基于潰口水深與流沖角的四角六棱鋼架穩(wěn)定性影響探究

侯紀(jì)榮

(沈陽市蘇家屯區(qū)應(yīng)急管理事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110101)

四角六棱鋼架特有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，決定其經(jīng)常成為中小型潰決口塞堵?lián)岆U的重要材料和技術(shù)選擇。本文借助ABAQUS鋼構(gòu)有限元分析系統(tǒng)，基于有限元強(qiáng)度折減法，對潰口水深與流沖角對四角六棱鋼架的功能穩(wěn)定性影響課題開展專題分析探究，分析四角六棱鋼架潰口搶險拋填的穩(wěn)定狀態(tài)與適用情況，為同類潰口搶險工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考。

1 四角六棱鋼架及概化計算模型

1.1 原型的概化

四角六棱鋼架是由6根直徑為50mm的空心鋼管經(jīng)過螺栓連接而成，螺栓連接部位距每根鋼管一側(cè)的端頭20cm，其實物及概化幾何狀態(tài)具體如圖1所示。該鋼架拋入潰口后，在水流和之后拋投料的共同作用下，底面3個支腳將抓嵌于潰口土層中。3個支腳的抓嵌狀態(tài)決定四角六棱鋼架的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 四角六棱鋼架實物及概化幾何狀態(tài)圖(單位：mm)

1.2 有限元網(wǎng)絡(luò)模型

本計算模型由四角六棱鋼架及基礎(chǔ)2部分組成，四角六棱鋼架及基礎(chǔ)均選用修正二次十結(jié)點四面體單元，四角六棱鋼架每根桿件的桿徑方向設(shè)置為9個節(jié)點，桿長方向設(shè)置為49個節(jié)點。基礎(chǔ)在四周的每條邊上設(shè)置11個節(jié)點，在深度方向上設(shè)置5個節(jié)點，在與四角六棱鋼架底部3個支腳接觸的圓孔處，沿孔徑方向和孔深方向各設(shè)置節(jié)點9個。鋼架及基礎(chǔ)網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 鋼架及基礎(chǔ)網(wǎng)格模型

1.3 邊界條件設(shè)置

本模型在基礎(chǔ)底面與四周設(shè)置了約束條件，其基本約束參數(shù)見表1。

表1 有限元邊界基本約束

1.4 互相作用條件設(shè)置

本模型中四角六棱鋼架底部3個支腳抓嵌于基礎(chǔ)土層后，四角六棱鋼架底部3個支腳與基礎(chǔ)土層緊密接觸，在此處要求設(shè)置優(yōu)化的互相作用關(guān)系。此銜接面間的切向行為設(shè)置為無摩擦，法向行為設(shè)置為硬接觸。

本模型中四角六棱鋼架與基礎(chǔ)的剛度有相當(dāng)大的懸殊，四角六棱鋼架的彈塑性模量是基礎(chǔ)的100倍，并且在本模型只研究與四角六棱鋼架接觸位置土體的應(yīng)力、應(yīng)變，對四角六棱鋼架內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變并不關(guān)注，所以為降低軟件計算量，對四角六棱鋼架設(shè)置剛體約束。

1.5 材料物理機(jī)能參數(shù)

四角六棱鋼架與基礎(chǔ)的材料物理機(jī)能見表2。

表2 四角六棱鋼架與基礎(chǔ)的材料物理機(jī)能參數(shù)

2 四角六棱鋼架模型的載荷計算

2.1 載荷計算

在整個計算模型中，主要包括以下幾方面載荷：基礎(chǔ)表面受的靜水壓力(pw1)、四角六棱鋼架自身重量(G1)、四角六棱鋼架受的動水壓力(Fw)、基礎(chǔ)自身重量(G2)、四角六棱鋼架受的靜水壓力(pw2)。計算模型的載荷受力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 載荷受力簡圖

2.2 承受的動水壓力

港口碼頭工程基礎(chǔ)多為透空型結(jié)構(gòu)物，水流對透空結(jié)構(gòu)的作用力與潰口水流施加給四角六棱鋼架的動水壓力基本類似，所以選用水流力計算方法計算鋼架所承受的動水壓力。JTS 144-1—2010《港口工程載荷規(guī)范》中的水流力計算公式為：

(1)

式中，Cw—水流阻力常數(shù)；Fw—水流標(biāo)準(zhǔn)值，kN；A—計算構(gòu)件與流向垂向平面上的投影面積，m2；V—水流設(shè)計流動速率，m/s；ρ—水密度，103kg/m3，淡水取為1.0，海水取為1.025。

參考該規(guī)范，水流阻力常數(shù)Cw取值0.73，并參考規(guī)范中表2.13.0.3—6、表2.13.0.3—5、表2.13.0.3—3和表2.13.0.3—2對水流阻力常數(shù)分別實施斜向影響常數(shù)、橫向影響常數(shù)、淹沒常數(shù)和遮流常數(shù)修正，獲得修正后的水流阻力常數(shù)Cw=1.83。

2.3 其他載荷

基礎(chǔ)與四角六棱鋼架自身重量，按體力計算，對每個單元加施重力載荷，重力加速度(g)取值9.81m/s2。作用在基礎(chǔ)及四角六棱鋼架上的靜水壓力:

pw=ρgh

(2)

式中，h—水壓力作用點部位的水深，m,以表面力計算，對基礎(chǔ)的頂面及四角六棱鋼架的外表面加施靜水壓力，作用方向垂向于作用面。

表3 基于流沖角及流速差異的鋼架安全穩(wěn)定常數(shù)表

3 基于潰口水深與流沖角的穩(wěn)定性影響分析

3.1 潰流沖擊角對鋼架的穩(wěn)定性影響

潰口拋投四角六棱鋼架實施救險封堵時，潰流對四角六棱鋼架的沖擊方向較為隨機(jī)，所以在分析四角六棱鋼架穩(wěn)定狀態(tài)時應(yīng)考慮各沖擊方向?qū)λ慕橇怃摷芊€(wěn)定狀態(tài)的影響。以下在0°到180°范圍，參考四角六棱鋼架的對稱性，每30°差異取1個流沖角，借以分析四角六棱鋼架的穩(wěn)定狀態(tài)?；谒鳑_角差異，四角六棱鋼架的承受沖擊狀態(tài)具體如圖4所示。

圖4 基于水流沖角鋼架承受沖擊狀態(tài)

潰口處水流的2個重點水力特性是潰口水深與水流的流動速率，水深與流動速率決定著拋投鋼架的穩(wěn)定狀態(tài)，假定水深固定，本研究取以10種不同流動速率，分析基于7個不同流沖角的四角六棱鋼架穩(wěn)定狀態(tài)。本計算不收斂，并且參考構(gòu)造內(nèi)彈塑性區(qū)貫通和關(guān)鍵點突變移位當(dāng)作失穩(wěn)判據(jù)。參考不收斂時間和基于流沖角及流速差異所確定的安全穩(wěn)定常數(shù)具體見表3。參考基礎(chǔ)上被抓嵌于圓孔部位的突變移位確定的安全穩(wěn)定常數(shù)如圖5—11所示。

圖5 流沖角0°折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位

圖6 流沖角0°折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位

圖7 流沖角60°折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位

圖8 流沖角90°折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位

圖9 流沖角120°折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位

圖10 流沖角150°折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位

圖11 流沖角180°折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位

把圖5—11中參考關(guān)鍵節(jié)點突變移位確定的安全穩(wěn)定常數(shù)與表3中的參考計算不收斂時間所確定的安全穩(wěn)定常數(shù)實施比對，發(fā)現(xiàn)2類判據(jù)所獲得的安全穩(wěn)定常數(shù)基本一致。圖5—11與表3存在以下規(guī)律：流沖角在0°～60°范圍內(nèi)，安全穩(wěn)定常數(shù)逐漸加大；流沖角在60°～120°范圍內(nèi)，安全穩(wěn)定常數(shù)逐漸降低；流沖角在120°～180°范圍內(nèi)，安全穩(wěn)定常數(shù)逐漸加大。表3中60°、30°、0°流沖角的安全穩(wěn)定常數(shù)分別與180°、150°、120°流沖角的安全穩(wěn)定常數(shù)幾乎完全相同。在圖5—11中60°、30°、0°流沖角的折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位圖分別與180、150°、120°流沖角的折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位圖幾乎完全相同。所以可推斷，隨流沖角演變，安全穩(wěn)定常數(shù)基本呈周期性演變。參考表3，做3.8、3.6、3.4、3.2、3.0m/s流動速率的安全穩(wěn)定常數(shù)與流沖角關(guān)系圖，具體如圖12所示。

圖12 安全穩(wěn)定常數(shù)與流沖角關(guān)系圖

圖12中安全穩(wěn)定常數(shù)隨著流沖角演變呈周期性演變，其周期120°。在0°～120°范圍內(nèi)，60°上下兩側(cè)流沖角的安全穩(wěn)定常數(shù)對于60°對稱。所以以下在實施四角六棱鋼架穩(wěn)定狀態(tài)分析時僅需考慮0°～60°范圍內(nèi)的流沖角。

圖13流沖角60°、30°、0°的安全穩(wěn)定常數(shù)與流動速率關(guān)系圖線揭示，3種流沖角下，隨流動速率加大，安全穩(wěn)定常數(shù)均對應(yīng)降低。

圖13 安全穩(wěn)定常數(shù)與流動速率關(guān)系圖

表4 基于水深及流動速率差異的鋼架安全穩(wěn)定常數(shù)表

3.2 潰口水深對鋼架的穩(wěn)定性影響

為分析潰口處水深對四角六棱鋼架穩(wěn)定狀態(tài)的影響，在本節(jié)假定流沖角不變，以0°流沖角為例，取為10種不同流動速率，分析4種水深下四角六棱鋼架的穩(wěn)定狀態(tài)。參考計算不收斂時間確定的安全穩(wěn)定常數(shù)見表4，參考基礎(chǔ)上被抓嵌于圓孔部位的突變移位確定的安全穩(wěn)定常數(shù)如圖14—17所示。

圖14 水深0.8m折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位關(guān)系

圖15 水深1.0m折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位關(guān)系

圖16 水深1.2m折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位關(guān)系

圖17 水深1.5m折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位關(guān)系

表4中的安全穩(wěn)定常數(shù)與圖14—17中所確定的安全穩(wěn)定常數(shù)仍基本一致。從表4中可看到，基于同一流動速率，隨著水深的加大，四角六棱鋼架的安全穩(wěn)定常數(shù)對應(yīng)加大，在圖14—17中同一流動速率的折減強(qiáng)度常數(shù)與關(guān)鍵點移位關(guān)系曲線在向右移動，所相應(yīng)的突變移位點亦向右移動。

圖18 安全穩(wěn)定常數(shù)與水深關(guān)系

為分析水深對不同流動速率下安全穩(wěn)定常數(shù)的影響，做10種流動速率下安全穩(wěn)定常數(shù)與水深關(guān)系圖，具體如圖18所示。

圖18安全穩(wěn)定常數(shù)與水深關(guān)系圖線揭示，流動速率越大，安全穩(wěn)定常數(shù)與水深關(guān)系曲線相對變得愈加平緩，并且各條曲線間的間距也在降低。結(jié)合以上分析可得到，隨著流動速率的加大，水深對安全穩(wěn)定常數(shù)的加增效果在降低。

4 總結(jié)

通過四角六棱鋼架塞堵潰口功能穩(wěn)定性的專題分析，可以得知：

(1)四角六棱鋼架穩(wěn)定狀態(tài)隨潰口處水流動速率的加大而對應(yīng)降低，隨水深加大而加大。隨著流沖角加大，四角六棱鋼架的穩(wěn)定狀態(tài)呈周期性演變，流沖角越大相應(yīng)的四角六棱鋼架安全穩(wěn)定常數(shù)越大。

(2)流沖角由0°演變至到60°時，四角六棱鋼架的失穩(wěn)方式表現(xiàn)為雙支腳傾覆式失穩(wěn)轉(zhuǎn)化為單支腳傾覆式失穩(wěn)。雙支腳傾覆式失穩(wěn)原因是背水面腳孔處土體出現(xiàn)彈塑性貫通與過大的應(yīng)力、移位。單支腳傾覆式失穩(wěn)時，四角六棱鋼架重點失穩(wěn)原因一般是迎水腳土體出現(xiàn)過大的應(yīng)力、移位與彈塑性貫通。