含大块石泥石流冲击下连续刚构桥动力学行为研究_郭小坤.pdf

引 用 格 式：，.，（）：郭小坤，秦文涛，郝璐，等 含大块石泥石流冲击下连续刚构桥动力学行为研究 甘肃科学学报，（）：含大块石泥石流冲击下连续刚构桥动力学行为研究郭小坤，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 ）摘要为研究连续刚构桥在含大块石泥石流冲击作用下的动力学行为，基于欧拉拉格朗日（）流固耦合理论，建立了泥石流浆体大块石连续刚构桥动态相互作用模型。以牛栏江特大桥为研究对象，分析泥石流冲击下桥梁的动力学行为，探讨了不同泥石流特性对桥梁横向振动的影响。结果表明：泥石流浆液大块石耦合作用对桥梁冲击力更大，大块石撞击位置处桥墩混凝土发生破碎；泥石流浆液冲击速度、大块石冲击速度和大块石直径对桥梁横向振动影响较大，增大泥石流冲击速度和大块石直径，主梁跨中和墩顶横向位移均急剧变大。关键词连续刚构桥；流固耦合；泥石流；大块石；动力学分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）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。据相关文献统计，我国西部地区发生的泥石流常伴随有大量块石，其中块石体积超过的占比高达。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。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；陈剑等基于 理论对泥石流大块石冲击力进行了修正；姚昌荣等采用 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 基于 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 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。第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报 收稿日期：；修回日期：作者简介：郭小坤（），男，云南陆良人，高级工程师，研究方向为高速公路路基、桥梁、隧道施工。：计算理论欧拉拉格朗日（）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。流体域控制方程流体域的连续方程和动量守恒方程为，（）其中：为流体密度；为流体运动速度矢量，；为位移矢量；为散度算子；为流体体力矢量；为流体 应力张量。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，体积分数满足以下守恒关系：。（）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（?），（）其中：为惩罚刚度；?为欧拉网格与拉格朗日网格发生侵彻时的相对速度；?为拉格朗日网格在侵彻点处的法向矢量。计算模型概况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 ，桥梁全长 。主梁为单箱单室梁，采用 混 凝 土，为 变 截 面 结 构，翼 板 悬 臂 ，宽，跨中截面梁高，端部截面梁高；桥墩采用薄壁空心墩结构，采用 混凝土，主梁和桥墩结构参数如图所示。假设泥石流域为矩形截面，流域长 ，宽，高，坡度为 。图三跨连续刚构桥平面图（单位：）（：）第 卷郭小坤等：含大块石泥石流冲击下连续刚构桥动力学行为研究材料参数桥梁结构材料采用 损伤本构模型，其参数如表所列。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 ，剪切模量为 ，屈服应力为 。大块石采用直径为的刚性材料，密度为 ，弹性模量为 ，泊松比为。表 材料参数 参数取值参数取值材料密度（）静水拉伸强度 剪切弹性模量 最小破碎塑性应变 抗压强度 压碎力 黏聚强度 压碎体积应变 压力强化系数压实静水压力 应变率敏感系数 体积应变压力硬化指数 常量参数 最大等效应力 常量参数 损伤系数 常量参数 损伤系数 失效应变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 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 个壳单元。桥墩基础采用弹簧单元模拟。计算模型如图所示。图计算模型 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，泥石流和大块石初始速度取值。结果分析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（），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，约为泥石流浆液大块石耦合冲击桥墩冲击力的，说明泥石流浆液大块石耦合作用对桥墩冲击力更强。文献 中采用 计算的泥石流浆液冲击力峰值为，与算例误差仅为，验证了模型的准确性。图泥石流冲击力时程 桥墩关键点位移图为泥石流冲击下墩顶横向位移曲线。由图可知，前无泥石流冲击时，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。图墩顶横向位移 桥墩破坏分析图为泥石流冲击下桥墩主应力云图。由图甘 肃 科 学 学 报 年第期可知，在落岩撞击位置处，桥墩的最大主应力达到了 ，超过混凝土抗压强度 ，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。图桥墩主应力云图 泥石流特性对桥梁响应的影响不同泥浆冲击速度对桥梁的影响控制大块石直径为 ，大块石冲击速度为，改变泥石流浆液冲击速度分别为、和，分析不同泥石流浆液冲击速度对桥梁横向位移的影响。图为不同泥石流浆液下主梁跨中和墩顶横向位移曲线。由图可知，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 和的计算数据，主梁跨中和墩顶横向位移分别相差 倍和 倍。不同大块石冲击速度对桥梁的影响由节可知，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，泥石流浆液冲击速度为，大块石冲击速度分别为、和。图为不同大块石冲击速度下主梁跨中和墩顶横向位移曲线。图浆液冲击速度对桥梁横向位移的影响 图大块石冲击速度对桥梁横向位移的影响 由图可知，大块石冲击速度对桥梁横向位移影响显著。主梁跨中和墩顶横向位移均随着大块石冲击速度的增加而增大，大块石冲击速度为 时，主 梁 跨 中 和 墩 顶 横 向 位 移 分 别 为 冲 击 速 度 的 倍和 倍。不同块石直径对桥梁的影响大块石直径是影响泥石流冲击力的重要因素之一，控制泥石流浆液和大块石初始速度为，改变大块石直径分别为、，分析大块石直径对桥梁横向位移的影响。图为不同大块石直径对主梁和墩顶横向位移的影响。由图可知，主梁跨中和墩顶横向位移与大块石直径呈线性关系，大块石直径越大，主梁跨中和墩顶横向位移越大，对桥梁横向振动的影响越大。第 卷郭小坤等：含大块石泥石流冲击下连续刚构桥动力学行为研究图不同块石直径对桥梁横向位移的影响 结论基于流固耦合理论，建立泥石流浆液大块石连续刚构桥有限元模型，研究了泥石流冲击下桥梁的动力学行为，探讨了不同泥石流特性对桥梁动力学响应的影响，得出以下结论：（）泥石流浆液对桥墩的冲击力约为泥石流浆液大块石耦合冲击桥墩冲击力的，大块石撞击位置处桥墩混凝土可能发生破碎。（）泥石流浆液冲击速度对桥梁横向位移影响较大。当浆液冲击速度为 时，主梁跨中和墩顶横向位移分别是冲击速度为时的 倍和 倍。（）大块石冲击速度对桥梁横向位移影响显著。当大块石冲击速度为 时，主梁跨中和墩顶横向位移分别为冲击速度的 倍和 倍。（）主梁跨中和墩顶横向位移与大块石直径呈线性关系，大块石直径越大，主梁跨中和墩顶横向位移越大，对桥梁横向振动的影响越大。参考文献：陈方吾，黄健，王昌明，等文家沟泥石流防治工程监测预警级别研究 甘肃科学学报，（）：黄云泥石流冲击作用下桥墩动力响应研究中外公路，（）：王伟宇，李俊，赵苑迪 降雨频率与泥石流暴发频率关系研究：以 年月西藏扎木弄沟泥石流为例甘肃科学学报，（）：柳春，余志祥，骆丽茹，等含大块石泥石流冲击作用下混凝土拦挡坝的动力学行为研究 振动与冲击，（）：，.，（）：王友彪，姚昌荣，刘赛智，等泥石流对桥墩冲击力的试验研究 岩土力学，（）：陈剑，王全才，陈颖骐，等 基于 理论的泥石流大块石冲击力修正计算 哈尔滨工业大学学报，（）：陈剑，王全才，王浩，等基于 理论的泥石流块石冲击力修正系数研究 振动与冲击，（）：姚昌荣，王友彪，刘赛智重力式桥墩在泥石流冲击作用下的响应分析桥梁建设，（）：韩俊辉，姚昌荣，余劲松，等基于 耦合方法的泥石流冲击柱形结构物动力响应分析 四川建筑，（）：，江旭东，孙其海，滕晓艳基于 方法的压差驱动式管道机器人动力特性分析振动与冲击，（）：，（.，.，），（），甘 肃 科 学 学 报 年第期 ，；（本文责编：毛鸿艳）（上接第 页）（.，.，），；（本文责编：葛文）第 卷郭小坤等：含大块石泥石流冲击下连续刚构桥动力学行为研究