橋墩受泥石流破壞機理分析★

梅 濤 肖盛燮

0 引言

我國是一個災害多發的國家,其中泥石流是山區較為常見的地質災害。泥石流的防治應根據防護地區的具體條件,采取綜合措施,因地制宜的采取跨越、排導、攔擋、攔截及水土保持等措施[1]。其中橋梁即為跨越的方式之一。

由于重力式橋墩對偶然荷載有較強的抵抗能力,多用于大中型橋梁或流水、漂浮物較多的河流中,比較適合泥石流防治過程中使用。本文建立有限元模型,模擬橋墩受泥石流各種荷載組合下,橋墩的破壞機制。根據肖盛燮提出的災變鏈式理論[2],研究其鏈式關系及致災機理,并為減災設計提供對策。

1 控制參數的選定與計算公式

1.1 泥石流的容重計算方程

由于構成泥石流流體成分所占的比重不同,不均勻系數大,目前對容重的計算方法多來自各地觀察分析的經驗公式,陳寧生等在研究基于漿體的泥石流容重計算方法時對常用的 10種泥石流容重計算公式作了歸納[3]。

本文基于普適性原則,采用 DZ/T 0220-2006泥石流災害防治工程勘察規范(以下簡稱《防勘規范》)[5]推薦的現場調查試驗法。

其中,γc為泥石流的重度,t/m3;GC為樣品的總質量,t;V為樣品的總體積,m3。

1.2 泥石流流速Vc

根據普適性原則,西南地區采用《防勘規范》給出的計算公式:

其中,Vc為泥石流斷面平均流速,m/s;γH為固體物質比重,為清水河床糙率系數,查水文手冊;R為水力半徑,m,一般可用平均水深H(m)代替;I為泥石流水力坡度,‰;φ為泥石流泥砂修正系數,可查《防勘規范》得出。

1.3 泥石流沖擊力

1.3.1 大石塊沖擊力

根據DZ/T 0239-2004泥石流災害防治工程設計規范(以下簡稱《設計規范》)[4],沖擊力Fc包括泥石流整體沖壓力 Fδ和泥石流中大塊石的沖擊力Fb。胡凱衡等在云南蔣家溝進行沖擊力測量研究[6],獲得泥石流爆發時的真實沖擊力數據。王強等以Thornton理想彈塑性接觸模型為基礎,推導出泥石流大塊石沖擊力的計算公式[7],但是其計算較復雜,工程實際計算難以實現。本文采用《設計規范》推薦公式計算:

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

1.3.2 整體沖擊力

采用《設計規范》給出的泥石流整體沖擊力用下式計算:

其中,Fδ為泥石流整體沖擊壓力,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=9.8m/s2;α為建筑物受力面與泥石流沖壓方向的夾角,(°);λ為建筑物形狀系數,圓形建筑物λ=1.0,矩形建筑物λ=1.33,方形建筑物λ=1.47。

2 建立模型

某重力式橋墩處于泥石流區,橋墩為等截面,墩高 20m;橫截面圖見圖1。上部結構:采用鋼筋混凝土 20m T形梁標準構件;標準跨徑20m,計算跨徑19.5m,梁長19.96m,橋面寬7m+2× 0.75m,主梁中距1.60m。一孔上部結構重力為:Pr=792.9 kN。

給定泥石流容重為 2.0 t/m3,橋墩高 20 m,最大流速為8.2m/s,石塊為花崗巖,平均直徑為 1 m;求得截面慣性矩為68.06m4,最大沖擊力為801 kPa,整體沖擊力為134.5 kPa(計算取α=90°)。野外沖擊力測量表明,粒徑很大的石塊應該是半懸浮運動的[6];按照此結論,ANSYS模擬時荷載施加位置如圖 2所示:在從墩底到距離墩底 15m的地方施加整體沖擊力,模擬時采用面荷載;在距離墩底 10m的橋墩橫橋向橋墩表面中點施加石塊沖擊荷載,模擬時采用節點荷載。

本文對最大沖擊力做瞬態動力處理,整體沖擊壓力做靜力處理,采用線性分析。先對橋墩施加 134.5 kN的靜力;然后施加801 kN的沖擊力。為便于比較,進行三次沖擊分析。第一次沖擊時間1 s;間隔1 s后再施加第二次沖擊,沖擊時間1 s;再間隔1 s,施加第三次沖擊,沖擊時間 1 s。

3 結果分析

將石塊對橋墩三次沖擊前后,x方向的位移,應力,以及 y方向的應力分別列入表 1,表1中墩頂、墩底、沖擊表示最大(最小)值所處位置。同時繪出墩頂時程位移曲線,見圖 3。

表1 位移、應力統計表

表1中,石塊沖擊時,墩底應力較無石塊沖擊時增加約 60%,在不考慮ANSYS應力顯示方向的前提下,石塊沖擊導致橋墩最大應力增加約 3倍;泥石流野外觀察認為,相對較大的沖擊力來自大石塊的沖撞,計算與觀測相吻合。

計算結果還說明,即使沖擊荷載作用在x方向,y方向的應力也有和x方向應力同樣程度的增加。

建立有限元采用線性分析時,由于采用線性分析,有彈性回縮,連續沖擊荷載下,位移相比前次有減小的現象,結合墩頂時程位移曲線也能說明x方向最大位移發生在兩次碰撞之間。

JTG-2005公路圬工橋涵設計規范提出墩臺水平位移對行車影響并不顯著,但對伸縮裝置有一定的影響,需要根據伸縮裝置來確定修正系數。若伸縮裝置不能滿足性能要求,橋墩位置的改變肯定會影響上部結構受力,還可能產生附加應力。

4 結語

本文將現有泥石流沖擊力計算方法進行比較,同時為適應西南地區多發泥石流的計算實際,選擇規范推薦公式,計算出泥石流對橋墩的整體沖擊力和最大沖擊力;在此基礎上運用ANSYS建立有限元模型,分析了在靜力和動力沖擊荷載下,橋墩應力狀態的改變,墩頂產生的最大位移,并繪制墩頂時程位移曲線;為泥石流區橋墩設計建造提供了參考依據,得出如下結論:

1)當墩底配筋不足時,橋墩受泥石流破壞最可能發生在墩底,有大石塊沖擊時,沖擊部位將要產生大的應力集中,橋墩承受沖剪形式的荷載。

2)在泥石流溝中若設橋墩,不能采用各類輕型橋墩,橋墩斷面形式應采用圓形或者橢圓形,以減輕整體沖擊力。為防止大石塊沖擊力產生的局部破壞,除配置縱向柱筋和箍筋外,橋墩表面可用鋼筋網加固,固體物質補給形式若為較大或者堅硬的巖石時,可根據需要設置防撞鋼板。

3)墩頂位移主要由整體沖擊力產生,大石塊的沖擊力使墩頂位移進一步增加,最大增量可達 80%,在非線性計算時,此值可能會更大。伸縮裝置的選擇,需要滿足墩頂位移的條件。

4)本文基于規范,構建ANSYS靜力—動力結合的模型能較真實的反映出泥石流整體沖擊力和大石塊的沖撞,分析泥石流來臨時,整個橋墩應力狀態,對泥石流區的橋墩設計建造有指導意義。但是,泥石流是典型的固液混合態,目前泥石流的運動性質還處于探索階段,牛頓體,賓漢體等都不能準確反映其性質,還需要大量的深入研究[8]。

[1] 王 茹.土木工程防災減災學[M].北京:中國建材工業出版社,2008.

[2] 肖盛燮.災變鏈式理論及應用[M].北京:科學出版社,2006.

[3] 陳寧生.基于漿體的泥石流容重計算[J].成都理工大學學報(自然科學版),2010,37(2):137-168.

[4] DZ/T 0239-2004,泥石流災害防治工程設計規范[S].

[5] DZ/T 0220-2006,泥石流災害防治工程勘察規范[S].

[6] 胡凱衡.泥石流沖擊的野外測量[J].巖土力學與工程學報, 2006,25(S1):2813-2819.

[7] 王 強,何思明,張俊云.泥石流防撞墩沖擊力理論計算方法[J].防災減災工程學報,2009(4):423-427.

[8] 費祥俊,舒安平.泥石流運動機理與災害防治[M].北京:清華大學出版社,2004.