泥石流对桥墩的冲击作用研究

作     者：覃月璋 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李亚东

授予年度：2014年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0837[工学-安全科学与工程] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：泥石流 桥墩 冲击作用 流固耦合 数值模拟 

摘      要：泥石流是山区常见的自然灾害,而我国国土面积约有三分之二是山区地形,因此泥石流在我国,特别是西部地区分布相当广泛,灾害比较严重。随着我国山区经济的发展和环境污染的加剧;公路、铁路中的桥涵等工程设施遭受泥石流灾害的概率亦随之增加。桥梁作为道路的关键部位,一旦被泥石流冲毁,就会造成长时间的交通中断和巨大经济损失。因此,为了减小桥梁结构在泥石流冲击作用下的损坏,保障人们的生命安全,分析桥墩在泥石流冲击作用下的响应有着重要的理论意义和实用价值。 本文首先简要介绍了泥石流的基本特性,研究了影响泥石流冲击作用的重要参数,对泥石流模拟的物理模型、数学模型和湍流模型等三种计算模型进行深入分析。在此基础上,一方面采用ANSYS瞬态分析模拟了泥石流中的整体冲击力和和大石块冲击力对桥墩的影响,另一方面采用ANSYS Workbench模拟了泥石流与桥墩的流固耦合,最终得到如下结论： （1）泥石流整体冲击力是桥墩的产生位移的主要因素,同时桥墩位移会因大石块的冲击进一步增加,增加量可达60%多。 （2）桥墩的应力、位移主要受到泥石流的容重、速度以及桥墩自身刚度的影响。当同一桥墩在泥石流冲击作用下时,其最大位移会随着泥石流流速的增加、容重的增大而相应增大。 （3）当桥墩受到冲击时,桥墩承受冲剪形式的荷载,墩底会出现较大的拉应力,如果此时墩底配筋不足,混凝土可能会开裂,甚至破坏;同时,桥墩受到大石块冲击的位置会出现明显的应力集中。 （4）通过计算流体动力学软件对泥石流对桥墩的冲击作用进行了数值模拟,得到了泥石流的体积分布情况、速度流线图和桥墩所受压力图,对泥石流冲击作用下桥墩的防护有着理论意义和工程参考价值。 （5）将泥石流体考虑为均质体计算出冲击力的结果,与《泥石流灾害防治工程设计规范》中的计算公式计算的结果相比,约偏小30%。 （6）相同横截面积的圆端形和矩形桥墩,在相同条件的泥石流冲击作用下,在相同条件的泥石流的冲击作用下,矩形桥墩所受冲击力远大于圆端形,约为其1.5倍,并且在墩底拐角处出现了明显的应力集中,应力和位移也远大于圆端形桥墩,桥墩可能会出现局部破坏,因此,在泥石流灾害易发区,如果架设桥墩宜采用圆端形桥墩。