新型压力防洪结构设计及ANSYS有限元分析

秦玉梅

（菏泽市牡丹区水务局，山东 菏泽 274000）

近年来，极端天气频发，暴雨成灾，洪水肆虐，国内众多大中型城市先后遭遇不同程度的水灾害，内涝已成为城市发展的软肋，因此研究城市防洪结构具有重要意义[1-5]。方良[6]将新型塑料材料与金属结构相结合，设计了一种新型挡洪结构，并基于有限元分析、载荷场试验以及现场测试进行验证；王绪彬等[7]针对河道防洪现状及目前存在的问题进行防洪堤设计，对不同型式河堤、护岸进行方案比选；王克强[8]结合塔里木河阿拉尔河段防洪护岸构筑物设计，设计了一种坝式护岸和坡式护岸结合型的护岸型式；侯进平[9]结合护岸工程地质条件、传统防洪护坡型式及防洪经验，提出格宾石笼护岸和浆砌石护岸2 种护岸型式；武星亮等[10]介绍了一种新型铝合金防洪墙的结构以及可行性研究；麦麦提·尼亚孜[11]针对车尔臣河防洪工程的设计及运行情况分析，对其防洪工程的结构型式进行了研究；倪立建[12]对轻型移动式防洪墙的应用前景及结构特征做了阐述，通过挡水试验及监测，结合理论计算和有限元分析与其相互验证。

以上研究表明，现阶段的城市防洪研究主要聚焦于改进防洪堤和各种防洪护岸，少部分学者对钢结构类型的轻式防洪结构进行研究。轻式防洪结构不仅经济性高，同时人力需求少，具有较好应用前景。自闭式防汛结构（SCFB）是世界上最有效的防洪系统之一，目前已在全球范围内投入使用。该防洪系统不仅适用于地下停车场入口，同时适用于居民楼和河岸等防洪地点，且整个过程不需要人工监控，可以自动完成。基于目前的自闭式防洪结构设计理念，设计了一种SCFB 防洪结构，同时采用ANSYS 软件对其力学性能进行了校验分析，研究结果可为相关防洪工程提供设计借鉴。

1 工程概况

本次研究的防洪流域地处温带半干旱大陆性季风气候区，年平均气温7.6～13.1 ℃，多年平均降水量500～600 mm，年内降水量极为不均匀，80%以上集中在汛期且年际变化很大，常造成水旱灾害。区域内冰冻期一般从11 月中旬开始，至次年2 月中旬解冻，冰冻期约80 d，多年平均冻土层深48.6 cm，全年无霜期184 d，年平均风速约16 m/s，多年平均降水量为558 mm，降雨多集中在7—8 月，并常以暴雨的形式出现。

2 SCFB结构设计

本次防洪结构设计优先选用铝金属，因为铝材结构不仅经济且重量轻，如图1所示，主要部件包括铝盖、浮动墙、支撑块、混凝土水池腔和进排水管等。铝盖的设置是为了关闭水池腔，以防止非汛期时废物或碎屑流入水池腔内堵塞排水通道。浮动墙即防洪墙，由聚酯制成，厚度为4～8 mm，高度为1 m，非汛期时压存在一个具有一定温度和湿度的混凝土水池腔中，而与地表连接的支撑板用于防止防洪墙在汛期脱离地表。防洪墙由层压条加固，并填充聚氨酯泡沫芯，是一种非常坚固和耐冲击的结构。

图1 自闭式防汛结构

3 SCFB结构工作原理

SCFB 结构主要包含洪水蓄水池和防洪墙两部分，当洪水上升到洪水水位前（设计时一般控制在底座下方10 cm 以上），防洪墙均存在于地表以下，如图2 所示。当水位上升到洪水水位时，防洪墙前的蓄水坑开始蓄水，当洪水完全填满蓄水池后，防洪墙开始上升，如图3 所示。此时，洪水如果继续上升，但高度如果不超过防洪墙高度，洪水就不会淹没居住区。当水位下降到正常水平时，水池中的洪水由安置在结构内部的水泵排出，同时防洪墙也会逐渐返回到原始位置，并通过铝盖封存。

图2 正常水位下防洪结构

图3 满水位下防洪结构

4 有限元理论

有限元分析（FEA）方法最初由Turner等人（1956年）提出，是一种强大的计算技术，用于近似求解各种“真实世界”工程问题。其基础依赖于将域分解为有限数量的子域（元素），通过应用变分或加权残差方法构造系统近似解。有限元分析方法主要有以下分析步骤：将域离散化为有限数量的子域（单元）、插值函数的选择、单元矩阵的装配以获得整个域的全局矩阵、施加边界条件、方程的求解以及可视化。以一维线性弹簧系统为例，首先对求解域进行网格离散和单元节点编号，如图4所示。

图4 求解域离散

然后开始进行矩阵装配，在矩阵表示法中，全局方程组可以表示为：

式中：K是系统刚度矩阵（N/mm）；u是未知的位移向量（mm）；F是力向量（N）。

式（2）—（6）中各分量与上述矩阵向量单位保持一致。图中假设节点1 和节点2 之间是具有刚度k的线性弹簧，每个节点承受f1和f2的轴向载荷，而受力引起的位移u1和u2在其正方向上的位移表示为：

其与作用在弹簧上的力的关系表示为：

根据受力平衡原理，得出：

组合以上等式并以矩阵形式重写方程：

式中：u(e)表示位移的节点未知向量；k(e)和f(e)分别为单元特征（刚度）矩阵和单元右侧（力）向量。

刚度矩阵可以用指数形式表示为：

式中：i和j（i，j＝1，2）是行号和列号；系数k(e)ij可以解释为节点i处产生初始位移所需的力，同时在节点j处产生的位移。

5 防洪结构有限元分析

当前对复杂结构采用传统力学分析方法去获得解析解是极其困难和繁琐的，大多数实际问题都是通过数值方法解决。随着计算机的出现，工程分析领域应用最广泛的技术之一是有限元法，其对各种静力和动力问题均有较高精度的力学解。本次采用ANSYS 软件对防洪墙进行力学分析，研究防洪墙在极端工况下的应力-应变特性。防洪墙混凝土基础长1 m、宽1.8 m、高0.5 m，混凝土水池腔高7.6 m，最大静水压力约为80 N/mm，流体密度为1 000 kg/m3。SCFB模型如图5所示，力学参数详见表1。

表1 力学参数

图5 防洪结构数值模型

SCFB结构在极端工况下的总位移、总应力以及总应变分别如图6—8所示。从图6—8可以看出，铝合金制成的SCFB 结构的最大总变形为1.4 mm，最大总应变为4×10-3，而最大应力约为24.5 N/mm。因此，数值结果表明本次设计SCFB 结构在临界静水压力情况下变形较小、抗洪能力强，能够达到抗洪效果。但值得注意的是，结构最大应力和最大应变处分别位于支承处和混凝土基础表面，建议在实际加工中对两处进行加固处理，防止出现裂缝。

图6 SCFB结构总变形

图7 SCFB结构总应力

图8 SCFB结构总应变

6 结论

基于目前的自闭式防洪结构设计理念，设计了一种SCFB 防洪结构，同时采用ANSYS 软件对其力学性能进行了校验分析。研究结果表明，铝合金制成的SCFB 结构的最大总变形为1.4 mm，最大总应变为4×10-3，而最大应力约为24.5 N/mm。数值结果表明本次设计SCFB 结构在临界静水压力情况下变形较小、抗洪能力强，能够达到抗洪效果；但结构最大应力和最大应变处分别位于支承处和混凝土基础表面，建议在实际加工中对两处进行加固处理，防止出现裂缝。