沖擊速度對(duì)帶支撐鋼構(gòu)格柵壩抗沖擊性能的影響

劉旭東,胡志明

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730050；2.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州　730050)

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沖擊速度對(duì)帶支撐鋼構(gòu)格柵壩抗沖擊性能的影響

劉旭東1,胡志明2

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050；2.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州730050)

帶支撐鋼構(gòu)格柵壩在攔截大石塊,減小泥石流沖擊破壞中有十分重要的作用。利用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)帶支撐鋼構(gòu)格柵壩結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。用鋼球模擬巨石,以不同的沖擊速度在格柵壩中間榀頂層梁柱節(jié)點(diǎn)施加沖擊荷載,分析在沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果表明:帶支撐鋼構(gòu)格柵壩各處位移隨著鋼球沖擊速度的增加逐漸增大,基本呈現(xiàn)線性變化的規(guī)律,尤其在沖擊作用點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的位移變化率最大,且距沖擊作用位置越遠(yuǎn)位移變化率越??；結(jié)構(gòu)各處應(yīng)力值隨著沖擊速度的增加而增大,且距沖擊作用位置較遠(yuǎn)的單元應(yīng)力變化接近線性增長(zhǎng)規(guī)律；隨著沖擊速度的提升,結(jié)構(gòu)各柱腳支反力逐漸增大。

帶支撐鋼構(gòu)格柵壩;沖擊速度;抗沖擊性能;LS-DYNA;數(shù)值模擬

鋼構(gòu)格柵壩攔截泥石流中的巨石以防止其對(duì)建筑物造成災(zāi)難性的沖擊破壞,在泥石流防治領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用[1,2]。然而,面對(duì)諸如甘肅舟曲“8.8”特大泥石流災(zāi)害,鋼構(gòu)格柵壩在7.5 m直徑的巨石以將近10 m/s的速度沖擊下就會(huì)略顯脆弱[3]。因此,為了更加有效地抵抗泥石流中巨石的沖擊作用,確保鋼構(gòu)泥石流格柵壩在泥石流發(fā)生過(guò)程中不被破壞,仍能繼續(xù)發(fā)揮攔截巨石的作用,研究提出了帶支撐鋼構(gòu)格柵壩這一新型結(jié)構(gòu)[4,5],利用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬,用鋼球模擬巨石,分別以2 m/s、 4 m/s、 6 m/s、 8 m/s、 10 m/s這五組不同速度作用于鋼構(gòu)格柵壩中間榀頂層梁柱節(jié)點(diǎn),通過(guò)對(duì)比分析不同速度沖擊作用下帶支撐鋼構(gòu)格柵壩的響應(yīng),提取出了結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、支反力以及加速度隨沖擊速度的變化規(guī)律[6],為工程應(yīng)用提供參考。

1　沖擊速度的確定

低速泥石流流速一般為2～10 m/s,研究將沖擊速度劃分為2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s五檔,利用非線性有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬,分別模擬各速度巨石沖擊作用下帶支撐鋼構(gòu)格柵壩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[7,8]。

2　有限元模型的建立

2.1鋼球有限元模型

采用直徑為0.3 m的鋼球模擬泥石流沖擊過(guò)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0.02 m,其有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

將鋼球作用于格柵壩中間榀頂層梁柱節(jié)點(diǎn)作為一種沖擊作用工況。

2.2帶支撐鋼構(gòu)格柵壩有限元模型

帶支撐鋼構(gòu)格柵壩有限元模型建立過(guò)程中選用4節(jié)點(diǎn)空間薄殼單元SHELL163單元,單元厚度8 mm,剪切因子取5/6,采用程序默認(rèn)的Belytschko(def)算法；本模型材料屈服強(qiáng)度235 MPa,彈性模量205 GPa,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(zhǔn)則；鋼格柵壩由五榀鋼架通過(guò)橫梁及水平梁相連,各榀間距0.5 m,每榀鋼架為兩跨兩層,跨度均為0.5 m,第一層高度0.61 m,第二層高度0.4 m。模型中鋼構(gòu)件均采用H100X100X8X8工字型鋼,網(wǎng)格劃分尺寸為20 mm；本模型選擇ANSYS/LS-DY-NA程序提供的單面自動(dòng)接觸算法(ASTS,automaticsurface to surface)。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。本次模擬由于2 m/s的鋼球速度較小,需要的計(jì)算時(shí)間增加到0.05 s。

圖1　鋼球有限元模型Fig.1　Finite element model of steel ball

圖2　帶支撐鋼構(gòu)格柵壩有限元模型Fig.2　Finite element model of steel grilled dam with support

3　有限元結(jié)果對(duì)比分析

3.1結(jié)構(gòu)位移對(duì)比分析

由于該結(jié)構(gòu)模型屬于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),故按圖3對(duì)鋼構(gòu)格柵壩的一半進(jìn)行取點(diǎn)并提取不同沖擊速度下各點(diǎn)位移值,見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)表1的分析可知,結(jié)構(gòu)在5點(diǎn)處,由于其為固定端,故結(jié)構(gòu)在該處的位移為0；結(jié)構(gòu)在各沖擊速度下位移最大值均發(fā)生在沖擊作用點(diǎn)處,且沖擊速度越大結(jié)構(gòu)的位移越大；結(jié)構(gòu)在沖擊作用點(diǎn)處位移隨速度的變化率最大,離沖擊作用點(diǎn)越遠(yuǎn)位移隨速度的變化率越小。表1中各位移數(shù)據(jù)隨速度的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

圖3　測(cè)點(diǎn)布置Fig.3　Layout of measurement points

測(cè)點(diǎn)速度/(m·s-1)1點(diǎn)最大位移2點(diǎn)最大位移3點(diǎn)最大位移4點(diǎn)最大位移5點(diǎn)最大位移6點(diǎn)最大位移20.640.621.170.6800.4740.921.063.541.1600.7860.991.426.831.5200.9680.981.7610.191.9301.14101.012.1113.952.3901.33

圖4　不同速度下位移變化Fig.4　Displacement changes under different speeds

由圖4可以清楚地看到,結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的位移值隨著鋼球沖擊速度的增加逐漸增大,基本上呈現(xiàn)出線性變化的規(guī)律,尤其在沖擊作用點(diǎn)處(3號(hào)點(diǎn))結(jié)構(gòu)的位移變化率最大,結(jié)構(gòu)其他點(diǎn)距沖擊作用點(diǎn)位置越遠(yuǎn)變化率越小,其中5號(hào)點(diǎn)處于結(jié)構(gòu)的嵌固端,位移值保持零值不變；同一沖擊速度作用下,結(jié)構(gòu)在被沖擊部位位移最大,離沖擊位置越遠(yuǎn)位移值越小。

3.2Von Mises應(yīng)力對(duì)比分析

帶支撐鋼構(gòu)格柵壩在各沖擊速度下的應(yīng)力云圖如圖5～圖9所示,由于對(duì)稱(chēng)性仍提取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

由圖5～圖9可以看出:2 m/s沖擊速度下結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)很小,只在沖擊作用部位應(yīng)力較大,4 m/s沖擊速度下結(jié)構(gòu)被沖擊榀應(yīng)力較大,其他各榀響應(yīng)較小,當(dāng)沖擊速度達(dá)到6 m/s時(shí),結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大幅增大,相鄰榀鋼架的響應(yīng)隨之增加,尤其當(dāng)速度達(dá)到10 m/s時(shí),結(jié)構(gòu)各構(gòu)件均不同程度的達(dá)到屈服強(qiáng)度?，F(xiàn)按圖3的測(cè)點(diǎn)布置提取各點(diǎn)的應(yīng)力值,見(jiàn)表2。

圖5　2 m/s下帶支撐鋼構(gòu)格柵壩Von Mises應(yīng)力云圖Fig.5　Von Mises stress cloud chart of steel grilled dam with support in 2 m/s

圖6　4 m/s下帶支撐鋼構(gòu)格柵壩Von Mises應(yīng)力云圖Fig.6　Von Mises stress cloud chart of steel grilled dam with support in 4 m/s

圖7　6 m/s下帶支撐鋼構(gòu)格柵壩Von Mises應(yīng)力云圖Fig.7　Von Mises stress cloud chart of steel grilled dam with support in 6 m/s

圖8　8 m/s下帶支撐鋼構(gòu)格柵壩Von Mises應(yīng)力云圖Fig.8　Von Mises stress cloud chart of steel grilled dam with support in 8 m/s

圖9　10 m/s下帶支撐鋼構(gòu)格柵壩Von Mises應(yīng)力云圖Fig.9　Von Mises stress cloud chart of steel grilled dam with support in 10 m/s

表2　各點(diǎn)應(yīng)力值

表2各應(yīng)力數(shù)據(jù)隨速度的變化規(guī)律如圖10所示。

由圖10及表2可知,結(jié)構(gòu)在沖擊作用部位(3號(hào)點(diǎn))應(yīng)力最大,達(dá)到屈服強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)支座位置(5號(hào)點(diǎn))在2 m/s速度作用下應(yīng)力為141.42 MPa,隨著速度的進(jìn)一步增大,該處的應(yīng)力值也達(dá)到屈服強(qiáng)度；由1、2、4、6號(hào)點(diǎn)知,沖擊速度一定時(shí),結(jié)構(gòu)距沖擊作用位置越近構(gòu)件應(yīng)力值越大；各點(diǎn)應(yīng)力值隨著沖擊速度的增加而增大,且距沖擊作用位置較遠(yuǎn)的點(diǎn)位應(yīng)力變化近乎線性規(guī)律,如1號(hào)及6號(hào)點(diǎn),而其他點(diǎn)處的應(yīng)力變化雖有所增大,但并無(wú)明顯規(guī)律可循。

3.3支反力對(duì)比分析

提取沖擊作用方向,即Y向的最大支反力FYmax(剪力,kN)進(jìn)行分析。按圖11中柱腳編號(hào)提取各柱腳支反力值,見(jiàn)表3。

圖10　不同速度下應(yīng)力變化Fig.10　Stress changes under different speeds

圖11　柱腳編號(hào)示意圖Fig.11　Number diagram of pillar

速度/(m·s-1)1點(diǎn)支反力/kN2點(diǎn)支反力/kN3點(diǎn)支反力/kN4點(diǎn)支反力/kN5點(diǎn)支反力/kN6點(diǎn)支反力/kN7點(diǎn)支反力/kN8點(diǎn)支反力/kN9點(diǎn)支反力/kN280.8932.9880.5061.3223.8460.6557.1819.3454.954121.9151.47126.5595.9537.7797.8081.9930.1481.076131.8757.26132.32110.2343.81113.8877.5929.5878.648140.9271.18134.60123.1047.51125.6983.3329.3685.4410143.1081.36138.21131.7952.19131.8882.1530.9186.42

表3各柱腳支反力數(shù)據(jù)隨速度的變化規(guī)律如圖12所示。

由表3及圖12可知,隨著沖擊速度的提升,結(jié)構(gòu)各柱腳支反力逐漸增大,且沖擊速度由2 m/s增加到4 m/s時(shí)結(jié)構(gòu)的支反力增長(zhǎng)率最大,其后隨著速度的加大,支反力增大的斜率逐漸減??；同時(shí),沖擊速度不變的情況下,由圖12可以直觀看出結(jié)構(gòu)在2、5、8三處柱腳的支反力小于結(jié)構(gòu)其他部位的反力值,1、3號(hào)柱腳的支反力最大,且結(jié)構(gòu)在1、3號(hào)柱腳的支反力相當(dāng)接近,同樣4、6號(hào),7、9號(hào)柱腳支反力亦很接近。

3.4加速度對(duì)比分析

提取Y向加速度值進(jìn)行分析對(duì)比。按圖3所示各測(cè)點(diǎn)提取其加速度峰值進(jìn)行對(duì)比分析,加速度峰值數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖12　不同速度下支反力變化Fig.12　Bearing reaction changes at different speeds

測(cè)點(diǎn)速度/(m·s-1)1點(diǎn)最大加速度/(m·s-2)2點(diǎn)最大加速度/(m·s-2)3點(diǎn)最大加速度/(m·s-2)4點(diǎn)最大加速度/(m·s-2)5點(diǎn)最大加速度/(m·s-2)6點(diǎn)最大加速度/(m·s-2)217241687482724440160743390298243183242017696287440105400727150240682580252461411291702497102721297321829529602729

由表4可知,5點(diǎn)位于結(jié)構(gòu)嵌固端,加速度值為0,結(jié)構(gòu)加速度最大值出現(xiàn)在沖擊作用部位,即3點(diǎn)處；對(duì)表4中各測(cè)點(diǎn)不同沖擊速度下的加速度峰值進(jìn)行對(duì)比可知,加速度隨沖擊速度的變化規(guī)律并不明顯。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)帶支撐鋼構(gòu)格柵壩的數(shù)值模擬分析可得到以下結(jié)論:

(1)帶支撐鋼構(gòu)格柵壩各處位移隨著鋼球沖擊速度的增加逐漸增大,基本呈現(xiàn)線性變化的規(guī)律,尤其在沖擊作用點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的位移變化率最大,且距沖擊作用位置越遠(yuǎn)位移變化率越??；

(2)結(jié)構(gòu)各處應(yīng)力值隨著沖擊速度的增加而增大,且距沖擊作用位置較遠(yuǎn)的單元應(yīng)力變化接近線性增長(zhǎng)規(guī)律；

(3)隨著沖擊速度的提升,結(jié)構(gòu)各柱腳支反力逐漸增大；

(4)結(jié)構(gòu)加速度隨沖擊速度的變化規(guī)律并不明顯。

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The Influence of Impact Speed on Shock Resistance of Steel Grilled Dam with Support

Liu Xudong1,Hu Zhiming2

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Gansu Vocational Technical College of Construction,Lanzhou 730050,China)

The steel grilled dam with support plays an important role in holding up ratchel and reducing debris flow impact damage.This paper takes the supporting steel grille dam structure as model and uses nonlinear finite element software ANSYS / LS-DYNA to make numerical simulation.It uses the steel ball to stimulate the rock,taking different impact speed to apply impact loading in the trusses top beam-column joints of the grilled dam,and makes analysis of the structure's dynamic response under the effect of impact load.The results show that: the displacement of steel grilled dam with support increases with the increase of steel ball's impact speed,showing the law of linear variation.In particular,the displacement changing rate is the largest in the impact point.And the farther from the impact position,the smaller of the displacement changing rate.The stress value of the structure increases with the increase of impact speed,and the unit stress change that far form the impact position is close to the rule of linear growth; The pillar bearing reaction of the structure increases with enhancement of the impact speed.

Steel grilled dam with supports;Impact speed;Impact resistance;LS-DYNA;Numerical simulation

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.017.

2016-01-19;

2016-03-25.

劉旭東(1972-)，男，陜西寶雞人,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu).E-mail:492967879@qq.com.

TV414

A

1004-0366(2016)04-0081-06

引用格式:Liu Xudong,Hu Zhiming.The Influence of Impact Speed on Shock Resistance of Steel Grilled Dam with Support[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):81-86.[劉旭東,胡志明.沖擊速度對(duì)帶支撐鋼構(gòu)格柵壩抗沖擊性能的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(4):81-86.]