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原文传递落石冲击作用下桥梁墩柱损伤和防护研究

论文题名：	落石冲击作用下桥梁墩柱损伤和防护研究
关键词：	桥梁墩柱;落石冲击;动态响应;损伤规律;剩余承载力;通行能力
摘要：	随着我国对西部山区基础设施的大力修建，桥梁已经作为山区建设中不可或缺的结构物。由于我国西部是众多大江大河的源头，该地区降水量丰富，河岸山体巨大且较高，悬崖陡峭，容易发生滑坡、泥石流和崩塌落石等地质灾害。对于西部的山区公路桥梁，两岸落石撞击桥墩的事故时有发生，严重影响桥墩的正常工作性能，因此落石灾害对桥梁的影响也逐渐突出。这成为西部山区桥梁设计中需要重点考虑的环节。　　对于落石冲击桥梁墩柱方面研究文献缺乏，更缺少完整的落石冲击姿态对桥梁墩柱的损伤影响和墩柱受冲击损伤后对桥梁运营状态的评估。鉴于上述情况，论文以G213线川主寺至汶川路灾后复建工程中一桥梁为研究背景，采用显示动力分析方法，研究落石冲击作用下桥梁墩柱的动态响应、损伤规律及其剩余承载力和桥墩受损后的通行能力评估。主要研究内容如下: 　　1.首先综述整理了国内发生大型落石灾害的案例，其多发生于西部地区或是地震后的山区，引出了论文的选题背景及意义;介绍分析了国内外研究落石方面的概况，包括落石灾害风险、落石运动特征、落石冲击、防护措施及结构承载力等方面的研究。在第二章中对冲击的概念、冲击基本方程做了介绍和推导。　　2.研究了落石的四种运动特征方程，即落石自由飞落、落石滑动、落石滚动和落石碰撞回弹。由于大多数的研究都采用法向恢复系数和切向恢复系数的方法，求解两个方向上的速度较为繁琐，因此通过整合两个方向上的恢复系数推导了落石在碰撞回弹中的恢复系数方程，定义为“合恢复系数”，它可以更为直观地反映出速度的变化。通过采用落石运动轨迹模拟软件ROCFALL，以川汶公路上某一危险边坡为原型，进行了1000次落石运动特征的数值模拟分析，计算出其运动参数，为后续落石冲击桥墩提供了数据依据。　　3.通过落石冲击墩柱足尺和缩尺试验，研究了在不同落石冲击能量下墩柱的损伤情况。以及与数值仿真计算的对比研究，验证了数值仿真的可靠性，为后续落石冲击墩柱的各个影响因素进行大量的参数分析提供依据。　　4.基于对落石运动特征的研究，确定了桥墩、落石和钢筋等相关参数。介绍了冲击数值计算方法，通过专业3D造型软件Rhinoceros进行几何建模，再导入高性能有限元前处理软件HyperMesh进行有限元网格划分，建立了落石冲击桥墩有限元模型，并对损伤本构模型、边界条件和稳定性评价做了详细介绍。　　5.通过非线性显示动力分析软件LS-DYNA，对落石冲击山区常用独柱式和双柱式桥墩进行了计算分析。通过对比分析其损伤体积、侵彻深度、损伤面积和墩项位移相关损伤参数，研究了落石及桥墩相关参数对其损伤的影响。　　6.对独柱式墩和双柱式墩在落石冲击作用下进行了倒塌过程模拟分析，得出墩柱即刻倒塌破坏的能量。但由于使得墩柱破坏的落石冲击能量并未有即刻倒塌破坏能量大，因此随后进行了剩余承载力计算，通过计算的数据线性拟合了剩余承载力的计算公式，并借鉴了地震易损性方面的内容和公式定义了落石冲击桥墩的损伤度来评价冲击桥墩的损伤程度，进而对桥墩的破坏状态分为五个等级，通过计算评估其受损后的通行能力，从而明确了落石冲击的危险能量。并以此为依据，对落石冲击桥墩进行了五种防护措施的分析研究。以上得到的计算理论和结果可以为落石冲击相关设计提供参考。
作者：	顾乡
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	赵雷
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文