沖擊荷載作用下帶支撐鋼構格柵壩位移分析

胡志明崔曉燕

（1甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050；2蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060）

沖擊荷載作用下帶支撐鋼構格柵壩位移分析

胡志明1崔曉燕2

（1甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050；2蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060）

就帶支撐鋼構格柵壩結構模型，利用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 進行數值模擬。分析在沖擊荷載作用下結構的位移響應。結果表明：帶支撐鋼構格柵壩可以有效減小泥石流巨石沖擊下結構的位移，在現有格柵壩基礎上位移減小了50%之多。

泥石流巨石；沖擊作用；帶支撐鋼構格柵壩；LS-DYNA；數值模擬；位移

1 引 言

現有鋼構格柵壩攔截泥石流中巨石以防止其對建筑物造成災難性的沖擊破壞，在泥石流防治領域起到了舉足輕重的作用[1,2]。然而，面對諸如甘肅舟曲8.8特大泥石流災害，鋼構格柵壩在7.5m直徑的巨石以約10m/s的速度沖擊下就會略顯脆弱[3,4]。因此，為了更加有效的抵抗泥石流中巨石的沖擊作用，確保鋼構泥石流格柵壩在泥石流發生過程中不破壞，本文在現有鋼構泥石流格柵壩的基礎上，提出了帶支撐鋼構格柵壩這一新型的結構形式，利用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬，分析新型格柵壩的位移，并與現有鋼構泥石流格柵壩位移進行對比，為帶支撐鋼構泥石流格柵壩的深入研究以及應用奠定了一定的基礎。

2 帶支撐鋼構格柵壩有限元模型

模型尺寸的確定。帶支撐鋼構格柵壩模型由五榀鋼架通過水平梁相連，各榀間距0.5m，每榀鋼架為兩跨兩層，跨度均為0.5m，第一層高度0.61m，第二層高度0.4m。模型中鋼柱及鋼梁均采用H100X100X6X8工字型鋼，新增加的鋼支撐采用L50×50×5的等邊角鋼。

鋼球有限元模型。采用直徑為0.3m的鋼球模擬泥石流沖擊過程中的巨石，鋼球選取LS-DYNA中提供的SOLID168剛體單元，鋼球采用Q235鋼材，泊松比取0.3，鋼球網格尺寸取為20mm，其有限元模型網格劃分如圖1所示。模擬中取鋼球的初速度為10 m/s。

沖擊作用工況。采用鋼球作用于格柵壩中間榀頂層梁柱節點為模擬沖擊作用工況。

鋼格柵壩有限元模型。1)單元類型：帶支撐鋼格柵壩有限元模型中，構件選用4節點空間薄殼單元SHELL163單元，構件翼緣單元厚度8mm，腹板單元厚度6mm，支撐單元厚度5mm，剪切因子取5/6，單元算法采用Belytschko(def)算法。2)材料屬性：格柵壩模型材料屈服強度235MPa，彈性模量為205Gpa，泊松比0.3，本構關系采用雙線性各向同性模型，材料的屈服遵循Von Mises屈服準則。3)網格劃分：帶支撐鋼構格柵壩的網格劃分尺寸為20mm，其有限元網格劃分如圖1所示。

圖1 帶支撐鋼格柵壩有限元模型

3 結構位移對比分析

沖擊作用模擬分析后，在沖擊荷載作用下，帶支撐的鋼構格柵壩變形很細微，只在沖擊部位周圍存在微小的變形。由于本結構模型屬于對稱結構，故按圖2對格柵壩的一半進行取點并提取位移值，與現有鋼構格柵壩位移值對比，見表1。

圖2 測點布置圖

對比表1各測點的最大位移值可知，在沖擊作用位置處（測點5）構件局部變形較大，新壩體與現有格柵壩差別不大，均在14mm左右；沖擊作用位置周圍的3、4、6、7、8號測點中，帶支撐格柵壩位移有所減小，但仍大于現有格柵壩位移值的一半；離沖擊作用位置較遠的1、2、10、11、12號點位新結構位移較現有格柵壩變化較大，在現有格柵壩基礎上位移減小了54%之多。取兩種結構形式下3號點位移時程對比，如圖3所示。

表1 沖擊作用下各測點最大位移值

圖3 沖擊荷載作用下3#點位移時程對比

以3號點位移時程為例，通過對新舊兩種壩體結構在該點處位移時程的對比可知，現有格柵壩位移較大，結構產生將近1.5mm的塑性變形，帶支撐格柵壩的位移接近現有壩體的一半，新結構出現了0.5mm左右的塑性變形。

4 結 語

就帶支撐鋼構格柵壩防治結構形式，利用有限元軟件LS-DYNA進行數值模擬，用鋼球模擬大塊石施加沖擊荷載，分析沖擊荷載作用下帶支撐鋼構格柵壩的位移，與現有鋼構格柵壩進行對比，通過模擬分析得到結論如下：帶支撐鋼構格柵壩可以有效減小泥石流巨石沖擊下結構的位移，就本文帶支撐鋼格柵壩而言，位移在現有格柵壩基礎上減小了50%之多。

[1]中村.鋼制格柵壩的性能設計[J].水土保持科技情報，2001，（5）：14-16.

[2]懶戶俊彥，葛西俊一郎，山口健太郎，等.采用格柵型鋼結構過水大壩防止泥石流[J].水土保持科技情報，2000，（2）：37-39.

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[4]胡桂勝，陳寧生，鄧明楓，等.甘肅舟曲三眼峪溝泥石流粗大顆粒沖擊力特征分析[J].地球與環境，2011，39（4）：478-484.

Displacement analysis of steel grille dam with brace under the shock load

Steel grille dam with brace is used to against large debris flow impact,and using nonlinear finite element software LSDYNA to simulate this new grille dam.Analysis the displacement response of structure under the shock load. Results show that the new dam can effectively reduce the displacement of the structure under impact of landslides rock,which reduced by as much as 50%.

big stone in debris flow；impact force；steel grille dam with brace；LS-DYNA；numerical simulation；displacement

TU391

：B

：1003-8965（2017）02-0073-02

胡志明（1988—），男，山西應縣人，碩士，主要從事建筑結構方面的研究。