山區(qū)跨河人行鋼索吊橋水毀破壞機(jī)理研究

摘" 要：以2020年貴州省榕江縣“7·10”便民吊橋水毀為工程背景，對(duì)山區(qū)人行鋼索吊橋水毀機(jī)理進(jìn)行研究?；诒┯旰樗ㄍ魄罅耸転?zāi)河段（平永河）設(shè)計(jì)洪水量，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，復(fù)核了此次洪峰流量；采用有限元軟件建立了吊橋幾何非線(xiàn)性計(jì)算模型，對(duì)洪水作用下橋梁受力進(jìn)行分析，并結(jié)合橋梁水毀實(shí)況視頻，研究了該橋水毀機(jī)理。結(jié)果表明：本次暴雨洪水重現(xiàn)期超1 000年一遇，匯流條件屬于部分匯流類(lèi)型；當(dāng)洪水漫過(guò)橋面，洪水水平力、上托力及扭矩會(huì)使橋梁產(chǎn)生較大響應(yīng)，最大洪峰流速5 m/s時(shí)，索力相比成橋索力可增加8倍，橋塔應(yīng)力相比成橋應(yīng)力可增加約9倍，橋塔傾覆前橋面位移可達(dá)2.3 m；橋梁上游側(cè)地索繃斷的臨界水流速度為3.92 m/s，南側(cè)索塔（靠銀榕公路側(cè)）在最大洪峰流速時(shí)，抗滑動(dòng)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均小于1；洪水流量過(guò)大、橋塔基礎(chǔ)埋深淺和缺乏有效的側(cè)向抗風(fēng)索是造成吊橋破壞的重要原因。為減少水毀事故發(fā)生，應(yīng)保證此類(lèi)吊橋基礎(chǔ)穩(wěn)定和具有足夠的凈空，并設(shè)置必要的抗風(fēng)索。

關(guān)鍵詞：鋼索橋；洪水作用；有限元分析；破壞機(jī)理

中圖分類(lèi)號(hào)：TU312.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)" 1000-5269（2025）01-0069-10

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2025.01.10

收稿日期：2024-04-08

基金項(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目（黔科合基礎(chǔ)1Y248）；貴州理工學(xué)院高層次人才啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（XJGC20190908）

作者簡(jiǎn)介：吳安杰（1986—），男，副教授，博士，研究方向：橋梁波流力，E-mail：wuanjie163@163.com.

*通訊作者：吳安杰，E-mail：wuanjie163@163.com.

目前，我國(guó)公路、鐵路橋梁共超100萬(wàn)座，成為世界第一橋梁大國(guó)。除了公路、鐵路橋梁外，在西部山區(qū)分布著許多大大小小的人行吊橋，這些吊橋常由幾根鋼索或鐵索懸跨江河而制成，是當(dāng)?shù)鼐用癯鲂械闹匾ǖ?。由于受地震、極端天氣和復(fù)雜地形的影響，大暴雨或潰壩常引發(fā)洪水災(zāi)害，對(duì)橋梁造成極大威脅。據(jù)調(diào)查，1951—1988年，美國(guó)因洪水和基礎(chǔ)沖刷引起的橋梁垮塌數(shù)量占失事橋梁總量的比例為36.7%［1］；1989—2000年僅10年間，美國(guó)運(yùn)營(yíng)橋梁水毀數(shù)量占總垮塌橋梁數(shù)量的比例為52.88%，其中，洪水直接沖垮的比例為32.80%，沖刷掏空基礎(chǔ)的比例為15.51% ［2］，水毀事故比例有明顯上升的趨勢(shì)。1986—2008年近20年間，哥倫比亞運(yùn)營(yíng)垮塌的橋梁因洪水沖刷引起的事故占35%［3］。我國(guó)是一個(gè)山洪多發(fā)的國(guó)家，約2/3國(guó)土面積可能面臨山洪災(zāi)害威脅，其中，山洪高危險(xiǎn)性區(qū)域占比達(dá)19.95%，極高危險(xiǎn)區(qū)域占比為3.92% ［4］。2007—2015年，我國(guó)因水災(zāi)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)橋梁垮塌數(shù)量占總垮塌橋梁數(shù)量的43.1% ［5］。橋梁水毀垮塌一般具有突發(fā)性和整體性，造成的損失往往巨大。例如，2010年7月24日，洛陽(yáng)市由于暴雨引發(fā)的洪水，導(dǎo)致欒川伊河湯營(yíng)大橋整體垮塌，造成53人遇難，13人失蹤；2023年5月7日，福建龍巖市新羅區(qū)遭遇特大暴雨襲擊，導(dǎo)致龍巖平林大橋（3跨拱橋）整體坍塌，造成4名干部遇難。

橋梁水毀破壞已引發(fā)國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。MALAVASI等［6］通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)研究了明渠流中矩形板阻力系數(shù)與弗勞德數(shù)和雍水高度的關(guān)系。KERENYI 等［7］ 采用超精密測(cè)力天平，在水槽中測(cè)試了3種橋面板在不同的淹沒(méi)深度、不同流速條件下的水流力，繪制了受力包絡(luò)圖，為橋梁設(shè)計(jì)提供參考。ARSLAN等［8］采用 CFD 軟件中的大渦模擬（LES）湍流模型，研究了4種不同淹沒(méi)率下矩形方柱繞流的三維非定常流動(dòng)。肖盛燮［9］研究了山洪對(duì)公路橋梁的計(jì)算模式。楊斌等［10］通過(guò)布設(shè)壓力傳感器，測(cè)試了洪水對(duì)板橋和拱橋上部結(jié)構(gòu)表面水壓力的分布情況，分析了橋梁結(jié)構(gòu)的豎向水流受力及最不利情況。王璐等［11］提出了一種洪水沖擊下橋梁抗毀性受力分析方法，并分析了橋梁在各關(guān)鍵部位水平和豎直方向的受力。陳樹(shù)禮等［12］以某重載鐵路為背景，開(kāi)展了洪水沖刷作用下的橋梁動(dòng)力性能試驗(yàn)，研究了沖刷深度和列車(chē)速度對(duì)簡(jiǎn)支T梁橋動(dòng)力響應(yīng)的影響。李鵬飛等［13］研究了洪水沖擊力對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理，并提出了梁式橋上部結(jié)構(gòu)抗洪性能分析方法。楊萬(wàn)理等［14］依托竹巴龍金沙江大橋，通過(guò)仿真模型并考慮裹挾空氣影響因素，研究了簡(jiǎn)支T 梁洪水作用力特征和破壞機(jī)理。郭輝等［15］ 采用FLOW-3D，研究了汛期時(shí)彎道處水流對(duì)圓形橋墩的沖擊規(guī)律。劉兵等［16］研究了洪水沖刷對(duì)橋墩和樁基地震易損性曲線(xiàn)的影響。

設(shè)計(jì)洪水流量是橋涵設(shè)計(jì)的的重要指導(dǎo)參數(shù)，一般根據(jù)橋址處多年實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)，通常根據(jù)暴雨洪水進(jìn)行推算。華鵬年等［17］對(duì)比分析了徑流形成法和暴雨推理法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了小流域公路橋涵設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法的思路。王毅等［18］采用參數(shù)靈敏度分析，引入相關(guān)參數(shù)對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算公式進(jìn)行修正，提出符合秦巴山區(qū)特點(diǎn)的優(yōu)化算法。盧陽(yáng)等［19］基于二維淺水方程，對(duì)洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證，分析了貴州正安縣山洪災(zāi)害成因。袁若浩等［20］基于雙通道殘差網(wǎng)絡(luò)對(duì)泥石流溝谷孕災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

目前，基礎(chǔ)沖刷、橋墩和上部結(jié)構(gòu)主梁的洪水沖擊是橋梁水毀研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，主要針對(duì)中、小跨的梁橋進(jìn)行開(kāi)展，而對(duì)索橋的研究比較缺乏，對(duì)橋梁破壞的機(jī)理研究尚不夠深入。

西南山區(qū)貴州平永河分布著數(shù)十座人行吊橋，本文以貴州省榕江縣料里村便民吊橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于暴雨洪水法推求并?fù)核了洪峰流量，基于有限元方法建立了便民吊橋的計(jì)算模型，分析了洪水作用下橋梁受力響應(yīng)和基礎(chǔ)穩(wěn)定性，結(jié)合橋梁現(xiàn)場(chǎng)水毀紀(jì)錄視頻，研究了該橋2020年“7·10”水毀破壞機(jī)理，為類(lèi)似橋梁抗洪防災(zāi)提供參考依據(jù)。

1" 工程背景

貴州省榕江縣位于黔東南部，地處都柳江中游與平永河、寨蒿河交匯處。2020年7月9日07時(shí)至10日07時(shí)，榕江縣出現(xiàn)特大暴雨，最大降雨量達(dá)366.2 mm（平永鎮(zhèn)平永站），強(qiáng)降雨引發(fā)山洪，多座便民索橋被瞬間沖毀，其中一座被沖毀的便民橋位于古州鎮(zhèn)料里村，橫跨平永河（圖1）。平永河發(fā)源于雷山縣雷公山東南麓，南經(jīng)平由、平永至平江，與怎冷河相匯，再向東南流至縣城北匯入寨蒿河，全長(zhǎng)80.5 km，自然落差967 m，平均坡降12 m/km，流域面積1 068 km2（橋梁上游流域面積801 km2），多年平均流量21.66 m3/s。受強(qiáng)降雨影響，境內(nèi)河流水位普遍上漲明顯，都柳江干流石灰廠水文站變幅9.36 m，平永河的平永水文站變幅6.04 m。

料里村便民吊橋地理坐標(biāo)為：東經(jīng)108°27′12″，北緯25°56′24″，連接歸行和乃九2個(gè)寨組，南岸為S308銀榕公路，橋址處于山區(qū)彎曲河段，河床為卵石、圓礫，河岸灌叢中密。該橋修建于2000年，結(jié)構(gòu)形式為雙塔單跨地錨式懸索結(jié)構(gòu)，主跨70 m，矢跨比0.12，吊桿間距2 m，橋?qū)? m，索塔高出橋面10 m，橋面離常水位約7 m，橋梁立面布置圖見(jiàn)圖2。

單位：cm

橋塔材料為C30混凝土，主索采用規(guī)格6×36WS型、公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度1 770 MPa和公稱(chēng)直徑84 mm的粗直徑鋼絲繩，地索（橋面兩側(cè)底）采用規(guī)格6×19W+IWR型、公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度1 770 MPa和公稱(chēng)直徑32 mm重要用途鋼絲繩，吊桿采用直徑20 mm（Q235）的鋼筋，橋面材料為厚4 cm的木板。

2" 洪水流量計(jì)算方法及結(jié)果

2.1" 洪水流量計(jì)算方法

2.1.1" 公路全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式

20世紀(jì)70年代末（1979年4月），在原交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院主持以及28個(gè)省交通廳和3個(gè)部屬設(shè)計(jì)院參與下，根據(jù)全國(guó)1 785個(gè)水文站34 041站年的觀測(cè)資料和2 198站年的歷史洪水調(diào)查資料，制定了《我國(guó)公路大中橋流量經(jīng)驗(yàn)公式匯總報(bào)告》。報(bào)告將全國(guó)劃分為111個(gè)分區(qū)（本工程案例為第101分區(qū)），并給出了每個(gè)分區(qū)的平均流量，頻率為1%、2%的洪水流量經(jīng)驗(yàn)公式，以及偏差系數(shù)Cs和變異系數(shù)Cv。分區(qū)公式適用于流域面積小于50 000 km2的情況。

分區(qū)平均流量公式［21］：

Q=CFn1（1）

式中：Q為平均流量值，m3/s；F為流域匯水面積，F(xiàn)=801 km2。根據(jù)分區(qū)名稱(chēng)查表，系數(shù)C=6.43、n1=0.7，然后求出

Qp=（1+Cv）ΦQ（2）

式中：Qp為設(shè)計(jì)頻率p的設(shè)計(jì)流量，m3/s；Cv=0.78，Cs/Cv=3.5；Ф為離均系數(shù)，是設(shè)計(jì)頻率p和偏差系數(shù)Cs的函數(shù)。

2.1.2" 面積比擬法

當(dāng)擬計(jì)算橋址水文斷面的匯水面積小于等于1 000 km2，與相似水文站的匯水面積進(jìn)行比較，兩者匯水面積相對(duì)誤差小于20%，且匯水區(qū)的暴雨分布較均勻，區(qū)間無(wú)分洪、滯洪時(shí)，可按下式將水文站的實(shí)測(cè)最大洪水流量轉(zhuǎn)換為擬計(jì)算橋址水文斷面的洪水流量：

Q1=（F1F2）nQ2（3）

式中：Q1、F1分別為擬計(jì)算橋址處水文斷面的洪水流量和匯水面積，F(xiàn)1=801 km2；Q2、F2分別為水文參證站的實(shí)測(cè)最大洪水流量和匯水面積，本文以寨蒿水文站為參證站，F(xiàn)2=858 km2；n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取用，一般大中河流n=0.5～0.7，本文n值取為0.6。

2.1.3nbsp; 貴州地方水文手冊(cè)

貴州省水利電力廳1983年編制了《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》，該實(shí)用手冊(cè)對(duì)于貴州中小流域無(wú)實(shí)測(cè)洪水資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算發(fā)揮了重要作用。設(shè)計(jì)洪水推求采用《貴州省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》中的暴雨洪水計(jì)算公式。當(dāng)300≤Flt;1 000 km2時(shí)，計(jì)算公式如下：

Qp=0.674γ0.922·f 0.125·J0.082·

F0.723·（CKpH24）1.23（4）

式中：Qp為設(shè)計(jì)頻率p的洪峰流量，m3/s；γ為地區(qū)匯流參數(shù)的非幾何特征系數(shù)，根據(jù)流域情況取0.053； f為流域形狀系數(shù)，f =F/L2=0.124，L為分水嶺至出口斷面的主河長(zhǎng)度，取80.5 km；J為分水嶺至出口斷面的河道平均坡降，‰，取12‰；F為流域匯水面積，km2；C為洪峰徑流系數(shù)，一般取0.74～0.88，取均值0.81；Kp為設(shè)計(jì)頻率p的P-Ⅲ型曲線(xiàn)的模比系數(shù)；H24為設(shè)計(jì)最大24 h點(diǎn)雨量均值，取90 mm。

2.2" 洪水流量計(jì)算結(jié)果及分析

將上述3種方法計(jì)算的不同頻率下設(shè)計(jì)洪水流量（洪峰流量）計(jì)算結(jié)果列于表1中。從結(jié)果對(duì)比來(lái)看，第一種方法計(jì)算結(jié)果最大，第二種方法計(jì)算結(jié)果次之，第三種方法計(jì)算結(jié)果最小，相比而言，后兩者結(jié)果比較接近。全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式取值較粗獷，較難反映地區(qū)局部問(wèn)題，相比后兩種方法計(jì)算結(jié)果偏大，精度較差。面積比擬法采用寨蒿站為參證站（洪水?dāng)?shù)據(jù)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)），寨蒿河和擬計(jì)算橋址所處的平永河在河長(zhǎng)、坡降、匯水面積、河床質(zhì)、植被和河流特征等方面類(lèi)似，因此面積比擬法結(jié)果具有一定的可靠性。地方水文手冊(cè)能反映地方水文特點(diǎn)，具有較好的精度，本文以第三種計(jì)算方法結(jié)果為準(zhǔn)。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)“7·10”平永河水毀橋址洪水洪痕和過(guò)水?dāng)嗝孢M(jìn)行調(diào)查和測(cè)量，斷面測(cè)量采用GNSS RTK 法（WG84 坐標(biāo)系統(tǒng)），橫斷面測(cè)量從左向右布置，以高出此次洪峰水位1.0 m 以上的兩側(cè)山坡點(diǎn)為起止測(cè)量點(diǎn)，旨在反映溝道斷面形狀的特征點(diǎn)為中間測(cè)量點(diǎn)。橋址過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA=509 m2，濕周χ=105 m。采用曼寧公式計(jì)算本次洪水的洪峰流量。

Q=1nAR23J12（5）

式中：Q為洪峰流量，m3/s；n為河床粗糙系數(shù)，s/m1/3，取0.062 5，即1/n=16；A為橋址過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為水力半徑，m，R=A/χ=509/105=4.85 m；J為水力坡降，‰，取12‰。

通過(guò)式（5）計(jì)算得本次洪水流量為2 556.17 m3/s，同時(shí)將平永鎮(zhèn)平永站24 h最大降雨量366.2 mm，代入式（4）得洪水流量為3 324.69 m3/s。對(duì)比本次受災(zāi)河段洪峰流量與表1中設(shè)計(jì)洪峰流量，按《貴州地方水文手冊(cè)》，橋址處本次暴雨洪水重現(xiàn)期超1 000年一遇。根據(jù)平永水文站觀測(cè)結(jié)果，洪水水位變幅6.04 m，據(jù)當(dāng)?shù)卮迕穹从炒舜魏樗畬?dǎo)致橋址處水位上漲約7 m，水位已漫過(guò)橋面。

通過(guò)下式計(jì)算產(chǎn)流時(shí)間tc和匯流時(shí)間τ［20］：

tc=［（1－n）H24·24n－1μ］1n（6）

τ=0.278 LmJ13Qλ（7）

式中：tc為產(chǎn)流時(shí)間，h；n為降雨遞減指數(shù)，取0.8；H24為最大24 h雨量，取366.2 mm；μ為損失系數(shù)，mm/h，取8.97；τ為匯流時(shí)間，h；L為分水嶺至出口斷面的主河長(zhǎng)度，取80.5 km；m為匯流參數(shù)，計(jì)算得1.13；λ為洪峰流量經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，取1/4；Q取2 556.17 m3/s。

經(jīng)計(jì)算得產(chǎn)流時(shí)間tc=6.23 h，匯流時(shí)間τ=12.16 h，tc小于τ，因此匯流條件屬部分匯流類(lèi)型。

3" 有限元模型與洪水作用力

3.1" 有限元模型

全橋共有3 075個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 310個(gè)單元，通過(guò)Midas/civil軟件建立全橋有限元分析模型，如圖3所示。主索、吊桿、地索采用只受拉的索單元模擬，橋面板采用梁?jiǎn)卧M，橋塔采用實(shí)體單元模擬。主索在塔頂不滑移，橋塔地面以下部分用“土彈簧”約束，索端錨碇處用固定約束邊界，邊跨部分橋面板用豎向僅受壓彈性約束。

對(duì)于懸索結(jié)構(gòu)，尋求成橋平衡狀態(tài)是進(jìn)行后續(xù)分析的重要前題，首先利用懸索橋建模助手（節(jié)線(xiàn)法計(jì)算索平衡狀態(tài)方程式）進(jìn)行恒載粗略找形，然后完善模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)精細(xì)化平衡分析，得出最終的平衡狀態(tài)如圖4所示，位移量很小或基本為0，說(shuō)明找形結(jié)果良好，可用于后續(xù)荷載分析。洪水作用下的響應(yīng)分析采用幾何非線(xiàn)性分析方式。

單位：mm

3.2" 洪水作用力計(jì)算方法

根據(jù)文獻(xiàn)［9］，洪水作用于橋面沿跨長(zhǎng)方向單位長(zhǎng)度水平力計(jì)算公式為

FD=k1k2k3k4k5k6［2（1.89+1.62 tgBε）－2.5B+2.1（t+2t1）］ρv22（8）

式中：FD為沿跨長(zhǎng)方向單位長(zhǎng)度水平力，N/m；B為橋面寬度，B=2 m；ε為橋面板當(dāng)量粗糙度，ε=3×10-4m；t為橋面高，t=0.04 m；t1為護(hù)欄高，t1=0 m；ρ為水的密度，ρ=1 000 kg/m3；v為洪水沿跨長(zhǎng)單寬平均流速，m/s；k1為考慮泥沙影響的修正系數(shù)，取1.07；k2為考慮河床縱坡影響的修正系數(shù)，取0.86；k3為考慮河槽邊坡影響的修正系數(shù)，取1.0；k4為考慮山洪頻率的修正系數(shù)，取2.37；k5為考慮山洪流向影響的修正系數(shù)，取1.0；k6為考慮洪水為紊流的修正系數(shù)，取1.4。

洪水對(duì)橋面的豎向力包括靜水浮力和洪水波動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)上托力2個(gè)部分。大量實(shí)測(cè)資料表明，后者可以達(dá)到前者的0.6倍，洪水總共產(chǎn)生的上托力［9］為：

Fs=γBt+ζBγΔh（9）

Δh≈ξ12g（qh）2（10）

式中：Fs為洪水產(chǎn)生沿跨徑方向每延米上托力，N/m；γ為洪水的重度，取1.1×104 N/m3；ζ為壓力衰減系數(shù)，取0.5；Δh為壅水高度，m；ξ為洪水流經(jīng)橋梁處的水頭損失系數(shù)，取0.2；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；q為單寬流量，m2/s；h為水深，m。

鑒于上托壓力沿橫橋向從上游至下游呈三角形分布，因此洪水對(duì)上部結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)扭矩Mζ為

Mζ=16ζB2γΔh（11）

洪水對(duì)橋塔的作用力［22］為

Fw=KA0γv22g（12）

式中：Fw為洪水對(duì)橋塔的作用力，N，著力點(diǎn)為水位線(xiàn)以下0.3倍水深處；K為橋塔形狀系數(shù)，取1.3；A0為橋塔阻水面積，m2。

4" 計(jì)算結(jié)果及水毀成因分析

4.1" 有限元計(jì)算結(jié)果分析

假定洪水作用瞬間，橋塔未發(fā)生或還未發(fā)生滑移和傾覆，不同流速下橋梁洪水作用力結(jié)果見(jiàn)圖5和表2。通過(guò)本次洪水流量2 556.17 m3/s計(jì)算得出橋址斷面洪峰平均流速為5 m/s，因此，計(jì)算結(jié)果僅限于洪水速度為5 m/s及以下的情況。從圖5可知，洪水作用力隨著洪水速度的增加而增大，大致呈二次曲線(xiàn)變化。

討論洪水位即將齊于橋面（漫過(guò)前）和洪水漫過(guò)橋面2種情況，圖6—圖8展示了不同流速下橋梁索力、位移和橋塔應(yīng)力的變化情況。由圖6可知：當(dāng)洪水位低于橋面時(shí)，即洪水漫過(guò)橋面前，洪水主要作用在橋塔上，對(duì)索力影響不大，相比成橋索力浮動(dòng)很小；當(dāng)洪水位不低于橋面時(shí)，即洪水漫過(guò)橋面后，洪水同時(shí)作用于橋塔和橋面，索力相比成橋索力浮動(dòng)較大。當(dāng)洪水沖擊橋面時(shí)，主跨側(cè)主索力相比成橋索力變小，產(chǎn)生了一定松弛，隨著流速的增加，索力逐漸變大，然后趨近于成橋索力，注意邊跨側(cè)主索索力變化不大，進(jìn)一步可知塔頂不平衡索力隨著流速增加先增大后減?。恢骺鐐?cè)地索成橋索力為27.4 kN，隨著流速的增大而快速增大，當(dāng)流速達(dá)到3.92 m/s時(shí)，主跨上游側(cè)地索索力達(dá)到646.1 kN，超過(guò)了容許破斷力645 kN而繃斷，此時(shí)索力浮動(dòng)量最大達(dá)22.5倍，而余下的下游側(cè)地索索力隨著速度增大而繼續(xù)增大，主跨下游側(cè)地索在最大洪峰速度5 m/s時(shí)，索力為248.3 kN，相比成橋索力增加8倍。邊跨地索索力隨流速增大而緩慢增大，受主跨側(cè)上游地索斷裂影響，邊跨地索索力呈現(xiàn)突然跳躍增大現(xiàn)象，然后逐漸增大。

由圖7可知：當(dāng)洪水漫過(guò)橋面前，橋梁位移量較小，隨著水流速度的增加而增大，由于洪水主要作用在橋塔上，橋塔相比橋面位移量較大。當(dāng)洪水漫過(guò)橋面后，隨著水流速度增大，主跨橋面位移相比邊跨橋面和橋塔位移快速增大，當(dāng)速度達(dá)到主跨上游側(cè)地索斷裂的臨界速度3.92 m/s時(shí)，主跨橋面位移出現(xiàn)跳躍增大，當(dāng)速度達(dá)到洪峰最大速度5 m/s時(shí)，橋面最大位移達(dá)到2.3 m，較為可觀。

由圖8可知：橋塔應(yīng)力隨著洪水速度的增大而呈非線(xiàn)性增大，成橋時(shí)最大應(yīng)力為0.74 MPa，當(dāng)速度達(dá)到最大洪峰速度5 m/s時(shí)，應(yīng)力為7.37 MPa，橋塔應(yīng)力相比成橋應(yīng)力增加約9倍。由于C30混凝土設(shè)計(jì)容許強(qiáng)度為1.39 MPa，當(dāng)速度達(dá)到2 m/s時(shí)，理論上橋塔會(huì)出現(xiàn)局部損傷，注意此處未考慮鋼筋的影響。當(dāng)速度達(dá)到主跨上游側(cè)地索斷裂的臨界速度3.92 m/s時(shí)，橋塔應(yīng)力出現(xiàn)跳躍增大現(xiàn)象，此刻應(yīng)力為4.74 MPa，相比成橋應(yīng)力增加5.4倍。

4.2" 橋梁洪水破壞機(jī)理分析

以事故塔（南塔，即乃九寨側(cè)）為研究對(duì)象，通過(guò)下式計(jì)算橋塔抗傾覆和抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)。

kζ=s/e（13）

e=∑Piei+∑Hihi∑Pi（14）

kc=μ∑Pi+∑Hip∑Hia（15）

式中：kζ和kc分別為塔基礎(chǔ)抗傾覆和抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)；s為在截面重心至合力作用點(diǎn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上，自截面重心至驗(yàn)算傾覆軸的距離；e為所有外力的合力在驗(yàn)算截面的作用點(diǎn)對(duì)基底重心軸的偏心距；μ為基礎(chǔ)底面與地基土之間的摩擦系數(shù)，取0.35；Pi和Hi分別為各類(lèi)豎向力和水平力；ei和hi分別為豎向力Pi和水平力Hi對(duì)驗(yàn)算截面重心的力臂；∑Pi為豎向力總和；∑HiP為抗滑穩(wěn)定水平力總和；∑Hia為滑動(dòng)水平力總和。

基底滑動(dòng)和傾覆計(jì)算示意如圖9所示。圖中給出了計(jì)算作用力的方向和位置，其中：P1、P2、P3、P4分別為基礎(chǔ)、橋塔下部、上部和橫梁重，取值分別為495、2 047、619、43 kN；P5、P6、P7、P8分別為主索塔頂兩側(cè)在上下游索力垂直分量，取值分別為48、16、46、29 kN；H1、H2、H3、H4分別為主索塔頂兩側(cè)在上下游索力水平分量，取值分別為85、35、82、64 kN；H5、H6、H7、H8分別為地索塔身兩側(cè)在上下游索力水平分量，取值分別為114、650、45、298 kN；H9為橋塔洪水力，取值為1 673 kN；H10、H11、H12、H13分別為塔身前后左右土壓力，取值分別為697、421、669、986 kN。

當(dāng)洪水達(dá)到最大洪峰速度時(shí)，將上述值代入式（13）～（15），計(jì)算得到：順橋向和橫橋向的偏心距為1.56 m和2.32 m，屬于雙向偏心；抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)kζ為0.78，小于1，說(shuō)明橋塔已經(jīng)發(fā)生傾覆，跟事實(shí)相符；傾覆方向沿橋軸向往下游側(cè)偏56°，跟實(shí)際觀測(cè)值52°比較接近。橫橋方向抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)kc為0.92，說(shuō)明事故塔沿河流方向產(chǎn)生了一定滑動(dòng)行為。令穩(wěn)定系數(shù)為1，反算得出：南塔滑動(dòng)和傾覆臨界速度分別為4.69 m/s和3.66 m/s。

橋梁水毀過(guò)程如圖10所示。由圖10可見(jiàn)：當(dāng)洪峰過(guò)境時(shí)，水位暴漲，速度激增，洪水漫過(guò)橋面，受橋面阻擋產(chǎn)生巨大浪花。由于缺乏抗風(fēng)索側(cè)向約束，洪水水平?jīng)_擊力使主跨橋面產(chǎn)生巨大位移（傾覆前約2.3 m）；由于不均勻上托力產(chǎn)生扭矩影響，橋面可能產(chǎn)生傾斜，進(jìn)一步增大阻水面積，加上水中部分漂浮樹(shù)枝撞擊，橋面受力過(guò)大，主跨側(cè)上游地索斷裂（最大洪峰速度超過(guò)了斷索的臨界水流速度），從而加劇橋面位移顯著增大。當(dāng)南塔基礎(chǔ)埋深設(shè)置不夠時(shí)，一方面會(huì)增大洪水沖擊橋塔的作用面，另一方面會(huì)減小抗滑移和抗傾覆的土壓力。本次最大洪峰速度超過(guò)了原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)埋深時(shí)的滑動(dòng)和傾覆臨界水流速度，導(dǎo)致南側(cè)塔向北偏東約52°方向發(fā)生傾倒。對(duì)于此類(lèi)吊橋，當(dāng)洪水漫過(guò)橋面，橋梁的抗水毀能力極低，因此設(shè)計(jì)時(shí)有必要保持足夠的橋下凈空，并設(shè)置有效的側(cè)向抗風(fēng)索。

5" 結(jié)論

本文以“7·10”貴州省榕江縣便民吊橋水毀為研究對(duì)象，基于暴雨洪水法和有限元分析方法，可得出以下結(jié)論：

1）山區(qū)中小流域洪水流量計(jì)算宜采用地方洪水計(jì)算手冊(cè)計(jì)算，本次洪水流量為2 556.17 m3/s，暴雨洪水重現(xiàn)期超1 000年一遇，屬于部分匯流類(lèi)型。

2）吊橋?qū)儆谌嵝越Y(jié)構(gòu)，洪水漫過(guò)橋面會(huì)對(duì)橋梁響應(yīng)產(chǎn)生較大影響，最大洪峰流速時(shí)，索力相比成橋索力可增加8倍，橋塔應(yīng)力可增加約9倍，橋塔傾覆前橋面位移可達(dá)2.3 m。

3）洪水作用下，橋梁上游側(cè)地索繃斷的臨界速度為3.92 m/s，南塔即事故塔底屬于雙向偏心和單向滑動(dòng)，滑動(dòng)和傾覆臨界速度分別為4.69 m/s和3.66 m/s，傾倒方向沿橋軸向往下游約52°。

4）洪水量大流急，水位高、基礎(chǔ)埋深不足、缺乏有效的側(cè)向抗風(fēng)索是導(dǎo)致橋梁發(fā)生事故的主要原因。當(dāng)洪水漫過(guò)橋面，此類(lèi)吊橋的抗水毀能力較低，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要保證此類(lèi)橋梁有足夠的橋下凈空和基礎(chǔ)穩(wěn)定性，并設(shè)置必要的纜風(fēng)索。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Research on Failure Mechanism of Flood Damage to Pedestrian Steel Cable Suspension Bridges Across Rivers in Mountainous Areas

WU Anjie*1， WU Yi2

（1. School of Civil Engineering， Guizhou Institute of Technology， Guiyang 550003， China;

2. School of Civil Engineering， Guiyang Institute of Information Science and Technology， Guiyang 550025， China）

Abstract：

To study the mechanism of flood failure to pedestrian steel cable suspension bridges in mountainous areas， taking the \"7·10\" convenient suspension bridge water damage in Rongjiang County in 2020， Guizhou Province as the engineering background， the design flood discharge of the bridge site located in Pingyong River was calculated based on the rainstorm flood method， and this peak discharge was rechecked through field survey. A geometric nonlinear calculation model for the suspension bridge was established using finite element software， and the response of bridges subjected to flood action was analyzed. The mechanism of bridge disaster by flood was studied combined with the video recording. The research results show that the return period of this rainstorm flood exceeds 1 000 years， and the confluence condition belongs to a partial confluence type. When the flood overflows the bridge deck， the horizontal force， uplift force， and torque of the flood action will cause a significant response of the bridge. At the maximum peak flow velocity（5 m/s）， the cable force can increase by 8 times compared to the accomplishment state of the bridge， the stress of the bridge tower can increase by about 9 times， and the displacement of the bridge deck before the bridge tower capsizes can reach 2.3 m. The critical water flow velocity for the breakage of the cable located on the upstream side of the bridge deck bottom is 3.92 m/s， and the stability coefficients for anti sliding and anti overturning of the cable tower on the south side（near the Yinrong Highway） are both less than 1 at the maximum flood peak flow velocity. Excessive flood discharge， shallow burial depth of bridge tower foundations， and lack of effective lateral wind resistant cables are important reasons for the damage of suspension bridges. To reduce bridge disaster by flood， it is necessary to ensure the stability of such suspension bridge foundations and have sufficient clearance and necessary wind resistant cables.

Key words：

steel cable bridge; flood action; finite element analysis; failure mechanism