山区桥墩的泥石流冲击响应研究

黄 蓉

(湖南省永州公路桥梁建设有限公司， 湖南 永州 425100)

山区桥墩的泥石流冲击响应研究

黄 蓉

(湖南省永州公路桥梁建设有限公司， 湖南 永州 425100)

为研究泥石流中的块石与桥墩碰撞后的动力响应特性，基于有限元动态接触方法，对三维实体桥墩模型在泥石流作用时的动态响应进行详细研究。研究表明：流体作用下，块石对桥墩的冲击作用不容忽视；墩顶位移随流体流速、压力增大而不断增大；在山区桥墩设计时，应考虑桥墩在偶遇泥石流下的桥墩的抗冲击能力与墩顶上部的变形能力。

桥墩； 泥石流； 动态接触方法； 冲击响应

0 前言

高速公路或高速铁路在山区地形起伏地段常通过桥跨构造物跨越河谷冲沟。而受制地貌条件，此时的桥墩除了需考虑高墩所带来的结构与构造难题以外，对于地形险要、地质条件较差的地区，泥石流等地质灾害对高墩的危害则不容忽视[1]。现行建设项目中通过对桥梁等跨越构造物的水文水力计算来确定构造物是否能够顺利泄洪、尺寸拟定是否合理、桥跨方案布置是否合理[2]。但是，泥石流的高密度与高速流体与桥墩间的相互作用对结构正常使用状态的影响则无从考虑，山洪所携裹的块石及其他悬浮物对结构物的冲击效应难以鉴定。

当桥梁所跨越的“V”型沟谷地貌发生泥石流洪涝等地质灾害时，流经泄洪断面的流体各区域的流速不等。此外，流体中所携带的块石与动植物躯干在泥石流的携裹下高速通过桥跨断面，位于沟谷的桥墩不可避免会受到泥石流的冲击影响。基于结构全寿命安全可靠服役的综合设计原则，合理判定泥石流作用下桥墩动力响应尤为重要。

目前，国内外在桥梁结构非线性动力响应研究则主要集中于桥梁的抗震动力响应与桥梁抗风动力相应研究，而有关泥石流对桥跨构造物的动力响应则涉及较少。而泥石流等地质灾害的破坏力极强，因泥石流破坏的桥梁带来的损坏是全面性的，带来的影响也极为恶劣。因此，很有必要对泥石流作用下的桥墩结构的动力响应进行深层次研究和判别。

借助Hertz接触问题的理论，通过理想化假设进行非线性动力响应分析，考虑泥石流与桥墩间的动态接触作用效应的同时，计入泥石流中所携裹的块石碰撞桥墩后，桥墩所产生的塑性挠曲变形，并得到块石对桥墩冲击瞬间两者间的冲击力值[3]。

1 块石的冲击计算

对于泥石流中所携裹的大块石对桥墩冲击效应的计算，类似于普通碰撞问题进行简化。计算模型可视为一根具有足够锚固长度的悬臂梁受刚体小球的冲击响应计算，模型的计算简图如图1中所示。

图1 块石碰撞的简化计算模型

根据初等力学，块石对桥墩的冲击力满足式(1)的关系量[4]。

P=cδn

(1)

式中:P为刚体小球对悬臂梁的冲击力；δ为悬臂梁所产生的微小变形量；c、n分别为静载试验的结构特性参数。

若块石的动能全部传递至悬臂梁体系，则根据碰撞系统的能量守恒定律，则块石的动能直接转换成悬臂梁的两部分组成能量。一部分是因刚体小球碰撞而发生的局部变形应变能；另一部分是悬臂梁梁端所发生的挠曲应变能。

(2)

式中:m为块石的质量；v为泥石流的最大流速；δmax为冲击所产生的梁表面法向最大变形量；EI为梁的弯曲刚度。

故两式联合即可得出碰撞发生时的梁体所发生的最大法向变形量，进而求解出刚体小球的最大冲击力、最大位移值。

2 实例分析

取某高速公路实心矩形墩作为计算。其中承台顶到盖梁顶的距离为30 m。有限元动态接触方法计算选取LS — DYNA有限元计算平台建立桥墩 — 块石 — 泥石流相互作用计算体系。考虑到计算能力有限，预先对实际工况进行简化：对上部结构横载及主梁顶面移动荷载作用值以附加质量的方式施加在盖梁顶面；忽略盆式橡胶支座对撞击的耗能效应；而对于流体静压力、流体浮力则通过采用附加质量法进行简化。取附加流体质量按块石质量的0.07倍计，通过增大块石的密度，等效施加在块石上；流体流速而产生的动水压力对桥墩的作用值，则按牛顿流体等效进行简化，忽略沟谷过水面积的变化而导致的流速变化；对于桩土之间的相互作用，则通过等效桩长法来确定土下桩长的锚固长度，桩底直接采用固结模拟。

对于泥石流中所携裹的块石形状大小不一，所分布的位置也是随机分布，难以在有限元软件中按实际情况进行模拟。参考何思明等在泥石流大块石计算中所提出的简化计算的有效性理论，泥石流块石可近似简化为规则形状的刚性球体进行建模计算[5]。对于小球相对桥墩的空间位置的确定，小球距承台顶面的距离取6 m。块石质量取为500 kg，分析桥墩与小球碰撞后5 s内的动力学参数变化。有限元计算模型如图2中所示。

图2 有限元计算模型

在表1中列出了6种不同的上部结构横载值与不同的泥石流通过谷底计算断面的流速，从而在计算泥石流对桥墩的作用值的同时探究不同结构形式的上部结构对桥墩非线性动力响应的影响。

表1 桥墩动力计算工况工况墩高/m墩顶压力/kN块石质量/kg滚石速度/(m·s-1)130450050003230450050005330450050007430550050003530550050005630550050007

3 计算结果处理与分析

3.1 碰撞相对作用力

刚体小球与桥墩的碰撞接触耗时非常短，碰撞接触时间仅有0.15 s。而两者间的相互作用力则随着时间的增加而快速增大，在碰撞接触发生后0.1 s时达到最大。碰撞后，小球动能已完全被桥墩吸收，刚体小球在泥石流的携裹下逐渐加速远离桥墩。碰撞后期的动力学参数的变化不是文中的重点研究对象，故在此不做过多的赘叙。碰撞时的刚体小球与桥墩间的相互作用力如图3中所示，并在表2中给出按《泥石流灾害防治工程设计规范》(DZ/T 0239 — 2004)(以下简称“防灾规范”)计算所得的碰撞力值[6]。

3.2 碰撞能量分析

假设系统的能量没有热、声等其他形式的损失，系统碰撞瞬间小球的动能完全转换为桥墩局部变形耗能与弯曲势能。对应的系统能力随碰撞时间变化的曲线如图4中所示。对应工况6下的桥墩的混凝土及钢筋都在刚体小球接触桥墩的瞬间所吸收的能量达到最大；说明桥墩钢筋混凝土局部位置在突发冲击荷载作用下发生了弹塑性变形，钢筋也随之进入了塑性耗能状态。

图3 小球碰撞相互作用力的时程曲线

表2 各加载工况下碰撞力计算汇总表工况最大碰撞力/MNX方向Z方向规范计算值/MN工况最大碰撞力/MNX方向Z方向规范计算值/MN14.8472.21781.0946.4041.25081.0928.0973.930295.10510.6434.120295.10312.9327.440455.86610.4804.629455.86

图4 碰撞后各部能量时程曲线

3.3 墩顶横向位移分析

在刚体小球与桥墩碰撞发生时，桥墩横向位移则是碰撞过程中另一重要的非线性动力响应参量。如图5中所示，在加载工况1对应和作用下，墩顶所发生的最大横向位移计算值为1.92 m，工况2作用下的最大位移计算值为1.83 m。同比工况4与工况5亦发现墩顶在相同上部荷载作用下，墩底所在位置处的横向位移值随泥石流经过沟谷断面时的流速的增大而有着明显的增长趋势，而墩顶的横向位移值受流速的影响较小。同时，在块石有着相同碰撞速度时，墩顶有着较大的上部荷载作用时对应的横向位移值要小，如工况2作用下最大位移计算值为1.79 m，工况6作用下最大位移计算值为1.71 m，即随着压力增大1 MN，墩顶横向位移值减小了0.08 m。

图5 墩顶横向位移值

3.4 桥墩应力分析

刚体小球与桥墩碰撞发生瞬间，根据有限元应力后处理结果，桥墩的平均应力峰值在以下3个部位形成应力集中区：

1) 刚体小球与桥墩的接触区域附近；

2) 墩底承台顶钢筋混凝土搭接位置处；

3) 桩顶承台钢筋混凝土搭接位置处，桩底固结位置处。

对于1区附近的应力突变是由于刚体小球所携带的高动能直接被碰撞区域附近的钢筋混凝土吸收，此处所转换的应变能通过应力应变值显示出来。其余两处的应力及集中则是由于小球与桥墩间的碰撞接触时间极短，引起墩顶横向挠度的弯曲应变能不能及时通过桩基承台向大地进行扩散，从而导致桥墩墩底与桩顶两者与承台间的结构刚性连接处钢筋混凝土出现较大的能量集中而发生塑性破坏，此时的构件基本失效。桩顶与承台顶的连接较为薄弱，仅通过钢筋的搭接形成两者间的紧密联系，桩顶伸入承台顶的长度有限，此时的桩顶在碰撞的瞬间被由桥墩传递而来的大量的应变能局部集中而无法释放导致脆性断裂。

4 结论

1) 采用防灾规范计算的碰撞相互作用力与数值计算分析中的计算值相差较大，前者作用力计算过于保守，桥梁结构参考该规范易造成桥梁结构的浪费，故不建议使用该规范评估山区桥墩的防灾性能。

2) 桥墩上部荷载能有效减弱块石的冲击效应带来的墩顶横向挠曲变形。

3) 建议对桥墩沿过水面积上游方向设计适当的缓冲构件，以消耗泥石流中的块石与桥墩碰撞间的能量传递。

4) 建议山区桥墩下部结构增大桩顶伸入承台的高度；增强墩底与承台顶面的联系。有条件时，可以对桩顶混凝土、承台、墩底一次性浇筑完成，以形成良好的能量传递体系。

[1] 郭颍奎，韩晓育，孟闻远.流冰碰撞下桥墩安全的有限元分析[J]. 华北水利水电学院学报,2013(6):16-18.

[2] 胡良红，曹云．浅谈石台杨潭大桥水文计算与分析[J].工程设计,2013(2):206-207,210.

[3] 宋波，黄帅．长周期地震对矩形桥墩动水压力及墩身动力响应的影响[J].徐州工程学院学报(自然科学版)，2012(1):19-25.

[4] 吴长奎.山区滚石对桥墩撞击力和防护 措施的研究[D].西安：长安大学，2013.

[5] 何思明，李新坡，吴永．考虑弹塑性变形的泥石流大块石冲击力计算[J]．岩石力学与工程力学，2007，26( 8) : 1664-1669．

[6] DZ/T 0239-2004,泥石流灾害防治工程设计规范[S].

2016-03-29

黄蓉( 1985-) ，女，工程师，主要从事公路、桥梁及隧道施工与项目管理工作。

1008-844X(2017)01-0145-04

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