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内河冰凌力学性能及其对桥墩撞击力作用的研究

袁正国  
【摘要】: 我国北纬300以北的河流普遍存在冰情危害,尤以北纬35°以北地区及青藏高原的江、河春季凌汛危害最为严重。位于高寒地区的桥梁常受到春季流冰的威胁,大面积冰排在水流的推动下产生很大的动能,对河道中的桥梁墩台形成巨大的撞击力,对桥墩的损伤、桥墩的稳定性及桥梁结构振动的影响比较严重,对桥梁结构的安全运营构成了严重威胁。而流冰对桥墩撞击力的大小,受河冰的强度、冰的破坏形式、冰流速及流向、风速、水流速、桥墩的形式及破冰体的形式等诸多因素的影响,使得流冰对桥墩撞击作用计算变得十分复杂。目前,我国关于流冰荷载的计算公式大多是经验性的,缺少足够的试验和理论依据,现行的《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)在参考原苏联《公路、铁路、城市道路桥涵设计规范》(CHΝΠ2.05.03-84)的基础上给出了冰压力标准值的经验性计算方法。规范中关于冰抗压强度标准值是取当地冰温为0℃时冰的抗压强度,并通过冰温系数考虑冰温的影响,而对冰的应变速率未予以考虑,冰强度标准值的确定方法存在问题。因此,为了降低流冰对已有和在建公路桥梁的损害,确保桥梁的安全运营,在我国最寒冷的黑龙江省开展河冰物理力学性能和流冰对桥墩撞击力作用的研究,具有重要的理论意义和实际意义。 根据黑龙江省冰情特点和区域划分,在黑龙江省Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区选取典型试验河段进行流冰期河冰温度场试验、河冰单轴压缩强度试验和弯曲强度试验,进而提出黑龙江省Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区河冰强度标准值计算方法;依据河冰物理力学性能试验和流冰对桥墩撞击力试验成果,采用LS-DYNA显式动力分析软件建立流冰对桥墩撞击力的计算机仿真分析模型。具体工作如下: (1)对黑龙江省Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区四处典型试验河段进行流冰期河冰温度场试验,探讨了流冰期河冰温度沿冰厚的分布规律;采用加权平均法确定了流冰时河冰的温度;运用1stOpt数学优化分析综合工具软件包,采用准牛顿法和通用全局优化法,建立了流冰期气温、水温与冰温的数学模型。 (2)对黑龙江省Ⅱ区、Ⅲ区五处典型试验河段,分别进行八种冰温、五种应变速率下河冰单轴压缩强度试验,以及八种冰温、四种应变速率下河冰弯曲强度试验。分析了冰温、应变速率对河冰强度的影响,建立了冰温与强度的数学模型;运用1stOpt软件包,采用准牛顿法和通用全局优化法,建立了冰温、应变速率与河冰强度的数学模型。根据黑龙江省Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的河冰单轴压缩强度试验和弯曲强度试验数据,分析各冰温、各应变速率下河冰压缩弹性模量和弯曲弹性模量取值,探讨冰温、应变速率与弹性模量的相关关系,建立相应的数学模型。 (3)根据流冰期河冰温度场试验、河冰单轴压缩强度试验,提出基于冰温和应变速率影响下的河冰强度标准值计算方法,得出黑龙江省各区河冰强度标准值取值及建议。 (4)采用实测的河冰应力-应变本构模型,运用非线性有限元理论和接触-碰撞理论,采用LS-DYNA显式动力分析软件建立了流冰对桥墩撞击力的计算机仿真分析模型,研究了单元类型选取、不同单元间耦合方式、接触类型与算法、近区冰排尺寸与网格密度、主梁及桥墩网格密度等因素对流冰对桥墩撞击力计算结果的影响,并与实测结果进行了对比。 本文的研究成果为河冰强度标准值的确定和流冰对桥墩撞击力的计算提供了一种新的方法,对寒区桥梁结构设计具有重要的理论价值和实际意义。


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