泥石流作用下橋墩的動(dòng)力響應(yīng)分析

任　輝，張明明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，鄭州　450001)

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泥石流作用下橋墩的動(dòng)力響應(yīng)分析

任輝，張明明

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，鄭州450001)

摘要：由于部分山區(qū)橋梁跨越發(fā)育沖溝，會(huì)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(duì)泥石流作用下橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析的研究就顯得尤為重要。應(yīng)用有限元?jiǎng)討B(tài)接觸方法對(duì)碰撞過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，選取某高速公路30 m實(shí)心T墩建立三維實(shí)體有限元模型，分析其在泥石流作用下的動(dòng)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(jì)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(dòng)力分析

山區(qū)及地形險(xiǎn)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(duì)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(shí)，橋墩不可避免會(huì)受到泥石流的沖擊作用，基于結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)原則，對(duì)泥石流作用下橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析的研究就顯得尤為重要。

目前對(duì)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(duì)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(duì)泥石流作用下橋墩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行深層次研究。

本文在Hertz接觸問(wèn)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(jì)算泥石流塊石對(duì)橋墩的沖擊力，并選取某高速公路30 m實(shí)心T墩為實(shí)際工程背景，采用有限元軟件LS-DYNA建立實(shí)體模型，并結(jié)合實(shí)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(shí)，參考相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)其采取理想化假設(shè)，并進(jìn)行非線性動(dòng)力響應(yīng)分析。

1泥石流對(duì)橋墩沖擊力計(jì)算

對(duì)泥石流大塊石對(duì)橋墩沖擊問(wèn)題，一般將其簡(jiǎn)化為具有足夠錨固長(zhǎng)度的懸臂梁結(jié)構(gòu)受沖擊的響應(yīng)問(wèn)題，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　計(jì)算簡(jiǎn)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(yàn)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(jiǎn)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(shí)例分析

選取某高速公路30 m實(shí)心T墩作為實(shí)際工程背景，采用有限元軟件LS-DYNA建立實(shí)體模型，并對(duì)其進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化：移動(dòng)荷載作用及自重產(chǎn)生的力通過(guò)附加質(zhì)量的方法施加到蓋梁上，不考慮支座剛度對(duì)撞擊的影響；流體對(duì)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(guò)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(zhǎng)法[8]確定錨固長(zhǎng)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(jiǎn)化為規(guī)則的球體進(jìn)行建模計(jì)算，塊石離樁頂(承臺(tái))的高度取為6 m。有限元模型詳見(jiàn)圖2，塊石質(zhì)量取為0.5 t，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度為5 s。

圖2　30 m有限元計(jì)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(duì)橋墩動(dòng)力非線性響應(yīng)的影響，在建立工況時(shí)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(jiàn)表1。

表1　實(shí)心T墩各工況

3計(jì)算結(jié)果及討論

3.1　碰撞力分析

各工況碰撞力時(shí)程曲線見(jiàn)圖3。

圖3　各工況碰撞力時(shí)程曲線

塊石碰撞橋墩的接觸時(shí)間很短，整個(gè)碰撞過(guò)程只有0.15 s，塊石接觸橋墩，碰撞力不斷增大，0.1 s時(shí)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(jì)算出的碰撞力詳見(jiàn)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(shuō)明T墩混凝土發(fā)生了彈塑性變形吸收了塊石大部分動(dòng)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(gè)碰撞過(guò)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(shí)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(shí)程曲線

在塊石與橋墩碰撞過(guò)程中，橋墩橫向位移的時(shí)程響應(yīng)是極其重要的一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

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(shí)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(shí)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(guò)計(jì)算結(jié)果分析，塊石與T墩的碰撞過(guò)程中，應(yīng)力峰值多出現(xiàn)在以下幾個(gè)區(qū)域，見(jiàn)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(tái)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(diǎn)及對(duì)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(duì)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(shí)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(guò)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(xiǎn)時(shí)刻在t=0.6 s，承臺(tái)連接處的應(yīng)力分布如圖9所示，由于碰撞接觸時(shí)間較短，應(yīng)力不能及時(shí)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(tái)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(shí)，樁底應(yīng)力也同時(shí)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(yǔ)

本論文的研究工作正是以我國(guó)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(duì)T形實(shí)心墩在泥石流沖擊下的動(dòng)力非線性響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)以上的計(jì)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(jì)規(guī)范》計(jì)算的泥石流塊石碰撞力與本文計(jì)算的碰撞力相差較大，規(guī)范計(jì)算的塊石撞擊力過(guò)于保守，可能造成工程浪費(fèi)。

(2)塊石沖擊作用時(shí)，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(guò)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(tái)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(jiǎn)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(hào)：U442.3

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

文章編號(hào)：1004-2954(2016)01-0083-04