基于有限元裝配式擋洪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

方 良

(修水縣應(yīng)急管理局，江西 九江 332400)

江西省自然災(zāi)害嚴(yán)重，其中洪澇災(zāi)害是全省造成人員傷亡最為嚴(yán)重的災(zāi)種之一[1]，因此設(shè)計防洪結(jié)構(gòu)對應(yīng)對暴雨災(zāi)害具有重要的安全意義[2- 3]。目前，國內(nèi)外利用結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計原理對防洪結(jié)構(gòu)做出了部分研究，包括防洪護(hù)岸構(gòu)筑物設(shè)計、提籃拱及其吊桿支座設(shè)計、裝配式鋼筋混凝土空心板以及堤防結(jié)構(gòu)型式剛性襯砌和柔性襯砌設(shè)計等[4- 10]。本文基于對前文的擋洪結(jié)構(gòu)研究，將新型塑料材料與金屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計了一種新型擋洪結(jié)構(gòu)，最后基于載荷場試驗、有限元分析以及現(xiàn)場測試驗證結(jié)果，表明該結(jié)構(gòu)能夠成為一種有效地?fù)鹾榻Y(jié)構(gòu)，可用于實際生產(chǎn)應(yīng)用。

1 流域概況

修河長江流域發(fā)源于幕阜山下、湘鄂贛3省交界處的黃龍山，地貌類型主要屬山前丘陵沖積低地平原和半波狀沖積平原，地貌分區(qū)主要屬九江下的丘陵沖積平原型地區(qū)。修河長江流域常年長期遭受強(qiáng)低溫降雨干旱天氣，管轄行政區(qū)域內(nèi)東部修水縣盆地平均每年降雨量209.3mm，其中常年降雨300mm以上的暴雨站點13個。最近一次修河降雨水位洪峰，水位96.69米，流量6110m3/s，是1983年以來的最高降雨水位。此次的強(qiáng)降雨天氣造成修水縣全縣公路全部塌方、橋梁全部受損，全縣洪水沖毀所有農(nóng)田9800畝，農(nóng)作物絕收受災(zāi)面積31.97萬余畝，成災(zāi)災(zāi)害面積17.11萬余畝，絕收受災(zāi)面積3.65萬余畝，糧食生產(chǎn)損失2.47萬噸，直接經(jīng)濟(jì)損失1.5億余元。

2 模塊式擋墻設(shè)計

本文設(shè)計的模塊化防洪堤結(jié)構(gòu)由一個傾斜和水平結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。在設(shè)計中，水壓力作用在外部擋洪結(jié)構(gòu)，連接支撐來承受壓力。斜擋表面上的水壓力確保了足夠的錨固應(yīng)力，可以防止總體結(jié)構(gòu)發(fā)生移動。如果防洪堤結(jié)構(gòu)安裝在地面上，需要在兩個結(jié)構(gòu)水平部分下方放置橡膠密封件；如果是安裝在位于不平或松軟的地面上，則在水平部分使用錨定桿，使用連接桿連接垂直部件。為了讓結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更大，垂直部件按照從長到短的順序相互安裝，并用桿連接，該結(jié)構(gòu)在一定程度上允許彎曲。對于凸面結(jié)構(gòu)，如圖2所示，無需連接水平部分。面板的水平連接增加了墻的整體阻力。對于凹面形狀只需連接第二個水平部分。傾斜部件的角度設(shè)置可根據(jù)支架的長度及其附著點的位置進(jìn)行調(diào)整，模塊化結(jié)構(gòu)允許改變傾斜部件的長度。

圖1 模塊化防洪堤結(jié)構(gòu)

圖2 凸凹工程結(jié)構(gòu)

3 有限元分析驗證

模塊化防洪堤結(jié)構(gòu)的有限元分析荷載示意圖如圖3所示。模擬荷載包括F1=17.72kN，水位高度1.6m，P1上的水壓力為0.016MPa，以及基底和表面之間的應(yīng)力F6=0.55MPa，F(xiàn)7=0.55MPa，F(xiàn)8=0.55MPa。值得一提的是，本次荷載的施加方式嚴(yán)格考慮了真實自然條件下力的大小變化，因此一些重要節(jié)點應(yīng)力狀態(tài)和靜力響應(yīng)具有一定現(xiàn)實意義。本文根據(jù)有限元分析結(jié)果，不斷地調(diào)整結(jié)構(gòu)各部件的比例，直至所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠滿足穩(wěn)定性條件。最后設(shè)計結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4所示，節(jié)點應(yīng)力見表1。由圖4和表1可知，面板底面處一直受壓應(yīng)力控制，說明水壓對擋洪結(jié)構(gòu)有一定的固定作用，而從其他幾處結(jié)果可以看出結(jié)構(gòu)受拉應(yīng)力作用明顯。其中短支撐桿的受力最大，F(xiàn)3n為5.56kPa，而左下角構(gòu)件的應(yīng)力最小為0.946kPa。

圖3 模塊化防洪堤結(jié)構(gòu)的有限元分析荷載

圖4 模塊化防洪堤結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果

表1 有限元分析結(jié)果節(jié)點應(yīng)力

4 室外測試驗證與優(yōu)化設(shè)計

本文在修河流域附近進(jìn)行了一系列洪水試驗，以測試所設(shè)計結(jié)構(gòu)抵抗水壓的能力和各個構(gòu)件的穩(wěn)定性。圖5為本次測試現(xiàn)場圖。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的防洪堤結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，即使在強(qiáng)降雨條件下也能承受水壓力，最大位移僅3mm。為更好測試構(gòu)件潛在的失效模式，試驗時按一定距離布置了應(yīng)力計來對結(jié)構(gòu)的張力進(jìn)行測量，并測定了各個支架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。本次實際測量的各監(jiān)測點結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖6所示。由圖可知，隨著水位深度的增加，右下角監(jiān)測點與短連接桿的的應(yīng)力增長塊，且增量最大，其次是長連接桿中接近外部面板的監(jiān)測點4*的應(yīng)力增加速度最快，而長、短連接桿中部監(jiān)測點的應(yīng)力幾乎沒有變化。因此可以認(rèn)為之前的理論假設(shè)和實際測試結(jié)果吻合較好。但從圖6中也可看到，隨著水位增加，連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力增長十分迅速，雖然總體上能夠抵擋小型洪水的沖擊，然而長時間的水壓下，此種應(yīng)力增長趨勢嚴(yán)重威脅了鏈接結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，本文在之前的設(shè)計基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對連接桿和擋洪面板進(jìn)行了改進(jìn)，其中鏈接構(gòu)件由原來的長徑比較大的圓柱形改進(jìn)為矩形裝備配式鏈接器件，面板則采用“田”字框架式的幾何配置。新型整體裝配式擋洪結(jié)構(gòu)新型整體裝配式與舊式結(jié)構(gòu)各指標(biāo)對比如圖7所示。由圖7可知，隨著水位的上漲，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后的監(jiān)測點的應(yīng)力最大減小了31.2%，位移最大僅為1.4mm，能大大增加結(jié)構(gòu)的服務(wù)期限和結(jié)構(gòu)安全性。

圖5 現(xiàn)場測試圖

圖6 監(jiān)測點結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖7 新型整體裝配式與舊式結(jié)構(gòu)各指標(biāo)對比

5 結(jié)語

本文將新型塑料材料與金屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計了一種新型擋洪結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過有限元軟件反復(fù)設(shè)計校核，同時在流域內(nèi)進(jìn)行了強(qiáng)降雨條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗證試驗，在理論設(shè)計上和實際應(yīng)用中都具有較高的可靠性。此外，本文在舊式結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用新型矩形裝配式鏈接器件和“田”字框架式的幾何配置，能使洪水應(yīng)急人員在短時間內(nèi)進(jìn)行快速安裝，提高了此類擋洪結(jié)構(gòu)的便捷性。但此擋洪結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮不同地區(qū)洪峰流量差異和河堤高度，因此還需進(jìn)一步優(yōu)化和檢驗。