泥石流-结构相互作用下大跨高墩连续刚构桥动力响应分析

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作为公路工程中较为常见的地质灾害,泥石流尤其在地震、暴雨、暴雪后频频发生,其易发区域主要分布于我国西南山区。采用架设桥梁跨越泥石流区的方式常作为山区公路建设的最优选择之一,由于山区地形较为多样,地势起伏大,常采用大跨高墩连续刚构桥这种桥型,那么就不可避免会遇到泥石流冲击桥梁的问题。当泥石流作用严重时,会导致下部结构发生破损甚至倾覆。为了确保泥石流发生后桥梁等结构物还能具有足够的可靠度,开展大跨高墩连续刚构桥在泥石流冲击作用下的力学响应研究具有重要的理论意义和工程应用价值。为此本文研究内容如下:(1)首先概述了泥石流对桥梁的危害方式以及研究现状,指出当前研究中存在的问题。论文接着介绍了泥石流流变特性中流速、冲击力等参数的计算方法、泥石流运动模型以及流体与固体计算理论。(2)结合云南某高速公路上的一座连续刚构桥为实际工程背景,以双向流固耦合理论为理论指导,采用宾汉体模型对浆体进行模拟,通过CFD软件Fluent建立泥石流浆体作用连续刚构桥耦合分析模型,分析流域范围内浆体的分布特点与运动规律,在此基础上考虑荷载参数中流速与黏度、结构参数中墩截面形式与系梁设置等参数的变化对结构的力学响应与损伤特点的影响。(3)基于赫兹碰撞理论与能量守恒定律,采用刚性体模拟块石,运用Workbench中LS-DYNA计算板块对泥石流大块石作用连续刚构桥进行碰撞分析,探讨大块石物理属性中的初始冲击速度与体积质量、结构物承载能力中的混凝土强度等因素的变化对结构动力响应与损伤破坏的影响,论文最后将浆体与块石对结构的动力响应结果进行分析对比。主要结论如下:液相浆体是使结构发生变形的主要因素,块石影响较小;速度较大时,单个固相块石的冲击力就已经超过浆体的整体作用。本文通过对泥石流-结构相互作用下的大跨高墩连续刚构桥动力响应进行研究,最终得出了连续刚构桥在泥石流作用下的桥梁结构力学响应与损伤特点,进而有针对性地提出相应的安防措施,降低了桥梁在泥石流冲击作用下出现落梁、倾覆甚至坍塌的风险,为泥石流易发区的桥梁结构设计和施工提供了一定的参考和借鉴意义。
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