[发明专利]一种用于桥梁冲刷仿真的基础-土弹簧刚度更新方法

说明书

本发明公开了一种用于桥梁冲刷仿真的基础‑土弹簧刚度更新方法，包括以下步骤：(1)确定换算土体上部基础是否失稳，根据失稳与否确定不同土体的土弹簧刚度更新方式；(2)根据最小势能原理及质心旋转轴原理，确定基础倾斜后再次稳定时与土体的三个接触点，进而得出基础稳定平面；(3)根据稳定平面各点坐标值和基础受力状态，换算出底部土体的等效土弹簧竖向刚度。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过换算土弹簧刚度，模拟基础在土体冲刷后倾斜的状态，避免了使用接触算法和重启动方式进行数值模拟，可以有效提高计算效率。

技术领域

本发明涉及桥梁冲刷数值模拟领域，具体涉及到一种用于桥梁冲刷仿真的基础-土弹簧刚度更新方法

背景技术

桥梁水毁案例在近年来时有发生：2015年，温州市石龙溪大桥因强降雨而发生倒塌；2019年6月，广东河源东江大桥发生连续倒塌，倒塌前，该地区发生长时间的强降雨。据统计,美国1989-2000年12年间发生了503起桥梁失效的案例，其中，水文因素造成桥梁失效的总比重达52.88％，而仅仅因冲刷造成的桥梁失效的案例就达15.5％。可见，冲刷是造成桥梁毁坏失效的重要原因，因而针对桥梁冲刷的数值模拟，研究桥梁倒塌模式的具有重要意义。

冲刷模拟中对基础底部冲刷土体的模拟极为重要，采用土弹簧等效替代可以避免使用复杂的接触算法，从而有效提高计算效率。规范中有详细的对于土体等效弹簧刚度的换算公式，然而在对于基础底部的冲刷土体，为了模拟基础底部遭受冲刷后发生偏转，有必要对于冲刷部分土体也换算合适的刚度，进而提高数值模拟的准确性和精度。

发明内容

发明目的：针对冲刷数值模拟中的冲刷土体的土弹簧刚度，提出换算方法，易于编程实现，避免设置土体与基础设置接触模拟，提高计算效率。

技术方案：一种用于桥梁冲刷仿真的基础-土弹簧刚度更新方法，包括以下步骤：

(1)确定换算土体上部基础是否失稳。根据失稳与否确定不同的土体的土弹簧刚度的计算方式；

(2)根据最小势能原理及质心旋转轴原理，确定基础倾斜后再次稳定时与土体的三个接触点，进而得出基础稳定平面；

(3)根据稳定平面各点坐标值和基础受力状态，换算出底部土体的等效土弹簧竖向刚度。

进一步地，所述步骤1具体包括以下步骤：

1.1根据基础底部各个网格点的X,Y轴的坐标值、土体冲刷深度定义数组集合：

A＝{a_1,a_2,a_3,a_4,…a_n|n∈Z}

a_i＝(x,y,z)|x,y,z∈R

其中，A为基础地面网格点集合；a_i为网格点；x为a_i点的X轴坐标值，y为a_i点的Y轴坐标值，z为a_i点对应的冲刷深度，x,y,z量纲统一。

1.2根据力矩平衡原理，通过平衡阀值α判定基础是否失稳：

其中，A1为冲刷部分的基础平面；A2为未冲刷部分的基础平面；S为基础底面总面积。

在计算过程中若满足约束条件：α≥0，即基础冲刷部分相对于未冲刷部分较大，基础失稳，则从步骤2继续计算。

在计算过程中若满足约束条件：α0,即基础冲刷部分相对于未冲刷部分较小，基础未失稳，则冲刷部分土体的土弹簧刚度可直接为0。

进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：

2.1根据质心转动原理，确定基础倾斜时首先接触的土体点B3：