流冰荷載作用下呼瑪河大橋動(dòng)力響應(yīng)分析

馬晨陽(yáng)

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1 工程概況

呼瑪河大橋建于2013年，位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)呼瑪縣。呼瑪河大橋全橋長(zhǎng)408.84 m，中心樁號(hào)為K372+969.5。橋梁上部結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支梁變連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)體系，箱梁按A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，橋墩按柔性墩設(shè)計(jì)，橋墩迎冰面設(shè)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的尖角破冰體，破冰體尖角為75°。

1.2 監(jiān)測(cè)方案

選取位于河道中心位置的7#橋墩作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)。通過(guò)在墩頂蓋梁處沿橫向、縱向布設(shè)941B型拾振器監(jiān)測(cè)橋墩的橫向位移、橫向加速度和縱向位移、縱向加速度。用D1000型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在距離呼瑪河大橋上游20 m的岸邊布設(shè)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流冰與橋墩的相互作用。

1.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拍攝到流冰撞擊橋墩時(shí)刻的圖像，DE為圖像中相鄰兩橋墩破冰體中心線(xiàn)之間的距離，F(xiàn)G為圖像中橋墩破冰體的長(zhǎng)度，AC為圖像中冰排的寬度，AB為圖像中冰排的長(zhǎng)度，并且AC平行DE，AB平行FG。由圖像中各點(diǎn)的像素坐標(biāo)可計(jì)算出AB=245.84 px，F(xiàn)G=181.22 px，AC=99.72 px，DE=119.64 px。采用“標(biāo)尺法”，以6#橋墩和7#橋墩作為參照物，建立圖像中像素個(gè)數(shù)與工程中實(shí)際尺寸的關(guān)系式，如公式(1)和公式(2)所示。在實(shí)際工程中，橋墩破冰體側(cè)邊長(zhǎng)度為7.3 m，相鄰破冰體中心線(xiàn)的距離為10 m，則根據(jù)公式可計(jì)算出冰排實(shí)際長(zhǎng)度為9.90 m，冰排實(shí)際寬度為8.33 m。

(1)

式中:ab為冰排實(shí)際長(zhǎng)度，m；fg為橋墩破冰體的實(shí)際長(zhǎng)度，m。

(2)

式中:ac為冰排實(shí)際寬度，m；de為相鄰破冰體中心線(xiàn)的實(shí)際距離，m。

從橋墩在破冰體上表面高度處的橫向、縱向位移時(shí)程曲線(xiàn)。可以看出，橋墩的橫向位移和縱向位移均呈現(xiàn)脈沖響應(yīng)波形，橋墩橫向位移峰值為0.022 4 mm，橋墩縱向位移峰值為0.007 4 mm，可見(jiàn)，在流動(dòng)冰排撞擊作用下橋墩的橫向位移大于橋墩的縱向位移。橋墩在破冰體上表面高度處的橫向和縱向加速度時(shí)程曲線(xiàn)。橋墩橫向加速度峰值為0.034 8 m/s2，橋墩縱向加速度峰值0.022 mm/s2，可見(jiàn)，在流冰荷載與橋墩的相互作用下橋墩橫向加速度大于橋墩縱向加速度。

2 流冰撞擊橋墩的有限元建模

2.1 本構(gòu)關(guān)系

呼瑪河大橋墩身和破冰體采用C40混凝土，墩臺(tái)蓋梁采用C35混凝土，橋墩縱向受力鋼筋為HRB335鋼筋，箍筋為R235鋼筋。利用Abaqus/Explcit顯式動(dòng)力分析模塊，混凝土和鋼筋材料參數(shù)如表1和表2所示。采用CDP材料模型模擬混凝土材料，混凝土材料參數(shù)參考《混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50010-2015)，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖1所示。鋼筋采用理想彈塑性模型，拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼筋材料參數(shù)

圖1 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖2 鋼筋拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

2.2 有限元模型建立

以呼瑪河大橋7#橋墩為研究對(duì)象建立流冰與橋墩相互作用的有限元模型，橋墩模型為直徑2 m，高8.9 m的雙柱式圓柱形墩，橋墩下方設(shè)置破冰體，破冰體高3.8 m，長(zhǎng)9.8 m，寬2 m。冰排有限元模型幾何尺寸為9.90 m×8.33 m×0.8 m，其中冰排厚度根據(jù)呼瑪河中心冰排厚度統(tǒng)計(jì)值取為0.8 m。橋墩和冰排采用ABAQUS中的C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元。橋墩和冰排均采用自由網(wǎng)格劃分，橋墩單元尺寸為0.3 m×0.3 m×0.3 m，冰排單元尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m。橋墩中縱向受力鋼筋按36φ28布置，箍筋間距為200 mm，縱向受力鋼筋和箍筋組成鋼筋骨架并用Embedded形式嵌入混凝土。橋墩蓋梁長(zhǎng)10.5 m，寬2 m，高1.8 m，蓋梁上方設(shè)置大小為10.5 m×2 m×1 m的配重塊來(lái)等效橋梁的上部結(jié)構(gòu)荷載。冰排模型的初始位置位于橋墩破冰體前0.2 m，設(shè)置冰排初始速度為1 m/s。

2.3 有限元模型驗(yàn)證

中國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD60-2015)中冰壓力計(jì)算公式如式(3)所示，根據(jù)公式可以計(jì)算出流冰撞擊呼瑪河大橋7#橋墩的冰荷載為1658.88 kN。流冰荷載峰值為1 414.898 kN，說(shuō)明規(guī)范中的冰壓力值偏于保守，本文所建立的有限元計(jì)算模型能夠較準(zhǔn)確的模擬流冰與橋墩之間的相互作用。

橋墩橫向加速度時(shí)程曲線(xiàn)的有限元計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果。橋墩橫向位移時(shí)程曲線(xiàn)的有限元計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果。有限元計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的時(shí)程曲線(xiàn)一致性較好，有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的橋墩橫向加速度峰值分別為0.037 8 m/s2和0.034 8 m/s2，兩者的誤差為8.62%。有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的橋墩橫向位移的峰值分別為0.023 1 mm和0.022 4 mm，兩者的誤差為3.13%。可見(jiàn)，本文建立的流冰撞擊橋墩的有限元模型是合理的，能夠較好的模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

冰壓力計(jì)算公式F=mCtbtRik

(3)

式中:F為流冰荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；m為橋墩迎冰面形狀系數(shù)，按表3取值；Ct為冰溫系數(shù)，按表4取值；b為橋墩硬冰面投影寬度，m；t為計(jì)算冰厚，m；Rik為冰的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

表3 系數(shù)m

表4 冰溫系數(shù)Ct

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 撞擊力分析

在流冰荷載作用下，橋墩所受到的撞擊力在一定程度上取決于流冰速度和冰排幾何尺寸的大小。因此研究不同的冰排寬度、冰排厚度和冰排流速對(duì)撞擊力的影響。撞擊力峰值與冰排寬度的關(guān)系曲線(xiàn)。當(dāng)冰排寬度由0.5 m增大到2 m時(shí)，撞擊力峰值由347.868 kN增加到1 227.71 7kN，增幅明顯。當(dāng)冰排寬度由2 m增加到10 m時(shí)，撞擊力峰值由1 227.717 kN增大至1 429.0 2 kN。

撞擊力峰值與冰排厚度的關(guān)系曲線(xiàn)。冰排厚度每增加0.2 m撞擊力峰值近似增加200 kN。當(dāng)冰排厚度由0.2 m增加到1.2 m時(shí)，撞擊力峰值由226.157 kN增加到2 237.555 kN，撞擊力峰值隨著冰排厚度的增加近似成線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

不同冰排動(dòng)能下的撞擊力峰值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，冰排動(dòng)能EK與撞擊力F的關(guān)系可以擬合為如下關(guān)系式

F=44.79EK+81.05

(4)

其相關(guān)系數(shù)R2=0.937。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)到的冰排尺寸和冰排流速大小計(jì)算出冰排的動(dòng)能，進(jìn)而由公式(4)估算出橋墩所受到的最大流冰撞擊力，可以為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全性評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

根據(jù)呼瑪河大橋的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，建立冰排撞擊橋墩有限元模型，對(duì)有限元模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，在有限元軟件中分析不同冰排寬度、冰排厚度和流冰速度對(duì)撞擊力和橋墩橫向位移的影響，可以得出以下結(jié)論：冰排寬度未超過(guò)橋墩破冰體迎冰面投影寬度時(shí)，增加冰排寬度會(huì)使撞擊力峰值明顯增加，當(dāng)冰排寬度超過(guò)橋墩破冰體迎冰面投影寬度時(shí)，隨著冰排寬度的增加撞擊力峰值增幅很小。當(dāng)冰排厚度由0.2 m增加到1.2 m時(shí)，冰排厚度每增加0.2 m，撞擊力峰值近似增加200 kN。當(dāng)流冰速度由0.4 m/s增加至0.8 m/s再到1.2 m/s時(shí)，撞擊力峰值增幅分別為196.96%和164.58%。可見(jiàn)，冰排寬度未超過(guò)橋墩破冰體迎冰面投影寬度時(shí)，冰排寬度對(duì)橋墩橫向位移峰值影響較大，冰排寬度超過(guò)橋墩破冰體迎冰面投影寬度后，隨著冰排寬度的增加橋墩橫向位移峰值增幅很小。冰排厚度由0.4 m增加到0.8 m再到1.2 m，橋墩橫向位移峰值增幅分別為200.26%和78.85%。