插接式子堤理論計(jì)算與有限元分析

(1.河北省水利科學(xué)研究院，河北 石家莊 050051；2.任丘市水務(wù)局，河北 任丘 062550)

洪水災(zāi)害是一種破壞力巨大的自然災(zāi)害，直接或間接地給人民造成重大的生命與財(cái)產(chǎn)損失。1996年及1998年發(fā)生的洪水災(zāi)害中，長江中下游3600km的干堤發(fā)生各類險(xiǎn)情6000多處，其中較大險(xiǎn)情(潰口性險(xiǎn)情，有的管涌直徑達(dá)到1m多)4000多處。因此為了保護(hù)城市及重要基礎(chǔ)設(shè)施的防洪安全，專家提出，技術(shù)創(chuàng)新是發(fā)展的關(guān)鍵突破口，必須開發(fā)快捷、有效、經(jīng)濟(jì)的防洪產(chǎn)品。

防洪子堤主要用于沙壤土、壤土、黏土和混凝土等軟硬質(zhì)堤防的應(yīng)急防漫堤搶險(xiǎn)。一方面可用于應(yīng)對江河水頭猛漲超過堤頂高程時(shí)造成的漫溢災(zāi)害；另一方面可用于應(yīng)對在汛期堤頂由于遭受強(qiáng)風(fēng)大浪，而江河水面翻越堤頂面而造成的局部堤段險(xiǎn)情。在現(xiàn)有技術(shù)中，子堤主要采用鋼材焊接成子堤框架，將防水面板用螺栓固定于框架之上，起到防水作用。這種子堤所用原材料笨重、運(yùn)輸不便，且易于生銹腐蝕。此外，繁瑣的施工給抗洪搶險(xiǎn)工作的開展帶來諸多不利影響。插接式子堤是一種原材料可折疊、易運(yùn)輸且施工工藝簡單的產(chǎn)品，在原材料運(yùn)輸、產(chǎn)品安裝過程中，可降低勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，方便在汛期中靈活使用，切實(shí)保障人民群眾的生命安全，最大程度地減輕洪澇災(zāi)害損失。

1 材質(zhì)與結(jié)構(gòu)尺寸

插接式子堤由鋁合金支架與玻璃鋼堤面面板組合而成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體材料屬性見表1。

圖1 插接式子堤

表1 插接式子堤材料屬性

本文計(jì)算子堤在承受設(shè)計(jì)擋水高度0.833m水荷載情況下，插接式子堤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等是否符合允許條件。

子堤所承受的水壓力如圖2所示，插接式子堤擋水高度為h=0.833m，考慮動水壓力影響，涉及到的動力系數(shù)Kd取1.2。

圖2 子堤所受水壓力

2 結(jié)構(gòu)理論計(jì)算

2.1 計(jì)算過程

2.1.1 整體抗傾覆計(jì)算

將總壓力按水平X方向及豎直Y方向分解，求得Fx與Fy，進(jìn)而求得C點(diǎn)處的水平力矩Mx為1133.49N·m，垂直力矩My為1133.49N·m，My>Mx，因此子堤在使用過程中不會發(fā)生傾覆。

由于洪水在流動時(shí)，岸邊渦流較多，除了考慮動力系數(shù)之外，還應(yīng)考慮洪水反復(fù)沖擊的加卸載作用，因而在確定設(shè)計(jì)傾覆荷載時(shí)應(yīng)考慮安全系數(shù)K，按照錨固裝置的差異，對于土質(zhì)大堤，K=2。針對C點(diǎn)列彎矩平衡可得：

地鉚釘所需提供的錨力，F(xiàn)=196.80N。

在一般的黏土中，長260mm、直徑30mm的鋼釬可提供的錨固力為1003～1040N，遠(yuǎn)大于上述地鉚釘所需提供的錨力，因此滿足抗傾覆條件。

2.1.2 面板強(qiáng)度及剛度計(jì)算

a.面板強(qiáng)度計(jì)算。將插接式子堤面板強(qiáng)度計(jì)算模型簡化為簡支梁，根據(jù)面板橫截面，已知面板的截面面積A=1925.4mm2，慣性矩為I=9630990mm4，ymax=10.367mm，抗彎截面系數(shù)W=9289.572mm3，荷載計(jì)算模型如下圖3所示。

圖3 子堤面板計(jì)算模型

求解可得：最大彎矩M=565.95N·m，最大剪力F=-3098.8N，最大彎矩所對應(yīng)的正應(yīng)力值與最大剪力所對應(yīng)的切應(yīng)力分別為：

所以抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度均滿足要求。

b.面板剛度計(jì)算。根據(jù)計(jì)算可知，當(dāng)x=0.456m時(shí)，撓度值w最小為-0.0192m。即最大變形為0.0192m，豎直向下。一般情況下，對插接式子堤總變形量控制在0.05m范圍內(nèi)為宜，因此設(shè)計(jì)滿足要求。

2.1.3 支架強(qiáng)度及剛度計(jì)算

a.橫梁強(qiáng)度計(jì)算。在計(jì)算橫梁的受力時(shí)，將面板按照連續(xù)梁考慮，橫梁考慮為桿約束，一次超靜定結(jié)構(gòu)，計(jì)算可得橫梁處荷載FB=3329.08N，因此橫梁上的均布荷載q=3329.08N/m。

橫梁進(jìn)而可簡化為受均布荷載的簡支梁，橫梁計(jì)算模型如圖4所示：

圖4 橫梁計(jì)算模型

b.橫梁剛度計(jì)算。綜合面板和橫梁的受力情況，計(jì)算得到橫梁的跨中撓度為5.518mm，小于鋁合金設(shè)計(jì)規(guī)范的撓度允許值l/180=5.622mm，符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

子堤在承受設(shè)計(jì)擋水高度0.833m水荷載情況下，不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力位移結(jié)果如表2所列，數(shù)據(jù)顯示各個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度均符合要求。

表2 插接式子堤計(jì)算匯總

3 有限元受力分析

3.1 計(jì)算模型

通過進(jìn)行三維有限元模擬計(jì)算，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維模擬，其有限元模擬如圖5所示，進(jìn)而對防洪子堤構(gòu)件在不同工況下的整體受力與變形情況進(jìn)行分析，并作相應(yīng)的校核評判。

圖5 模擬單元網(wǎng)格劃分

3.2 計(jì)算結(jié)果

當(dāng)支架的工作水頭位于設(shè)計(jì)水頭時(shí)，對結(jié)構(gòu)施加梯度水荷載并進(jìn)行計(jì)算，單元支架各方向最大位移值及最大位移所處位置見表3。

表3 整體最大位移大小及位置 (單位：mm)

由表3可知，結(jié)構(gòu)的各個(gè)方向最大位移均出現(xiàn)在面板中部，位移主要以順河向位移為主，總位移最大值為21.56mm，一般情況下，對于防洪子堤總變形量以控制在50mm范圍內(nèi)為宜，所以面板位移結(jié)果符合一般控制要求。對于鋁合金支架構(gòu)件，最大位移為6.96mm，位于下側(cè)橫梁的中間位置，方向仍主要以順河向?yàn)橹鳎山Y(jié)果可知支架橫梁處的位移相對較大。整體結(jié)構(gòu)的總位移以及支架構(gòu)件的總位移如圖6和圖7所示。

圖6 整體結(jié)構(gòu)總位移

圖7 支架總位移

當(dāng)支架的工作水頭位于設(shè)計(jì)水頭時(shí)，面板及支架兩局部構(gòu)件各個(gè)方向最大應(yīng)力值及最大值所處位置見表4。

表4 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力大小及位置 (單位：MPa)

由表4可知，面板構(gòu)件的各個(gè)方向應(yīng)力最大值均位于卡子附近，這與卡子是面板的支撐點(diǎn)有關(guān)；面板各方向最大應(yīng)力中以橫河向的應(yīng)力最大，其值為36.10MPa，小于面板的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值350MPa，因此面板強(qiáng)度結(jié)果符合控制要求。對于鋁合金支架結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力為74.6MPa，位于橫梁中部，方向?yàn)闄M梁的受力方向即橫河向，最大應(yīng)力值小于鋁合金抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值90MPa，因此也符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。面板以及支架兩構(gòu)件的各個(gè)方向應(yīng)力見圖8～圖13。

圖8 面板X方向應(yīng)力

圖9 面板Y方向應(yīng)力

圖10 面板Z方向應(yīng)力

圖11 面板第一主應(yīng)力

圖12 支架側(cè)向應(yīng)力

圖13 支架軸力分布

4 結(jié) 論

a.在子堤的抗傾覆驗(yàn)算中，單元地鉚釘所提供的錨固力大于地鉚釘所需提供的錨固力，即在承受水荷載的情況下，水荷載作用在鉚釘?shù)牧π∮诘孛娴腻^固力，因此不會發(fā)生傾覆。

b.理論與模擬分析均表明，子堤在正常受力情況下，支架與面板兩種構(gòu)件的應(yīng)力與位移均滿足強(qiáng)度與剛度要求。

c.通過理論與模擬計(jì)算可知，子堤在正常受力情況下，支架的下橫梁處應(yīng)力位移反應(yīng)值相對其他部位較大，但數(shù)值均在允許范圍內(nèi)。

插接式子堤已在防洪訓(xùn)練演習(xí)中得到應(yīng)用，其中在堤壩加固訓(xùn)練中證明子堤產(chǎn)品確實(shí)可達(dá)到快速加高堤壩、密封不漏、牢固可靠的效果，所以，子堤可作為應(yīng)急防洪產(chǎn)品應(yīng)用于沙壤土、壤土、黏土及混凝土等軟硬質(zhì)堤防的加固等。

劉政.堤防工程常見的險(xiǎn)情及搶險(xiǎn)方法[J].科技資訊,2011(23):44.