泥石流荷載下鋼管混凝土樁林結構的抗沖擊性能

王秀麗, 王 朋, 冉永紅, 羅 華

(1.蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室, 甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州730050)

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泥石流荷載下鋼管混凝土樁林結構的抗沖擊性能

王秀麗1,2, 王 朋1,2, 冉永紅1,2, 羅 華1,2

(1.蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室, 甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州730050)

摘要：[目的] 分析新型攔擋壩鋼管混凝土樁林結構在泥石流沖擊荷載作用下的動力響應，為其結構的設計提供有效的科學依據。[方法] 通過ANSYS有限元分析軟件對3種不同泥石流荷載工況下樁林壩進行數值模擬，主要分析結構的應力、應變和位移等響應。對比3種工況的響應，得到結構的最不利荷載工況。[結果] 空庫樁管頂部受大石塊沖擊是結構的最不利荷載工況，3種工況相對比，發現大石塊的沖擊力是導致結構破壞的主要因素；鋼管混凝土樁林具有良好的抗沖擊性能，在較小的塑性變形下，結構承受較大的沖擊力，且受撞擊構件剛度越大，沖擊力峰值越大；樁管和梁管的連接部位、樁管根部和端部受約束梁管是壩體的薄弱部位，因此設計時應采取加強措施。[結論] 鋼管混凝土樁林是一種節約材料穩定性較好的攔擋結構，具有良好的抗沖擊性能。

關鍵詞：泥石流; 鋼管混凝土; 沖擊力; 數值模擬; 結構響應; 荷載工況

文獻參數： 王秀麗, 王朋, 冉永紅, 等.泥石流荷載下鋼管混凝土樁林結構的抗沖擊性能[J].水土保持通報，2016,36(3)：249-252.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.043

泥石流是一種廣泛分布于世界各國一些具有特殊地形、地貌狀況地區的自然災害，是脆弱山區介于挾沙水流與滑坡之間的土、水、氣混合流[1]。位于宕昌縣城北部的紅河溝流域，據史料記載，該溝歷史上曾多次發生大規模泥石流，自1950—2006年50 a間，發生大小規模泥石流次數達15次之多，其中8次為嚴重的災害性泥石流，其中2000年5月31日發生的泥石流災害造成31人死亡，17人受傷，530余間房屋被毀，縣城供電線路及通訊設施嚴重受損，各種財產損失嚴重，直接經濟損失1 100余萬元。為確保宕昌縣城人民生命及財產的安全，開展洪河溝泥石流災害治理工程十分必要和迫切，具有重大的防災減災意義。

吳強等[2]以汶川地震引發的爛泥溝泥石流治理為例對部分格柵壩進行了具體設計，并基于固定梁模式重新推到了橫梁沖擊力計算公式其計算結果與簡支梁模式比較，數值大了3倍；李瑞冬等[3]以舟曲泥石流災害防治工程為背景，采用增量加載的方式分析了舟曲泥石流樁林攔擋結構的極限抗沖壓能力，并與經驗公式進行對比；游勇[4]對泥石流梁式格柵壩攔砂性能進行試驗研究，提出梁式格柵壩閉塞與溝道縱坡有較大關系；黃劍宇等[5]將透水攔擋壩及拱壩的特點相結合應用于泥石流災害防治工程中，對透水拱壩的結構和受力特征分析，為透水拱壩的設計提供依據；章琪等[6]對不同類型的鋼管混凝土跨中受沖擊過程進行數值模擬，得出實心鋼管混凝土抗沖擊性能最佳；瞿海雁等[7-8]采用數值模擬、試驗研究和理論分析相結合的方法，討論了沖擊荷載下圓鋼管混凝土試件的簡化模型。因為格柵壩具備良好的攔排穩特點，且結構簡單，施工周期短，在國內外泥石流防治工程中各種形式的格柵壩逐漸得到應用和迅速發展。本文以宕昌紅河溝坑溝為工程背景，采用數值分析的方法對鋼管混凝土樁林進行分析，以期對實際工程提供一定的理論依據，并對同類工程的設計提供一定的借鑒。

1模型的建立及分析過程的設定

宕昌紅河溝流域坑溝1號壩設計采用鋼管混凝土樁林方案，鋼管混凝土樁為“品”字型交錯布置，以增加攔擋大石和泥沙的能力，而山洪和稀性的泥石流則可以從樁間空隙流出，從而達到減緩泥石流沖擊力的作用。樁管采用φ325×14，梁管采用φ146×10，單排鋼管間距為1.5 m，樁管豎向采用鋼管梁連接，梁管之間中心間距取1.0 m，共布設5排鋼管梁，樁管與梁管之間采用相貫焊接連接。前后兩排鋼管之間采用鋼管梁連接呈三角形，從而構成一個整體鋼管格柵。格柵壩的左右兩側梁管均嵌入素混凝土肩墻中。

1.1有限元模型的單元類型選用

數值分析中的模型采用“品”字型結構單元分析，根據對稱條件取1/2模型進行計算。鋼管采用shell163薄殼單元，剪切因子均取5/6，其鋼管單元厚度取5 mm，本構關系采用Plastic Kinematic Model。混凝土采用solid 164實體單元，其本構關系采用Bilinear Isotropic Model。分析中將巨石的沖擊力集中在鋼球上，鋼球采用三維實體solid 164單元，本構關系采用剛體模型。鋼球和鋼管表面之間采用LS-DYNA程序提供的面面自動接觸算法。為了使模型網格劃分盡量規則均勻，達到計算精度要求，在節點處進行切割處理，對節點區域進行細化處理。對于核心混凝土和非節點區均采用體掃略網格劃分，尺寸為50mm。

1.2材料屬性

對于鋼管混凝土樁林壩，本工程混凝土采用C40，采用雙線性各向同性本構模型，其密度為2 500 kg/m3，彈性模量E=325 GPa，泊松比μ=0.2，切線模量Et=32.5，混凝土抗壓強度fcu,k=40 MPa。

鋼管材料采用Q345鋼材，采用塑性隨動模型，其為各向同性和隨動硬化的混合模型，與應變率相關，可考慮失效。通過調整硬化參數β來選擇各項同性或隨動硬化。應變率采用Cowper-Symonds模型來考慮，用與應變率有關的因素表示屈服應力，如下所示[9]：

(1)

坑溝1號壩所在溝道石塊以堅硬石灰巖、砂巖為主。因此密度取2 500 kg/m3，彈性模量取500 GPa，泊松比為0.27。

2鋼管混凝土樁林設計工況

由于鋼管混凝土樁林的透水性非常好，并且與水體接觸面積很小，并不會出現明顯的靜水壓力，因此在計算中不考慮水壓力對鋼管混凝土樁林的影響。另外，考慮在設計深度范圍內，鋼管混凝土樁林上有大石塊沖擊力及整體沖擊力的作用。采用ANSYS/LS-DYNA對3種工況的結構響應分析，工況1為空庫頂部泥石流大塊石撞擊，工況2為空庫受泥石流漿體沖擊，工況3為滿庫狀態。泥石流的基本物理參數及各工況荷載情況詳見表1和表2。

泥石流漿體整體沖壓力與沖壓方向和受害建筑物的形狀有關[10]：

(2)

式中：σ——泥石流整體沖壓力(Pa)；γc——泥石流容重(t/m3)；vc——泥石流流速(m/s)，g——重力加速度(m/s2)；λ——建筑物形狀系數，圓形λ=1.0，矩形λ=1.33，方形λ=1.47，α——建筑物受力面與沖壓方向的夾角(°)。

表1　泥石流基本物理參數

表2　鋼管混凝土樁林設計工況

3計算分析

3.1空庫頂部受大石塊沖擊

此荷載工況分為撞擊頂部樁管和頂層梁管2種情況，由于大石塊的沖擊作用下結構位移是最直接的動力響應，因此選取中間樁管的頂部節點進行分析，如圖1所示。在相同沖擊能量作用下，2種情況表現出完全不同的響應。撞擊樁管時，結構的位移在撞擊瞬間達到峰值，峰值為34 mm，在撞擊結束后，由于壩體的自由振動，樁管頂部中點位移在20 mm上下波動。撞擊梁管時，由于梁管的局部變形吸收了大部分沖擊能，因此結構的位移響應較小，最大值為3.97 mm，且位移時程曲線較平緩，并不像撞擊樁管時表現出較大的波動性。因此，從位移時程曲線可以反映出結構的自由振蕩情況。

圖1　鋼管混凝土樁林的位移時程

圖2為鋼管混凝土樁林的沖擊力時程曲線，從圖2可以看出，兩種情況下沖擊力作用時間分別為10.9和54.3 ms，可見沖擊力是個瞬時量，作用時間很短。撞擊梁管時沖擊力分為3個階段，分別為沖擊力峰值、穩定、衰減階段。經過初期振蕩后沖擊力穩定在一個定值，進入穩定階段，該階段說明梁管已經發生塑性變形，在變形增大的情況下承載力保持不變，沖擊能也是主要在此階段發生耗散。撞擊樁管時由于樁管內部核心混凝土的約束作用，抑制外鋼管的局部變形，導致沖擊力在極短的時間內達到峰值，并未出現明顯的穩定階段而直接進入衰減階段，為三角形脈沖荷載，說明撞擊樁管時并未發生類似撞擊梁管時的大變形。

圖2　鋼管混凝土樁林的沖擊力時程

在整個沖擊過程中應力最大值是我們所關注的對象，于是觀察沖擊過程中應力云圖的變化情況，由應力云圖可知：撞擊樁管時，受沖擊部位和與其相連的2根交叉梁管的端部出現較大應力，并且整根交叉梁管的應力在整個沖擊過程中均比較大。于是提取應力較大桿件的應變值，分別將A，B，C，D，E 5點的應變時程曲線繪于圖3a中，由圖3可知，5點的變形基本在同一時間發生，說明壩體受到的沖擊能量較大，沒有明顯的變形傳遞過程，均在很短時間內達到最大值。由于樁管內部混凝土的影響，有效的防止樁管的局部破壞，使得樁管受沖擊部位E點的有效塑性應變最大為0.007。但是對于與樁管交叉相連的兩根梁管的端部B，C節點，由于內部并沒有混凝土，導致在整個沖擊過程中產生了最大塑性應變，最大值達到0.08。對于2根橫向的梁管端部A，D兩點只產生0.003的塑性應變。由此可以看出在沖擊過程中，樁管和2根交叉的梁管是主要受力構件，梁管與樁管連接處是結構的薄弱地方，因此在實際設計中應采取構造措施加強節點處的連接，防止梁管端部過早屈服。

由梁管受撞擊時應力最大時刻的應力云圖分析可知，受撞擊梁管發生局部凹陷，其他部位均完好。在沖擊部位和節點的連接處應力較大，于是提取A，B，C點的塑性應變，如圖3b所示。由圖3b可知，3點并未在撞擊瞬間達到塑性變形最大值，而是經過一段時間后才達到峰值，該時間段為梁管的充分變形過程。由于梁管為空心，因此塑性應變較大，A點塑性應變達到0.19，B點為0.07，C點為0.17，但均小于材料的失效應變0.2，因此未出現梁管斷裂現象。

圖3　鋼管混凝土樁林的應變時程

3.2空庫和滿庫受泥石流漿體沖擊

由整個沖擊過程中應力變化，幾根樁管的根部出現較大應力，并且端部受約束梁管和底部3層與樁管相連的梁管的應力比較大。于是提取中間樁管不同高度處的應力值如圖4所示。由圖4可知，鋼管和混凝土的應力最大值均發生在根部，對于工況2，鋼管的最大應力值為73.85 MPa，混凝土的最大應力為10.40 MPa。而工況3，鋼管的最大應力值為29.69 MPa，混凝土的最大應力為4.17 MPa。因此應加強根部與基礎的連接。相對于工況1來說，這2種工況的應力較小，壩體處于彈性工作階段，并未發生塑性變形，說明對于鋼管混凝土樁林攔擋結構大塊石的撞擊是最不利的荷載工況。對于2種工況，在底部3層樁管和梁管的連接處均出現較大應力，最大值分別為82.98和25.82 MPa。但是壩體的最大應力出現在第3層受約束的梁管，由此可以得出，節點連接處是壩體的相對薄弱部位，并且應加強端部梁管與兩側混凝土壩肩的連接。

圖4　鋼管混凝土樁林的不同高度應力值

由于位移是壩體設計主要關注的設計參數，因此在ANSYS有限元軟件中獲取2種工況的位移云圖。觀察得到，最大位移出現在壩體的第3層，于是提取中間樁管不同高度處節點的位移值(如圖5所示)。在3 m左右處壩體出現最大位移，工況2的最大位移為1.78 mm，工況3的最大位移為0.74 mm，位移值均遠小于工況1的位移。

圖5　鋼管混凝土樁林的不同高度處位移值

4結 論

(1) 經過計算分析，空庫頂部受大石塊沖擊是3種工況下的最不利荷載工況，在此工況下梁管出現較大塑性變形，樁管受撞擊時結構的整體響應比撞擊梁管時大，結構振蕩明顯。3種工況相比較，發現大石塊沖擊是導致壩體破壞的主要因素。

(2) 撞擊樁管時，沖擊力經歷峰值和卸載2個階段，加載時間極短，沖擊力峰值較大；撞擊梁管時，沖擊力曲線經歷了峰值、平臺段和卸載3個階段，加載時間較長，沖擊力較小；即構件剛度越大，沖擊力峰值越大，作用時間越短。

(3) 3種工況下，在樁管和梁管連接處均出現較大應力，因此連接節點處是壩體的薄弱部位，設計中應采取加強措施。工況2和工況3的分析中，最大應力均出現在端部梁管處，因此應加強端部梁管與兩側混凝土壩肩的連接。

(4) 由于泥石流攔擋結構對不同工況的模型試驗的實施難度較大，故借助有限元方法對此問題進行數值計算分析具有一定的實際意義。分析結果并不能代替物理試驗，且需要現場或試驗結果的驗證，所以物理試驗及現場測試工作也將是宕昌泥石流治理工程及研究工作的中心內容。

[參考文獻]

[1]吳積善,田連權.論泥石流學[J].山地研究,1996,14(2):89-95.

[2]吳強,陳征宙,劉裕華,等.格柵壩在泥石流防治中的應用:以汶川地震引發的爛泥溝泥石流治理為例[J].防災減災工程學報,2011,31(3):341-348.

[3]李瑞冬,馬宗源,胡向德.舟曲泥石流樁林攔擋結構抗沖壓極限分析[J].甘肅地質,2011,20(2):60-64.

[4]游勇.泥石流梁式格柵壩攔砂性能試驗研究[J].水土保持學報,2001,15(1):113-115.

[5]黃劍宇,盧廷浩.透水拱壩在泥石流防治工程中的研究和應用[J].水利與建筑工程學報,2013,11(1):166-169.

[6]章琪,蔣慶,陸新征.不同截面鋼管混凝土結構抗沖擊性能比較[J].工程力學,2013,30(S1):89-93.

[7]瞿海雁,李國強,孫建運,等.側向沖擊作用下鋼管混凝土構件的簡化分析模型[J].同濟大學學報:自然科學版,2011,39(1):35-40.

[8]瞿海雁,李國強,陳素文,等.側向沖擊作用下圓鋼管混凝土構件的數值模擬分析[J].建筑科學與工程學報,2010,27(1):90-96.

[9]Symonds P S. Survey of methods of analysis for plastic deformation of structures under dynamic loading[R]. Providence: Brown University, 1967.

[10]中國人民共和國地質礦產行業標準. DZ/T0239-2004泥石流災害防治工程設計規范[S].北京:中國標準出版社,2010.

收稿日期：2015-10-31修回日期：2015-12-10

通訊作者：王朋(1990—)男,(漢族),黑龍江省佳木斯市人,碩士,研究方向為泥石流工程防治技術。E-mail:w09320203@163.com。

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0249-04

中圖分類號：X913.4, TU312.1

Impact Resistance of Concrete Filled Steel Tubular Piles Under Debris Flow Load

WANG Xiuli1,2, WANG Peng1,2, RAN Yonghong1,2, LUO Hua1,2

(1.KeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationinCivilEngineeringofGansuProvince,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China; 2.NorthwestCenterforDisasterMitigationinCivilEngineeringofMinistryofEducation,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China)

Abstract：[Objective] To analyze the dynamic response of concrete filled steel tubular pile structure under the impact of the load of debris flow in order to provide scientific support for the design of the structure. [Methods] The numerical simulation of concrete filled steel tubular pile structure was carried out for three different load conditions using finite element analysis software ANSYS, and the stress, strain and displacement response of structure was analyzed to detect the most unfavorable load conditions. [Results] The impact of large rock at the top of the pile pipe of empty reservoir was the most unfavorable load condition. Among three kinds of load conditions, the impact force was the main factor causing structural damage. The concrete filled steel tubular pile had good anti-impact performance. Under the smaller plastic deformation, the structure bear a large impact force. The larger the component stiffness, the greater the peak impact force peak. The connecting part of the pile pipe and the beam pipe, the root of the pile pipes and restrained beam pipes were the weak parts of the dam, so the strengthening measures should be taken into the design. [Conclusion] Concrete filled steel tubular piles is a material saving blocking structure, and it has good stability and anti-impact performance.

Keywords:debris flow; concrete filled steel tube; impact force; numerical simulation; structure response; load condition

資助項目：國家自然科學基金項目“泥石流沖擊下新型空間網格防護結構理論及試驗研究”(51278236); 國家科技支撐計劃項目“白龍江流域滑坡泥石流工程防治技術研究與示范”(2011BAK12B07)

第一作者：王秀麗(1963—)女,(漢族),遼寧省沈陽市人,博士,教授,博導,主要從事大跨度空結構方面的研究。E-mail:1169447667@qq.com。

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