帶支撐鋼構(gòu)格柵壩在沖擊作用下的應(yīng)力分析

崔曉燕胡志明

（1蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；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)格柵壩在沖擊作用下的應(yīng)力分析

崔曉燕1胡志明2

（1蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

就帶支撐鋼構(gòu)格柵壩結(jié)構(gòu)模型，利用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 進行數(shù)值模擬。用鋼球模擬巨石沖擊作用于格柵壩體，分析在沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。結(jié)果表明：帶支撐鋼格柵壩能有效減小結(jié)構(gòu)各單元應(yīng)力，可使支撐作為耗能構(gòu)件消耗沖擊作用能量。該結(jié)果為泥石流攔擋工程中帶支撐鋼構(gòu)格柵壩的設(shè)計提供了參考。

泥石流巨石；沖擊作用；帶支撐鋼構(gòu)格柵壩；LS-DYNA；數(shù)值模擬；應(yīng)力

1 引 言

現(xiàn)有鋼構(gòu)格柵壩攔截巨石沖擊性能仍有待于提高，為更加有效的抵御泥石流中巨石的沖擊，確保鋼構(gòu)泥石流格柵壩在泥石流沖擊下仍能繼續(xù)發(fā)揮攔截巨石作用[1,2]，帶支撐鋼構(gòu)格柵壩這一新型的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用而生。利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行數(shù)值模擬，分析新型格柵壩的應(yīng)力分布規(guī)律，指導(dǎo)帶支撐鋼構(gòu)泥石流格柵壩的深入研究以及實踐應(yīng)用。

2 模型尺寸的確定

現(xiàn)有鋼構(gòu)格柵壩及支撐布置類型如圖1。該支撐布置方式適當(dāng)增大了結(jié)構(gòu)的剛度，對位移控制起到了較好作用，同時控制了各柱腳支反力的增大幅度，且結(jié)構(gòu)各構(gòu)件受力較均勻。

圖1 支撐布置方式

帶支撐鋼構(gòu)格柵壩模型由五榀鋼架通過水平梁相連，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，將支撐布置于結(jié)構(gòu)每一榀鋼架的橫向柱間。模型中鋼柱及鋼梁均采用H100X100X6X8工字型鋼，新增加的鋼支撐采用L50×50×5的等邊單角鋼。

3 有限元模型的建立

采用直徑為0.3m的鋼球模擬泥石流巨石，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。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，泥石流中巨石流速為10.95m/s[3]，故模擬中取鋼球的初速度為10m/s。

沖擊作用工況：定義鋼球作用于格柵壩中間榀頂層梁柱節(jié)點為沖擊作用工況。

帶支撐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，單元算法采用程序默認(rèn)的Belytschko(def)算法。格柵壩模型材料屈服強度235MPa，本構(gòu)關(guān)系采用雙線性各向同性模型，材料的屈服遵循VonMises屈服準(zhǔn)則。帶支撐鋼構(gòu)格柵壩的網(wǎng)格劃分尺寸為20mm，其有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 帶支撐鋼格柵壩有限元模型

4 Von Mises應(yīng)力對比分析

帶支撐鋼構(gòu)格柵壩在沖擊工況作用下的應(yīng)力云圖如圖3所示，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，提取一半結(jié)構(gòu)進行分析。

圖3 沖擊工況作用下帶支撐格柵壩Von Mises應(yīng)力云圖

從圖3可以看出：沖擊工況作用下帶支撐格柵壩在被沖擊榀以及與其相鄰的兩榀結(jié)構(gòu)應(yīng)力大，兩邊榀結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對較小；沖擊作用瞬間結(jié)構(gòu)在被撞擊位置鋼材已到達(dá)屈服強度，被沖擊鋼架柱腳以及節(jié)點多處均已屈服，且與其相鄰的兩榀鋼架柱腳處應(yīng)力達(dá)到屈服強度；隨著沖擊作用的繼續(xù)進行，當(dāng)t=16ms時結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯減小，只有被沖擊榀應(yīng)力較大，t=24ms時結(jié)構(gòu)僅有部分節(jié)點應(yīng)力偏大。

由沖擊工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖可知，帶支撐格柵壩受到?jīng)_擊作用以后結(jié)構(gòu)沿沖擊作用方向處于來回振動的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力整體上呈現(xiàn)遞減的趨勢；結(jié)構(gòu)加支撐之后應(yīng)力云圖與原格柵壩相比可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)力有所減小。沖擊過程中，被沖擊榀鋼支撐的應(yīng)力始終偏大，在沖擊作用瞬間，支撐已達(dá)到屈服強度，失去繼續(xù)承載的能力，然而由于支撐的存在消耗了大量沖擊作用能量，使結(jié)構(gòu)其他部位的應(yīng)力減小，故在泥石流發(fā)生過程中，可使支撐首先屈服破壞，消減巨石沖擊能量，保護鋼格柵壩主體結(jié)構(gòu)，起到了耗能的作用，且由于工程中支撐的更換較為便捷，泥石流過后對鋼格柵壩中支撐拆除新增或加固較為方便。

5 結(jié) 語

文中利用有限元軟件LS-DYNA進行數(shù)值模擬，用鋼球模擬大塊石施加沖擊荷載，通過對帶支撐鋼構(gòu)格柵壩的應(yīng)力的分析，得到如下結(jié)論：選取支撐布置形式合理的帶支撐鋼格柵壩能有效減小結(jié)構(gòu)各單元應(yīng)力，可使支撐作為耗能構(gòu)件消耗沖擊作用能量，進而保護主體結(jié)構(gòu)免受沖擊破壞。

[1]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.

[2]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.

[3]鄧虎，陳寧生，胡桂勝，盧陽.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.

Stress analysis of steel grille dam with brace under the shock load

Steel grille dam with brace was simulated using nonlinear finite element software LS-DYNA.Steel balls was used to simulate the stone, impact load is respectively settled in the dam,analysis the stress response of structure under the shock load.Results show that the stress of the structure unit can effectively reduce when brace is decorated in the steel grill dam,the brace can be energy consumption component.The research results provide reference information for the design of steel grille dam in debris flow block engineering.

Big stone in debris flow；impact force；steel grille dam with brace；LS-DYNA；numerical simulation；stress

TU391

：B

：1003-8965（2017）02-0079-01