拱壩聚氨酯保溫層在沖擊作用下的動力響應研究

張馨文，盧曉春，劉思琪，陳渴鑫，李 爽

(三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

0 引 言

近年來，聚氨酯保溫材料由于具備施工簡單、保溫隔熱、產品性能穩定可靠，有效防止了大體積混凝土表面裂縫的產生[1- 2]等優點，在混凝土拱壩的保溫保濕應用中備受關注。同時，聚氨酯保溫材料也被用于我國西北寒冷地區工程建設中預防大溫差產生的溫度裂縫，但由于融冰期雪山融化帶有較大的加速度[3]，大量浮冰涌入水庫，高速撞擊聚氨酯保溫層表面，在沖擊作用下難以保證表層聚氨酯保溫材料的完整性，從而使得保溫保濕功能局部失效，并引起局部溫濕度差異，甚至可能導致裂縫的形成。目前，國內外對聚氨酯保溫材料的保溫保濕性能進行了大量研究，如劉光延等學者基于混凝土溫濕耦合原理分析了聚氨酯硬質泡沫的保溫保濕效果[4- 5]，且自20世紀80年代起，國內技術人員借鑒國外學者的研究成果，研究了浮冰撞擊橋墩、護坡以及排樁等水工建筑物，并取得一定成果和經驗，但關于聚氨酯保溫材料遭受沖擊作用下的動力響應尚未有明確研究。

鑒于浮冰沖擊存在空間隨機性及時間隨機性，本文采用瞬態動力學分析方法，對浮冰沖擊荷載下聚氨酯保溫層的動力響應進行數值仿真。通過對浮冰撞擊壩體的有限元數值模擬，研究浮冰在不同撞擊位置、不同撞擊速度、同時撞擊以及連續撞擊工況下聚氨酯保溫層的動態響應，提出保護措施，保證大壩安全運行，為今后類似工程問題提供參考。

1 有限元計算條件

1.1 有限元計算模型

某混凝土雙曲拱壩最大壩高240 m，正常蓄水位在壩高235 m處，頂寬17.6 m，底寬61 m，且壩體上游面聚氨酯保溫層厚0.05 m。該樞紐工程所在地冬季寒冷而漫長，最低氣溫達-40℃，依據歷史監測資料擬定浮冰尺寸為1 m×1 m×1.5 m(長×寬×高)。不考慮地形及地質構造，且定義浮冰為剛性體，采用ABAQUS建立有限元模型，整個模型尺寸為1 680 m×960 m×600 m，采用6面體8節點單元，其中壩體包含58 752個結點，50 904個單元，壩體三維模型如圖1。

圖1 三維有限元模型

1.2 計算工況與材料參數

由于工程所在地處于融冰期，本文主要考慮在正常蓄水位(壩高235 m處)時，浮冰在不同撞擊速度、不同撞擊部位等工況下的動力響應情況。鑒于本文研究對象為隨機浮冰，只考慮浮冰撞擊荷載，且5點處沖擊力垂直作用于壩面，較其他各點無沖擊力分量可言，可取該點分析速度的影響，具體浮冰撞擊工況見表1，撞擊點示意見圖2。大壩混凝土、地基及其他各材料參數均為設計值，參數如表2所示。

表1 浮冰撞擊工況

表2 各類材料參數

圖2 浮冰撞擊位置示意

2 聚氨酯保溫層動力響應分析

基于數值計算成果，對各工況下聚氨酯保溫層受沖擊作用的應力情況進行分析，考慮本工程為左右對稱結構，成果只對壩體左部的5個撞擊點進行分析。

圖3為撞擊速度一致、不同撞擊點處聚氨酯保溫層的應力曲線。由圖3可看出，不同作用點上的應力基本一致，均先迅速增大，后逐漸趨于穩定，表明單點單次撞擊時拱壩不同撞擊部位對聚氨酯保溫層的應力無影響。

圖3 不同撞擊位置的應力

圖4為撞擊速度不同、撞擊點5處聚氨酯保溫層的應力示意。圖4表明，撞擊速度對聚氨酯保溫層的應力影響呈正相關，撞擊速度越大，應力峰值越大，最大為106.73 kPa；單點單次撞擊時，撞擊瞬間撞擊點處的應力迅速上升，隨著撞擊過程的結束，應力值在小范圍內波動，最后趨于穩定。

圖4 不同速度時撞擊點5的應力

圖5為撞擊速度為8 m/s、單點連續撞擊4次時撞擊點處的應力曲線。由圖5可以看出，不同撞擊位置對保溫層動力響應基無影響，每次撞擊瞬間，應力波動較大動力反應程度劇烈，且應力峰值隨撞擊次數的增加而增大，最大為114.29 kPa。

圖5 單點連續撞擊時各點的應力

圖6為多點同時撞擊且撞擊速度為8 m/s時，各撞擊點處的應力曲線。由圖6可以看出，多點撞擊時各點處動力反應程度較單點撞擊時劇烈，由于應力波存在疊加效應，且隨距離的增加而減弱，因此各點波動幅度出現差異，其中位于撞擊點群中心部位的5點處應力波動最為劇烈，最大峰值達106.73 kPa。

圖6 多點同時撞擊時各點的應力

圖7為多點同時連續撞擊且撞擊速度為8 m/s時，各撞擊點處的應力曲線。由圖7可看出，大體符合單點連續撞擊規律，但各點波動也存在差異，綜合了同時撞擊與連續撞擊的應力變化規律，位于撞擊點群中心位置的撞擊點5反應最劇烈，最大峰值可達154.40 kPa。

圖7 多點同時連續撞擊時各點的應力

綜上所述，在沖擊荷載下，撞擊速度與聚氨酯保溫層的應力呈正相關，撞擊位置對應力幾乎無影響；單次撞擊時，撞擊瞬間應力迅速增大，隨撞擊過程的結束，應力趨于穩定；連續撞擊時，每次撞擊瞬間出現峰值，整個撞擊過程波動起伏較大；同時撞擊時，各點之間應力相互影響，且撞擊點群中心位置受其他各點影響最明顯。四種工況中，工況四即同時連續撞擊對聚氨酯保溫層的影響最大，應力最大可達154.40 kPa。

3 表層防護措施研究

上述計算結果工況四(多點同時連續撞擊)中，聚氨酯保溫層所受應力最大為154.40 kPa，對應變化位移最大為0.01 m。由于聚氨酯保溫層在大壩運行期長期處于負載及溫濕度變化環境中，有學者指出經溫濕度負載加速老化后，其壓縮強度明顯下降[6]，考慮老化后沖擊作用也存在一定危害，因此，需進行防護措施處理。因為拱壩為曲面結構，用于表面作防護層的材料較少，建筑工程中，能對形狀不規則的曲面進行除險加固，且具備抗滲性好、整體性強、處理方式靈活及投資省等特性的材料除水泥砂漿外，還有鐵絲網砂漿。本工程擬采用外鋪3 cm厚的鐵絲網砂漿，其密度為2 000 kg/m3，彈性模量為20 GPa，泊松比為0.25，為研究其防護性能，在上述壩體有限元模型外表面添加一層鐵絲網砂漿進行仿真計算，對危險工況四中有無鐵絲網砂漿計算結果進行對比。

應力增量對比結果見表3。從表3可知，施加鐵絲網砂漿后，聚氨酯保溫層所受應力有所降低，約為原來的3%，有效削減了沖擊力，表明鐵絲網砂漿對內部結構的保護起到決定性作用，在外界沖擊荷載下可有效防護聚氨酯保溫層。

表3 聚氨酯保溫層最大應力前后對比

注：λ表示有無鐵絲網砂漿聚氨酯保溫層應力值之比。

4 結 語

針對近年來廣泛使用的聚氨酯保溫材料，本文以拱壩為例分析了浮冰沖擊作用下的動力響應情況，主要得到以下結論：

(1)聚氨酯保溫層的應力變化與撞擊位置無關，與撞擊速度呈正相關。

(2)連續撞擊時，應力幅值上下波動較大；同時撞擊時，撞擊點群中心部位所受影響較大。

(3)在嚴寒且晝夜溫差較大的地區，為保證保溫層的完整性及耐久性，可在外層施加鐵絲網砂漿作為防沖層，避免聚氨酯保溫層局部損傷。