流冰与桥墩的相互作用

【摘要】在我国境内,北纬35°以北的湖泊、水库、河流等水域均会出现冰冻现象,在冬春季节容易发生凌汛现象,尤其是青藏高原上江河、嫩江上游、黄河下游河段、黑龙江上游河段、松花江依兰以下河段、黄河内蒙古河段等水域春季凌汛现象更为严重,冰凌经常造成河道拥堵,对防洪、交通、给排水、水利水电工程等运营施工产生非常不利的影响。因此,深入研究流冰与桥墩的相互作用,提出防冰撞措施,预防和根治冰灾害,确保人民生命和财产安全,具有非常重要的现实意义。针对我国最易发生流冰凌汛的江河,本论文对黑龙江流域、内蒙东北部地区、黄河中上游等进行了桥梁安全性及灾害影响调研,并分析了我国江河冰情的形成及演变过程。选定4处典型试验河段,建立了流冰期河冰温度试验场,并对其进行了长时间的温度观测。选定5处典型试验河段,进行河冰力学性能试验；根据试验结果,将温度、应变速率与河冰强度、弹性模量联系起来,并建立起它们之间的关系,提出考虑冰温、应变速率等因素后计算河冰强度标准值的方法。同时,运用LS-DYNA显式动力分析软件,以非线性有限元分析理论和接触-碰撞理论为依据,对流冰撞击桥墩过程进行仿真分析,建立分析计算模型,探讨了冰排特性和桥墩破冰体形状对流冰撞击力的影响。具体工作如下：(1)针对流冰期河冰温度场,研究各试验河段流冰期冰温沿冰厚的分布规律。以通用全局优化法和准牛顿法为依据,运用lstOpt软件,建立黑龙江省三个区域的冰温、水温、气温三者关系的数值模型。(2)结合河冰力学性能试验,提出冰温、应变速率对抗压强度和压缩弹性模量的影响及对弯曲强度和抗弯弹性模量的影响,温度和应变速率呈相近的变化规律。(3)在相同温度和加载速率条件下,得出黑龙江省各区域的冰的抗压强度均比抗弯强度大,在相同加载速率作用下,压缩弹性模量约为弯曲弹性模量的50%,单轴压缩强度约为抗弯强度的1.7倍的结论。(4)通过对影响撞击力仿真计算的建模因素研究,分析接触类型及接触算法的影响。计算得出流冰撞击力随着冰排强度、弹性模量、冰排厚度的增加而呈增大的趋势。(5)提出冰压力标准值的计算方法,冰强度的标准值根据历年流冰时最低的加权平均冰温和最大的冰流速计算确定,也可以根据历年流冰时最低气温、水温和最大冰流速计算来确定。这种确定方法符合桥位河段现场的实际情况,从而大大提高了计算的精准度。(6)研究流冰撞击破坏的机理及破冰体形状、倾角对流冰撞击力的影响。提出不同桥墩模式所设置的不同尖角和竖向前棱倾角的取值范围,提升防撞效果。(7)分析桥墩四种破坏形式,提出桥墩防冰撞设计原则,制定可经济、实用的防撞措施,有效地确保桥墩免受严重流冰的毁坏。流冰与桥墩相互作用的研究成果为下步防冰撞技术措施的研究奠定基础,并为桥墩防冰撞设计提供有效的参考意见。
【作者】张宿峰；
【导师】于天来；
【作者基本信息】东北林业大学，林区交通工程，2014，博士
【关键词】流冰；桥墩；冰温；强度；相互作用；防撞措施；

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