特大洪水对桥梁冲击力学分析

1、11毕 业 论 文题目 特大洪水对桥梁冲击的力学分析学院（全称） 土木建筑学院 专业 、年级 理论与应用力学 学 生 姓 名 吴 禹 学 号08460128指 导 教 师 李 晓 红 论文评阅人 前 言桥梁是道路跨越河流的主要形式，它起到保障公路运输畅通和排泄洪水的作用。至今桥梁水毁仍是世界各国桥梁破坏最主要的原因，而其水毁形式多样，有的冲毁桥墩、桥台导致上部结构破坏，有的冲断桥头路堤和流堤等调治构造物，中断交通，威胁两岸安全。桥梁墩台是直接修建在河道或海湾之中的，一旦水毁，修复困难，后果也较严重1。位于平昌县白衣镇的白衣大桥， 在2007年该区域发生的百年一遇的“7.6”大洪灾中，桥墩在建造

2、过程中因受到该洪水的冲击导致垮塌，该事件对社会产生了极大影响，并导致工程停工9个月。这只是一个典型的例子，国内外其他地区发生桥梁水毁的事例不在少数。因而人们对现代桥梁的水毁防治越来越重视，发生水毁的原因与如何避免桥梁结构发生水毁已成为国内外学术界、工程界研究的热点。桥梁的水毁的防治应着眼于预防，避免水毁的发生。对于绝大多数的桥梁这也是可以做到的。要做好对桥梁的水毁防治工作，就先要全面深入的研究水流特别是洪水对桥梁产生的作用影响，这也是本课题的落脚点，通过对洪水冲击桥墩的力学性能分析，充分认识到受冲击的桥墩的受力情况、位移变形、受拉产生的裂缝及进行宽度计算，以此为基础，把握水毁本质，为水毁防治工

3、作提供依据和采取的措施。本文研究的重点在于以受到洪水冲击的白衣大桥桥墩为背景，建立桥墩的三维空间有限元模型，对其在四种不同荷载工况下的第一主应力、Mises等效应力、墩高方向的位移与全桥变形、前墩墩底的受拉区裂缝进行分析并计算桥墩失去承载能力的临界水流下的裂缝宽度，根据计算分析结果，找出威胁桥墩安全的主要因素，提出关于提高桥墩抵抗洪水冲击的建议与措施。选定荷载、确定结构计算模式和结构分析计算是本文对洪水冲击作用下的桥墩进行分析计算的三个主要部分。在这其中，通过相关资料的阅读，本文将桥墩分为施工状态和成桥状态，第三章分别分析了在这两种状态下应考虑的荷载及荷载组合，介绍了不同荷载的计算方法与公式；

4、第四章，主要采用数值方法对桥墩进行了模型建立与计算求解。在进行有限元分析时，本文通过合理的方式离散化结构，完成了对由钢筋和混凝土这两种性质迥异的材料组合的钢筋混凝土的模拟。其中考虑到本试验要模拟混凝土开裂的情况，本文通过在Ansys中对材料开裂强度、压碎强度及等效应力-应变关系的定义完成了对结构的非线性分析；第五章，文章对不同的工况，分别对桥墩进行了力学性能分析。确定了桥墩失去承载能力的临界水流速度，并对不同的工况下桥墩的力学性能进行了对比，找到了不同荷载组合下桥墩在失去承载力过程中各自的I特征。本文比较清晰地书写了相关问题的模型建立、力学分析以及对此提供的建议与措施，为此类桥墩水毁问题的力学

5、分析及防治提供了参考。目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 白衣大桥简介11.2 洪水对桥梁的不利影响及水毁的原因11.3水流特征及水流冲刷21.4 桥墩冲刷31.5 研究洪水冲击桥梁的意义31.6 桥梁水毁实例4第2章 盖梁支座处最大竖向作用力计算52.1 横向分布系数计算52.2 桥梁博士建模72.2.1 输入单元信息72.2.2 输入施工阶段信息82.2.3数据诊断与执行计算92.3计算各片主梁的最大支座反力（盖梁的上部荷载最大竖向作用力）112.4 本章总结12第3章 桥墩上一般荷载和作用力的计算143.1 作用在桥梁墩台上的荷载及组合143.2 桥梁上部结构恒载、活

6、载竖向作用力143.3 结构自重153.4 动水压力153.5 漂流物横桥向撞击力163.6 支座摩阻力173.7 浮力及渗透压力173.8荷载组合183.9 本章总结19第4章 Ansys模型建立与求解计算204.1 模型的基本资料204.2 模型的相关材料属性参数204.3钢筋混凝土结构的模拟234.4 模型建立244.5 模型的求解计算294.6 本章总结30第5章 计算结果分析315.1 关于洪水315.2 关于裂缝315.3 关于应力结果的输出类型325.4 盖梁335.5 横系梁345.6 工况一的结果分析345.7工况二的结果分析375.8工况三的结果分析395.9工况四的结果分

7、析425.10 本章总结45第6章 结论和展望466.1 存在的问题与展望466.2 结论476.3 采取的措施48致 谢49参考文献502012届 理论与应用力学专业毕业设计 摘 要本文以白衣大桥为背景，以大型通用有限元计算软件Ansys为平台，建立了桥墩的三维空间有限元模型，重点对其在不同荷载工况下的应力、Z轴方向位移、全桥变形、混凝土受拉区裂缝及裂缝宽度进行了研究。本文对洪水作用下的桥墩的分析计算主要分为三个部分：选定荷载、确定结构计算模式和结构分析计算。本文详细描述了洪水环境下应考虑的荷载及荷载组合，介绍了不同荷载的计算方法与公式；通过合理的方式离散化结构，完成了对由钢筋和混凝土这两种

8、性质迥异的材料组合的钢筋混凝土的模拟，并且通过定义相关材料的等效应力-应变关系与破坏准则，完成了对结构的非线性分析；对不同的工况，分别对桥墩进行了力学性能分析并对其结果进行了对比，确定了桥墩失去承载能力的临界水流速度，找到了不同工况下桥墩在失去承载力过程中各自的特征；最后根据桥墩的力学分析结果，提出了关于桥墩水毁的建议及防治措施。关键词：洪水，桥墩，有限元，钢筋混凝土 ABSTRACTIn this paper, established three-dimensional finite element model for bridge pier by large general-purpose

9、 finite element calculation software ansys. Focus of the stress, the Z-axis displacement, full-bridge deformation and crack width of concrete tensile zone study in different load cases. Calculation and analysis of bridge pier under the flood is mainly divided into three parts: select load, determine

10、 the structure of computing model, analysis and calculate structure. This article described in detail the loads and load combinations that should be considered in the flood environment, introduced different load calculation methods and formulas; completed simulation of reinforced concrete which is c

11、omposed of two different material by reasonable discrete structure way and completed a nonlinear analysis of the structure by delimiting related materials such as stress-strain relations and failure criteria. Mechanical properties analysis was carried out on the pier with different load cases, deter

12、mined the critical flow velocities of the pier lost carrying capacity, and founded their respective characteristics under different conditions. Finally put forward the recommendations and prevention measures on the pier with outbreaks of flood.KEY WORDS: flood, bridge pier, finite element analysis,

13、reinforced concrete第1章 绪论1.1 白衣大桥简介白衣大桥位于四川省平昌县白衣镇，白衣大桥距下游白衣古镇约2公里，上游距平昌县城约17公里。该桥为14-30米预应力T形梁桥结构+3跨现浇板，桥长474延米，桥面宽9.5米，预算投资1950万元。在2007年“7.6”洪灾将该桥部分桥墩冲毁，导致停工9个月。该洪水是160年来特大洪水，桥墩在建造过程中受到了该洪水的冲击导致了垮塌现象的发生，由于大桥正处于建造阶段，并未通车所以并没有造成重大人员伤亡。但是，此次事故导致了工期延长，未能尽早的通车方便人民群众。1.2 洪水对桥梁的不利影响及水毁的原因洪水对桥梁的不利影响1）冲刷造成

14、桥墩深陷和倾覆对桥梁使用和安全危害最大的是洪水对桥梁墩台附近及桥下断面的冲刷。建桥后，桥梁墩台附近床面总的冲刷深度，一般由河床的自然演变冲刷、桥下断面的一般冲刷及桥梁墩台周边的局部冲刷这3部分的总和组成。2）洪水漂浮物对桥梁的冲撞在有流冰、漂木、泥石流等漂浮物的河流中，会增加桥墩额外的负担，对桥梁产生不利影响。水毁的原因1)直接人为因素主要是桥位设计不合理，水文水力计算有误；下部基础型式选择不当，忽视调治构造物的设置或设置不当；防护工程不坚固或防护不到位；施工质量差，维修养护工作粗放、不科学。2）间接人为因素专业人员匮乏，技术力量不足；无法可依，缺少必要的规范；设计标准偏低，抵御超标准洪水侵袭

15、的能力有限；养护维修经费不足，历史欠账太多；不尊重科学技术，长官意识严重；自然生态环境恶化，水土流失严重；开山采石的废料或违章建筑堵塞河流，抬高水位，延长桥头引道或河滩路堤受水浸泡的时间。3）自然因素大多数桥梁孔径长度和基础埋置深度承受不住超标准洪水流量和流速对自身的抵御能力。水位高，浸泡时间长，因而水毁2。1.3水流特征及水流冲刷1）河道中水流的特征在自身重力和其他外力作用下，会沿着作用力方向流动。我们把流动的水称为水流。当我们观察水流内部时，会发现水流各点瞬时流速随着时间、地点的不同而不断改变，并且其流动方向也时刻在改变。这种因时因地不断改变流速的大小和方向的水流称为紊流。天然河道中的水流

16、一般都是程度不同的紊流。由于天然河道河床的多变性，使得河道中的水流瞬息万变，由无数个相互作用的小漩涡沿着河床螺旋式向下流动。水流和河床间长期互相作用的结果，使河床发生了冲刷和淤积现象。2）水流冲刷水流运动是一种机械运动，它必然遵循自然界中一切机械运动规律，所以水流和河床长期相互作用的结果，使河床一部下凹称之为冲刷，另一部分凸起称之为淤积。因为水流运动对河床产生一个冲击力，冲击力的大小取决于水流的流速和流量。天然河床多为泥沙组成，泥沙颗粒的大小，决定了泥沙在水流中的动态。当泥沙颗粒自重力和颗粒间的吸附力大于由水流冲击力对泥沙产生的推力和水浮力时，泥沙不会被冲动，而处在原地不动。相反，当自重力和吸

17、附力小于水流的推力和浮力时，泥沙会被水流冲走。被冲动的河床泥沙随着水流运动的形式有：以滚动和跳跃为主要运动形式的叫推移质；浮游在水中和水流一起流动的叫悬移质，水流中含有一同运动的推移质和悬移质的多少，称为水流的夹砂能力或输砂能力。实践表明，水流对河床的冲淤现象，不但取决于水流的流速及流量和河床泥沙颗粒的大小，而且还取决于水流夹砂能力，夹砂能力的不平衡是冲、淤的主要因素。1.4 桥墩冲刷在桥渡范围内，由于桥墩压缩河床过水宽度的影响，使得桥下流速加大，提高了水流的夹砂能力，因而加剧了桥下冲刷。我们把这种因桥墩压缩河槽引起的桥下冲刷称之为一般冲刷。随着冲刷的发展，桥下过水河槽加大，流速随之降低，输砂

18、能力减弱，等到桥下水流出现新的输砂平衡状态，这种一般冲刷即停止。所以桥下一般冲刷对桥墩的危害，小于桥墩的局部冲刷。桥墩的局部冲刷，即由桥墩阻挡洪水而产生的水流冲击和形成强大的漩涡流作用，在桥墩周围对河床引起的局部冲刷，多年的实践证明，桥梁受洪水之害，多半是桥墩被冲毁，几乎都是桥墩局部受冲刷所致。水工试验证明，竖立在水流中的桥墩，极大的改变了桥下水流状态。桥墩迎水面的水流受阻后分成两部分，靠近墩侧部分，沿墩身圆角挤向两侧饶墩而过。使墩侧水流单宽流量猛增，流速加大，致使墩两侧冲刷加剧。首先在墩侧形成局部冲刷坑，之后向墩前发展。墩前正面大部分受阻的水流，直接冲击桥墩，一部分水流受阻后沿墩面向上冲击，

19、抬高墩前水位，称为涌高。另一部分水流沿墩面向下直接冲击河底，在墩前形成强大的与水流方向反向的漩涡流，垂直淘刷河床，是墩前产生局部集中冲刷坑。由此可知，桥墩被冲歪、冲倒就不足为奇了。于此同时，随着冲刷坑的加深扩大，漩涡流强度会逐渐减小，冲刷减慢，直至漩涡流输砂平衡，冲刷停止。这就是桥墩局部冲刷的全过程。1.5 研究洪水冲击桥梁的意义随着社会经济的发展，桥梁作为公路、铁路等交通建设的重要组成部分，数量也在急速增加。大型桥梁是连接河流两岸陆域的重要通道，也是支持人员、装备、物资频繁往来与大规模流动的可靠载体。桥梁是道路跨越河流的主要形式，它起到保障公路运输畅通和排泄洪水的作用。在桥梁的众多的水毁事件

20、中，桥墩冲刷是最主要的原因，冲刷严重影响着桥梁的整体稳定，至今桥梁水毁仍是世界各国桥梁破坏最主要的原因。而其水毁形式多样，有的冲毁桥墩、桥台导致上部结构破坏，有的冲断桥头路堤和流堤等调治构造物，中断交通，威胁两岸安全。桥梁墩台是直接修建在河道或海湾之中的，一旦水毁，修复困难，后果也较严重。因此，洪水对桥梁的不利影响，必须认真对待，妥善处理，不容忽视和低估，否则有可能造成桥毁人亡，给国家和人民生命财产带来严重危害。1.6 桥梁水毁实例1）98洪水使流域内的大多数公路桥梁深受其害。据省公路局不完全统计，共水毁路段1430km，水毁桥梁521座，直接经济损失16.8亿元。由于98洪水规模大，因而水毁

21、程度也严重。这次洪水使个别的大桥和高等级公路路基也未能幸免。例如：龙江雅鲁河大桥和呼兰河桥头引道等。2）2010年7月24日河南栾川发生了洪水冲垮大桥的事故，在24日17时20分许，该地因遭受特大洪水导致伊河大桥发生整体垮塌，造成至少37人死亡，29人失踪。3）2010年08月19日16:点，位于广汉市小汉境内的宝成铁路石亭江大桥也发生了洪水冲垮桥墩的事故，洪水冲毁了两个桥墩三孔，并有第14、15节车厢掉进石亭江，落入河中车厢被冲出200米，宝成线中断。4）2011年7月14日上午8点50分左右，福建武夷山市的武夷山公馆大桥北端发生垮塌事故，牌号为闽H30953的一辆旅游大巴车坠入桥下，当场造

22、成1人死亡，22人受伤。第2章 盖梁支座处最大竖向作用力计算2.1 横向分布系数计算根据实用方法基本原理的前提，在计算主梁弯矩时，对跨中的荷载横向分布系数与跨中其他各点上的荷载横向分布系数是采用相同的值。白衣大桥为T型简支梁桥，跨中与端部横梁使得桥面横向联系加强，在计算主梁跨中截面荷载横向分布系数时，考虑采用刚性横梁法。刚性横梁法是梁格法中的一个特例，即把梁桥视作由主梁和横梁组成的梁格系，荷载通过横梁由一片主梁传到其他主梁上去，同时主梁又对横梁起弹性支承作用。根据试验观测结果和理论分析，在具有可靠横向联系的桥上，且在桥的宽跨比小于或接近0.5的情况时，车辆荷载作用下中间横梁的弹性挠曲变形同主梁

23、的相比微不足道。白衣大桥满足上述两个情况，故利用刚性横梁法计算荷载横向分布系数3。 图2.1 白衣大桥横截面图 Fig.2.1 Cross-section of Baiyi Bridge对左侧边梁: 由于桥面宽度原因，在桥面最多布置两个车。故，人群荷载布置在左侧对左侧中梁: 由于桥面宽度原因，在桥面最多布置两个车。故，人群荷载布置在左侧由于桥面对称，右侧边梁和中梁参考左侧的计算结果。2.2 桥梁博士建模用桥梁博士软件，对桥梁上部结构按公路二级标准进行正常使用极限状态下进行受力分析，明确全桥受力，对全桥受力状态有基本而清楚的认识。计算出桥墩承受上部相邻两跨的简支梁通过支座传递的竖向荷载，为后期计

24、算洪水对桥墩的冲击作用做好铺垫。2.2.1 输入单元信息建立1号单元体，输入单元截面信息，左截面与右截面形状相同，白衣大桥为混凝土简支梁桥，主梁材料采用的是C50混凝土。该桥的桥跨结构为通过横隔板联系的4片T型主梁，单片T型主梁的尺寸如图2.2图2.2 单片主梁截面尺寸 Fig.2.2 Section size of the main beam将一跨30m的主梁划分为6个长度为5m的单元体。单元体编号为1到6，每个单元体有两个节点，节点编号为1到7，单元性质定义为钢筋混凝土构件。2.2.2 输入施工阶段信息该桥为简支梁桥，一跨的力学模型为简支梁：一端是固定铰支座，即为同时有水平竖向刚性约束，一

25、端为滑动铰支座，即为只有竖向刚性约束。将施工阶段分为3个阶段，一阶段计算构件自重下的剪力弯矩图，二阶段计算公路二级车道荷载下主梁的剪力弯矩图，三阶段计算人群荷载下主梁的剪力弯矩图。根据公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）规定：公路一级车道荷载的均布荷载标准值为；集中荷载标准值按以下规定选取，桥梁计算跨径小于或等于5m时，；桥梁计算跨径等于或大于50m时，；桥梁计算跨径在5m50m之间时，值采用直线内插求得。计算剪力效应时，上述集中荷载标准值应乘以1.2的系数。公路二级车道荷载的均布荷载标准值和集中荷载标准值按公路一级车道荷载的0.75倍采用4。如图2.3为车道荷载的计算图示。 图2

26、.3 车道荷载计算图示 Fig.2.3 Calculation of lane load人群荷载标准值为，该桥人行道宽度为1.25m，故人群荷载的线密度为。由此，本桥采用公路二级下车道荷载的均布荷载标准值 集中荷载标准值 ，人群荷载的线密度。车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上；集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处。根据规范要求，在桥梁博士中对该桥分别进行了人群荷载、车道荷载的定义加载。在第1施工阶段，对单元施工描述进行杆件安装时，程序自己就考虑了已安装的杆件的刚度和它的自重效应。2.2.3数据诊断与执行计算根据上节的荷载定义与加载，在程序中开始

27、进行输入数据诊断与执行项目计算，最后输出施工阶段结果分别得到施工三个阶段的结构内力图和相应的荷载效应输出值。第1施工阶段即考虑自重作用下1跨30m简支梁桥的结构内力图和相应的效应输出。如图2.42.5。 图2.4 自重结构内力图 Fig.2.4 Internal force diagram of weight 图2.5 自重荷载效应输出 Fig.2.5 The weight resulting output table由此可以分析得到：简支梁在自重荷载作用下左端剪力为294kN，右端剪力为294kN，跨中弯矩为。第2施工阶段即考虑车道荷载作用下1跨30m简支梁桥的结构内力图和相应的效应输出。如

28、图2.62.7。 图2.6 车道荷载内力图 Fig.2.6 Internal force diagram of lane load 图2.7 车道荷载效应输出 Fig.2.7 The lane load resulting output table由此可以分析得到：在公路二级车道荷载作用下，简支梁左端剪力为223kN，右端剪力为223kN，跨中弯矩为。第3施工阶段即考虑人群荷载作用下1跨30m简支梁桥的结构内力图和相应的效应输出。如图2.152.16。 图2.8 人群荷载内力图 Fig.2.8 Internal force diagram of crowd load 图2.9 人群荷载效应输出

29、 Fig.2.9 The crowd load resulting output table由此可以分析得到：简支梁在人群荷载作用下左端剪力为56.3kN，右端剪力为56.3kN，跨中弯矩为。2.3计算各片主梁的最大支座反力（盖梁的上部荷载最大竖向作用力）本桥的桥跨部分由4片主梁组成，一个桥墩的盖梁承受了相邻两跨各4个端部支座传递的上部荷载。上节已经算出了单片主梁在自重、车道荷载及人群荷载作用下的端部剪力，通过已得到的计算结果，考虑各片主梁不同的荷载横向分布系数，算出14片主梁各自的端部支座反力。由于截面对称，1号与4号边梁，2号与3号中梁的端部支座反力相同，故仅计算1、2号主梁的端部支座反力

30、。（1）1号主梁的端部支座反力1号主梁的车道荷载横向分布系数 人群荷载横向分布系数。1号主梁：自重作用下 端部剪力 车道荷载作用下 端部剪力 人群荷载作用下 端部剪力故 支座反力（2）2号主梁的端部支座反力2号主梁的车道荷载横向分布系数 人群荷载横向分布系数。2号主梁：自重作用下 端部剪力 车道荷载作用下 端部剪力 人群荷载作用下 端部剪力故 支座反力因此，3号主梁支座反力,4号主梁支座反力2.4 本章总结对上部结构，通过定义材料、截面、荷载，数据输入与执行项目等步骤建立出桥博模型并进行了结构分析计算。建模的过程又是对桥认识的过程。通过建模过程，更深入的了解了本桥的构造特点和受力特点，结合横向

31、分布系数按上部结构支反力影响线计算确定了恒载、活载下最大支反力。这是下章节进行盖梁上活载最不利横向布置的基础，计算桥墩在最不利情况下各个支座的竖向作用力大小的前提，为下文进行洪水作用下桥墩的力学分析做了必备的准备工作。第3章 桥墩上一般荷载和作用力的计算经过上述章节对盖梁上部荷载的讨论分析，我们对桥跨部分的受力有了整体清晰的认识，并且取得了支座专递给盖梁上部荷载的最大竖向作用力。本章将桥墩分为施工状态和成桥状态具体分析桥墩经常遇到的一些荷载和作用力并且介绍不同荷载的计算方法与计算公式，在进行ansys建模前，选定荷载并计算荷载大小。3.1 作用在桥梁墩台上的荷载及组合作用在桥梁墩台上的永久荷载

32、有恒载、土重和侧向土压力、预应力（组合式桥墩）、混凝土收缩及徐变的影响力、水的浮力；基本可变荷载有汽车荷载、汽车冲击力、离心力、汽车荷载引起的侧向土压力、人群荷载、挂车或履带车荷载及其引起的土侧压力。其它可变荷载有风力、汽车制动力、流水压力、冰压力、支座摩阻力，在超静定结构中尚需考虑温度变化的影响力。偶然荷载有船只或漂流物撞击力、施工荷载和地震力；另外，在某些特殊河道，存在涌潮等现象，则除上述荷载外，还需考虑涌潮等间隙性荷载对结构产生的影响因素。在这些荷载中，有永久存在的荷载，也有可能作用的、偶然作用的荷载，还有在所设计的墩台中不可能发生的荷载。因此，在墩台计算过程中，应根据墩台的受力与工作阶

33、段，给出可能同时作用荷载的组合，以确定出最不利的受力状态。3.2 桥梁上部结构恒载、活载竖向作用力桥梁上部结构恒载传至墩台的计算值，由桥梁支座反力计算确定。作用在支座上的竖向力有结构自重的反力、活荷载的支点反力及其影响力。在计算汽车荷载支座反力时，应计入冲击影响力。该桥桥墩为桩柱式桥墩，按钢筋混凝土构件设计。在构造上，桩柱的钢筋伸入盖梁内，与盖梁的钢筋绑扎成整体，因此盖梁与桩柱刚结呈刚架结构。对于这种双柱式桥墩，当盖梁的刚度与桩柱的线刚度比大于5时，为简化计算可以忽略节点不均衡弯矩的分配及传递，一般可按简支梁或悬臂梁进行计算。作用在盖梁上的外力主要考虑上部结构恒载支反力、盖梁自重及活载。最不利

34、活载加载，首先可根据上一章节按上部结构支反力影响线计算确定的活载最大支反力，其次是根据盖梁内力影响线决定活载最不利横向布置。此处简化盖梁为简支梁，最不利荷载就是使前墩位置的支反力最小或出现上拔力。因盖梁在纵桥向设置有两排支座而产生的上部结构活载偏心力将对盖梁产生扭矩，应予以考虑。汽车荷载冲击力应按下列规定计算：1 对于预应力混凝土桥的上部构造和板式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台，应计算汽车的冲击作用。2 冲击系数可按下式计算：当时， =0.05 当时， = 当时， =0.45式中 结构基频（）。3.3 结构自重建筑物的自重，应先按设计图纸计算其体积V，然后利用建筑物的材料容重进行计算。自重G作用

35、于建筑物的重心处。此处在Ansys中输入材料密度、重力加速度，利用Ansys计算考虑桥墩自重。3.4 动水压力（一）概述当水流流经建筑物时，由于流向或流速变化等原因，水流将对建筑物产生动水压力5。（二）动水压力的一般计算公式式中 流水压力标准值（）； 水的重力密度（）； V 设计流速（）； A 桥墩阻水面积（），计算至一般冲刷线处； K 桥墩形状系数，见图3.1。流水压力合力的着力点，假设在设计水位线以下0.3倍水深处。 图3.1 桥墩形状系数 Fig.3.1 Bridge pier shape coefficient研究的该桥桥墩为柱式桥墩，在水流方向即横桥向，有相邻前后两个桥墩处于洪水的冲

36、击作用下，根据港口工程荷载规范中的描述：当计算作用于沿水流方向排列的梁、桁架、墩、柱等构件上的水流压力时，应将各构件的水流阻力系数乘以相应的遮流影响系数。遮流影响系数可按图3.2选用6。 图3.2 遮流影响系数 Fig.3.2 Cover flow influence coefficient3.5 漂流物横桥向撞击力船只或漂流物的撞击力，虽是桥梁墩台的偶然荷载，但是对桥墩结构的危害性很大。对于有通航河道或有漂流物的河流中的墩台，应考虑船只或漂流物的撞击力。漂流物横桥向撞击力标准值可按下式计算：式中 w 漂流物重力（），应根据河流中漂流物情况，按实际调查确定； V 水流速度（）； T 撞击时间（

37、），应根据实际资料估计，在无实际资料时，可用1； g 重力加速度，g=9.81（）。3.6 支座摩阻力支座摩阻力是上部构造因温度变化而产生的，摩阻力可按下式计算：式中 w作用于活动支座上由上部结构重力产生的效应； 支座的摩擦系数，无实测数据时可按图3.3取用。 图3.3 支座摩擦系数 Fig.3.3 Supports friction coefficient3.7 浮力及渗透压力对于墩台在水下和土中部分自重的计算方法，要根据地基土的性质加以考虑。水下土的浮力计算是一个至今尚未完全解决的问题，其关键在于土的空隙中能否传递静水压力。在土力学中，土中孔隙水主要分为自由水与结合水两大类。自由水能够传递

38、静水压力，而结合水特别是强结合水及弱结合水的内层是不能传递静水压力的。由于砂性土的土颗粒较大，主要是由原生矿物组成，故孔隙水主要是自由水，所以水下的砂性土肯定收到浮力作用。而粘性土的孔隙水中既有自由水又有结合水，它们各自所占的比例又与土的含水量有关。当粘性土的含水量接近或超过液限时，土处于流动状态，土孔隙中主要是自由水，所以这时土受到浮力作用；若粘性土的含水量小于塑限时，土处于固体状态，这时土孔隙中主要是结合水，故土不受到浮力作用；若土的含水量在液限与塑限之间，土处于塑性状态，土孔隙中结合水与自由水都有，这时土是否受到浮力作用就很难肯定，一般都是按不利状态考虑。在该桥桥墩受到洪水冲击时，考虑到

39、主要是由于前墩底部拉应力导致混凝土开裂并达到一定裂缝宽度认为桥墩破坏失去承载能力。所以，此处我们按不利状态忽略水的浮力作用。3.8荷载组合桥梁墩台计算时，预先很难确定哪一种荷载组合最不利。需要对各种可能的荷载进行组合计算，以满足各种不同的要求。在洪水冲击桥墩的背景下，应该考虑按横桥向进行计算。在所有荷载中，车辆荷载的变动对荷载组合起着支配作用。按横桥向计算时，考虑横桥向的最不利荷载组合。例如：在横向计算时，桥跨上的汽车荷载可能是一列靠边行驶，同时有其它水平荷载，如风力、漂浮物的撞力、水流压力或冰压力等作用在墩身上，这是产生最大横向偏心距。当可变作用的出现对结构或结构构件产生有利影响时，该作用不

40、应参与组合。实际不可能同时出现的作用或同时参与组合概率很小的作用，为使设计合理，符合实际情况，按表3.4规定不考虑其作用效应的组合。 图3.4 可变作用不同时组合表 Fig.3.4 Different time combination table of variable load 故，在成桥运营阶段：考虑洪水作用下对桥墩冲击的力学分析时，考虑结构自重、上部结构恒载和活载竖向作用力、动水压力、支座摩阻力与漂流物撞击力的荷载组合。在施工阶段：考虑洪水作用下对桥墩冲击的力学分析时，仅考虑结构自重、动水压力、漂流物撞击力的荷载组合。3.9 本章总结确定结构计算模式、选定荷载和结构分析计算是本文对洪水冲

41、击作用下的桥墩进行分析计算的三个主要部分。其中荷载的种类、形式和大小选择是否恰当，关系到下文对桥墩的分析计算结果的合理性与准确度，实际上，荷载分析与结构分析同样重要。本章详细的阐述了对不同阶段的桥墩应该选定计算的荷载和进行不同的荷载组合以及讨论了选定的荷载的计算方法与计算公式。这些都将在下一章节对洪水作用下的桥墩进行Ansys建模的荷载定义中有所反映，并将对不同的荷载组合分别进行结构分析和模拟试验，找出不同阶段下桥墩抵抗洪水的能力和桥墩失去承载能力的临界值。第4章 Ansys模型建立与求解计算在许多工程问题中，由于结构的外形、边界条件等情况比较复杂，往往无法用解析法求解，而需要采用数值方法。有

42、限单元法就是随计算机的出现而迅速发展起来的一种数值解法。该桥桥墩在构造上，桩柱的钢筋伸入盖梁内，与盖梁的钢筋绑扎成整体，因此我们认为盖梁与桩柱刚结为刚架结构。墩上为预应力混凝土简支梁，建模中考虑上部桥面质量，并取相邻两跨梁桥面系的质量，将其以集中质量的形式作用于桥墩顶部。我们假定桥墩底面完全约束，刚性固结，把桥墩看作底面刚结的悬臂结构，忽略承台及其下面的桩基与基础的相互作用，重点研究洪水对桥墩的冲击的力学分析。4.1 模型的基本资料4号桥墩整体高度2208，两柱式墩身距离450，墩身为直径200的圆柱体，在墩高1104处有一加强横向联系的系梁。盖梁高度120，盖梁厚度220，盖梁顶面分布有两排

43、每排各四个支座，支座与盖梁顶面夹有垫石。墩身材料为C25混凝土，盖梁材料为C30混凝土，其中由构造要求布置分布钢筋及箍筋，该柱式桥墩的配筋率为。该桥所处位置在黄梅溪水电站上游，黄梅溪水电站正常蓄水位为273，承台高度为270.75,距墩底面高210，百年一遇的洪水位为293.43,距墩底面高2168。4.2 模型的相关材料属性参数 （一）基本属性（包括弹性模量和泊松比）与破坏准则（定义开裂强度和压碎强度）分析混凝土结构，选择合理的材料特性是建立模型的关键，所以有必要弄清混凝土的材料特性。混凝土是脆性材料，并具有不同的拉伸和压缩特性。Ansys采用了11个参数对混凝土材料进行描述，分别是：参数

44、含义 取值要求1 开裂剪力传递系数 0-1（本试验取0.5）2 压碎剪力传递系数 0-1（本试验取0.9）3 单轴抗拉强度 据规范取值（本试验C25取为1.78）4 单轴抗压强度 据规范取值（本试验C25取为16.7）5 双轴极限抗压强度 6 周围静水应力状态 任意大数7 静水应力状态下单轴极限抗压强度 8 静水应力状态下双轴极限抗压强度 9 断裂发生时刚度乘子 0.6E 弹性模量 据规范取值（本试验C25取为，C30取为） 泊松比 据规范取值（本试验C25取为0.2）在这11个材料参数中，前4个与后2个是需要定义的，其中的3、4、E与的定义可据所选混凝土的标号查阅资料。对于材料参数1与2是混

45、凝土在开裂与压碎状态时剪力传递系数，0表示没有剪力传递，1表示剪力传递完全。在模拟时，不宜将剪切缩减系数取的太小，否则会使计算难以收敛。由于参数5至9所代表的状态较为特殊，所以模拟一般的钢筋混凝土构件时可以不定义，此时Ansys采用默认值，其中只要定义其中一个即可7。本文采用的模型为分布式模型，钢筋参数除需定义E与外，还需要定义REBAR的3个参数：VR、THETE、PHI，VR表示钢筋与混凝土的体积分数，对于本文这种通长钢筋来讲，VR则表示钢筋与混凝土的横截面积之比，就是我们常说的配筋率。THETA与PHI为钢筋在混凝土中的方位角，具体的夹角关系见图4.1 图4.1 分布式钢筋混凝土模型中的

46、钢筋的参数设置示意 Fig.4.1 Rebar parameter setting diagram of reinforced concrete model （二）本构关系（定义等效应力应变行为） Ansys中的Concrete材料特性用的是Willam-Wamker五参数破坏准则和拉应力准则的组合模式，能够较好的反应混凝土从低到高的静水压力作用下的破坏特性。但是Ansys中默认的混凝土的本构关系是线弹性的，即在开裂前的应力-应变关系为线性。这时不符合实际，即使在较低的应力下混凝土也会表现出明显的非线性。因此，要在材料性质中加入反映其本构关系的特性8。塑性是指在某种给定载荷下，材料产生永久变形

47、的特性，对于大多的工程材料来说，当其内部应力低于比例极限时，应力-应变关系是线性的。由于屈服点和比例极限相差很小，因此在ansys软件中，假定它们相同。对于单向受拉试样，可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来决定是否有塑性变形发生，但是，对于一般的应力状态，并不能直接判断是否达到屈服点。屈服准则是一个与单轴测试的屈服应力相关的应力状态的标量表示。因此，知道了应力状态和屈服准则，程序就能确定是否有塑性应变产生9。Ansys软件提供了多种塑性材料选项，分别是1. 经典双线性随动强化（BKIN）2. 双线性等向强化（BISO）3. 多线性随动强化（MKIN）4. 多线性等向强化（MISO）本试

48、验对于模拟钢筋材料，采用的是经典双线性随动强化（BKIN），它使用一个双线性来表示应力-应变曲线，所以有两个斜率：弹性斜率和塑性斜率，此选项适用于准时Von Mises屈服准则，初始为各向同性材料的小应变问题，这包括大多数金属材料。需要输入的材料参数是屈服应力和切线模量。本试验对钢筋材料的屈服应力输入值为310，切线模量输入值为2000。其模拟的钢筋等效应力-应变曲线如图4.2。 图4.2 钢筋等效应力-应变曲线 Fig.4.2 Rebar equivalent stress-strain curve对于混凝土材料，采用的是多线性等向强化（MISO），该模型使用多线性来表示使用Von Mise

49、s屈服准则的等向强化的应力-应变曲线，它适合用于比例加载的情况和大应变分析。需要输入最多100个应力-应变数据点。本试验采用结构设计原理书中的混凝土等效应力-应变曲线，对于该曲线本试验采集了20个坐标样点，其等效应力-应变曲线如图4.3。 图4.3 混凝土等效应力-应变曲线 Fig.4.3 Concrete equivalent stress-strain curve4.3钢筋混凝土结构的模拟钢筋混凝土结构问世已有100多年，由于它的经济性、耐久性、整体性，可模性以及耐火性使它在世界各国的土木工程中得到了广泛的应用。钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土这两种性质迥异的材料组合而成的，混凝土性质复杂，

50、应力应变关系是非线性的，在复杂应力条件下的本构关系仍不十分清楚，普遍实用的强度理论也未建立，钢筋与混凝土之间的粘接关系性质也很复杂。尽管有些理论是基于大量试验数据上的经验公式，还是没法满足人们对钢筋混凝土结构深入认识的需要，特别是一些体型复杂、受力复杂的重要结构，必须通过三维实体的非线性分析才能很好地掌握其力学性能。同时混凝土抗拉强度很低，在通常情况下钢筋混凝土结构总是带裂缝工作的，由于以上因素使得对钢筋混凝土结构的有限元分析变得十分困难10。钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成的，在进行有限元分析时如何合理离散化结构对计算结果起到至关重要的作用。钢筋混凝土有限元模型按钢筋模拟方法的不同

51、，可分为组合式、分布式和分离式三种模型。本试验采用的是分布式模型，分布式模型仍忽略钢筋与混凝土之间的粘接滑移，它将钢筋弥散于混凝土单元之中，通过调整单元的材料力学性能参数考虑钢筋对整个结构的贡献。通常先求出混凝土的本构矩阵和钢筋的本构矩阵，再将二者叠加作为单元的本构矩阵，其实质是先求得综合了混凝土和钢筋贡献的应力应变关系矩阵，然后一次求得综合的单元刚度矩阵11。采用分布式模型时，选用的是Solid65单元。Solid单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元，可以考虑混凝土的压碎和开裂。Solid65单元为八节点六面体单元，Solid65单元本身包括两部分12：一部分是和普通的八节点空间实体单元Solid65相同的实体单元模型，本试验用此模拟的桥墩盖梁与系梁，在Ansys中操作是创建Solid65的实参数类型2，然后在其中输入相应参数；另一部分是由弥散钢筋组成的分布式模型，它可以在三维空间的不同方向分别设定钢筋的位置、角度及配筋率等参数，本试验用此模拟两个柱式墩身，在Ansys中操作是创建Solid65的实参数类型1，然后在其中输入相应参数。此单元模型一般