CN107766613A - 桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法 - Google Patents

Abstract

桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法，以为桥墩设计提供科学依据，避免泥石流造成桥梁和桥墩断裂、垮塌和倾倒等破坏，同时可有效控制桥梁工程建设成本。该方法包括如下步骤：(1)根据荷载效应，计算大块石冲击力F_b；(2)基于冲切机理，计算桥墩冲切极限承载力F_n；(3)按照承载力极限状态设计方法，桥墩设计应满足以下条件：F_b≤F_n。

Description

桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法

技术领域

本发明涉及桥梁，特别涉及一种桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法。

背景技术

泥石流是典型的固液两相流体，物质组成十分复杂，包括很宽的颗粒级配，从微米级的细颗粒到分米级的粗颗粒，甚至到米级的大块石，其力学性质与运动特点也存在很大的差异。原位测试表明(Suwa and Okuda,1983)泥石流对结构的冲击力包括两部分：泥石流浆体的动压力和泥石流大块石的冲击力，大块石的冲击力比浆体动压力高出2-3个数量级，也是造成工程结构破坏的主要动力。众多工程实例表明，泥石流对桥墩的破坏形式的一个重要表现为泥石流及其携带的大量块石和漂砾冲击、撞击、剪断桥墩、桥台，造成桥梁和桥墩断裂、垮塌和倾倒等破坏，中断铁路行车。特别是在泥石流运动过程中，大块石以较快速度冲击桥墩时，在很短的时间(ms)内产生较大的冲击力(MN)，接触区域处于局部受力状态，极易产生冲切形式的脆性破坏。但目前能够用于指导泥石流沟桥梁设计的相关规范和技术文献很少，铁路系统没有相关的泥石流设计规范，泥石流沟桥墩设计主要依据一些经验性资料，缺乏理论依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法，以为桥墩设计提供科学依据，避免泥石流造成桥梁和桥墩断裂、垮塌和倾倒等破坏，同时可有效控制桥梁工程建设成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法，包括如下步骤：

(1)根据荷载效应，计算大块石冲击力F_b：

式中：R₁、R₂分别为大块石和桥墩等效半径；v₁、E₁分别为大块石的泊松比和杨氏模量；v₂、E₂分别为桥墩的泊松比和杨氏模量；v_b为大块石冲击速度，ρ_s为大块石的密度；

(2)基于冲切机理，计算桥墩冲切极限承载力F_n：

F_n＝F_c+F_s+F_p

式中：F_c为混凝土沿冲切荷载方向的张力分量；F_s为螺旋箍筋在冲切荷载方向上的分力；F_p为预应力钢筋束力在冲切荷载方向上的分量；

(3)按照承载力极限状态设计方法，桥墩设计应满足以下条件：

F_b≤F_n。

本发明的有益效果是，可为桥墩设计提供科学依据，避免泥石流造成桥梁和桥墩断裂、垮塌和倾倒等破坏，同时可有效控制桥梁工程建设成本。

附图说明

本说明书包括如下两幅附图：

图1、图2是圆形桥墩冲切承载力计算简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

对于桥墩结构，可采用承载力极限状态来设计，首先确定荷载效应S与结构抗力R。

(1)荷载效应S——大块石冲击力

实际工程中，为简化计算，可采用Myer公式表达大块石与桥墩之间的冲击接触特性，

F_b＝cδⁿ

式中：F_b为接触压力；δ为接触面的接触变形量；c、n为接触参数，综合反映桥墩、大块石的形状、几何尺寸与物理力学性质。二者取值可通过建立有限元数值模型，有限元参数设置如以下表1－表3：

表1滚石计算参数

R(m)	ρ(kg/m3)	E(GPa)	v
				1.0	2500	50	0.25

表2混凝土材料参数

参数名	ρ(kg/m3)	G	A	B	C	N	FC(MPa)
								数值	2400	11.147	0.79	1.6	0.007	0.61	30
参数名	T(MPa)	EPS0	EFMIN	SFMAX	PC(MPa)	UC	PL(MPa)
								数值	3.33	1	0.01	7	9.34	0.001	800
参数名	UL	D1	D2	K1(GPa)	K2(GPa)	K3(GPa)	FS
								数值	0.1	0.04	1	85	-171	208	0.8

表3钢筋材料参数

E/GPa	μ	ρ(kg/m3)	σs/MPa	T/MPa	β	C	P	FS
									200	0.3	7865	300	763	1	40	5	0.75

采用以上参数，进行多组静力压痕试验可得，

n＝1.15

其中，

式中：v₁、E_1分别为大块石的泊松比和杨氏模量；v₂、E₂分别桥墩的的泊松比和杨氏模量；R₁、R₂分别为大块石和桥墩的等效半径，对于桥墩，圆形端面直接取其半径，平面则认为R₂趋于无限大；

进而根据能量守恒原理，可得下式：

式中：m为大块石质量；V_b为大块石冲击速度；δ_max为最大接触变形量；α为大块石冲击方向与桥墩法向方向的夹角。

进一步可改写为：

式中：ρ_s为大块石的密度，其它符号同前。

求解可得压缩变形量，进而可得大块石冲击力F_b：

式中符号意义同前。

(2)结构抗力R——冲切极限承载力

在泥石流运动过程中，大块石以较快速度冲击桥墩时，在很短的时间(ms)内产生较大的冲击力(MN)，接触区域处于局部受力状态，极易产生冲切形式的脆性破坏。基于冲切机理，考虑主要影响因素的桥墩冲切承载力模型为，

F_n＝F_c+F_s+F_p

式中：F_c为混凝土沿冲切荷载方向的张力分量；F_s为螺旋箍筋在冲切荷载方向上的分力；F_p为预应力钢筋束力在冲切荷载方向上的分量。

(2.1)混凝土项

参照我国设计规范中的板的冲切承载力计算方法，这里认为冲切破坏时，破裂面上混凝土达到极限抗拉强度。混凝土沿冲切荷载方向的张力分量用下式表示：

F_c＝0.7βu_md_vf_t

式中：f_t为混凝土抗拉设计刚度；Β为代表剪压区混凝土传递剪力能力的系数；u_m为最不利计算截面的周长，不同冲击形态取值应按照相关规定；

最不利计算截面的周长u_m按如下方面确定：冲切区域认为是上部半径为a，底部半径R的不规则椎体区域，控制截面周长取距离冲击荷载作用面积周边0.5d_v处垂直截面的最不利周长，冲切面的形状按直线考虑，近似看作边长分别为D和2a+d_v的矩形截面，则有：

u_m＝4R+2D＝2(2a+2d_v+D)

d_v＝0.9d

d＝D-c-d_s/2-d_sv

其中：c为混凝土保护层厚度；d_s为纵筋直径；d_sv为箍筋直径。

传递系数β按下式计算：

β＝β_Dη

其中，η＝min{η₁,η₂},η₁＝0.4+1.2/β_s,η₂＝0.5+α_sd_v/4u_m

式中：β_D为剪切厚度影响系数，当D不大于800mm时，取1.0，当D不小于2000mm时，取0.9，其间线性插值；η₁为冲切荷载作用面积形状的影响系数；η₂为计算截面周长与有效剪切厚度之比的影响系数；βs为作用面积为矩形时长短边尺寸之比，一般不宜大于4，当β_s小于2时取2，圆形冲切面取2；α_s为冲击位置影响系数。

(2.2)箍筋项

将与斜裂缝相交的箍筋的拉力全部投影到平面上，则其在水平方向的投影之和就是极限状态下螺旋箍筋在冲切荷载方向上的分力F_s：

F_s＝∑A_svf_yv(cotθ+cotα)sinα

式中，A_sv为单位间距内箍筋截面积；f_yv为箍筋强度；θ为冲切角，θ＝45°；α为螺旋箍筋与垂直方向的夹角，对于普通双肢箍筋α＝90°。

(2.3)预应力钢筋项

预应力钢筋束力在冲切荷载方向上的分量F_p按下式计算：

F_p＝∑A_pσ_psinβ_p

式中，A_p为预应力钢筋的横截面积；σ_p为预应力钢筋的张应力；β_p为预应力钢筋与冲切裂缝的夹角。

(3)最后根据承载力极限状态设计方法，荷载效应S和结构抗力R满足状态方程Z＝R-S<0时，结构处于失效(破坏)状态。桥墩设计应满足以下条件：

F_b≤F_n。

Claims (6)

1.桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法，包括如下步骤：

(1)根据荷载效应，计算大块石冲击力F_b：

式中：R₁、R₂分别为大块石和桥墩等效半径；v₁、E1分别为大块石的泊松比和杨氏模量；v₂、E₂分别为桥墩的的泊松比和杨氏模量；v_b为大块石冲击速度，ρ_s为大块石的密度；

(2)基于冲切机理，计算桥墩冲切极限承载力F_n：

F_n＝F_c+F_s+F_p

式中：F_c为混凝土沿冲切荷载方向的张力分量；F_s为螺旋箍筋在冲切荷载方向上的分力；F_p为预应力钢筋束力在冲切荷载方向上的分量；

(3)按照承载力极限状态设计方法，桥墩设计应满足以下条件：

F_b≤F_p。

2.如权利要求1所述的桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法，其特征是：所述步骤(2)中，混凝土沿冲切荷载方向的张力分量F_c按下式计算：

F_c＝0.7βu_md_vf_t

式中：f_t为混凝土抗拉设计刚度；Β为代表剪压区混凝土传递剪力能力的系数；u_m为最不利计算截面的周长，不同冲击形态取值应按照相关规定。

3.如权利要求2所述的桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法，其特征是：所述步骤(2)中，最不利计算截面的周长u_m按如下方面确定：

冲切区域认为是上部半径为a，底部半径R的不规则椎体区域，控制截面周长取距离冲击荷载作用面积周边0.5d_v处垂直截面的最不利周长，冲切面的形状按直线考虑，近似看作边长分别为D和2a+d_v的矩形截面，则有：

u_m＝4R+2D＝2(2a+2d_v+D)

d_v＝0.9d

d＝D-c-d_s/2-d_sv

其中：c为混凝土保护层厚度；d_s为纵筋直径；d_sv为箍筋直径。

4.如权利要求2所述的桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法，其特征是：所述步骤(2)中，传递系数β按下式计算：

β＝β_Dη

其中，η＝min{η₁,η₂},η₁＝0.4+1.2/β_s,η₂＝0.5+α_sd_v/4u_m

式中：β_D为剪切厚度影响系数，当D不大于800mm时，取1.0，当D不小于2000mm时，取0.9，其间线性插值；η₁为冲切荷载作用面积形状的影响系数；η₂为计算截面周长与有效剪切厚度之比的影响系数；βs为作用面积为矩形时长短边尺寸之比，一般不宜大于4，当β_s小于2时取2，圆形冲切面取2；α_s为冲击位置影响系数。

5.如权利要求2所述的桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法，其特征是：所述步骤(2)中，螺旋箍筋在冲切荷载方向上的分力F_s按下式计算：

F_s＝∑A_svf_yv(cotθ+cotα)sinα

式中，A_sv为单位间距内箍筋截面积；f_yv为箍筋强度；θ为冲切角，θ＝45°；α为螺旋箍筋与垂直方向的夹角，对于普通双肢箍筋α＝90°。

6.如权利要求2所述的桥墩抗泥石流大块石冲击设计方法，其特征是：所述步骤(2)中，预应力钢筋束力在冲切荷载方向上的分量F_p按下式计算：

F_p＝∑A_pσ_psinβ_p

式中，A_p为预应力钢筋的横截面积；σ_p为预应力钢筋的张应力；β_p为预应力钢筋与冲切裂缝的夹角。