含大塊石泥石流沖擊下連續剛構橋動力學行為研究

郭小坤,秦文濤,郝 璐,郭軍峰,洪碧武

(西南交通建設集團股份有限公司,云南 昆明 650000)

泥石流是山區常見的自然災害,常由暴雨或地震引發,是一種含有大量泥沙、碎屑和大塊石的特殊洪流,具有突發性強、沖擊力大和破壞面積廣等特點[1-2]。據相關文獻統計[3-4],我國西部地區發生的泥石流常伴隨有大量塊石,其中塊石體積超過2 m3的占比高達71.1%。與一般泥石流相比,含有大塊石的黏性泥石流具有更強的沖擊力,對下游建筑結構造成嚴重的破壞。

隨著我國橋梁工程的蓬勃發展,山區大跨度橋梁日益增多,其遭受泥石流沖擊的概率增大,嚴重影響著山區交通運輸的通暢性[5]。泥石流沖擊橋梁過程中存在著泥石流漿液-大塊石-橋墩三者的耦合作用,動態沖擊力主要由泥石流漿液動壓力和大塊石動態沖擊力組成。截至目前,研究多為單一泥石流漿液或大塊石沖擊橋墩,或將泥石流漿液和大塊石沖擊力作為外荷載施加在橋墩上,而綜合考慮漿體和泥石流耦合作用對橋墩的影響的研究相對較少。因此,深入研究泥石流漿液和大塊石動態耦合作用對橋梁的影響,正確評估橋梁結構在泥石流作用下的安全性和動力學行為具有重要的工程實際意義。

泥石流沖擊橋墩常用的研究方法有試驗法、理論分析法和數值仿真法，如王友彪等[6]通過一系列室內試驗研究了泥石流沖擊橋墩作用,但由于試驗相似性很難得到滿足,試驗獲得的橋墩沖擊力與實際仍有較大差別；陳劍等[7-8]基于Hertz理論對泥石流大塊石沖擊力進行了修正；姚昌榮等[9]采用ANSYS+CFX 建立了泥石流沖擊橋墩有限元模型,分析了橋墩在泥石流和大塊石沖擊下的響應,但未考慮泥石流漿體與大塊石之間的動態耦合作用；韓俊輝等[10]基于SPH-FEM法研究了泥石流漿體和大塊石沖擊下橋墩的動力學響應,并驗證了模型的準確性。

為綜合分析考慮大塊石泥石流沖擊對橋梁動力學響應的影響,基于CEL流固耦合方法,建立了考慮大塊石影響的泥石流沖擊橋梁模型,研究泥石流沖擊下橋梁動力學行為,并探討了不同泥石流特性對橋梁橫向振動的影響,為評估泥石流沖擊橋梁提供了理論依據。

1 計算理論

歐拉-拉格朗日(CEL)流固耦合法采用基于體積分數的耦合邊界追蹤法,常用于分析復雜的流固耦合問題,基本原理為使用歐拉單元和拉格朗日單元分別模擬流體材料和結構材料[11]。

1.1 流體域控制方程

流體域的連續方程和動量守恒方程為

(1)

1.2 流固耦合邊界

將流體區域離散為歐拉單元,每個歐拉單元都與相應的體積分數關聯。流體域采用連續方程,體積分數F滿足以下守恒關系:

(2)

基于通用的接觸算法,歐拉網格和拉格朗日網格發生侵徹時,產生的對稱懲罰力可表示為

(3)

2 計算模型概況

2.1 分析對象

以云南省魯甸縣的牛欄江特大橋為研究對象,主梁為三跨連續剛構橋,計算跨徑為90 m+170 m+90 m,橋梁全長600 m。主梁為單箱單室梁,采用C50混凝土,為變截面結構,翼板懸臂2.65 m,寬12 m,跨中截面梁高3.7 m,端部截面梁高10 m;橋墩采用薄壁空心墩結構,采用C35混凝土,主梁和橋墩結構參數如圖1所示。假設泥石流域為矩形截面,流域長100 m,寬20 m,高5 m,坡度為0.05。

圖1 三跨連續剛構橋平面圖(單位:cm)Fig.1 Layout of 3-span continuous rigid frame bridge (unit:cm)

2.2 材料參數

橋梁結構材料采用HJC損傷本構模型,其參數如表1所列。泥石流漿體采用彈塑性流體動力學材料模擬,其中漿體密度為1 600 kg/m3,剪切模量為1.68 MPa,屈服應力為90 Pa。大塊石采用直徑為2 m的剛性材料,密度為3 000 kg/m3,彈性模量為30 GPa,泊松比為0.3。

表1 HJC材料參數

2.3 計算單元

對于連續剛構橋、橋墩和大塊石采用實體單元建模,共有442 374個實體單元。采用歐拉體模擬泥石流。河道采用殼單元模擬,共計23 654個殼單元。橋墩基礎采用彈簧單元模擬。計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型Fig.2 Computational model

2.4 邊界條件

河道底部和河道兩側邊界采用全約束。泥石流漿體與大塊石、橋墩、河道之間采用面-面接觸,摩擦系數取值0.3，泥石流和大塊石初始速度取值11 m/s。

3 結果分析

3.1 泥石流沖擊力分析

泥石流沖擊橋墩過程中,泥石流漿液會帶動大塊石撞擊橋墩,泥石流對橋墩的沖擊力時程曲線如圖3所示。泥石流沖擊橋墩瞬間,沖擊力逐漸增大,當大塊石撞擊橋墩時沖擊力達到峰值(4.52 MN),由于漿液對大塊石的沖擊作用,使得大塊石多次撞擊橋墩,每次撞擊后速度減小,其對應的沖擊力也逐漸減小。圖3中紅色曲線為算例中泥石流漿液對橋墩的沖擊力時程,沖擊力峰值為1.73 MN,約為泥石流漿液-大塊石耦合沖擊橋墩沖擊力的38.3%,說明泥石流漿液-大塊石耦合作用對橋墩沖擊力更強。文獻[9]中采用ANSYS+CFX計算的泥石流漿液沖擊力峰值為1.62 MN,與算例誤差僅為6.3%,驗證了模型的準確性。

圖3 泥石流沖擊力時程Fig.3 Debris flow impact

3.2 橋墩關鍵點位移

圖4為泥石流沖擊下墩頂橫向位移曲線。由圖4可知,前2 s無泥石流沖擊時,墩頂橫向位移無變化,當泥石流沖擊橋墩時,墩頂橫向位移急劇增大,并伴隨明顯的峰值,峰值達到21.5 mm。

圖4 墩頂橫向位移Fig.4 Lateral displacement of the pier top

3.3 橋墩破壞分析

圖5為泥石流沖擊下橋墩主應力云圖。由圖5可知,在落巖撞擊位置處,橋墩的最大主應力達到了48.7 MPa,超過混凝土抗壓強度36 MPa,撞擊位置處混凝土發生破碎。產生這種現象的主要原因為混凝土剛度較大,大塊石撞擊面積小,產生的巨大能量不能得到有效耗散,使得混凝土主應力容易達到并超過抗壓強度。橋墩在泥石流漿液沖擊下,橋墩主應力均未超過混凝土抗壓強度,主要原因是雖然泥石流漿液沖擊力大,但沖擊區域廣,分散到橋墩上的壓力較小。

圖5 橋墩主應力云圖Fig.5 Pier principal stress

4 泥石流特性對橋梁響應的影響

4.1 不同泥漿沖擊速度對橋梁的影響

控制大塊石直徑為2 m,大塊石沖擊速度為11 m/s,改變泥石流漿液沖擊速度分別為7 m/s、9 m/s、11 m/s和13 m/s,分析不同泥石流漿液沖擊速度對橋梁橫向位移的影響。圖6為不同泥石流漿液下主梁跨中和墩頂橫向位移曲線。

由圖6可知,泥石流漿液沖擊速度對橋梁橫向位移影響較大。隨著泥石流漿液沖擊速度的增加,主梁跨中和墩頂橫向位移均增大。對比漿液沖擊速度為13 m/s和7 m/s的計算數據,主梁跨中和墩頂橫向位移分別相差1.28倍和1.21倍。

4.2 不同大塊石沖擊速度對橋梁的影響

由4.1節可知,泥石流漿液沖擊速度越大,對橋梁橫向振動的影響越大。為繼續研究泥石流特性對橋梁動力響應的影響,分析了不同大塊石沖擊速度下橋梁橫向位移。計算中控制大塊石直徑為2 m,泥石流漿液沖擊速度為13 m/s,大塊石沖擊速度分別為7 m/s、9 m/s、11 m/s和13 m/s。圖7為不同大塊石沖擊速度下主梁跨中和墩頂橫向位移曲線。

圖6 漿液沖擊速度對橋梁橫向位移的影響Fig.6 Influence of slurry impact velocity on lateral displacement of bridge

圖7 大塊石沖擊速度對橋梁橫向位移的影響Fig.7 Influence of large rock impact velocity on lateral displacement of bridge

由圖7可知,大塊石沖擊速度對橋梁橫向位移影響顯著。主梁跨中和墩頂橫向位移均隨著大塊石沖擊速度的增加而增大,大塊石沖擊速度為13 m/s時,主梁跨中和墩頂橫向位移分別為沖擊速度7 m/s的2.02倍和1.87倍。

4.3 不同塊石直徑對橋梁的影響

大塊石直徑是影響泥石流沖擊力的重要因素之一,控制泥石流漿液和大塊石初始速度為13 m/s,改變大塊石直徑分別為1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m,分析大塊石直徑對橋梁橫向位移的影響。圖8為不同大塊石直徑對主梁和墩頂橫向位移的影響。

由圖8可知,主梁跨中和墩頂橫向位移與大塊石直徑呈線性關系,大塊石直徑越大,主梁跨中和墩頂橫向位移越大,對橋梁橫向振動的影響越大。

圖8 不同塊石直徑對橋梁橫向位移的影響Fig.8 Influence of different rock diameter on lateral displacement of bridge

5 結論

基于流固耦合理論,建立泥石流漿液-大塊石-連續剛構橋有限元模型,研究了泥石流沖擊下橋梁的動力學行為,探討了不同泥石流特性對橋梁動力學響應的影響,得出以下結論:

(1) 泥石流漿液對橋墩的沖擊力約為泥石流漿液-大塊石耦合沖擊橋墩沖擊力的38.3%,大塊石撞擊位置處橋墩混凝土可能發生破碎。

(2) 泥石流漿液沖擊速度對橋梁橫向位移影響較大。當漿液沖擊速度為13 m/s時，主梁跨中和墩頂橫向位移分別是沖擊速度為7 m/s時的1.28倍和1.21倍。

(3) 大塊石沖擊速度對橋梁橫向位移影響顯著。當大塊石沖擊速度為13 m/s時，主梁跨中和墩頂橫向位移分別為沖擊速度7 m/s的2.02倍和1.87倍。

(4) 主梁跨中和墩頂橫向位移與大塊石直徑呈線性關系,大塊石直徑越大,主梁跨中和墩頂橫向位移越大,對橋梁橫向振動的影響越大。