淺析洪水沖擊下橋梁抗毀性受力分析實驗

摘要：就目前對橋梁抗毀性受力分析當中，采用的方法均為基于橋梁整體結構的穩定性而得到的受力分析，采用此類方法的弊端是沒有考慮橋梁各部分的受力對橋梁整體的影響，這也就無法對橋梁的優化給出合理性建議。針對此問題，本文提出一種新型的計算橋梁受力的方法，并考慮了洪水不同水位的情況下，對橋梁各關鍵部件受力情況進行分析，除此之外，本文通過建立仿真模型，驗證了本文所提出方法的準確性。本文對提高洪水沖擊橋梁抗毀性給出了合理性建議，并證明了該方法對洪水沖擊下橋梁抗毀性沖擊受力分析結果的有效性。

關鍵詞：橋梁;抗毀性;受力分析

中圖分類號：TV122????文獻標識碼：A ???文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

洪水的發生具有周期性以及反復性的特點，并且伴隨著流速大，沖擊力強等特點，進而為洪水沖擊橋梁的抗毀性研究帶來了困難。由于洪水沖垮橋梁，進而造成嚴重的經濟損失，橋梁的倒塌為人們日常出行帶來了不便。目前對橋梁的抗毀性受力分析已經得到國內專家學者的廣泛關注。國內專家學者提出一種基于橋墩、支座和梁箱等部位之間的受力關系，形成抗毀性受力模型，完成洪水沖擊試驗。但是國內外分析方法沒有對橋梁的各個部位的受力情況進行綜合考慮分析，進而無法對橋梁的改進提出合理建議。本文提出一種新型的計算橋梁受力的方法，并考慮了洪水在橋面以下及洪水在橋面上方兩種情況，對橋梁各關鍵部件受力情況進行分析，得到橋梁各關鍵的正應力和剪應力，將得到的橋梁正應力和剪應力與最大允許剪應力和正應力進行比對分析，進而得到在洪水沖擊下橋梁的抗毀性受力研究，并經過仿真模型進行驗證該方法的正確性及有效性。

1 橋梁抗毀性能分析

根據物理受力分析可知橋梁各部位水平方向及豎直方向的受力，進而有效的計算出各部位的位移及力矩，繼而得到正應力和剪應力，將得到的正應力和剪應力與橋梁最大允許應力進行對比，通過安全系數來衡量橋梁對洪水的抗毀性能^[1，2]。

1.1在洪水沖擊下橋梁受力分析

當洪水漫過橋梁表面時，此時，橋梁表面將承受一定的水壓，其壓力值如下式：

（1）

式中：表示在t時刻橋梁表面將承受洪水壓力，表示在一段時間內橋梁表面所承受洪水壓力的平均值，表示測試點處所受洪水壓力的波動值。設洪水總時間為T，采樣時間為，可以表示為，其中表示洪水波動頻率，此時可以得到洪水的受力均值，如下式所示：

（2）

式中：n表示采樣的總數，表示采樣點瞬間壓力值。

橋梁豎直方向上所受洪水壓力為，橋梁表面所受豎直壓力分為橋梁上表面和橋梁下表面兩部分，如下式所示：

（3）

式中：表示洪水在豎直方向上的流速，表示橋梁表面所承受的壓力，表示洪水流向與橋梁所呈現的夾角，因為橋體豎直方向上與水流方向的夾角為90°，cos90°值為0，所以上式可以變形為：。

當橋體完全被洪水淹沒時，根據阿基米德定律可知，橋梁豎直方向上的受力和浮力相同，浮力為橋體排水質量，可表示為：

（4）

式中：r表示洪水密度，表示橋體的體積。根據能量原理可知，洪水中的波浪對橋梁的浮力可表示為：

（5）

式中：表示洪水波浪到達橋前的高度;表示橋梁底部面積;為橋梁面積效應系數。通過受力分析可知，洪水對橋梁的產生的力矩為：

（6）

式中：表示洪水對橋梁所產生的浮力;B為橋梁橫向底面寬度;為橋梁面效應系數。

橋梁在橫向方向的受力受到重力、力矩以及洪水給予的分項受力，綜合可得：

（7）

式中：表示在第個橋梁支柱在第個橋梁支柱的反向應力;表示支柱中心的坐標;表示轉移到橋梁中心支柱所產生的力矩之和;表示橋梁在豎直方向上所受合力。洪水對橋梁的沖擊力可以由以下公式得：

（8）

其中水洪水的密度;是洪水沖擊橋體的初始速度;是洪水沖擊橋體的結束速度，Q是洪水的流量。

1.2 洪水沖擊下橋梁毀性分析

根據洪水對橋梁各個部位沖擊的受力分析，進而實現對橋梁的抗毀性進行分析。洪水沖擊力矩為：

（9）

式中：分別表示為橋梁上部和橋梁下部所受洪水的沖擊力。分別表示中部的力臂與整體力臂。

橋梁自重對中心位置所產生的力矩為：

（10）

式中：表示為橋身水平力臂，表示橋身自重。如果，則表示橋體穩定，不會被洪水沖垮，反之則表示橋體不穩固，容易被洪水擊垮。但是橋體整體穩定的前提條件是橋體各個部位也要是穩定的，依據部位位移公式可以得到各個方向的位移，如下所示：

（11）

式中：表示單位體積內，洪水對橋梁支柱產生的彎矩;表示在其他作用力下對橋梁支柱的作用彎矩;表示橋梁截面慣性矩。

2 試驗結果分析

建立1：20的洪水沖擊模型，搭建洪水沖擊橋梁試驗平臺，并設計不同類型的拱橋及板橋，應用不同的橋梁材料進行仿真。根據洪水沖擊橋梁受力可知，橋梁主要承受橫向和豎向兩個方向上的受力，其中還包含兩種情況，即洪水漫過橋面和洪水沒有漫過橋面。由公式可知，在水平方向上的受力，主要受到洪水的沖擊力。當洪水沖擊強度不變的條件下，橋體的橫截面積直接影響著橋梁承受的水平沖擊力^[3，4]。通過改變模型橋體的橫截面積，得到不同測試點橋體不同受力情況，橋體不同橫截面積下受力如表1所示。

由表1可知，隨著橋梁橫截面積的增大，水平受力在逐漸增加，洪水浮力、支柱水平力、波浪浮力不會改變。當將洪水漫過橋面，再次進行實驗，通過實驗表明隨著橋梁橫截面積的增加，橋梁上下結構部位的位移不斷增加，進而使得橋梁的重心逐漸不穩，此時橋梁易發生坍塌現象。

通過改變橋梁的跨數，對其模型進行分析。通過模型分析可以得到如下結論，橋體的跨數和洪水的壓力具有關聯性，當跨數小于3時，剪應力將會隨著跨數的變化而變化，表現為呈現正相關性，其他應力變化不明顯。但是，當跨數大于3時，洪水壓力則不受跨數的影響。產生此現象的原因是，當跨數減少時，橋體兩端對洪水的抗沖擊能力相對比較大，如果橋梁的跨數超過一定數值，則橋梁跨數影響洪水抗擊能力也會降低試驗中，改變橋梁材質，由粉砂材質改變為礫砂材質。通過實驗證明，不同材質的橋墩對橋梁的抗毀能力具有很大差別，在由粉砂轉變到礫砂的過程中，洪水沖擊面支柱的壓力逐漸減小，但是剪應力所受到洪水的影響在逐漸增加。產生此現象的原因是，由于橋墩的材質由粉砂變為礫砂，橋墩的強度在不斷的增強，這就使得橋墩的抗毀能力在不斷增加，進而使得對洪水的抗擊能力越來越強。

3 結語

就目前對橋梁抗毀性受力分析當中，采用的方法均為基于橋梁整體結構的穩定性而得到的受力分析，采用此類方法的弊端是沒有考慮橋梁各部分的受力對橋梁整體的影響。本文主要是在洪水漫過橋面和完全淹沒橋梁兩種情況進行分析，并且對橋梁各關鍵部件受力情況進行研究，得到橋梁各關鍵部位的正應力和剪應力，將得到的正應力和剪應力與最大允許剪應力和正應力進行比對分析，得到安全系數，進而得到在洪水沖擊下橋梁的抗毀性受力研究，并通過仿真模型驗證了該方法的正確性，通過試驗可知，橋梁的橫截面積、橋梁支柱數量以及橋梁材質均會對橋梁的各部位受力情況產生影響，進而影響橋梁整體的抗毀性。通過實驗結果，可以采用不同類型的配比，使得橋梁受力形成最優，進而得到最優橋梁方案，提高橋梁抗毀性。

參考文獻

[1]王璐，王五星，王穎蛟.洪水沖擊下橋梁抗毀性受力分析實驗研究[J].災害學，2018（2）：27-30.

[2]吳崔鵬，張光華.關于強風侵襲下的橋梁抗毀性評估仿真[J].計算機仿真，2018（5）：445-449.

[3]左燁，孫廣俊，王志鵬.近斷層地震動下曲線梁橋碰撞效應研究[J].振動與沖擊，2018（21）：60-68.

[4]向明航.給定不均勻沉降下拓寬橋梁拼接部分受力分析案例研究[D].重慶交通大學，2012.

收稿日期：2019-07-22

作者簡介：陳紀周（1978—），男，陜西渭南人，本科，畢業于長安大學，高級工程師，研究方向：橋梁設計及常見病害處治。