山區(qū)橋墩的泥石流沖擊響應(yīng)研究

黃 蓉

(湖南省永州公路橋梁建設(shè)有限公司， 湖南 永州 425100)

山區(qū)橋墩的泥石流沖擊響應(yīng)研究

黃 蓉

(湖南省永州公路橋梁建設(shè)有限公司， 湖南 永州 425100)

為研究泥石流中的塊石與橋墩碰撞后的動(dòng)力響應(yīng)特性，基于有限元?jiǎng)討B(tài)接觸方法，對(duì)三維實(shí)體橋墩模型在泥石流作用時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究。研究表明：流體作用下，塊石對(duì)橋墩的沖擊作用不容忽視；墩頂位移隨流體流速、壓力增大而不斷增大；在山區(qū)橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮橋墩在偶遇泥石流下的橋墩的抗沖擊能力與墩頂上部的變形能力。

橋墩； 泥石流； 動(dòng)態(tài)接觸方法； 沖擊響應(yīng)

0 前言

高速公路或高速鐵路在山區(qū)地形起伏地段常通過橋跨構(gòu)造物跨越河谷沖溝。而受制地貌條件，此時(shí)的橋墩除了需考慮高墩所帶來的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造難題以外，對(duì)于地形險(xiǎn)要、地質(zhì)條件較差的地區(qū)，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)高墩的危害則不容忽視[1]?，F(xiàn)行建設(shè)項(xiàng)目中通過對(duì)橋梁等跨越構(gòu)造物的水文水力計(jì)算來確定構(gòu)造物是否能夠順利泄洪、尺寸擬定是否合理、橋跨方案布置是否合理[2]。但是，泥石流的高密度與高速流體與橋墩間的相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)的影響則無從考慮，山洪所攜裹的塊石及其他懸浮物對(duì)結(jié)構(gòu)物的沖擊效應(yīng)難以鑒定。

當(dāng)橋梁所跨越的“V”型溝谷地貌發(fā)生泥石流洪澇等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，流經(jīng)泄洪斷面的流體各區(qū)域的流速不等。此外，流體中所攜帶的塊石與動(dòng)植物軀干在泥石流的攜裹下高速通過橋跨斷面，位于溝谷的橋墩不可避免會(huì)受到泥石流的沖擊影響?；诮Y(jié)構(gòu)全壽命安全可靠服役的綜合設(shè)計(jì)原則，合理判定泥石流作用下橋墩動(dòng)力響應(yīng)尤為重要。

目前，國內(nèi)外在橋梁結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力響應(yīng)研究則主要集中于橋梁的抗震動(dòng)力響應(yīng)與橋梁抗風(fēng)動(dòng)力相應(yīng)研究，而有關(guān)泥石流對(duì)橋跨構(gòu)造物的動(dòng)力響應(yīng)則涉及較少。而泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的破壞力極強(qiáng)，因泥石流破壞的橋梁帶來的損壞是全面性的，帶來的影響也極為惡劣。因此，很有必要對(duì)泥石流作用下的橋墩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行深層次研究和判別。

借助Hertz接觸問題的理論，通過理想化假設(shè)進(jìn)行非線性動(dòng)力響應(yīng)分析，考慮泥石流與橋墩間的動(dòng)態(tài)接觸作用效應(yīng)的同時(shí)，計(jì)入泥石流中所攜裹的塊石碰撞橋墩后，橋墩所產(chǎn)生的塑性撓曲變形，并得到塊石對(duì)橋墩沖擊瞬間兩者間的沖擊力值[3]。

1 塊石的沖擊計(jì)算

對(duì)于泥石流中所攜裹的大塊石對(duì)橋墩沖擊效應(yīng)的計(jì)算，類似于普通碰撞問題進(jìn)行簡化。計(jì)算模型可視為一根具有足夠錨固長度的懸臂梁受剛體小球的沖擊響應(yīng)計(jì)算，模型的計(jì)算簡圖如圖1中所示。

圖1 塊石碰撞的簡化計(jì)算模型

根據(jù)初等力學(xué)，塊石對(duì)橋墩的沖擊力滿足式(1)的關(guān)系量[4]。

P=cδn

(1)

式中:P為剛體小球?qū)冶哿旱臎_擊力；δ為懸臂梁所產(chǎn)生的微小變形量；c、n分別為靜載試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)。

若塊石的動(dòng)能全部傳遞至懸臂梁體系，則根據(jù)碰撞系統(tǒng)的能量守恒定律，則塊石的動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換成懸臂梁的兩部分組成能量。一部分是因剛體小球碰撞而發(fā)生的局部變形應(yīng)變能；另一部分是懸臂梁梁端所發(fā)生的撓曲應(yīng)變能。

(2)

式中:m為塊石的質(zhì)量；v為泥石流的最大流速；δmax為沖擊所產(chǎn)生的梁表面法向最大變形量；EI為梁的彎曲剛度。

故兩式聯(lián)合即可得出碰撞發(fā)生時(shí)的梁體所發(fā)生的最大法向變形量，進(jìn)而求解出剛體小球的最大沖擊力、最大位移值。

2 實(shí)例分析

取某高速公路實(shí)心矩形墩作為計(jì)算。其中承臺(tái)頂?shù)缴w梁頂?shù)木嚯x為30 m。有限元?jiǎng)討B(tài)接觸方法計(jì)算選取LS — DYNA有限元計(jì)算平臺(tái)建立橋墩 — 塊石 — 泥石流相互作用計(jì)算體系?？紤]到計(jì)算能力有限，預(yù)先對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行簡化：對(duì)上部結(jié)構(gòu)橫載及主梁頂面移動(dòng)荷載作用值以附加質(zhì)量的方式施加在蓋梁頂面；忽略盆式橡膠支座對(duì)撞擊的耗能效應(yīng)；而對(duì)于流體靜壓力、流體浮力則通過采用附加質(zhì)量法進(jìn)行簡化。取附加流體質(zhì)量按塊石質(zhì)量的0.07倍計(jì)，通過增大塊石的密度，等效施加在塊石上；流體流速而產(chǎn)生的動(dòng)水壓力對(duì)橋墩的作用值，則按牛頓流體等效進(jìn)行簡化，忽略溝谷過水面積的變化而導(dǎo)致的流速變化；對(duì)于樁土之間的相互作用，則通過等效樁長法來確定土下樁長的錨固長度，樁底直接采用固結(jié)模擬。

對(duì)于泥石流中所攜裹的塊石形狀大小不一，所分布的位置也是隨機(jī)分布，難以在有限元軟件中按實(shí)際情況進(jìn)行模擬。參考何思明等在泥石流大塊石計(jì)算中所提出的簡化計(jì)算的有效性理論，泥石流塊石可近似簡化為規(guī)則形狀的剛性球體進(jìn)行建模計(jì)算[5]。對(duì)于小球相對(duì)橋墩的空間位置的確定，小球距承臺(tái)頂面的距離取6 m。塊石質(zhì)量取為500 kg，分析橋墩與小球碰撞后5 s內(nèi)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化。有限元計(jì)算模型如圖2中所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

在表1中列出了6種不同的上部結(jié)構(gòu)橫載值與不同的泥石流通過谷底計(jì)算斷面的流速，從而在計(jì)算泥石流對(duì)橋墩的作用值的同時(shí)探究不同結(jié)構(gòu)形式的上部結(jié)構(gòu)對(duì)橋墩非線性動(dòng)力響應(yīng)的影響。

表1 橋墩動(dòng)力計(jì)算工況工況墩高/m墩頂壓力/kN塊石質(zhì)量/kg滾石速度/(m·s-1)130450050003230450050005330450050007430550050003530550050005630550050007

3 計(jì)算結(jié)果處理與分析

3.1 碰撞相對(duì)作用力

剛體小球與橋墩的碰撞接觸耗時(shí)非常短，碰撞接觸時(shí)間僅有0.15 s。而兩者間的相互作用力則隨著時(shí)間的增加而快速增大，在碰撞接觸發(fā)生后0.1 s時(shí)達(dá)到最大。碰撞后，小球動(dòng)能已完全被橋墩吸收，剛體小球在泥石流的攜裹下逐漸加速遠(yuǎn)離橋墩。碰撞后期的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化不是文中的重點(diǎn)研究對(duì)象，故在此不做過多的贅敘。碰撞時(shí)的剛體小球與橋墩間的相互作用力如圖3中所示，并在表2中給出按《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(DZ/T 0239 — 2004)(以下簡稱“防災(zāi)規(guī)范”)計(jì)算所得的碰撞力值[6]。

3.2 碰撞能量分析

假設(shè)系統(tǒng)的能量沒有熱、聲等其他形式的損失，系統(tǒng)碰撞瞬間小球的動(dòng)能完全轉(zhuǎn)換為橋墩局部變形耗能與彎曲勢能。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能力隨碰撞時(shí)間變化的曲線如圖4中所示。對(duì)應(yīng)工況6下的橋墩的混凝土及鋼筋都在剛體小球接觸橋墩的瞬間所吸收的能量達(dá)到最大；說明橋墩鋼筋混凝土局部位置在突發(fā)沖擊荷載作用下發(fā)生了彈塑性變形，鋼筋也隨之進(jìn)入了塑性耗能狀態(tài)。

圖3 小球碰撞相互作用力的時(shí)程曲線

表2 各加載工況下碰撞力計(jì)算匯總表工況最大碰撞力/MNX方向Z方向規(guī)范計(jì)算值/MN工況最大碰撞力/MNX方向Z方向規(guī)范計(jì)算值/MN14.8472.21781.0946.4041.25081.0928.0973.930295.10510.6434.120295.10312.9327.440455.86610.4804.629455.86

圖4 碰撞后各部能量時(shí)程曲線

3.3 墩頂橫向位移分析

在剛體小球與橋墩碰撞發(fā)生時(shí)，橋墩橫向位移則是碰撞過程中另一重要的非線性動(dòng)力響應(yīng)參量。如圖5中所示，在加載工況1對(duì)應(yīng)和作用下，墩頂所發(fā)生的最大橫向位移計(jì)算值為1.92 m，工況2作用下的最大位移計(jì)算值為1.83 m。同比工況4與工況5亦發(fā)現(xiàn)墩頂在相同上部荷載作用下，墩底所在位置處的橫向位移值隨泥石流經(jīng)過溝谷斷面時(shí)的流速的增大而有著明顯的增長趨勢，而墩頂?shù)臋M向位移值受流速的影響較小。同時(shí)，在塊石有著相同碰撞速度時(shí)，墩頂有著較大的上部荷載作用時(shí)對(duì)應(yīng)的橫向位移值要小，如工況2作用下最大位移計(jì)算值為1.79 m，工況6作用下最大位移計(jì)算值為1.71 m，即隨著壓力增大1 MN，墩頂橫向位移值減小了0.08 m。

圖5 墩頂橫向位移值

3.4 橋墩應(yīng)力分析

剛體小球與橋墩碰撞發(fā)生瞬間，根據(jù)有限元應(yīng)力后處理結(jié)果，橋墩的平均應(yīng)力峰值在以下3個(gè)部位形成應(yīng)力集中區(qū)：

1) 剛體小球與橋墩的接觸區(qū)域附近；

2) 墩底承臺(tái)頂鋼筋混凝土搭接位置處；

3) 樁頂承臺(tái)鋼筋混凝土搭接位置處，樁底固結(jié)位置處。

對(duì)于1區(qū)附近的應(yīng)力突變是由于剛體小球所攜帶的高動(dòng)能直接被碰撞區(qū)域附近的鋼筋混凝土吸收，此處所轉(zhuǎn)換的應(yīng)變能通過應(yīng)力應(yīng)變值顯示出來。其余兩處的應(yīng)力及集中則是由于小球與橋墩間的碰撞接觸時(shí)間極短，引起墩頂橫向撓度的彎曲應(yīng)變能不能及時(shí)通過樁基承臺(tái)向大地進(jìn)行擴(kuò)散，從而導(dǎo)致橋墩墩底與樁頂兩者與承臺(tái)間的結(jié)構(gòu)剛性連接處鋼筋混凝土出現(xiàn)較大的能量集中而發(fā)生塑性破壞，此時(shí)的構(gòu)件基本失效。樁頂與承臺(tái)頂?shù)倪B接較為薄弱，僅通過鋼筋的搭接形成兩者間的緊密聯(lián)系，樁頂伸入承臺(tái)頂?shù)拈L度有限，此時(shí)的樁頂在碰撞的瞬間被由橋墩傳遞而來的大量的應(yīng)變能局部集中而無法釋放導(dǎo)致脆性斷裂。

4 結(jié)論

1) 采用防災(zāi)規(guī)范計(jì)算的碰撞相互作用力與數(shù)值計(jì)算分析中的計(jì)算值相差較大，前者作用力計(jì)算過于保守，橋梁結(jié)構(gòu)參考該規(guī)范易造成橋梁結(jié)構(gòu)的浪費(fèi)，故不建議使用該規(guī)范評(píng)估山區(qū)橋墩的防災(zāi)性能。

2) 橋墩上部荷載能有效減弱塊石的沖擊效應(yīng)帶來的墩頂橫向撓曲變形。

3) 建議對(duì)橋墩沿過水面積上游方向設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)木彌_構(gòu)件，以消耗泥石流中的塊石與橋墩碰撞間的能量傳遞。

4) 建議山區(qū)橋墩下部結(jié)構(gòu)增大樁頂伸入承臺(tái)的高度；增強(qiáng)墩底與承臺(tái)頂面的聯(lián)系。有條件時(shí)，可以對(duì)樁頂混凝土、承臺(tái)、墩底一次性澆筑完成，以形成良好的能量傳遞體系。

[1] 郭潁奎，韓曉育，孟聞遠(yuǎn).流冰碰撞下橋墩安全的有限元分析[J]. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2013(6):16-18.

[2] 胡良紅，曹云．淺談石臺(tái)楊潭大橋水文計(jì)算與分析[J].工程設(shè)計(jì),2013(2):206-207,210.

[3] 宋波，黃帥．長周期地震對(duì)矩形橋墩動(dòng)水壓力及墩身動(dòng)力響應(yīng)的影響[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012(1):19-25.

[4] 吳長奎.山區(qū)滾石對(duì)橋墩撞擊力和防護(hù) 措施的研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[5] 何思明，李新坡，吳永．考慮彈塑性變形的泥石流大塊石沖擊力計(jì)算[J]．巖石力學(xué)與工程力學(xué)，2007，26( 8) : 1664-1669．

[6] DZ/T 0239-2004,泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2016-03-29

黃蓉( 1985-) ，女，工程師，主要從事公路、橋梁及隧道施工與項(xiàng)目管理工作。

1008-844X(2017)01-0145-04

U 443.22

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