含大块石泥石流冲击下连续刚构桥动力学行为研究

2023-03-03郭小坤秦文涛郭军峰洪碧武

甘肃科学学报 2023年1期

郭小坤,秦文涛,郝璐,郭军峰,洪碧武

(西南交通建设集团股份有限公司,云南昆明 650000)

泥石流是山区常见的自然灾害,常由暴雨或地震引发,是一种含有大量泥沙、碎屑和大块石的特殊洪流,具有突发性强、冲击力大和破坏面积广等特点[1-2]。据相关文献统计[3-4],我国西部地区发生的泥石流常伴随有大量块石,其中块石体积超过2 m3的占比高达71.1%。与一般泥石流相比,含有大块石的黏性泥石流具有更强的冲击力,对下游建筑结构造成严重的破坏。

随着我国桥梁工程的蓬勃发展,山区大跨度桥梁日益增多,其遭受泥石流冲击的概率增大,严重影响着山区交通运输的通畅性[5]。泥石流冲击桥梁过程中存在着泥石流浆液-大块石-桥墩三者的耦合作用,动态冲击力主要由泥石流浆液动压力和大块石动态冲击力组成。截至目前,研究多为单一泥石流浆液或大块石冲击桥墩,或将泥石流浆液和大块石冲击力作为外荷载施加在桥墩上,而综合考虑浆体和泥石流耦合作用对桥墩的影响的研究相对较少。因此,深入研究泥石流浆液和大块石动态耦合作用对桥梁的影响,正确评估桥梁结构在泥石流作用下的安全性和动力学行为具有重要的工程实际意义。

泥石流冲击桥墩常用的研究方法有试验法、理论分析法和数值仿真法，如王友彪等[6]通过一系列室内试验研究了泥石流冲击桥墩作用,但由于试验相似性很难得到满足,试验获得的桥墩冲击力与实际仍有较大差别；陈剑等[7-8]基于Hertz理论对泥石流大块石冲击力进行了修正；姚昌荣等[9]采用ANSYS+CFX 建立了泥石流冲击桥墩有限元模型,分析了桥墩在泥石流和大块石冲击下的响应,但未考虑泥石流浆体与大块石之间的动态耦合作用；韩俊辉等[10]基于SPH-FEM法研究了泥石流浆体和大块石冲击下桥墩的动力学响应,并验证了模型的准确性。

为综合分析考虑大块石泥石流冲击对桥梁动力学响应的影响,基于CEL流固耦合方法,建立了考虑大块石影响的泥石流冲击桥梁模型,研究泥石流冲击下桥梁动力学行为,并探讨了不同泥石流特性对桥梁横向振动的影响,为评估泥石流冲击桥梁提供了理论依据。

1 计算理论

欧拉-拉格朗日(CEL)流固耦合法采用基于体积分数的耦合边界追踪法,常用于分析复杂的流固耦合问题,基本原理为使用欧拉单元和拉格朗日单元分别模拟流体材料和结构材料[11]。

1.1 流体域控制方程

流体域的连续方程和动量守恒方程为

(1)

1.2 流固耦合边界

将流体区域离散为欧拉单元,每个欧拉单元都与相应的体积分数关联。流体域采用连续方程,体积分数F满足以下守恒关系:

(2)

基于通用的接触算法,欧拉网格和拉格朗日网格发生侵彻时,产生的对称惩罚力可表示为

(3)

2 计算模型概况

2.1 分析对象

以云南省鲁甸县的牛栏江特大桥为研究对象,主梁为三跨连续刚构桥,计算跨径为90 m+170 m+90 m,桥梁全长600 m。主梁为单箱单室梁,采用C50混凝土,为变截面结构,翼板悬臂2.65 m,宽12 m,跨中截面梁高3.7 m,端部截面梁高10 m;桥墩采用薄壁空心墩结构,采用C35混凝土,主梁和桥墩结构参数如图1所示。假设泥石流域为矩形截面,流域长100 m,宽20 m,高5 m,坡度为0.05。

图1 三跨连续刚构桥平面图(单位:cm)Fig.1 Layout of 3-span continuous rigid frame bridge (unit:cm)

2.2 材料参数

桥梁结构材料采用HJC损伤本构模型,其参数如表1所列。泥石流浆体采用弹塑性流体动力学材料模拟,其中浆体密度为1 600 kg/m3,剪切模量为1.68 MPa,屈服应力为90 Pa。大块石采用直径为2 m的刚性材料,密度为3 000 kg/m3,弹性模量为30 GPa,泊松比为0.3。

表1 HJC材料参数

2.3 计算单元

对于连续刚构桥、桥墩和大块石采用实体单元建模,共有442 374个实体单元。采用欧拉体模拟泥石流。河道采用壳单元模拟,共计23 654个壳单元。桥墩基础采用弹簧单元模拟。计算模型如图2所示。

图2 计算模型Fig.2 Computational model

2.4 边界条件

河道底部和河道两侧边界采用全约束。泥石流浆体与大块石、桥墩、河道之间采用面-面接触,摩擦系数取值0.3，泥石流和大块石初始速度取值11 m/s。

3 结果分析

3.1 泥石流冲击力分析

泥石流冲击桥墩过程中,泥石流浆液会带动大块石撞击桥墩,泥石流对桥墩的冲击力时程曲线如图3所示。泥石流冲击桥墩瞬间,冲击力逐渐增大,当大块石撞击桥墩时冲击力达到峰值(4.52 MN),由于浆液对大块石的冲击作用,使得大块石多次撞击桥墩,每次撞击后速度减小,其对应的冲击力也逐渐减小。图3中红色曲线为算例中泥石流浆液对桥墩的冲击力时程,冲击力峰值为1.73 MN,约为泥石流浆液-大块石耦合冲击桥墩冲击力的38.3%,说明泥石流浆液-大块石耦合作用对桥墩冲击力更强。文献[9]中采用ANSYS+CFX计算的泥石流浆液冲击力峰值为1.62 MN,与算例误差仅为6.3%,验证了模型的准确性。

图3 泥石流冲击力时程Fig.3 Debris flow impact

3.2 桥墩关键点位移

图4为泥石流冲击下墩顶横向位移曲线。由图4可知,前2 s无泥石流冲击时,墩顶横向位移无变化,当泥石流冲击桥墩时,墩顶横向位移急剧增大,并伴随明显的峰值,峰值达到21.5 mm。

图4 墩顶横向位移Fig.4 Lateral displacement of the pier top

3.3 桥墩破坏分析

图5为泥石流冲击下桥墩主应力云图。由图5可知,在落岩撞击位置处,桥墩的最大主应力达到了48.7 MPa,超过混凝土抗压强度36 MPa,撞击位置处混凝土发生破碎。产生这种现象的主要原因为混凝土刚度较大,大块石撞击面积小,产生的巨大能量不能得到有效耗散,使得混凝土主应力容易达到并超过抗压强度。桥墩在泥石流浆液冲击下,桥墩主应力均未超过混凝土抗压强度,主要原因是虽然泥石流浆液冲击力大,但冲击区域广,分散到桥墩上的压力较小。

图5 桥墩主应力云图Fig.5 Pier principal stress

4 泥石流特性对桥梁响应的影响

4.1 不同泥浆冲击速度对桥梁的影响

控制大块石直径为2 m,大块石冲击速度为11 m/s,改变泥石流浆液冲击速度分别为7 m/s、9 m/s、11 m/s和13 m/s,分析不同泥石流浆液冲击速度对桥梁横向位移的影响。图6为不同泥石流浆液下主梁跨中和墩顶横向位移曲线。

由图6可知,泥石流浆液冲击速度对桥梁横向位移影响较大。随着泥石流浆液冲击速度的增加,主梁跨中和墩顶横向位移均增大。对比浆液冲击速度为13 m/s和7 m/s的计算数据,主梁跨中和墩顶横向位移分别相差1.28倍和1.21倍。

4.2 不同大块石冲击速度对桥梁的影响

由4.1节可知,泥石流浆液冲击速度越大,对桥梁横向振动的影响越大。为继续研究泥石流特性对桥梁动力响应的影响,分析了不同大块石冲击速度下桥梁横向位移。计算中控制大块石直径为2 m,泥石流浆液冲击速度为13 m/s,大块石冲击速度分别为7 m/s、9 m/s、11 m/s和13 m/s。图7为不同大块石冲击速度下主梁跨中和墩顶横向位移曲线。