山区桥墩在泥石流冲击作用下的响应分析

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泥石流灾害在我国西南山区分布十分广泛且发生频繁,给人民群众的生命财产安全带来了巨大的威胁。随着我国西部大开发、“一带一路”和交通强国等战略的实施,西南地区的公路、铁路等基础设施大规模建设,有越来越多公路、铁路穿越西南地形复杂的山区。由于山区地形复杂,公路、铁路在跨越山区时,最常用到的就是桥梁和隧道,我国许多公路、铁路线路中其占比甚至超过70%。其中,因为桥梁作为跨越结构较多,遭受泥石流冲击的频率也同比增高。桥梁遭受泥石流灾害时,桥墩是受泥石流冲击作用的直接作用部位,其受到的外荷载是巨大的。桥墩若被冲毁,会导致桥梁倒塌、交通中断,造成巨大的经济损失。本文以巫山泥石流和沟口穿过的公路桥作为研究对象,通过研究泥石流基本特征和动力特征,并结合流固耦合等基本理论,运用ANSYSWORKBENCH软件,对桥墩在泥石流作用下的动力响应进行分析研究,并提出有针对性的防灾措施。具体内容和结论如下:
  (1)简述了泥石流冲击作用的国内外研究现状,以巫山泥石流为研究对象,从地形条件、物源条件和水源条件分析泥石流的形成机理,得到巫山泥石流属于低频、暴雨、坡面泥石流,处于发展期,可参与泥石流的松散可移动物质丰富,在暴雨工况等工况下发生泥石流灾害的概率很高。介绍并计算了泥石流的主要动力学特征参数。
  (2)在上述分析论证的基础上,利用有限元软件ANSYSWORKBENCH,运用相关的流固耦合数值模拟方法,研究了三种桥墩,即双柱式墩、实心墩和空心墩在流场中的响应。得到了在泥石流流速不同的情况下,三种桥墩在流固耦合模拟计算中泥石流的体积分布情况、流线分布情况、基底压强分布情况等,并结合桥墩的位移和应力的变化,对桥墩进行防护措施分析。
  (3)运用ANSYSWORKBENCH软件的瞬态动力分析模块,进行了泥石流冲击荷载作用下桥墩的响应分析,桥墩发生位移的主要因素是泥石流整体冲击力的作用。大块石冲击力作用会加剧桥墩的位移增大,且大块石冲击作用点处出现的应力集中现象。除大石块作用点外,桥墩其他位置的应力主要来源于泥石流整体冲击力。
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