山区桥梁双柱式高墩受滚石撞击的影响分析

2020-03-24张佳宁胡锦鹏重庆科技学院建筑工程学院重庆401331

科学技术创新 2020年3期

张佳宁解珂阳波胡锦鹏周鹏（重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331）

近年来，为平衡地区经济发展，国家大力开发西部山区交通基础设施建设，大量高等级公路、铁路、桥梁等大型基础设施向山区挺近，而山区地形复杂，有很多的河谷和深沟且不良地质比较发育的地带，为了连接各个交通路段，同时考虑到保护西部自然生态环境和山区有限的耕地资源，山区在修建公路时会采用许多非规则桥梁以跨越河谷和深沟。桥梁往往架在陡坡上，下部为双柱式高墩，且墩高相差悬殊。

采用双柱式桥墩可以减小材料用量，减少桥墩重量[1]。而且施工也较为方便，造型美观，工程进度快。但是这类桥墩的刚度差、抗撞击能力差。近年来已发生多次由于撞击造成的重大桥梁损害事故，桥墩防撞问题也引起了人们的重视，特别是桥墩的防船舶撞击。但在西部山区，大多数桥梁并不存在船舶撞击的问题，而更多的是面临地震、山洪爆发、崩塌、滑坡或其他因素引起的滚石撞击问题。且我国西部山区又处在地震高发地带上，多高山、多峡谷、碎石资源丰富，属于滚石灾害高发地区，使得山区桥梁桥墩部位受滚石撞击的问题越来越突出。虽然滚石撞击造成的损伤没有船舶剧烈，但是滚石的冲击作用很大[2]。滚石灾害的发生将会影响到山区桥梁的使用状况[3]。一旦桥梁受滚石撞击影响损坏，尤其是桥墩部位，将严重威胁到山区交通路线的安全运营以及人员活动安全。然而针对滚石撞击桥墩，公路桥梁领域尚无规范可查[4]。所以研究山区桥梁双柱式高墩受滚石撞击的动力响应，提高山区桥梁双柱式高墩抗滚石撞击性能，对保证山区交通运营安全有着十分重要的意义。

本文基于ANSYS 有限元软件，以某典型大桥为原型，建立了双柱式高墩有限元模型，并模拟了滚石撞击桥墩的全过程，分析其在滚石撞击作用下的动力反应，以期为今后类似的山区桥梁抗滚石撞击设计，提供一定意义的理论参考。

1 工程背景

本文以某典型大桥为具体研究对象，桥墩形式为双柱式桥墩，桥墩高度（含盖梁）40m，桥墩截面为圆形，截面半径长为1.15m；桥墩纵向配置的受力钢筋数为48 根，纵向钢筋直径大小为28mm，箍筋的直径为12mm，间距200mm；滚石球体形状的花岗岩。

2 材料模型

2.1 混凝土材料

2.2 钢筋材料

本文中的钢筋材料本构采用随动强化双线性弹塑性模型，本文中的钢筋材料本构模型部分参数选取如表1 所示。

表1 钢筋材料本构模型参数

2.3 滚石材料

3 滚石撞击桥墩模拟分析

本文采用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析软件，建立桥墩、滚石、钢筋有限元模型，其中桥墩混凝土采用SOLID164 单元进行模拟，钢筋采用LINK160 单元进行模拟。关于滚石与桥墩相互接触时的相互作用，本文在进行分析时，采用了自动面- 面接触来分析模块。滚石模型同样采用的是SOLID164 单元。

本文的研究不考虑墩高、桩基深度对桥墩动力响应的影响，桥墩底面用固结代替撞击对桥墩的约束作用，按照滚石初始速度和撞击位置的不同工况建立模型进行分析。滚石不同的撞击速度、不同的撞击位置工况参数详见表2 所示。

表2 不同工况参数

4 桥墩动力响应分析

经过显示动力学计算，滚石撞击桥墩的瞬间，桥墩被撞区域的应力值瞬间变大到一个峰值，然后迅速减小达到一个新的应力峰值，而后续出现的应力峰值均小于首次应力峰值，见图2。对比分析不同工况下桥墩的应力变化，从图2 中可以看出，工况1、2 条件下，桥墩被撞击瞬间等效应力的变化值大小变化情况呈现为，工况2＞工况1；工况3、4 条件下，桥墩被撞击瞬间等效应力的变化值大小变化情况呈现为，工况4＞工况3，可以看出，滚石撞击初始速度越大，桥墩等效应力的变化值越大。对比分析工况1 和工况3，可以看出，等效应力变化值大小变化情况呈现为，工况1＞工况3；对比工况2 和工况4，可以看出，等效应力变化值大小变化情况呈现为，工况2＞工况4。可以看出，相同的滚石撞击初始速度、不同撞击位置的条件下，桥墩应力变化的最大值不同，距离桥墩上部结构底面H/3 情况下的应力变化最大值比H/2 情况下的应力变化最大值要大。撞击位置距离桥墩底部越近，桥墩等效应力变化最大值越小。

图1 桥墩应力变化对比分析

从以上分析中可以看出，本文模拟的滚石撞击桥墩过程，在滚石不同初始速度、不同撞击位置的工况条件下，桥墩应力变化呈现的规律为，被撞击瞬间达到应力变化的最大值；桥墩应力变化最大值的大小与滚石撞击初始速度有关，滚石撞击初始速度越大，桥墩应力变化最大值越大；桥墩应力变化最大值的大小还与滚石的撞击位置有关，撞击位置距离桥墩底部越近，桥墩应力变化最大值越小。