山洪作用下高速铁路桥梁动力响应研究

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随着我国交通的路线网不断扩展,高速铁路建设逐渐延伸至西南山区。该地区河流众多,地质环境极其复杂,因强降雨或堰塞湖溃决所引起的山洪时有发生。为了保障已有线路的安全运营,本文以两跨不等墩高的32.6m高速铁路简支梁为研究对象,通过计算分析了在基础无冲刷环境下,桥梁下部结构周围流场分布情况和流水压力荷载。考虑到高速铁路桥梁在服役多年以后,基础会形成一定深度的冲刷坑,进一步揭示了山洪流速、高度和基础冲刷深度的变化对桥梁动力响应和桩基内力的影响规律。主要研究内容及结论如下:(1)在介绍计算流体力学和湍流模型理论的基础上,通过采用MESHING和FLUENT软件建立了山洪环境下桥墩结构周围水动力学数值仿真模型,并选取标准的k-ε两方程湍流模型来求解流场的速度分布情况和流水压力荷载。基于基础冲刷深度计算理论,结合本桥所处位置的地质情况,得出了基础在设计流量下可能出现的最大冲刷深度。研究了桥梁基础出现不同冲刷深度的环境时,下部结构周围流场和流水压力荷载的变化规律。(2)阐述了桩土相互作用和群桩效应的基本理论,在此基础上,采用ABAQUS建立了主梁-桥墩-群桩结构动力分析模型。基于流固耦合的原理和控制方程的求解方法,采用第三方软件MPCCI搭建多物理场的中间数据交换平台,将流体的计算结果数据实时传递到所建立的结构模型中,从而完成了山洪作用下高速铁路桥梁瞬态动力分析模型的建立。(3)通过研究发现,桥梁在受到不同流速、高度的山洪冲击作用时,桥墩的动力响应随时间变化的总体规律基本一致,具体表现为:在山洪冲击桥墩的瞬间,下部结构立刻发生横向变位和振动。在t=0.06s时,墩顶的横向振动加速度达到峰值;在t=0.16s时,墩顶的横向位移达到峰值。在横向位移和振动加速度达到峰值以后,二者均呈周期形式迅速衰减。在t=2.0s以后,横向位移会在某一个不为零的值来回振荡,而振动加速度会在0m/s~2之间来回振荡。随着山洪流速、高度的增加,墩顶的横向位移和加速度的峰值、最后稳定值均增大。(4)在研究山洪冲击作用下群桩基础内力情况时,由于桩基的自由长度相对较短,山洪冲击引起的流水压力荷载对群桩基础中各个单桩产生的弯矩较小,远远小于其本身的抗弯承载力。对于最不利单桩的内力来说,在不同流速、高度的山洪作用时,桩基弯矩沿桩身深度方向的分布规律具体表现为:最大正弯矩始终出现在桩基顶部;因桩基周围承受土的支撑作用,使得桩基负弯矩区的长度大于正弯矩区的长度,且最大负弯矩值要小于最大正弯矩值。随着山洪流速的增加,弯矩值为零的位置逐渐上移,而桩身最大负弯矩的位置逐渐下移;桩基的最大正、负弯矩值均增大,但最大正弯矩增加的量值较大,导致最大正、负弯矩之间的差值逐渐增大。随着基础冲刷深度的增加,桩身最大负弯矩的位置随之逐渐下移;下部负弯矩区受冲刷深度的影响要比上部正弯矩区明显,最大负弯矩增加的量值较大,使得最大正、负弯矩之间的差值逐渐缩小。
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