泥石流荷載下鋼管混凝土樁林結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能

王秀麗, 王 朋, 冉永紅, 羅 華

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué) 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)

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泥石流荷載下鋼管混凝土樁林結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能

王秀麗1,2, 王 朋1,2, 冉永紅1,2, 羅 華1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué) 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)

摘要：[目的] 分析新型攔擋壩鋼管混凝土樁林結(jié)構(gòu)在泥石流沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，為其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有效的科學(xué)依據(jù)。[方法] 通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)3種不同泥石流荷載工況下樁林壩進(jìn)行數(shù)值模擬，主要分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等響應(yīng)。對(duì)比3種工況的響應(yīng)，得到結(jié)構(gòu)的最不利荷載工況。[結(jié)果] 空庫樁管頂部受大石塊沖擊是結(jié)構(gòu)的最不利荷載工況，3種工況相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)大石塊的沖擊力是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的主要因素；鋼管混凝土樁林具有良好的抗沖擊性能，在較小的塑性變形下，結(jié)構(gòu)承受較大的沖擊力，且受撞擊構(gòu)件剛度越大，沖擊力峰值越大；樁管和梁管的連接部位、樁管根部和端部受約束梁管是壩體的薄弱部位，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取加強(qiáng)措施。[結(jié)論] 鋼管混凝土樁林是一種節(jié)約材料穩(wěn)定性較好的攔擋結(jié)構(gòu)，具有良好的抗沖擊性能。

關(guān)鍵詞：泥石流; 鋼管混凝土; 沖擊力; 數(shù)值模擬; 結(jié)構(gòu)響應(yīng); 荷載工況

文獻(xiàn)參數(shù)： 王秀麗, 王朋, 冉永紅, 等.泥石流荷載下鋼管混凝土樁林結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：249-252.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.043

泥石流是一種廣泛分布于世界各國(guó)一些具有特殊地形、地貌狀況地區(qū)的自然災(zāi)害，是脆弱山區(qū)介于挾沙水流與滑坡之間的土、水、氣混合流[1]。位于宕昌縣城北部的紅河溝流域，據(jù)史料記載，該溝歷史上曾多次發(fā)生大規(guī)模泥石流，自1950—2006年50 a間，發(fā)生大小規(guī)模泥石流次數(shù)達(dá)15次之多，其中8次為嚴(yán)重的災(zāi)害性泥石流，其中2000年5月31日發(fā)生的泥石流災(zāi)害造成31人死亡，17人受傷，530余間房屋被毀，縣城供電線路及通訊設(shè)施嚴(yán)重受損，各種財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重，直接經(jīng)濟(jì)損失1 100余萬元。為確保宕昌縣城人民生命及財(cái)產(chǎn)的安全，開展洪河溝泥石流災(zāi)害治理工程十分必要和迫切，具有重大的防災(zāi)減災(zāi)意義。

吳強(qiáng)等[2]以汶川地震引發(fā)的爛泥溝泥石流治理為例對(duì)部分格柵壩進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，并基于固定梁模式重新推到了橫梁沖擊力計(jì)算公式其計(jì)算結(jié)果與簡(jiǎn)支梁模式比較，數(shù)值大了3倍；李瑞冬等[3]以舟曲泥石流災(zāi)害防治工程為背景，采用增量加載的方式分析了舟曲泥石流樁林?jǐn)r擋結(jié)構(gòu)的極限抗沖壓能力，并與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比；游勇[4]對(duì)泥石流梁式格柵壩攔砂性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出梁式格柵壩閉塞與溝道縱坡有較大關(guān)系；黃劍宇等[5]將透水?dāng)r擋壩及拱壩的特點(diǎn)相結(jié)合應(yīng)用于泥石流災(zāi)害防治工程中，對(duì)透水拱壩的結(jié)構(gòu)和受力特征分析，為透水拱壩的設(shè)計(jì)提供依據(jù)；章琪等[6]對(duì)不同類型的鋼管混凝土跨中受沖擊過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出實(shí)心鋼管混凝土抗沖擊性能最佳；瞿海雁等[7-8]采用數(shù)值模擬、試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，討論了沖擊荷載下圓鋼管混凝土試件的簡(jiǎn)化模型。因?yàn)楦駯艍尉邆淞己玫臄r排穩(wěn)特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工周期短，在國(guó)內(nèi)外泥石流防治工程中各種形式的格柵壩逐漸得到應(yīng)用和迅速發(fā)展。本文以宕昌紅河溝坑溝為工程背景，采用數(shù)值分析的方法對(duì)鋼管混凝土樁林進(jìn)行分析，以期對(duì)實(shí)際工程提供一定的理論依據(jù)，并對(duì)同類工程的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1模型的建立及分析過程的設(shè)定

宕昌紅河溝流域坑溝1號(hào)壩設(shè)計(jì)采用鋼管混凝土樁林方案，鋼管混凝土樁為“品”字型交錯(cuò)布置，以增加攔擋大石和泥沙的能力，而山洪和稀性的泥石流則可以從樁間空隙流出，從而達(dá)到減緩泥石流沖擊力的作用。樁管采用φ325×14，梁管采用φ146×10，單排鋼管間距為1.5 m，樁管豎向采用鋼管梁連接，梁管之間中心間距取1.0 m，共布設(shè)5排鋼管梁，樁管與梁管之間采用相貫焊接連接。前后兩排鋼管之間采用鋼管梁連接呈三角形，從而構(gòu)成一個(gè)整體鋼管格柵。格柵壩的左右兩側(cè)梁管均嵌入素混凝土肩墻中。

1.1有限元模型的單元類型選用

數(shù)值分析中的模型采用“品”字型結(jié)構(gòu)單元分析，根據(jù)對(duì)稱條件取1/2模型進(jìn)行計(jì)算。鋼管采用shell163薄殼單元，剪切因子均取5/6，其鋼管單元厚度取5 mm，本構(gòu)關(guān)系采用Plastic Kinematic Model?；炷敛捎胹olid 164實(shí)體單元，其本構(gòu)關(guān)系采用Bilinear Isotropic Model。分析中將巨石的沖擊力集中在鋼球上，鋼球采用三維實(shí)體solid 164單元，本構(gòu)關(guān)系采用剛體模型。鋼球和鋼管表面之間采用LS-DYNA程序提供的面面自動(dòng)接觸算法。為了使模型網(wǎng)格劃分盡量規(guī)則均勻，達(dá)到計(jì)算精度要求，在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行切割處理，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行細(xì)化處理。對(duì)于核心混凝土和非節(jié)點(diǎn)區(qū)均采用體掃略網(wǎng)格劃分，尺寸為50mm。

1.2材料屬性

對(duì)于鋼管混凝土樁林壩，本工程混凝土采用C40，采用雙線性各向同性本構(gòu)模型，其密度為2 500 kg/m3，彈性模量E=325 GPa，泊松比μ=0.2，切線模量Et=32.5，混凝土抗壓強(qiáng)度fcu,k=40 MPa。

鋼管材料采用Q345鋼材，采用塑性隨動(dòng)模型，其為各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型，與應(yīng)變率相關(guān)，可考慮失效。通過調(diào)整硬化參數(shù)β來選擇各項(xiàng)同性或隨動(dòng)硬化。應(yīng)變率采用Cowper-Symonds模型來考慮，用與應(yīng)變率有關(guān)的因素表示屈服應(yīng)力，如下所示[9]：

(1)

坑溝1號(hào)壩所在溝道石塊以堅(jiān)硬石灰?guī)r、砂巖為主。因此密度取2 500 kg/m3，彈性模量取500 GPa，泊松比為0.27。

2鋼管混凝土樁林設(shè)計(jì)工況

由于鋼管混凝土樁林的透水性非常好，并且與水體接觸面積很小，并不會(huì)出現(xiàn)明顯的靜水壓力，因此在計(jì)算中不考慮水壓力對(duì)鋼管混凝土樁林的影響。另外，考慮在設(shè)計(jì)深度范圍內(nèi)，鋼管混凝土樁林上有大石塊沖擊力及整體沖擊力的作用。采用ANSYS/LS-DYNA對(duì)3種工況的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，工況1為空庫頂部泥石流大塊石撞擊，工況2為空庫受泥石流漿體沖擊，工況3為滿庫狀態(tài)。泥石流的基本物理參數(shù)及各工況荷載情況詳見表1和表2。

泥石流漿體整體沖壓力與沖壓方向和受害建筑物的形狀有關(guān)[10]：

(2)

式中：σ——泥石流整體沖壓力(Pa)；γc——泥石流容重(t/m3)；vc——泥石流流速(m/s)，g——重力加速度(m/s2)；λ——建筑物形狀系數(shù)，圓形λ=1.0，矩形λ=1.33，方形λ=1.47，α——建筑物受力面與沖壓方向的夾角(°)。

表1　泥石流基本物理參數(shù)

表2　鋼管混凝土樁林設(shè)計(jì)工況

3計(jì)算分析

3.1空庫頂部受大石塊沖擊

此荷載工況分為撞擊頂部樁管和頂層梁管2種情況，由于大石塊的沖擊作用下結(jié)構(gòu)位移是最直接的動(dòng)力響應(yīng)，因此選取中間樁管的頂部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖1所示。在相同沖擊能量作用下，2種情況表現(xiàn)出完全不同的響應(yīng)。撞擊樁管時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移在撞擊瞬間達(dá)到峰值，峰值為34 mm，在撞擊結(jié)束后，由于壩體的自由振動(dòng)，樁管頂部中點(diǎn)位移在20 mm上下波動(dòng)。撞擊梁管時(shí)，由于梁管的局部變形吸收了大部分沖擊能，因此結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)較小，最大值為3.97 mm，且位移時(shí)程曲線較平緩，并不像撞擊樁管時(shí)表現(xiàn)出較大的波動(dòng)性。因此，從位移時(shí)程曲線可以反映出結(jié)構(gòu)的自由振蕩情況。

圖1　鋼管混凝土樁林的位移時(shí)程

圖2為鋼管混凝土樁林的沖擊力時(shí)程曲線，從圖2可以看出，兩種情況下沖擊力作用時(shí)間分別為10.9和54.3 ms，可見沖擊力是個(gè)瞬時(shí)量，作用時(shí)間很短。撞擊梁管時(shí)沖擊力分為3個(gè)階段，分別為沖擊力峰值、穩(wěn)定、衰減階段。經(jīng)過初期振蕩后沖擊力穩(wěn)定在一個(gè)定值，進(jìn)入穩(wěn)定階段，該階段說明梁管已經(jīng)發(fā)生塑性變形，在變形增大的情況下承載力保持不變，沖擊能也是主要在此階段發(fā)生耗散。撞擊樁管時(shí)由于樁管內(nèi)部核心混凝土的約束作用，抑制外鋼管的局部變形，導(dǎo)致沖擊力在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，并未出現(xiàn)明顯的穩(wěn)定階段而直接進(jìn)入衰減階段，為三角形脈沖荷載，說明撞擊樁管時(shí)并未發(fā)生類似撞擊梁管時(shí)的大變形。

圖2　鋼管混凝土樁林的沖擊力時(shí)程

在整個(gè)沖擊過程中應(yīng)力最大值是我們所關(guān)注的對(duì)象，于是觀察沖擊過程中應(yīng)力云圖的變化情況，由應(yīng)力云圖可知：撞擊樁管時(shí)，受沖擊部位和與其相連的2根交叉梁管的端部出現(xiàn)較大應(yīng)力，并且整根交叉梁管的應(yīng)力在整個(gè)沖擊過程中均比較大。于是提取應(yīng)力較大桿件的應(yīng)變值，分別將A，B，C，D，E 5點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線繪于圖3a中，由圖3可知，5點(diǎn)的變形基本在同一時(shí)間發(fā)生，說明壩體受到的沖擊能量較大，沒有明顯的變形傳遞過程，均在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值。由于樁管內(nèi)部混凝土的影響，有效的防止樁管的局部破壞，使得樁管受沖擊部位E點(diǎn)的有效塑性應(yīng)變最大為0.007。但是對(duì)于與樁管交叉相連的兩根梁管的端部B，C節(jié)點(diǎn)，由于內(nèi)部并沒有混凝土，導(dǎo)致在整個(gè)沖擊過程中產(chǎn)生了最大塑性應(yīng)變，最大值達(dá)到0.08。對(duì)于2根橫向的梁管端部A，D兩點(diǎn)只產(chǎn)生0.003的塑性應(yīng)變。由此可以看出在沖擊過程中，樁管和2根交叉的梁管是主要受力構(gòu)件，梁管與樁管連接處是結(jié)構(gòu)的薄弱地方，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)采取構(gòu)造措施加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)處的連接，防止梁管端部過早屈服。

由梁管受撞擊時(shí)應(yīng)力最大時(shí)刻的應(yīng)力云圖分析可知，受撞擊梁管發(fā)生局部凹陷，其他部位均完好。在沖擊部位和節(jié)點(diǎn)的連接處應(yīng)力較大，于是提取A，B，C點(diǎn)的塑性應(yīng)變，如圖3b所示。由圖3b可知，3點(diǎn)并未在撞擊瞬間達(dá)到塑性變形最大值，而是經(jīng)過一段時(shí)間后才達(dá)到峰值，該時(shí)間段為梁管的充分變形過程。由于梁管為空心，因此塑性應(yīng)變較大，A點(diǎn)塑性應(yīng)變達(dá)到0.19，B點(diǎn)為0.07，C點(diǎn)為0.17，但均小于材料的失效應(yīng)變0.2，因此未出現(xiàn)梁管斷裂現(xiàn)象。

圖3　鋼管混凝土樁林的應(yīng)變時(shí)程

3.2空庫和滿庫受泥石流漿體沖擊

由整個(gè)沖擊過程中應(yīng)力變化，幾根樁管的根部出現(xiàn)較大應(yīng)力，并且端部受約束梁管和底部3層與樁管相連的梁管的應(yīng)力比較大。于是提取中間樁管不同高度處的應(yīng)力值如圖4所示。由圖4可知，鋼管和混凝土的應(yīng)力最大值均發(fā)生在根部，對(duì)于工況2，鋼管的最大應(yīng)力值為73.85 MPa，混凝土的最大應(yīng)力為10.40 MPa。而工況3，鋼管的最大應(yīng)力值為29.69 MPa，混凝土的最大應(yīng)力為4.17 MPa。因此應(yīng)加強(qiáng)根部與基礎(chǔ)的連接。相對(duì)于工況1來說，這2種工況的應(yīng)力較小，壩體處于彈性工作階段，并未發(fā)生塑性變形，說明對(duì)于鋼管混凝土樁林?jǐn)r擋結(jié)構(gòu)大塊石的撞擊是最不利的荷載工況。對(duì)于2種工況，在底部3層樁管和梁管的連接處均出現(xiàn)較大應(yīng)力，最大值分別為82.98和25.82 MPa。但是壩體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在第3層受約束的梁管，由此可以得出，節(jié)點(diǎn)連接處是壩體的相對(duì)薄弱部位，并且應(yīng)加強(qiáng)端部梁管與兩側(cè)混凝土壩肩的連接。

圖4　鋼管混凝土樁林的不同高度應(yīng)力值

由于位移是壩體設(shè)計(jì)主要關(guān)注的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此在ANSYS有限元軟件中獲取2種工況的位移云圖。觀察得到，最大位移出現(xiàn)在壩體的第3層，于是提取中間樁管不同高度處節(jié)點(diǎn)的位移值(如圖5所示)。在3 m左右處壩體出現(xiàn)最大位移，工況2的最大位移為1.78 mm，工況3的最大位移為0.74 mm，位移值均遠(yuǎn)小于工況1的位移。

圖5　鋼管混凝土樁林的不同高度處位移值

4結(jié) 論

(1) 經(jīng)過計(jì)算分析，空庫頂部受大石塊沖擊是3種工況下的最不利荷載工況，在此工況下梁管出現(xiàn)較大塑性變形，樁管受撞擊時(shí)結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)比撞擊梁管時(shí)大，結(jié)構(gòu)振蕩明顯。3種工況相比較，發(fā)現(xiàn)大石塊沖擊是導(dǎo)致壩體破壞的主要因素。

(2) 撞擊樁管時(shí)，沖擊力經(jīng)歷峰值和卸載2個(gè)階段，加載時(shí)間極短，沖擊力峰值較大；撞擊梁管時(shí)，沖擊力曲線經(jīng)歷了峰值、平臺(tái)段和卸載3個(gè)階段，加載時(shí)間較長(zhǎng)，沖擊力較小；即構(gòu)件剛度越大，沖擊力峰值越大，作用時(shí)間越短。

(3) 3種工況下，在樁管和梁管連接處均出現(xiàn)較大應(yīng)力，因此連接節(jié)點(diǎn)處是壩體的薄弱部位，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取加強(qiáng)措施。工況2和工況3的分析中，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在端部梁管處，因此應(yīng)加強(qiáng)端部梁管與兩側(cè)混凝土壩肩的連接。

(4) 由于泥石流攔擋結(jié)構(gòu)對(duì)不同工況的模型試驗(yàn)的實(shí)施難度較大，故借助有限元方法對(duì)此問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析具有一定的實(shí)際意義。分析結(jié)果并不能代替物理試驗(yàn)，且需要現(xiàn)場(chǎng)或試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，所以物理試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作也將是宕昌泥石流治理工程及研究工作的中心內(nèi)容。

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收稿日期：2015-10-31修回日期：2015-12-10

通訊作者：王朋(1990—)男,(漢族),黑龍江省佳木斯市人,碩士,研究方向?yàn)槟嗍鞴こ谭乐渭夹g(shù)。E-mail:w09320203@163.com。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0249-04

中圖分類號(hào)：X913.4, TU312.1

Impact Resistance of Concrete Filled Steel Tubular Piles Under Debris Flow Load

WANG Xiuli1,2, WANG Peng1,2, RAN Yonghong1,2, LUO Hua1,2

(1.KeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationinCivilEngineeringofGansuProvince,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China; 2.NorthwestCenterforDisasterMitigationinCivilEngineeringofMinistryofEducation,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China)

Abstract：[Objective] To analyze the dynamic response of concrete filled steel tubular pile structure under the impact of the load of debris flow in order to provide scientific support for the design of the structure. [Methods] The numerical simulation of concrete filled steel tubular pile structure was carried out for three different load conditions using finite element analysis software ANSYS, and the stress, strain and displacement response of structure was analyzed to detect the most unfavorable load conditions. [Results] The impact of large rock at the top of the pile pipe of empty reservoir was the most unfavorable load condition. Among three kinds of load conditions, the impact force was the main factor causing structural damage. The concrete filled steel tubular pile had good anti-impact performance. Under the smaller plastic deformation, the structure bear a large impact force. The larger the component stiffness, the greater the peak impact force peak. The connecting part of the pile pipe and the beam pipe, the root of the pile pipes and restrained beam pipes were the weak parts of the dam, so the strengthening measures should be taken into the design. [Conclusion] Concrete filled steel tubular piles is a material saving blocking structure, and it has good stability and anti-impact performance.

Keywords:debris flow; concrete filled steel tube; impact force; numerical simulation; structure response; load condition

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“泥石流沖擊下新型空間網(wǎng)格防護(hù)結(jié)構(gòu)理論及試驗(yàn)研究”(51278236); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“白龍江流域滑坡泥石流工程防治技術(shù)研究與示范”(2011BAK12B07)

第一作者：王秀麗(1963—)女,(漢族),遼寧省沈陽市人,博士,教授,博導(dǎo),主要從事大跨度空結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:1169447667@qq.com。

應(yīng)用技術(shù)