泥石流巨石沖擊下的鋼構(gòu)格柵壩動力響應(yīng)分析

王秀麗，胡志明，崔曉燕

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050;2.西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅蘭州 730050;3.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730060)

0 引言

泥石流是山區(qū)常見的一種自然災(zāi)害，往往具有暴發(fā)突然、破壞性大的特點，成為大多數(shù)山地國家和地區(qū)造成經(jīng)濟損失和人員傷亡的災(zāi)害之一，因而受到眾多國家的關(guān)注和重視［1］。我國備受泥石流災(zāi)害困擾，其中，舟曲8·8特大泥石流災(zāi)害共造成4496戶、20227人受災(zāi)，共有1501人遇難，264人失蹤，直接經(jīng)濟損失超過10×108元，是建國以來我國最嚴重的泥石流災(zāi)害事件。

目前，國內(nèi)外關(guān)于泥石流攔擋壩的研究應(yīng)用多側(cè)重于重力實體壩，王秀麗等對普通實體壩加以改進，提出了新型泥石流攔擋結(jié)構(gòu)，并對其進行研究對比［2］。然而實體壩對泥石流沖積物的攔截并無選擇性，無形中加重了壩體負擔(dān)。且泥石流對建筑物的沖擊破壞主要由泥石流中巨石的沖擊造成。鋼構(gòu)格柵壩具有“攔排皆備”的優(yōu)點，可以有效的攔截泥石流中的巨石，減輕泥石流對建筑物的沖擊破壞。國內(nèi)外關(guān)于鋼構(gòu)格柵壩的研究只局限于其攔砂性能，攔石效果，腐蝕性以及對生態(tài)環(huán)境的影響［3-5］，而對鋼格柵壩受泥石流巨石沖擊作用下的動力響應(yīng)并無相關(guān)分析。

為了有效抵抗泥石流巨石的沖擊作用，確保鋼構(gòu)格柵壩在巨石沖擊下仍能繼續(xù)承載，發(fā)揮攔石作用，本文利用國際通用計算動力荷載的非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行數(shù)值模擬。用鋼球沖擊壩體模型來模擬泥石流中巨石對鋼格柵的沖擊作用，得到不同沖擊位置下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，為鋼構(gòu)格柵壩結(jié)構(gòu)性能的進一步研究奠定了基礎(chǔ)。

1 沖擊作用分析

1.1 巨石沖擊脈沖形式

對于鋼格柵壩而言，由文獻4知，b/dmax≤1.5時(b為柱子之間的純間隔，dmax為石塊最大粒徑)，能夠非常有效地攔蓄泥石流巨石。本文模型中b=0.4m，則dmax≥0.267m，故對本格柵壩模型而言，將 d≥0.267m的石塊定義為泥石流巨石，攔截效果最佳。

沖擊荷載是指外荷載隨時間迅速變化的荷載，是一種短時作用。國內(nèi)學(xué)者陳洪凱、劉雷激等根據(jù)實測的泥石流沖擊力過程曲線對泥石流沖擊荷載進行了研究，將泥石流沖擊荷載概化為鋸齒形脈沖、矩形脈沖和尖峰型脈沖三類［6-7］。

鋼格柵壩只對泥石流中巨石進行攔擋，以受巨石的沖擊作用為主，屬尖峰型脈沖(圖1)。該類波形反映泥石流沖擊作用時間短，全過程僅幾毫秒到幾十毫秒，認為是泥石流體中粒徑較大的固相顆?；驂K石動力作用的結(jié)果，能更精確的反應(yīng)鋼構(gòu)格柵壩受泥石流巨石的沖擊。

圖1 沖擊荷載Fig.1 Impact load

1.2 巨石沖擊力計算方法

泥石流對鋼格柵壩的沖擊力包括泥石流整體沖擊力和泥石流中巨石的沖擊力［8］，由于格柵壩受力面積小，作用于壩體的整體沖擊力將很小，主要以巨石的沖擊力為主。

式中:Fb——泥石流巨石沖擊力(kPa);

E——工程構(gòu)件彈性模量(kPa);

J——工程構(gòu)件截面中心軸的慣性矩(m4);

V——石塊運動速度(m/s);

W——石塊重量(kN);

g——重力加速度(取g=9.8(m/s2);

L——構(gòu)件長度(m);

α——塊石運動方向與構(gòu)件受力面的夾角(°)。

1.3 鋼球模擬巨石沖擊

本文采用直徑為0.3m的鋼球模擬泥石流沖擊過程中的巨石，在有限元軟件ANSYS/LS-DYNA中建立鋼球模型。鋼球選取ANSYS/LS-DYNA中提供的剛體單元SOLID168單元，其本構(gòu)關(guān)系采用剛體模型。鋼球網(wǎng)格尺寸取為0.02m，其有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 鋼球有限元模型Fig.2 The finite element model of steel ball

由鄧虎、陳寧生等對三眼峪泥石流的動力特性參數(shù)的分析可知，通過對舟曲三眼峪溝泥石流堆積區(qū)巨石的實地測量，得到溝口堆積扇區(qū)堆積的最大顆粒直徑為7.5 m，從而計算得出泥石流中巨石流速為10.95 m/s［9］。模擬中取鋼球的初速度為 10 m/s。

1.4 鋼球模擬巨石沖擊結(jié)果

由式(1)，巨石對結(jié)構(gòu)的沖擊力與工程構(gòu)件彈性模量、截面中心軸的慣性矩等攔擋結(jié)構(gòu)的性能有關(guān)，且與石塊的運動速度、重量等沖擊物本身的特性有關(guān)。巨石對攔擋壩的沖擊力隨著沖擊能量的增大而增大，筑壩體材料剛度越大沖擊力也越大［10］。

LS-DYNA模擬過程中，將同樣大小的鋼球以相同的初速度作用于格柵壩中間榀頂層梁柱節(jié)點和中間榀頂層柱中部(圖3)。本文中定義鋼球作用于格柵壩中間榀頂層梁柱節(jié)點為沖擊工況一，將鋼球作用于格柵壩中間榀頂層柱中部定義為沖擊工況二。沖擊力模擬結(jié)果如圖4所示。

圖3 有限元幾何模型Fig.3 The finite element geometry model

結(jié)果顯示鋼格柵壩不同沖擊位置的最大沖擊力截然不同，且沖擊力時程差別較大(圖4)。沖擊工況一作用下鋼球最大沖擊力為481.37kN，且沖擊力隨著作用時間逐漸削弱;沖擊工況二作用下鋼球最大沖擊力為261.36kN，且沖擊力會在作用后期增大，之后再減弱。

圖4 沖擊力時程Fig.4 The schedule of Impact

模擬過程中兩種沖擊工況只是沖擊結(jié)構(gòu)時沖擊位置做了改變。沖擊工況一位于格柵壩中間榀頂層梁柱節(jié)點處，結(jié)構(gòu)傳遞沖擊力性能較好且剛度較大;沖擊工況二直接作用于格柵壩中間榀頂層柱中部，構(gòu)件剛度較小。由以上分析可知鋼球模擬泥石流巨石沖擊鋼格柵壩時，沖擊力的大小與被沖擊構(gòu)件的剛度有關(guān)，構(gòu)件剛度越大，沖擊力越大，反之剛度越小，沖擊力越小;且構(gòu)件越剛沖擊力時程曲線越接近于圖1的尖峰型脈沖圖形，構(gòu)件較柔時，沖擊力峰值不明顯，且在沖擊后期沖擊力大小將出現(xiàn)回彈。

2 鋼構(gòu)格柵壩有限元分析

2.1 建立模型

2.1.1 單元類型

鋼格柵壩有限元模型中，構(gòu)件選用4節(jié)點空間薄殼單元SHELL163單元，單元厚度8mm，剪切因子取5/6。SHELL163單元共有12種算法供選擇，本文采用程序默認的Belytschko(def)算法。

2.1.2 材料屬性

本模型材料屈服強度 235MPa，彈性模量205GPa，泊松比0.3，密度 7.85 ×103kg/m3，本構(gòu)關(guān)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。

2.1.3 網(wǎng)格劃分

本文鋼格柵壩由五榀鋼架通過橫梁及水平梁相連，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。模型中鋼構(gòu)件均采用H100X100X8X8工字型鋼，網(wǎng)格劃分尺寸為20mm。鋼構(gòu)格柵壩的有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.1.4 接觸定義

本模型選擇ANSYS/LS-DYNA程序提供的單面自動接觸算法ASTS(Automatic Surface To Surface)。

2.1.5 邊界條件

鋼格柵壩柱腳采用外包式剛接柱腳，本模型邊界條件采用全自由度固定約束。

2.2 有限元結(jié)果分析

2.2.1 Von Mises應(yīng)力

鋼格柵壩屬對稱結(jié)構(gòu)，可給出一半結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，在兩種沖擊工況作用下的應(yīng)力云圖如圖5及圖6所示。

由圖5及圖6可知，沖擊作用點周圍的應(yīng)力會首先增大并達到屈服應(yīng)力值，被沖擊榀上構(gòu)件的應(yīng)力值最大，與被沖擊榀相鄰的結(jié)構(gòu)各榀應(yīng)力較大，各邊榀構(gòu)件應(yīng)力相對較小;且梁柱節(jié)點處單元應(yīng)力值比梁、柱構(gòu)件中部應(yīng)力值大，符合結(jié)構(gòu)在沖擊作用下的受力特征。兩種工況下結(jié)構(gòu)在支座處及沖擊作用點處應(yīng)力最大，且都已達到屈服強度。

對本結(jié)構(gòu)按圖7所示各控制點提取單元應(yīng)力值(表1)。由表1可知，1、3、5點位于梁端處，其應(yīng)力逐次增大;2、4點處于梁跨中，應(yīng)力相對較小，且4點處的應(yīng)力較2點處的大。5、7、9點處的應(yīng)力均達到屈服強度，6點的應(yīng)力小于8點處的應(yīng)力值(沖擊作用于6點處除外)。3、10、12點處3點較10點大，均大于12點處的應(yīng)力值;同樣的7、10兩點處應(yīng)力要大于11點處的值，且7點距作用點較近，應(yīng)力大于10點處應(yīng)力值。分析比較可知梁柱兩端應(yīng)力值與跨中應(yīng)力值相比，明顯較大;且節(jié)點處或跨中控制點距沖擊作用位置越遠，應(yīng)力值越小。通過對兩種沖擊工況下結(jié)構(gòu)各單元應(yīng)力值的對比分析可知，除被沖擊部位以外，沖擊工況一作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值高于工況二的應(yīng)力值。工況一作用下結(jié)構(gòu)傳力較為均勻，沖擊作用傳至結(jié)構(gòu)支座處，使支座處鋼柱均達到屈服，整體結(jié)構(gòu)可能喪失承載能力;而工況二作用下結(jié)構(gòu)在被沖擊部位周圍應(yīng)力很大，構(gòu)件已達到屈服，結(jié)構(gòu)其他部位的應(yīng)力值相對較小，結(jié)構(gòu)在被沖擊榀上破壞嚴重，其他部位仍可繼續(xù)承載。

圖5 工況一Von Mises應(yīng)力云圖Fig.5 Von Mises stress nephogram under the working condition one

表1 單元應(yīng)力值Table 1 Unit stress value

圖6 工況二Von Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Von Mises stress nephogram under the working condition two

圖7 控制點布置圖Fig.7 Arrangement of control points

2.2.2 位移

沖擊作用下結(jié)構(gòu)變形如圖8所示。

圖8 鋼格柵壩變形圖Fig.8 Deformation figure of steel grille dam

由于本結(jié)構(gòu)模型屬于對稱結(jié)構(gòu)，故只對格柵壩的一半進行取點并提取位移值，各控制點位置如圖7所示，位移值見表2。

表2 各點最大位移值Table 2 Maximal displacement of each point

由各點位移值可知，在沖擊荷載作用點周圍結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位移值最大，離沖擊點距離越遠構(gòu)件位移越小，即構(gòu)件位移在沖擊點周圍由近到遠逐漸減小，且位移變化以沖擊點為圓心呈輻射狀。

通過對兩種沖擊工況下結(jié)構(gòu)各點位移值的對比，由表2數(shù)據(jù)可知，沖擊工況二下結(jié)構(gòu)各點(沖擊作用點除外)的位移明顯小于工況一作用下的位移值。究其原因，由圖3知，在工況二的沖擊作用下，鋼球沖擊力明顯小于工況一下的沖擊力，故使得結(jié)構(gòu)位移值較小;且在沖擊工況二作用下，被沖擊柱構(gòu)件發(fā)生較大變形，其作為結(jié)構(gòu)耗能段將沖擊作用的能量消耗，致使結(jié)構(gòu)整體的位移響應(yīng)較小。比較圖9及圖10中1～9號控制點各點的位移時程，在沖擊工況一作用下結(jié)構(gòu)各點均產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形，且距沖擊作用點越近，塑性變形越大，沖擊作用點處的塑形變形值將近6mm;沖擊工況二作用下結(jié)構(gòu)只在沖擊點處產(chǎn)生塑性變形，可達到22mm，結(jié)構(gòu)其他部位的構(gòu)件仍處于彈性工作階段，且位移值很小，只有2mm左右。

圖9 工況一作用下各控制點位移時程Fig.9 Displacement schedule of all measuring points under the working condition one

圖10 工況二作用下各控制點位移時程Fig.10 Displacement schedule of all measuring points under the working condition two

3 結(jié)論

本文就鋼構(gòu)格柵壩結(jié)構(gòu)模型，利用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，用鋼球模擬巨石對結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬。通過對沖擊荷載作用下鋼構(gòu)格柵壩的全過程動力響應(yīng)分析，得到以下結(jié)論:

(1)作用在結(jié)構(gòu)上的沖擊力大小與被沖擊構(gòu)件剛度大小密切相關(guān)，被沖擊構(gòu)件剛度越大，結(jié)構(gòu)受到的沖擊力越大，反之，沖擊力越小;且構(gòu)件剛性越強，沖擊力時越接近理想時程曲線。

(2)鋼構(gòu)格柵壩在沖擊作用下，沖擊作用部位、結(jié)構(gòu)支座部位及梁柱節(jié)點部位響應(yīng)較大，破壞最嚴重，設(shè)計時應(yīng)予以加強。沖擊作用榀及與沖擊作用榀相鄰各榀的上述部位單元應(yīng)力達到鋼材的屈服強度，且比較之下沖擊作用部位構(gòu)件位移值最大，兩種工況下位移峰值分別達到了14.5mm及25.4mm。

(3)鋼構(gòu)格柵壩不同位置遭受沖擊作用時結(jié)構(gòu)響應(yīng)完全不同，與沖擊力作用在梁柱節(jié)點時相比較，沖擊力作用在構(gòu)件中部時結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)明顯較小。沖擊工況一時結(jié)構(gòu)各點位移值約為工況二下位移值的2倍，且工況二下結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力值明顯減小。

［1］陳繼華，王秋軍，張彥林.泥石流防治研究［J］.科技廣場，2011(2):20-22.CHEN Jihua，WANG Qiujun，ZHANG Yanlin.Debris flow prevention and control research［J］.Science and Technology Square，2011(2):20-22.

［2］王秀麗，黃兆升.沖擊荷載下泥石流攔擋壩動力響應(yīng)分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2013，24(4):61-65.WANG Xiuli，HUANG Zhaosheng.Dynamic response analysis of the new debris flow block under impact load［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2013，24(4):61-65.

［3］懶戶俊彥，葛西俊一郎，山口健太郎，等.采用格柵型鋼結(jié)構(gòu)過水大壩防止泥石流［J］.水土保持科技情報，2000(2):37-39.LANHU Junyan， GEXI Junyilang， SHANKOU Jiantailang，et al.Using grid steel structure in water dam to prevent mudslides［J］.Soil and Water Conservation Science and Technology Information，2000(2):37-39.

［4］中村.鋼制格柵壩的性能設(shè)計［J］.水土保持科技情報，2001(5):14-16.ZHONG Cun.The performance of steel grille dam design［J］. Soil and Water Conservation Science and Technology Information，2001(5):14-16.

［5］李鐵軍，李曉華.日本有關(guān)透過型壩攔截泥石流的調(diào)查分析［J］.水土保持科技情報，2002(5):25-26.LI Tiejun，LI Xiaohua.Investigation and analysis of Japanese grille dam block debris flow［J］.Soil and Water Conservation Science and Technology Information，2002(5):25-26.

［6］陳洪凱，唐紅梅，陳野鷹，等.公路泥石流力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.CHEN Hongkai，TANG Hongmei，CHEN Yeying，et al.Highway debris flow force［M］.Beijing:Science press，2007.

［7］劉雷激，魏華.泥石流沖擊力研究［J］.四川聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，1997，1(2):99-102.LIU Leiji，WEI Hua.Debris flow impact study［J］.Journal of Sichuan United University，1997，1(2):99-102.

［8］DZ/T0239-2004，泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計 規(guī)范［S］.北京:中國標準出版社，2010.DZ/T0239-2004，Debris flow disaster prevention and control of engineering design specifications［S］.Beijing:China Standard Publishing House，2010.

［9］鄧虎，陳寧生，胡桂勝，等.甘肅舟曲三眼峪溝泥石流動力學(xué)特征參數(shù)計算［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，30(4):833-838.DENG Hu，CHEN Ningsheng，HU Guisheng，et al.Dynamics characteristic parameters in third valley gully，Zhouqu county， Gansu province ［J］. Journalof Chongqing Jiaotong University(Natural Science Edition)，2011，30(4):833-838.

［10］何思明，吳永，沈均.泥石流大塊石沖擊力的簡化計算［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2009，18(5):51-56.HE Siming，WU Yong，SHEN Jun.Simplified calculation of impact force of big stones in debris flow［J］.Journal of Natural Disasters，2009，18(5):51-56.