《特大洪水对桥梁冲击的力学分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《特大洪水对桥梁冲击的力学分析（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上毕 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 号指 导 教 师 李 晓 红 论文评阅人 专心-专注-专业前 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
2、”大洪灾中，桥墩在建造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
3、水毁本质，为水毁防治工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
4、荷载的计算方法与公式；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
5、类桥墩水毁问题的力学分析及防治提供了参考。目 录摘 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，
6、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 finite element calculation software ansys. Focus of the stress,
7、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 the structure of computing model, analysis and calculate structu
8、re. 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 composed of two different material by reasonable discrete structur
9、e 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, determined the critical flow velocities of the pier lost carrying capa
10、city, 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, 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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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，
