內(nèi)。由于單塊橋板尺寸較小，荷載壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板的抗壓強(qiáng)度，故只需對(duì)橋面板的抗彎性能進(jìn)行分析。單塊橋面板的最大彎曲應(yīng)力為σ1為：

MPa

橋面板最大彎曲應(yīng)力σ1小于PVC木塑板的抗彎強(qiáng)度，故橋面板承載強(qiáng)度滿足要求。

3.3 橫縱連系桿受力分析

戰(zhàn)備浮橋橫縱連系桿采用型號(hào)為22a的Q345標(biāo)準(zhǔn)工字鋼，橫縱連系桿以剛接形式連接。橫向連系桿主要起到連接承載墩，提高浮橋整體穩(wěn)定性的作用。由于浮橋橋面板是單向受力板，其將大部分外部荷載傳遞給縱向連系桿受力，橫向連系桿受力較少，故應(yīng)對(duì)縱向連系桿進(jìn)行受力分析來驗(yàn)證連系桿整體的承載能力。

浮橋整體有6根縱向連系桿組成的承載梁，將其編號(hào)為1～6號(hào)縱梁，呈對(duì)稱性，圖5為1/4橋長(zhǎng)處1～3號(hào)縱梁的應(yīng)力影響線。

橋面板所施加汽車荷載位置與2、4號(hào)縱梁位置較符合，2、4號(hào)縱梁較其他縱梁承受更大荷載值，其相應(yīng)的應(yīng)力峰值也是最大的，與圖5中應(yīng)力影響線相一致。圖6為2號(hào)縱梁相應(yīng)點(diǎn)處的應(yīng)力影響線，可以看出車輛荷載作用位置處其縱梁應(yīng)力達(dá)到峰值。浮橋起點(diǎn)處所受應(yīng)力峰值較小，隨著位置點(diǎn)向橋中推移，其相應(yīng)的應(yīng)力峰值逐漸增大，在1/4橋長(zhǎng)處達(dá)到最大，之后應(yīng)力峰值有輕微回落。分析得出，2號(hào)縱梁1/4橋長(zhǎng)所受應(yīng)力為全部連系桿中的應(yīng)力峰值，其值為σ2=177.03 MPa。σ2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連系桿選用Q345鋼的屈服強(qiáng)度，故戰(zhàn)備浮橋橫縱連系桿滿足承載力要求。

3.4 浮橋整體穩(wěn)定性分析

承載墩是泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋的核心所在，各個(gè)承載墩的沉浮情況直接影響浮橋的整體穩(wěn)定性。由于橫向連系桿與承載墩的剛性連接作用，將橫向每排3個(gè)承載墩可看成一個(gè)整體，其沉浮情況基本一致。圖7為車輛荷載作用在不同位置時(shí)各排承載墩和橋中處的位移影響曲線。

由圖7可知，車輛荷載作用在浮橋起點(diǎn)時(shí)，第一排承載墩起主要作用，其下沉深度最大，達(dá)到0.41 m，其余各排承載墩參與作用較少。隨著荷載向橋中位置的推移，各排承載墩承載作用逐漸明顯，受力較平均，其最大下沉深度穩(wěn)定在0.33 m左右。分析可知，車輛荷載作用在浮橋起點(diǎn)處時(shí)，浮橋整體穩(wěn)定性最差，承載墩最大淤埋深度為0.41 m。

泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋采用剛接體系，其縱向坡度較小，可不考慮其對(duì)浮橋穩(wěn)定性的影響。承載墩高為0.8 m，安全系數(shù)取為0.8，其允許最大淤埋深度為0.64 m，大于最大下沉深度0.41 m，故泥石流承載墩滿足承載力要求。

通過上述對(duì)承載墩、連系桿以及橋面板結(jié)構(gòu)承載力的分析，表明泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，可以很好地應(yīng)用在大型泥石流淤埋道路后的應(yīng)急搶險(xiǎn)中，大大減少泥石流阻斷交通的時(shí)間。

4 結(jié)論

（1）依托天山公路K630泥石流淤埋路段工程實(shí)例，提出一種泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋應(yīng)急通行結(jié)構(gòu)，其主要由承載墩、連系桿、橋面板和橫向拉索等部分組成。

（2）承載墩是泥石流淤埋戰(zhàn)備浮橋核心所在，其下部防側(cè)傾穩(wěn)定裝置可以通過改變高度來調(diào)整承載墩的抗傾覆能力。

（3）基于ANSYS有限元分析平臺(tái)，對(duì)泥石流戰(zhàn)備浮橋結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行分析。結(jié)果表明戰(zhàn)備浮橋整體及細(xì)部構(gòu)造均滿足承載力要求，可以很好地應(yīng)用在大型泥石流淤埋道路搶險(xiǎn)應(yīng)急通行中。

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