某组合梁钢桥桥墩的抗滚石冲击性能分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：何思祺（2001），女，汉族，福建福州人，大学本科学历，研究方向为土木工程。-90-某组合梁钢桥桥墩的抗滚石冲击性能分析 何思祺 马宇轩 宋长诺 盐城工学院，江苏 盐城 224051 摘要：摘要：近年来，随着经济迅速发展和施工技术的不断革新，多种新型桥梁结构应运而生。新型管翼缘组合梁把传统的钢-混组合梁中的工字钢的平钢板上翼缘用钢管混凝土代替的新型组合结构。本文通过有限元软件 ABAQUS 对某双薄壁箱型截面钢桥墩进行抗冲击性能分析，分析在不同冲击物直径、不同冲击速度、冲击位置下桥墩的动力响应情况，为桥梁的设计工作提供参考。关键词：关键词：钢桥墩；滚石；抗冲击；有限元分析 中图分类号：中图分类号：TU445 0 引言 钢桥墩采用双薄壁箱型截面，由顶底板、腹板、横隔壁和加劲肋组成，加劲肋与横隔板钢材采用Q345qENH,其余采用 Q500qENH，桥墩的标准断面如图 1所示，桥墩纵向宽度为 2100mm，横桥宽度为 2600mm，截面厚度均为 30mm，纵向加劲肋采用板肋，纵向加劲肋厚度为 20mm，宽度为 200mm，墩底 5m 范围内埋入 C40混凝土。钢桥墩之间采用横联连接。图 1 桥墩标准断面图 为了准确分析桥墩在落石冲击荷载下的动力响应情况，钢桥墩采用实体单元进行建模，因分析的重点为桥墩，在进行分析时把滚石模拟成球状，且不考虑滚石的变形，把滚石设置为刚体进行分析。1 冲击物直径影响 1.1 冲击力分析 滚石的直径与冲击力呈线性增加的关系，滚石的直径越大，质量越大，冲击力越大，当落石直径从 0.6m增加到 1.5m 时，冲击力增加了 4.85 倍，滚石的直径对冲击力的影响较大。1.2 位移分析 随着滚石直径的增加，桥墩的冲击点处位移和墩顶位移也呈增大的趋势，且滚石的直径越大增长速率越快，当滚石直径为 0.6m 时，墩顶的位移大于冲击点处的位移，主要是因为滚石的质量较小时，冲击能较小，结构处于弹性状态，此时桥墩的受力状态类似于一端固结的悬臂梁，墩顶由于受到冲击的振动作用，产生一定的位移，但当滚石质量不断增大，冲击点处逐渐进入塑性状态，冲击点处的位移主要是由冲击点处的变形所产生。1.3 应力分析 随着滚石直径的不断增加，钢桥墩的最大等效应力不断增加，当滚石的直径为 0.6m 时，钢桥墩的最大等效应力为 162.6MPa，桥墩处于弹性阶段，发生在冲击点的纵向加劲肋处，作用范围较小。随着滚石直径的不断增大，加劲肋的应力不断增加，并由弹性阶段进入塑性阶段，当钢材进入塑性阶段后，冲击点的最大等效应力的增长率变小，但冲击点处的应力沿纵向加劲肋逐渐向两边发展，受冲力影响的范围越来越大。当滚石的冲击半径不断增大时，横联的最大等效应力也不断增加，横联的最大应力都出现在横联和桥墩接触的角点，有明显的应力集中现象，当滚石直径为 1.5m时，加劲肋进入塑性状态，横联的应力急剧增大，桥墩处于不利的受力状态。2 冲击速度影响 2.1 冲击力分析 滚石的冲击速度是滚石运动过程中一项重要的影响因素，不同的冲击速度对结构产生的冲击响应也不同，本文以直径为 1.0m 的球分别以 10m/s、15m/s、中国科技期刊数据库 工业 A-91-20m/s、25m/s 的冲击速度撞击桥墩，冲击位置为距离墩底 5m，计算得到不同冲击速度下的冲击力，见表 1，图 2 为不同冲击速度与冲击力的关系图。表 1 不同冲击速度下冲击力峰值 冲击速度（m/s）10 15 20 25 冲击力（kN）4967 6519 8207 9838 图 2 不同冲击速度下冲击力峰值 由表 1 和图 2 可以明显看出，滚石冲击速度越大，冲击力越大，且冲击力与冲击速度基本呈线性变化，当滚石的冲击速度为 10m/s 时，冲击力峰值为 4967kN，当冲击速度为 15m/s 时，冲击力峰值为 6519kN，增加了 31.2，当冲击速度增加到 20m/s 时，冲击力峰值为 8207kN，相对于 15m/s 时增加了 25.9，当冲击速度增加到 25m/s 时，冲击力峰值为 9838kN，相对于20m/s 时增加了 19.8，可以看出，滚石速度越大，其动能越大，冲击力也随之增大。2.2 位移分析 分别分析滚石不同冲击速度下的墩顶最大位移和冲击点处最大位移，得到不同冲击速度下结构的两处位移峰值，见表 2，图 3 为不同冲击速度下的位移峰值图。表 2 不同冲击速度下位移峰值 冲击速度（m/s）10 15 20 25 冲击点最大位移（mm）4.1 6.1 7.5 9.1 横联最大位移（mm）7.2 12.7 18.1 23.7 图 3 不同冲击速度下位移峰值 由表 2 和图 3 可知，随着冲击速度的增加，桥墩的冲击点处位移和墩顶位移呈线性增加，墩顶处的位移增长速率明显小于冲击点处的位移增长速率，对比墩顶位移和冲击点处位移可知，由于冲击力较大，冲击点的变形较大，冲击点处位移相对较大，该桥墩的墩顶位移相对较小，说明桥墩的整体刚度大。2.3 应力分析 对钢桥墩的应力进行分析，得到的冲击点和横联的最大应力如表 3 所示。表 3 不同冲击速度下桥墩最大等效应力 冲击速度（m/s）10 15 20 25 冲击点处最大等效应力（MPa）267.6 360.6 366.1 370.8 横联最大等效应力（MPa）161.3 183.8 234.8 282.3 由表中数据可知，随着冲击速度的不断增加，钢桥墩的最大等效应力不断增加，当冲击速度为 10m/s时，钢桥墩的最大等效应力为 267.6MPa，发生在冲击点的纵向加劲肋处。随着冲击速度的不断增大，加劲肋的应力不断增加，并由弹性阶段进入塑性阶段，当结构进入塑性状态后，最大等效应力的增长率逐渐变小，冲击点处的应力沿纵向加劲肋逐渐向两边发展，桥墩受冲力影响的范围越来越大。当冲击速度不断增大时，横联的最大等效应力也不断增加，横联的最大应力都出现在横联和桥墩接触的角点，有明显的应力集中现象。3 滚石撞击位置的影响 由于山坡滚石的滚落轨迹具有不确定性，桥墩的各个位置都有可能受到滚石的冲击，本节分别对钢桥墩进行不同撞击位置的参数分析，桥墩高 15m，分别对桥墩距墩底 2.5m、5.0m、7.5m、12.5m 处的点进行分析。3.1 冲击力分析 本节分析滚石撞击位置对冲击力的影响，得到在不同冲击高度下冲击力的峰值，如表 4 所示。表 4 冲击荷载作用下桥墩最大冲击力 冲击高度（m）2.5 5 7.5 12.5 冲击力（kN）4915 4967 4918 4937 由表中数据可以明显看出，在不同冲击位置下，冲击力基本保持不变，究其原因主要是因为落石的质量和冲击速度都相同，根据能量守恒定理，冲击力基本保持一致，因此，可以得出落石的冲击位置对被冲击物受到的冲击力影响较小。中国科技期刊数据库 工业 A-92-3.2 位移分析 本节分别分析滚石冲击下墩顶的最大位移和冲击点处最大位移，得到不同冲击速度下两处的位移峰值，见表 5。表 5 冲击荷载作用下墩顶位移峰值 冲击高度（m）2.5 5 7.5 12.5 墩顶位移（mm）1.4 4.15 8.9 31.9 冲击点处位移（mm）2.4 7.2 22.6 32.4 当冲击位置为 2.5m 时，冲击点处和墩顶的位移较小，主要是因为桥墩墩顶 5m 内填混凝土，混凝土吸收部分的冲击能，墩顶受到的振动较小，所产生的位移较小。对比 7.5m 和 12.5m 下墩顶和冲击点处的位移可以看出，越靠近墩顶，冲击点处和墩顶的位移就越大，当滚石冲击 12.5m 高度处时，墩顶和冲击点处的位移最大，墩顶的位移为31.9mm，冲击点处的位移为32.4mm。3.3 应力分析 对桥墩进行应力分析，得到在不同冲击位置处桥墩的最大等效应力，发现冲击点处的应力较大，桥墩的横联受力也比较明显，对钢桥墩冲击点处和横联的应力进行分析，得到的最大应力如表 6 所示。表 6 冲击荷载作用下桥墩的最大等效应力 冲击高度（m）2.5 5 7.5 12.5 冲击点处最大等效应力（MPa）220.3 267.6 346.9 359.9 横联最大等效应力（MPa）57.17 161.3 167.4 250.0 可以看出，当桥墩受到滚石冲击作用时，等效应力集中分布在冲击点处附近，当冲击高度为 2.5m 时，等效应力主要分布在桥墩的墩底部分，此时冲击点处的混凝土被压坏，钢材处于弹性阶段，当冲击高度为5m 时，由于该点处于混凝土和纵向加劲肋的交接处，混凝土作用的范围较小，局部被压坏，此时冲击点处的最大等效应力为 267.6MPa，墩底最大应力为28.43MPa，当冲击高度为 7.5m 时，此时冲击点处没有混凝土，内部纵向加劲肋作为主要受力构件，冲击点处的加劲肋应力较大，且应力向两端扩散，冲击点处的最大等效应力为 346.9MPa，当冲击高度为 12.5m 时，冲击点处的最大应力与冲击高度为 7.5m 时相差不大。滚石撞击桥墩不同部位时，冲击点处的应力较大，当冲击位置内部填充混凝土时，混凝土被破坏，纵向加劲肋的应力相对较小，当冲击位置内部没有混凝土时，冲击点处的纵向加劲肋桥作为主要受力构件，应力较大，当受冲击荷载作用时横联出现应力集中现象，当桥墩受到多种荷载作用时，横联容易发生破坏。4 小结 文章通过数值模拟的方法对滚石撞击双薄壁箱型钢桥墩进行参数化分析，分析了不同冲击物直径、不同滚石速度、不同滚石撞击位置下桥墩的动态响应。主要结论如下：（1）分析滚石直径对桥墩的影响发现，冲击力和滚石直径基本呈线性的增加趋势，当滚石直径较小时，冲击点处的位移较小，桥墩的墩顶位移略大于冲击点处的位移，随着滚石直径的不断增加，冲击点处的位移明显增大，墩顶的位移也随之增加。（2）滚石冲击的速度对桥墩影响较大，冲击力随着冲击速度呈线性增加，墩顶和冲击力处的位移随着速度的增大而增加，墩顶位移的增长速率小于冲击点处位移的增长速率。（3）分析滚石冲击位置对桥墩的影响发现，冲击位置对冲击力的影响较小，滚石撞击位置对桥墩顶部位移影响较大，滚石撞击位置越靠近桥墩墩顶，墩顶的最大位移越大。滚石冲击不同位置时，应力都集中在冲击点附近，随着撞击过程的进行，等效应力逐渐向冲击点的两端发展。当冲击点处内部填充混凝土时，混凝土局部被压坏，加劲肋的应力较小，当冲击点处内部无混凝土时，冲击点处的最大等效应力基本保持不变。（4）冲击点处的最大等效应力随着滚石直径和冲击速度线性增加，当加劲肋进入塑性状态后，最大等效应力增长速率变小，但应力作用的范围越来越大，应力沿冲击点逐渐向墩顶和墩底扩散。（5）当桥墩受到滚石冲击作用时，横联与桥墩的接触位置出现了明显的应力集中现象，横联的应力随着滚石直径、冲击速度的增加而不断增加，冲击速度和滚石质量越大时，横联的应力集中现象越来越明显，当加劲肋进入塑性状态后，横联的应力急剧增大，在进行同类桥墩的设计时，对于横联与桥墩的接触位置的受力情况应着重考虑。参考文献 1张佳宁,解珂,阳波,胡锦鹏,周鹏.山区桥梁双柱式高墩受滚石撞击的影响分析J.科学技术创中国科技期刊数据库 工业 A-93-新,2020(03):114-115.2罗征,王银辉.滚石撞击桥墩动力响应试验J.中国公路学报,2017,30(9):78-85.3谭良彪.滚石冲击桥墩的破损机理及桥墩的受力特征研究D.绵阳:西南科技大学,2022.4吴卫国,姜河蓉,杨茨祥.桥墩防护装置在船舶撞击载荷作用下的动态响应分析J.武汉理工大学学报,2004(4):482-484.5王起台,任根立.钢桥施工与养护技术的应用研究J.河南科技,2022,41(15):91-94.