桥墩受泥石流破坏机理分析★

梅 涛 肖盛燮

0 引言

我国是一个灾害多发的国家,其中泥石流是山区较为常见的地质灾害。泥石流的防治应根据防护地区的具体条件,采取综合措施,因地制宜的采取跨越、排导、拦挡、拦截及水土保持等措施[1]。其中桥梁即为跨越的方式之一。

由于重力式桥墩对偶然荷载有较强的抵抗能力,多用于大中型桥梁或流水、漂浮物较多的河流中,比较适合泥石流防治过程中使用。本文建立有限元模型,模拟桥墩受泥石流各种荷载组合下,桥墩的破坏机制。根据肖盛燮提出的灾变链式理论[2],研究其链式关系及致灾机理,并为减灾设计提供对策。

1 控制参数的选定与计算公式

1.1 泥石流的容重计算方程

由于构成泥石流流体成分所占的比重不同,不均匀系数大,目前对容重的计算方法多来自各地观察分析的经验公式,陈宁生等在研究基于浆体的泥石流容重计算方法时对常用的 10种泥石流容重计算公式作了归纳[3]。

本文基于普适性原则,采用 DZ/T 0220-2006泥石流灾害防治工程勘察规范(以下简称《防勘规范》)[5]推荐的现场调查试验法。

其中,γc为泥石流的重度,t/m3;GC为样品的总质量,t;V为样品的总体积,m3。

1.2 泥石流流速Vc

根据普适性原则,西南地区采用《防勘规范》给出的计算公式:

其中,Vc为泥石流断面平均流速,m/s;γH为固体物质比重,为清水河床糙率系数,查水文手册;R为水力半径,m,一般可用平均水深H(m)代替;I为泥石流水力坡度,‰;φ为泥石流泥砂修正系数,可查《防勘规范》得出。

1.3 泥石流冲击力

1.3.1 大石块冲击力

根据DZ/T 0239-2004泥石流灾害防治工程设计规范(以下简称《设计规范》)[4],冲击力Fc包括泥石流整体冲压力 Fδ和泥石流中大块石的冲击力Fb。胡凯衡等在云南蒋家沟进行冲击力测量研究[6],获得泥石流爆发时的真实冲击力数据。王强等以Thornton理想弹塑性接触模型为基础,推导出泥石流大块石冲击力的计算公式[7],但是其计算较复杂,工程实际计算难以实现。本文采用《设计规范》推荐公式计算:

其中,Fb为泥石流大块石冲击力,kPa;E为工程构件弹性模量,kPa;J为工程构件截面中心轴的惯性矩,m4;L为构件长度,m; V为石块运动速度,m/s;W为石块重量,kN;g为重力加速度,取g=9.8m/s2;α为块石运动方向与构件受力面的夹角。

1.3.2 整体冲击力

采用《设计规范》给出的泥石流整体冲击力用下式计算:

其中,Fδ为泥石流整体冲击压力,kPa;γc为泥石流重度,kN/m3; Vc为泥石流流速,m/s;g为重力加速度,m/s2,g=9.8m/s2;α为建筑物受力面与泥石流冲压方向的夹角,(°);λ为建筑物形状系数,圆形建筑物λ=1.0,矩形建筑物λ=1.33,方形建筑物λ=1.47。

2 建立模型

某重力式桥墩处于泥石流区,桥墩为等截面,墩高 20m;横截面图见图1。上部结构:采用钢筋混凝土 20m T形梁标准构件;标准跨径20m,计算跨径19.5m,梁长19.96m,桥面宽7m+2× 0.75m,主梁中距1.60m。一孔上部结构重力为:Pr=792.9 kN。

给定泥石流容重为 2.0 t/m3,桥墩高 20 m,最大流速为8.2m/s,石块为花岗岩,平均直径为 1 m;求得截面惯性矩为68.06m4,最大冲击力为801 kPa,整体冲击力为134.5 kPa(计算取α=90°)。野外冲击力测量表明,粒径很大的石块应该是半悬浮运动的[6];按照此结论,ANSYS模拟时荷载施加位置如图 2所示:在从墩底到距离墩底 15m的地方施加整体冲击力,模拟时采用面荷载;在距离墩底 10m的桥墩横桥向桥墩表面中点施加石块冲击荷载,模拟时采用节点荷载。

本文对最大冲击力做瞬态动力处理,整体冲击压力做静力处理,采用线性分析。先对桥墩施加 134.5 kN的静力;然后施加801 kN的冲击力。为便于比较,进行三次冲击分析。第一次冲击时间1 s;间隔1 s后再施加第二次冲击,冲击时间1 s;再间隔1 s,施加第三次冲击,冲击时间 1 s。

3 结果分析

将石块对桥墩三次冲击前后,x方向的位移,应力,以及 y方向的应力分别列入表 1,表1中墩顶、墩底、冲击表示最大(最小)值所处位置。同时绘出墩顶时程位移曲线,见图 3。

表1 位移、应力统计表

表1中,石块冲击时,墩底应力较无石块冲击时增加约 60%,在不考虑ANSYS应力显示方向的前提下,石块冲击导致桥墩最大应力增加约 3倍;泥石流野外观察认为,相对较大的冲击力来自大石块的冲撞,计算与观测相吻合。

计算结果还说明,即使冲击荷载作用在x方向,y方向的应力也有和x方向应力同样程度的增加。

建立有限元采用线性分析时,由于采用线性分析,有弹性回缩,连续冲击荷载下,位移相比前次有减小的现象,结合墩顶时程位移曲线也能说明x方向最大位移发生在两次碰撞之间。

JTG-2005公路圬工桥涵设计规范提出墩台水平位移对行车影响并不显著,但对伸缩装置有一定的影响,需要根据伸缩装置来确定修正系数。若伸缩装置不能满足性能要求,桥墩位置的改变肯定会影响上部结构受力,还可能产生附加应力。

4 结语

本文将现有泥石流冲击力计算方法进行比较,同时为适应西南地区多发泥石流的计算实际,选择规范推荐公式,计算出泥石流对桥墩的整体冲击力和最大冲击力;在此基础上运用ANSYS建立有限元模型,分析了在静力和动力冲击荷载下,桥墩应力状态的改变,墩顶产生的最大位移,并绘制墩顶时程位移曲线;为泥石流区桥墩设计建造提供了参考依据,得出如下结论:

1)当墩底配筋不足时,桥墩受泥石流破坏最可能发生在墩底,有大石块冲击时,冲击部位将要产生大的应力集中,桥墩承受冲剪形式的荷载。

2)在泥石流沟中若设桥墩,不能采用各类轻型桥墩,桥墩断面形式应采用圆形或者椭圆形,以减轻整体冲击力。为防止大石块冲击力产生的局部破坏,除配置纵向柱筋和箍筋外,桥墩表面可用钢筋网加固,固体物质补给形式若为较大或者坚硬的岩石时,可根据需要设置防撞钢板。

3)墩顶位移主要由整体冲击力产生,大石块的冲击力使墩顶位移进一步增加,最大增量可达 80%,在非线性计算时,此值可能会更大。伸缩装置的选择,需要满足墩顶位移的条件。

4)本文基于规范,构建ANSYS静力—动力结合的模型能较真实的反映出泥石流整体冲击力和大石块的冲撞,分析泥石流来临时,整个桥墩应力状态,对泥石流区的桥墩设计建造有指导意义。但是,泥石流是典型的固液混合态,目前泥石流的运动性质还处于探索阶段,牛顿体,宾汉体等都不能准确反映其性质,还需要大量的深入研究[8]。

[1] 王 茹.土木工程防灾减灾学[M].北京:中国建材工业出版社,2008.

[2] 肖盛燮.灾变链式理论及应用[M].北京:科学出版社,2006.

[3] 陈宁生.基于浆体的泥石流容重计算[J].成都理工大学学报(自然科学版),2010,37(2):137-168.

[4] DZ/T 0239-2004,泥石流灾害防治工程设计规范[S].

[5] DZ/T 0220-2006,泥石流灾害防治工程勘察规范[S].

[6] 胡凯衡.泥石流冲击的野外测量[J].岩土力学与工程学报, 2006,25(S1):2813-2819.

[7] 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(4):423-427.

[8] 费祥俊,舒安平.泥石流运动机理与灾害防治[M].北京:清华大学出版社,2004.