带支撑钢构格栅坝在冲击作用下的应力分析

崔晓燕胡志明

（1兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060；2甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050）

带支撑钢构格栅坝在冲击作用下的应力分析

崔晓燕1胡志明2

（1兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060；2甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050）

就带支撑钢构格栅坝结构模型，利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA 进行数值模拟。用钢球模拟巨石冲击作用于格栅坝体，分析在冲击荷载作用下结构的应力分布。结果表明：带支撑钢格栅坝能有效减小结构各单元应力，可使支撑作为耗能构件消耗冲击作用能量。该结果为泥石流拦挡工程中带支撑钢构格栅坝的设计提供了参考。

泥石流巨石；冲击作用；带支撑钢构格栅坝；LS-DYNA；数值模拟；应力

1 引 言

现有钢构格栅坝拦截巨石冲击性能仍有待于提高，为更加有效的抵御泥石流中巨石的冲击，确保钢构泥石流格栅坝在泥石流冲击下仍能继续发挥拦截巨石作用[1,2]，带支撑钢构格栅坝这一新型的结构形式应用而生。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟，分析新型格栅坝的应力分布规律，指导带支撑钢构泥石流格栅坝的深入研究以及实践应用。

2 模型尺寸的确定

现有钢构格栅坝及支撑布置类型如图1。该支撑布置方式适当增大了结构的刚度，对位移控制起到了较好作用，同时控制了各柱脚支反力的增大幅度，且结构各构件受力较均匀。

图1 支撑布置方式

带支撑钢构格栅坝模型由五榀钢架通过水平梁相连，各榀间距0.5m，每榀钢架为两跨两层，跨度均为0.5m，第一层高度0.61m，第二层高度0.4m，将支撑布置于结构每一榀钢架的横向柱间。模型中钢柱及钢梁均采用H100X100X6X8工字型钢，新增加的钢支撑采用L50×50×5的等边单角钢。

3 有限元模型的建立

采用直径为0.3m的钢球模拟泥石流巨石，钢球选取ANSYS/LS-DYNA中提供的刚体单元SOLID168单元，其本构关系采用刚体模型，钢球网格尺寸取为0.02m，其有限元模型网格划分如图2所示。由邓虎、陈宁生等对三眼峪泥石流的动力特性参数的分析可知，泥石流中巨石流速为10.95m/s[3]，故模拟中取钢球的初速度为10m/s。

冲击作用工况：定义钢球作用于格栅坝中间榀顶层梁柱节点为冲击作用工况。

带支撑钢格栅坝有限元模型中，构件选用4节点空间薄壳单元SHELL163单元，单元算法采用程序默认的Belytschko(def)算法。格栅坝模型材料屈服强度235MPa，本构关系采用双线性各向同性模型，材料的屈服遵循VonMises屈服准则。带支撑钢构格栅坝的网格划分尺寸为20mm，其有限元网格划分如图2所示。

图2 带支撑钢格栅坝有限元模型

4 Von Mises应力对比分析

带支撑钢构格栅坝在冲击工况作用下的应力云图如图3所示，由于结构的对称性，提取一半结构进行分析。

图3 冲击工况作用下带支撑格栅坝Von Mises应力云图

从图3可以看出：冲击工况作用下带支撑格栅坝在被冲击榀以及与其相邻的两榀结构应力大，两边榀结构应力相对较小；冲击作用瞬间结构在被撞击位置钢材已到达屈服强度，被冲击钢架柱脚以及节点多处均已屈服，且与其相邻的两榀钢架柱脚处应力达到屈服强度；随着冲击作用的继续进行，当t=16ms时结构响应明显减小，只有被冲击榀应力较大，t=24ms时结构仅有部分节点应力偏大。

由冲击工况下结构的应力云图可知，带支撑格栅坝受到冲击作用以后结构沿冲击作用方向处于来回振动的状态，结构应力整体上呈现递减的趋势；结构加支撑之后应力云图与原格栅坝相比可知，结构应力有所减小。冲击过程中，被冲击榀钢支撑的应力始终偏大，在冲击作用瞬间，支撑已达到屈服强度，失去继续承载的能力，然而由于支撑的存在消耗了大量冲击作用能量，使结构其他部位的应力减小，故在泥石流发生过程中，可使支撑首先屈服破坏，消减巨石冲击能量，保护钢格栅坝主体结构，起到了耗能的作用，且由于工程中支撑的更换较为便捷，泥石流过后对钢格栅坝中支撑拆除新增或加固较为方便。

5 结 语

文中利用有限元软件LS-DYNA进行数值模拟，用钢球模拟大块石施加冲击荷载，通过对带支撑钢构格栅坝的应力的分析，得到如下结论：选取支撑布置形式合理的带支撑钢格栅坝能有效减小结构各单元应力，可使支撑作为耗能构件消耗冲击作用能量，进而保护主体结构免受冲击破坏。

[1]中村.钢制格栅坝的性能设计[J].水土保持科技情报，2001，（5）：14-16.

[2]懒户俊彦，葛西俊一郎，山口健太郎，等.采用格栅型钢结构过水大坝防止泥石流[J].水土保持科技情报，2000，（2）：37-39.

[3]邓虎，陈宁生，胡桂胜，卢阳.甘肃舟曲三眼峪沟泥石流动力学特征参数计算[J].重庆交通大学学报(自然科学版 )，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