插接式子堤理论计算与有限元分析

2018-06-26

水利建设与管理 2018年6期

(1.河北省水利科学研究院，河北石家庄 050051；2.任丘市水务局，河北任丘 062550)

洪水灾害是一种破坏力巨大的自然灾害，直接或间接地给人民造成重大的生命与财产损失。1996年及1998年发生的洪水灾害中，长江中下游3600km的干堤发生各类险情6000多处，其中较大险情(溃口性险情，有的管涌直径达到1m多)4000多处。因此为了保护城市及重要基础设施的防洪安全，专家提出，技术创新是发展的关键突破口，必须开发快捷、有效、经济的防洪产品。

防洪子堤主要用于沙壤土、壤土、黏土和混凝土等软硬质堤防的应急防漫堤抢险。一方面可用于应对江河水头猛涨超过堤顶高程时造成的漫溢灾害；另一方面可用于应对在汛期堤顶由于遭受强风大浪，而江河水面翻越堤顶面而造成的局部堤段险情。在现有技术中，子堤主要采用钢材焊接成子堤框架，将防水面板用螺栓固定于框架之上，起到防水作用。这种子堤所用原材料笨重、运输不便，且易于生锈腐蚀。此外，繁琐的施工给抗洪抢险工作的开展带来诸多不利影响。插接式子堤是一种原材料可折叠、易运输且施工工艺简单的产品，在原材料运输、产品安装过程中，可降低劳动强度，提高作业效率，方便在汛期中灵活使用，切实保障人民群众的生命安全，最大程度地减轻洪涝灾害损失。

1 材质与结构尺寸

插接式子堤由铝合金支架与玻璃钢堤面面板组合而成，具体结构如图1所示，具体材料属性见表1。

图1 插接式子堤

表1 插接式子堤材料属性

本文计算子堤在承受设计挡水高度0.833m水荷载情况下，插接式子堤结构的强度、刚度等是否符合允许条件。

子堤所承受的水压力如图2所示，插接式子堤挡水高度为h=0.833m，考虑动水压力影响，涉及到的动力系数Kd取1.2。

图2 子堤所受水压力

2 结构理论计算

2.1 计算过程

2.1.1 整体抗倾覆计算

将总压力按水平X方向及竖直Y方向分解，求得Fx与Fy，进而求得C点处的水平力矩Mx为1133.49N·m，垂直力矩My为1133.49N·m，My>Mx，因此子堤在使用过程中不会发生倾覆。

由于洪水在流动时，岸边涡流较多，除了考虑动力系数之外，还应考虑洪水反复冲击的加卸载作用，因而在确定设计倾覆荷载时应考虑安全系数K，按照锚固装置的差异，对于土质大堤，K=2。针对C点列弯矩平衡可得：

地铆钉所需提供的锚力，F=196.80N。

在一般的黏土中，长260mm、直径30mm的钢钎可提供的锚固力为1003～1040N，远大于上述地铆钉所需提供的锚力，因此满足抗倾覆条件。

2.1.2 面板强度及刚度计算

a.面板强度计算。将插接式子堤面板强度计算模型简化为简支梁，根据面板横截面，已知面板的截面面积A=1925.4mm2，惯性矩为I=9630990mm4，ymax=10.367mm，抗弯截面系数W=9289.572mm3，荷载计算模型如下图3所示。

图3 子堤面板计算模型

求解可得：最大弯矩M=565.95N·m，最大剪力F=-3098.8N，最大弯矩所对应的正应力值与最大剪力所对应的切应力分别为：

所以抗拉强度与抗剪强度均满足要求。

b.面板刚度计算。根据计算可知，当x=0.456m时，挠度值w最小为-0.0192m。即最大变形为0.0192m，竖直向下。一般情况下，对插接式子堤总变形量控制在0.05m范围内为宜，因此设计满足要求。

2.1.3 支架强度及刚度计算

a.横梁强度计算。在计算横梁的受力时，将面板按照连续梁考虑，横梁考虑为杆约束，一次超静定结构，计算可得横梁处荷载FB=3329.08N，因此横梁上的均布荷载q=3329.08N/m。

横梁进而可简化为受均布荷载的简支梁，横梁计算模型如图4所示：

图4 横梁计算模型

b.横梁刚度计算。综合面板和横梁的受力情况，计算得到横梁的跨中挠度为5.518mm，小于铝合金设计规范的挠度允许值l/180=5.622mm，符合设计要求。

2.2 计算结果分析

子堤在承受设计挡水高度0.833m水荷载情况下，不同结构构件的应力位移结果如表2所列，数据显示各个构件的强度和刚度均符合要求。

表2 插接式子堤计算汇总

3 有限元受力分析

3.1 计算模型

通过进行三维有限元模拟计算，对结构进行三维模拟，其有限元模拟如图5所示，进而对防洪子堤构件在不同工况下的整体受力与变形情况进行分析，并作相应的校核评判。

图5 模拟单元网格划分

3.2 计算结果

当支架的工作水头位于设计水头时，对结构施加梯度水荷载并进行计算，单元支架各方向最大位移值及最大位移所处位置见表3。

表3 整体最大位移大小及位置 (单位：mm)

由表3可知，结构的各个方向最大位移均出现在面板中部，位移主要以顺河向位移为主，总位移最大值为21.56mm，一般情况下，对于防洪子堤总变形量以控制在50mm范围内为宜，所以面板位移结果符合一般控制要求。对于铝合金支架构件，最大位移为6.96mm，位于下侧横梁的中间位置，方向仍主要以顺河向为主，由结果可知支架横梁处的位移相对较大。整体结构的总位移以及支架构件的总位移如图6和图7所示。

图6 整体结构总位移

图7 支架总位移

当支架的工作水头位于设计水头时，面板及支架两局部构件各个方向最大应力值及最大值所处位置见表4。

表4 结构最大应力大小及位置 (单位：MPa)

由表4可知，面板构件的各个方向应力最大值均位于卡子附近，这与卡子是面板的支撑点有关；面板各方向最大应力中以横河向的应力最大，其值为36.10MPa，小于面板的抗拉强度设计值350MPa，因此面板强度结果符合控制要求。对于铝合金支架结构，最大应力为74.6MPa，位于横梁中部，方向为横梁的受力方向即横河向，最大应力值小于铝合金抗拉强度设计值90MPa，因此也符合规范设计要求。面板以及支架两构件的各个方向应力见图8～图13。