泥石流作用下桥墩的动力响应分析

任　辉，张明明

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，郑州　450001)



泥石流作用下桥墩的动力响应分析

任辉，张明明

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，郑州450001)

摘要：由于部分山区桥梁跨越发育冲沟，会受到泥石流的冲击作用，基于桥梁构件能力保护原则，对泥石流作用下桥梁动力响应分析的研究就显得尤为重要。应用有限元动态接触方法对碰撞过程进行数值模拟，选取某高速公路30 m实心T墩建立三维实体有限元模型，分析其在泥石流作用下的动力响应情况。研究表明，在泥石流冲击作用下，块石与桥墩接触区及下部构件连接处应力较大，墩顶位移随上部荷载压力增大而不断减小，即设计应考虑分别提高桥墩的承载能力及其构件连接处的变形能力。

关键词：泥石流；桥墩；有限元方法；冲击动力分析

山区及地形险要地区，泥石流灾害频繁发生，其危害主要表现为泥石流中存在的块石对结构物的冲击破坏[1]。当山区桥梁跨越发育的冲沟时，桥墩不可避免会受到泥石流的冲击作用，基于结构安全设计原则，对泥石流作用下桥梁动力响应分析的研究就显得尤为重要。

目前对于冲击作用下桥墩的破损研究主要集中在地震及地震作用下的深水桥墩等方面，对泥石流的研究涉及较少，而泥石流的破坏力极强，威胁建在泥石流区域的桥梁，因此有必要对泥石流作用下桥墩结构的动力响应进行深层次研究。

本文在Hertz接触问题的基础上，考虑泥石流块石碰撞桥墩产生的塑性弯曲变形，计算泥石流块石对桥墩的冲击力，并选取某高速公路30 m实心T墩为实际工程背景，采用有限元软件LS-DYNA建立实体模型，并结合实际情况模拟边界条件及使用阶段荷载情况。由于泥石流块石形状各异，本次模型建立时，参考相关文献对其采取理想化假设，并进行非线性动力响应分析。

1泥石流对桥墩冲击力计算

对泥石流大块石对桥墩冲击问题，一般将其简化为具有足够锚固长度的悬臂梁结构受冲击的响应问题，计算简图如图1所示。

图1　计算简图

块石冲击桥墩应满足以下关系[2]

(1)

式中，c、n为结构特性参数，可由静载试验获得；P为块石的冲击力；δ为冲击变形量。

根据系统能量守恒定律，并考虑块石冲击桥墩产生的塑性变形，即桥墩受冲击作用下的变形应有两部分组成[3-6]

(2)

式中，m为简化块石的质量；v为块石的冲击速度；δmax为最大法向变形量。

求解上述方程即可得出最大法向变形量，进而求解出最大冲击力、最大位移等。

2工程实例分析

选取某高速公路30 m实心T墩作为实际工程背景，采用有限元软件LS-DYNA建立实体模型，并对其进行一定的简化：移动荷载作用及自重产生的力通过附加质量的方法施加到盖梁上，不考虑支座刚度对撞击的影响；流体对桥墩的冲击采用附加质量法，取附加流体质量为块石质量的0.07倍[7]，通过增加块石密度的方式，施加到块石上；不考虑桩土之间的相互作用，采用等效桩长法[8]确定锚固长度，下端采用刚性支撑。

因泥石流块石形状各异，难以进行模拟，参考相关文献[9-11]，将泥石流块石简化为规则的球体进行建模计算，块石离桩顶(承台)的高度取为6 m。有限元模型详见图2，块石质量取为0.5 t，计算时间长度为5 s。

图2　30 m有限元计算模型

桥梁上部结构有多种形式，如空心板、T梁或箱梁等，为模拟不同形式的上部结构对桥墩动力非线性响应的影响，在建立工况时不同形式的上部结构采用不同的自重荷载。各工况建立详见表1。

表1　实心T墩各工况

3计算结果及讨论

3.1　碰撞力分析

各工况碰撞力时程曲线见图3。

图3　各工况碰撞力时程曲线

块石碰撞桥墩的接触时间很短，整个碰撞过程只有0.15 s，块石接触桥墩，碰撞力不断增大，0.1 s时刻达到最大，之后块石逐渐远离桥墩，能量消散，碰撞力迅速减小到0。T墩各方向最大碰撞力及根据规范计算出的碰撞力详见表2。

3.2　能量分析

由图4可以看出，在工况6作用下，T墩的混凝土及钢筋都在块石接触桥墩的瞬间能量达到最大；说明T墩混凝土发生了弹塑性变形吸收了块石大部分动能，而钢筋也随之进入了塑性阶段，发生了塑性应变。整个碰撞过程除去1%～2%的能量损失之外，整体系统保持能量守恒。

表2　各工况最大碰撞力

图4　30 m T墩各材料能量时程曲线

3.3　位移分析(图5、图6)

图5　30 m T墩工况6横向位移云图

图6　30 m T墩同压力不同速度横向位移时程曲线

在块石与桥墩碰撞过程中，桥墩横向位移的时程响应是极其重要的一个观测点。

如图6所示，工况1作用下，桥墩结构的最大位移为1.89 m，工况2最大位移则为1.87 m，即30 m实心T墩在相同上部荷载作用下，墩底横向位移随碰撞速度的增大显线性增大，而墩顶横向位移却变化不大。

实心T墩受不同上部荷载作用，在相同碰撞速度下，压力大比压力小的墩顶位移要小；如工况2作用下最大位移为1.87 m，工况6作用下最大位移为1.74 m，即压力的增大使墩顶位移随之减小了0.13 m。

3.4　应力分析

通过计算结果分析，块石与T墩的碰撞过程中，应力峰值多出现在以下几个区域，见图7。

图7　30 m T墩工况6第一主应力云图

Ⅰ区：块石与桥墩接触区域。

Ⅱ区：刚性连接处如：承台与桩柱衔接处、桩底等区域。

Ⅲ区：桩基以下8倍桩径附近区域。

以上高应力区域形成的原因不同，分布特点及对桥墩结构的影响程度也不相同[12]。

分析可知，Ⅰ区的高应力是由泥石流块石与墩柱碰撞产生的局部集中载荷引起的。如图8所示，块石荷载引起的高应力区域只分布在泥石流块石碰撞的接触面及附近局部的区域，可引起局部混凝土塑性破坏，而对整体桥墩结构损伤作用比较有限。30 m T墩Ⅰ区出现应力最大值的时刻为t=0.1 s。

图8　30 m T墩撞击瞬间第一主应力云图

分析可知，Ⅱ区的高应力是在碰撞过程中T墩及桩基的整体弯曲，引起桥墩结构刚性连接处应力集中造成的。30 m T墩最危险时刻在t=0.6 s，承台连接处的应力分布如图9所示，由于碰撞接触时间较短，应力不能及时扩散，桥墩结构刚性连接处混凝土出现塑性破坏，构件基本失效。

图9　30 m T墩桩基承台连接部位第一主应力云图

分析可知Ⅲ区的高应力是由于桩身弯曲变形引起的。当桩基弯曲变形最大时，桩底应力也同时达到最大。如图10所示，在工况6作用下，桩基发生塑性变形，桩底失效部分的已经占桩基截面积的1/2。

图10　30 m T墩桩底第一主应力云图

4结语

本论文的研究工作正是以我国高桥墩的广泛应用及大量建造为背景，采用有限元软件对T形实心墩在泥石流冲击下的动力非线性响应进行了计算。根据以上的计算和分析，得出以下结论。

(1)采用《泥石流灾害防治工程设计规范》计算的泥石流块石碰撞力与本文计算的碰撞力相差较大，规范计算的块石撞击力过于保守，可能造成工程浪费。

(2)块石冲击作用时，桥墩墩顶位移随上部荷载压力增大而不断减小。

(3)泥石流块石与桥墩的碰撞过程中，以下区域应力水平较高：块石与桥墩接触区域、承台与桥墩及桩基等刚性连接处、桩基以下8倍桩径附近区域；以上高应力区域混凝土易出现局部破损导致构件失效。

参考文献：

[1]蒋忠信，姚令侃，艾南山，等.铁路泥石流非线性研究与防治新技术[M].成都：四川科学技术出版社，1999.

[2]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].岩石力学与工程学报，2007，26(8):1664-1669．

[3]Wu Chuanyu， Li Longyuan， Colin Thornton， Energy dissipation during impact of lastic and elastic-plastic spheres[J]. International Journal of Impact Engineering, 2005，32:593-604．

[4]Hunter S C. Energy absorbed elastic waves during impact[J]. JMech Phys Solids， 1957，8:162-171．

[5]王强，何思明，张俊云.泥石流防撞墩冲击力理论计算方法[J].防灾减灾工程学报，2009，29(4):423-427.

[6]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.

[7]贺亮.船与大跨度桥梁桥墩碰撞仿真分析研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[8]刘建成，顾永宁.基于整船整桥模型的船桥碰撞数值仿真[J].工程力学，2003，20(5):155-162.

[9]刘建成，顾永宁，胡志强.桥墩在船桥碰撞中的响应及损伤分析[J].公路，2002(10):33-41.

[10]JOHNSON K L， Contact mechanics[M]. 2nd ed. New York: Cambridge University Press， 1985．

[11]BRACCESI C， LANDI L. A general elasto-plastic approach to impact analysis for stress state limit evaluation in ball screw bearings return system[J]. International Journal of Impact Engineering， 2006，34(7):1272-1285.

[12]王雯珊.基于船桥碰撞中桥墩模型的力学响应研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

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

作者简介：任辉(1989—)，男，助理工程师，毕业于昆明理工大学，工学硕士。

收稿日期：2014-12-02； 修回日期：2014-12-24

中图分类号：U442.3

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.018

文章编号：1004-2954(2016)01-0083-04