浅析洪水冲击下桥梁抗毁性受力分析实验

摘要：就目前对桥梁抗毁性受力分析当中，采用的方法均为基于桥梁整体结构的稳定性而得到的受力分析，采用此类方法的弊端是没有考虑桥梁各部分的受力对桥梁整体的影响，这也就无法对桥梁的优化给出合理性建议。针对此问题，本文提出一种新型的计算桥梁受力的方法，并考虑了洪水不同水位的情况下，对桥梁各关键部件受力情况进行分析，除此之外，本文通过建立仿真模型，验证了本文所提出方法的准确性。本文对提高洪水冲击桥梁抗毁性给出了合理性建议，并证明了该方法对洪水冲击下桥梁抗毁性冲击受力分析结果的有效性。

关键词：桥梁;抗毁性;受力分析

中图分类号：TV122    文献标识码：A    文章編号：1671-2064（2019）17-0000-00

0 引言

洪水的发生具有周期性以及反复性的特点，并且伴随着流速大，冲击力强等特点，进而为洪水冲击桥梁的抗毁性研究带来了困难。由于洪水冲垮桥梁，进而造成严重的经济损失，桥梁的倒塌为人们日常出行带来了不便。目前对桥梁的抗毁性受力分析已经得到国内专家学者的广泛关注。国内专家学者提出一种基于桥墩、支座和梁箱等部位之间的受力关系，形成抗毁性受力模型，完成洪水冲击试验。但是国内外分析方法没有对桥梁的各个部位的受力情况进行综合考虑分析，进而无法对桥梁的改进提出合理建议。本文提出一种新型的计算桥梁受力的方法，并考虑了洪水在桥面以下及洪水在桥面上方两种情况，对桥梁各关键部件受力情况进行分析，得到桥梁各关键的正应力和剪应力，将得到的桥梁正应力和剪应力与最大允许剪应力和正应力进行比对分析，进而得到在洪水冲击下桥梁的抗毁性受力研究，并经过仿真模型进行验证该方法的正确性及有效性。

1 桥梁抗毁性能分析

根据物理受力分析可知桥梁各部位水平方向及竖直方向的受力，进而有效的计算出各部位的位移及力矩，继而得到正应力和剪应力，将得到的正应力和剪应力与桥梁最大允许应力进行对比，通过安全系数来衡量桥梁对洪水的抗毁性能^[1，2]。

1.1在洪水冲击下桥梁受力分析

当洪水漫过桥梁表面时，此时，桥梁表面将承受一定的水压，其压力值如下式：

（1）

式中：表示在t时刻桥梁表面将承受洪水压力，表示在一段时间内桥梁表面所承受洪水压力的平均值，表示测试点处所受洪水压力的波动值。设洪水总时间为T，采样时间为，可以表示为，其中表示洪水波动频率，此时可以得到洪水的受力均值，如下式所示：

（2）

式中：n表示采样的总数，表示采样点瞬间压力值。

桥梁竖直方向上所受洪水压力为，桥梁表面所受竖直压力分为桥梁上表面和桥梁下表面两部分，如下式所示：

（3）

式中：表示洪水在竖直方向上的流速，表示桥梁表面所承受的压力，表示洪水流向与桥梁所呈现的夹角，因为桥体竖直方向上与水流方向的夹角为90°，cos90°值为0，所以上式可以变形为：。

当桥体完全被洪水淹没时，根据阿基米德定律可知，桥梁竖直方向上的受力和浮力相同，浮力为桥体排水质量，可表示为：

（4）

式中：r表示洪水密度，表示桥体的体积。根据能量原理可知，洪水中的波浪对桥梁的浮力可表示为：

（5）

式中：表示洪水波浪到达桥前的高度;表示桥梁底部面积;为桥梁面积效应系数。通过受力分析可知，洪水对桥梁的产生的力矩为：

（6）

式中：表示洪水对桥梁所产生的浮力;B为桥梁横向底面宽度;为桥梁面效应系数。

桥梁在横向方向的受力受到重力、力矩以及洪水给予的分项受力，综合可得：

（7）

式中：表示在第个桥梁支柱在第个桥梁支柱的反向应力;表示支柱中心的坐标;表示转移到桥梁中心支柱所产生的力矩之和;表示桥梁在竖直方向上所受合力。洪水对桥梁的冲击力可以由以下公式得：

（8）

其中水洪水的密度;是洪水冲击桥体的初始速度;是洪水冲击桥体的结束速度，Q是洪水的流量。

1.2 洪水冲击下桥梁毁性分析

根据洪水对桥梁各个部位冲击的受力分析，进而实现对桥梁的抗毁性进行分析。洪水冲击力矩为：

（9）

式中：分别表示为桥梁上部和桥梁下部所受洪水的冲击力。分别表示中部的力臂与整体力臂。

桥梁自重对中心位置所产生的力矩为：

（10）

式中：表示为桥身水平力臂，表示桥身自重。如果，则表示桥体稳定，不会被洪水冲垮，反之则表示桥体不稳固，容易被洪水击垮。但是桥体整体稳定的前提条件是桥体各个部位也要是稳定的，依据部位位移公式可以得到各个方向的位移，如下所示：

（11）

式中：表示单位体积内，洪水对桥梁支柱产生的弯矩;表示在其他作用力下对桥梁支柱的作用弯矩;表示桥梁截面惯性矩。

2 试验结果分析

建立1：20的洪水冲击模型，搭建洪水冲击桥梁试验平台，并设计不同类型的拱桥及板桥，应用不同的桥梁材料进行仿真。根据洪水冲击桥梁受力可知，桥梁主要承受横向和竖向两个方向上的受力，其中还包含两种情况，即洪水漫过桥面和洪水没有漫过桥面。由公式可知，在水平方向上的受力，主要受到洪水的冲击力。当洪水冲击强度不变的条件下，桥体的横截面积直接影响着桥梁承受的水平冲击力^[3，4]。通过改变模型桥体的横截面积，得到不同测试点桥体不同受力情况，桥体不同横截面积下受力如表1所示。

由表1可知，随着桥梁横截面积的增大，水平受力在逐渐增加，洪水浮力、支柱水平力、波浪浮力不会改变。当将洪水漫过桥面，再次进行实验，通过实验表明随着桥梁横截面积的增加，桥梁上下结构部位的位移不断增加，进而使得桥梁的重心逐渐不稳，此时桥梁易发生坍塌现象。

通过改变桥梁的跨数，对其模型进行分析。通过模型分析可以得到如下结论，桥体的跨数和洪水的压力具有关联性，当跨数小于3时，剪应力将会随着跨数的变化而变化，表现为呈现正相关性，其他应力变化不明显。但是，当跨数大于3时，洪水压力则不受跨数的影响。产生此现象的原因是，当跨数减少时，桥体两端对洪水的抗冲击能力相对比较大，如果桥梁的跨数超过一定数值，则桥梁跨数影响洪水抗击能力也会降低试验中，改变桥梁材质，由粉砂材质改变为砾砂材质。通过实验证明，不同材质的桥墩对桥梁的抗毁能力具有很大差别，在由粉砂转变到砾砂的过程中，洪水冲击面支柱的压力逐渐减小，但是剪应力所受到洪水的影响在逐渐增加。产生此现象的原因是，由于桥墩的材质由粉砂变为砾砂，桥墩的强度在不断的增强，这就使得桥墩的抗毁能力在不断增加，进而使得对洪水的抗击能力越来越强。

3 结语

就目前对桥梁抗毁性受力分析当中，采用的方法均为基于桥梁整体结构的稳定性而得到的受力分析，采用此类方法的弊端是没有考虑桥梁各部分的受力对桥梁整体的影响。本文主要是在洪水漫过桥面和完全淹没桥梁两种情况进行分析，并且对桥梁各关键部件受力情况进行研究，得到桥梁各关键部位的正应力和剪应力，将得到的正应力和剪应力与最大允许剪应力和正应力进行比对分析，得到安全系数，进而得到在洪水冲击下桥梁的抗毁性受力研究，并通过仿真模型验证了该方法的正确性，通过试验可知，桥梁的横截面积、桥梁支柱数量以及桥梁材质均会对桥梁的各部位受力情况产生影响，进而影响桥梁整体的抗毁性。通过实验结果，可以采用不同类型的配比，使得桥梁受力形成最优，进而得到最优桥梁方案，提高桥梁抗毁性。

参考文献

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[2]吴崔鹏，张光华.关于强风侵袭下的桥梁抗毁性评估仿真[J].计算机仿真，2018（5）：445-449.

[3]左烨，孙广俊，王志鹏.近断层地震动下曲线梁桥碰撞效应研究[J].振动与冲击，2018（21）：60-68.

[4]向明航.给定不均匀沉降下拓宽桥梁拼接部分受力分析案例研究[D].重庆交通大学，2012.

收稿日期：2019-07-22

作者简介：陈纪周（1978—），男，陕西渭南人，本科，毕业于长安大学，高级工程师，研究方向：桥梁設计及常见病害处治。