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原文传递高山滚石撞击桥墩破坏与防护措施分析

论文题名：	高山滚石撞击桥墩破坏与防护措施分析
关键词：	桥墩防护;滚石撞击;体积损伤率;剩余竖向承载力
摘要：	随着我国经济持续稳定的快速发展，在我国经济发达的东部省份已经形成了较完善的公路铁路网络，西部地区为当前公路铁路建设的重点地区，而我国西部地区地形复杂多样，诸如山脉河谷等地形地貌错综复杂，在这些区域建设公路铁路经常需要跨越河谷等障碍，因此桥梁建设是西部公路铁路网络的重要组成部分，而随着桥梁在山地建设的数量增多，山区滚石对桥梁造成危害的问题就越来越值得注意，对此本文针对滚石与桥墩接触碰撞问题，对滚石冲击力以及滚石冲击作用下桥墩的损伤特征进行研究，并对桥墩防护措施进行对比分析，主要研究内容如下：　　（1）以Hertz接触理论、准静态弹塑性分段接触理论模型和冲击损伤理论为基础，推导考虑弹塑性变形以及材料冲击损伤的滚石冲击力计算公式；对准静态弹塑性分段接触理论模型进行推导说明；将滚石与桥墩接触碰撞过程分为碰撞初期弹性加载阶段、塑性变形弹塑性加载阶段和卸载回弹阶段并结合算例进行参数敏感性分析。结果表明滚石半径、滚石冲击速度和滚石冲击角度对滚石冲击力影响显著，损伤指数、混凝土强度等级和混凝土保护层厚度对滚石冲击力影响相对较小。　　（2）使用SpaceClaim、HyperMesh和LS-DYNA联合仿真，建立滚石与桥墩冲击碰撞数值模型，确定钢筋、混凝土、滚石的所选用的模型以及参数，使用罚对称函数法模拟滚石与桥墩接触碰撞。　　（3）利用显示有限元软件LS-DYNA，模拟滚石与圆柱式桥墩、矩形柱式桥墩和椭圆柱式桥墩冲击碰撞过程，分析滚石冲击速度、滚石半径、滚石冲击角度和混凝土强度等级对滚石冲击力与桥墩损伤特征的影响。结果表明数值模拟滚石冲击力变化趋势与理论模型滚石冲击力变化趋势接近一致，且滚石冲击力数值模拟结果与理论计算结果对比，比值范围在0.35~0.55之间，对此给出理论计算公式折减系数；以桥墩体积损伤率和冲击碰撞后桥墩剩余竖向承载力作为桥墩损伤评价指标，对桥墩损伤特征进行分析。结果表明三种形式桥墩在滚石冲击作用下损伤特征变化规律基本一致；三种形式桥墩在相同情况下的损伤程度与滚石作用于桥墩的接触面有关，接触面为平面时桥墩损伤程度低于接触面为凸起面，接触面均为平面时，截面面积相对较大的桥墩损伤程度较低；考虑滚石与桥墩偏心碰撞这一特殊情况，与对心碰撞结果相对比可得，偏心碰撞下桥墩损伤程度略轻于对心碰撞；设计正交试验分析不同影响因素对桥墩损伤程度影响性的大小，综合考虑滚石冲击速度、滚石半径、滚石对心冲击角度和混凝土强度等级四个因素，每个因素考虑四个水平，分析结果表明滚石半径对桥墩损伤影响最大，其次为滚石冲击速度，再次之为滚石对心冲击角度，混凝土强度等级对桥墩损伤影响最小。　　（4）建立桥墩防护措施数值模型，以体积损伤率和剩余竖向承载力作为评价标准，对三种桥墩防护措施的防护效果进行对比分析，结果表明外包泡沫铝效果最好，外包FRP板其次，FRP板或钢板与泡沫铝组合的形式对桥墩进行防护。
作者：	秦志轩
专业：	土木水利
导师：	陈文化
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023