帶摩擦阻尼器的新型泥石流攔擋壩的動力響應

王秀麗, 張秦琦

(1.蘭州理工大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050; 2.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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帶摩擦阻尼器的新型泥石流攔擋壩的動力響應

王秀麗1,2, 張秦琦1,2

(1.蘭州理工大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050; 2.西部土木工程防災減災教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州 730050)

[目的] 為解決普通格柵泥石流攔擋壩容易被損毀的問題，提出帶摩擦阻尼器的新型泥石流格柵攔擋壩，為摩擦阻尼器在新型泥石流格柵壩中的應用提供依據。 [方法] 采用鋼球模擬泥石流中的大塊石，運用有限元軟件ABAQUS對這種新型壩體進行泥石流大塊石的沖擊模擬。 [結果] 與普通泥石流攔擋壩相比，帶摩擦阻尼器的新型泥石流攔擋壩在巨石沖擊壩體時梁柱節點處的應力響應明顯減小。 [結論] 新型泥石流格柵壩在位移、能量等方面具有良好的抗沖擊性能。

摩擦阻尼器; 新型泥石流攔擋壩; 動力響應分析; 數值模擬

文獻參數： 王秀麗, 張秦琦.帶摩擦阻尼器的新型泥石流攔擋壩的動力響應[J].水土保持通報，2016,36(4)：32-35.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.006

泥石流災害往往具有規模大、危害嚴重，活動頻繁、危及面廣，且重復成災等特點[1]。攔擋壩是泥石流防治工程的一種重要措施。早期，國內外泥石流攔擋壩多為封閉重力式實體結構，壩體上設有若干排水孔，泥石流中的固體物質被攔擋在攔擋壩壩體與泥石流溝溝壁三面形成的庫存區域；由于實體壩無法對攔截物進行篩選，導致排水孔堵塞喪失排水作用，且清淤困難，隨著對泥石流性質與防治工程的研究逐漸深入，兼具攔截和透水功能的格柵壩得到了廣泛應用。游勇[2]對泥石流梁式格柵壩攔砂性能進行了研究；懶戶俊彥等[3]對采用格柵型鋼結構過水大壩對泥石流防止進行了分析；王秀麗等[4]則對沖擊荷載下鋼構格柵壩進行了動力響應分析。與重力式實體壩相比，格柵壩具有一些優點： (1) 具有部分攔擋、攔排結合功能，有利于漿體排泄并留下巨礫、漂石； (2) 減輕壩體所承受的水壓力和沖擊力，提高壩的穩定性，降低造價； (3) 提高庫容系數、延長壩庫使用壽命。但是隨格柵壩體朝輕型化發展，往往容易由于泥石流中巨石的沖擊力過大而發生破壞。因此王秀麗等[5]對普通重力式壩進行了改進，提出了新型泥石流攔擋結構，并對其進行對比分析。為了解決普通格柵泥石流攔擋壩容易被巨石損毀的問題，基于“攔疏一體、延長使用年限、保護整體”的思想，本研究提出了一種帶摩擦阻尼器的新型泥石流格柵壩。并將其與普通格柵壩在受巨石沖擊時進行對比分析，以期為摩擦阻尼器在新型泥石流格柵壩中的應用提供依據。

1　有限元模型的建立

依據實際工程中的格柵壩建立有限元計算模型，本研究格柵壩由三榀混凝土框架通過橫向鋼管梁及縱向混凝土梁相連，摩擦阻尼器裝于壩頂中間縱向梁處，各榀間距為2.4 m，跨度均為1.4 m。在模型前柱底施加鉸接約束，后柱底施加固結約束。摩擦阻尼器外套筒與銅套筒采用TIE聯接，銅套筒與摩擦滑塊采用罰接觸約束公式，摩擦系數0.3，摩擦阻尼器加裝與壩體頂部正中縱向連梁處。新型壩與普通壩均采用理想彈塑性模型，材料遵循Von Mises屈服準則，由于在鋼球撞擊泥石流攔擋壩的過程中不考慮鋼球的應力及變形，故其本構關系采用剛體模型。其中格柵柱采用C20混凝土，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 500 kg/m3，彈性模量E=25.5 GPa，立方體抗壓強度fcuk=20 MPa。橫向鋼管梁及鋼球采用Q345鋼材，密度ρ=7 800 kg/m3，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，屈服強度345 MPa。新型壩摩擦阻尼器銅套筒密度ρ=8 900 kg/m3，彈性模量90 GPa，屈服應力80 MPa，摩擦滑塊及外套筒采用Q235鋼材，密度ρ=7 800 kg/m3，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，屈服強度235 MPa。

將巨石等效為剛性球體，以甘肅舟曲三眼峪泥石流為例[6]，得到溝口堆積扇區域泥石流中巨石流速為10.95 m/s，故設定鋼球初速度為10 m/s，從而對格柵壩體進行動力響應分析。

2　有限元結果對比分析

鋼球以10 m/s的速度下，分別沖擊無摩擦阻尼器的普通格柵壩與帶摩擦阻尼器的新型格柵壩，對其沖擊力、能量、Von Mises應力、位移及加速度進行對比分析。

2.1沖擊力對比

泥石流的沖擊力由泥石流整體沖擊力和泥石流中大塊石的沖擊力共同構成[7]。普通壩、新型壩產生的沖擊力隨時間變化如圖1所示。有圖1可以看出，新型壩及普通壩的最大沖擊力分別為4.69×105N和5.39×105N；鋼球對新型壩的沖擊時間明顯增長，且沖擊力時程曲線出現平臺期。由以上比較分析可知，結構剛度和沖擊力大小相關[8]，結構剛度越大，沖擊力越大，反之剛度越小，沖擊力越小。由于加裝摩擦阻尼器的原因，新型壩較普通壩剛度減小，沖擊力從而減小；剛度的減小，使沖擊時間增長，平臺期的出現，說明摩擦阻尼器通過摩擦變形起到了耗能的效果，與設計理念相符合。

圖1　鋼球沖擊力對比時程曲線

2.2能量對比

通過對比新型壩與普通壩的內能與動能時程曲線，進而分析新型壩的耗能效果。泥石流沖擊過程中普通壩及新型壩的內能與動能時程曲線如圖2—3所示。由圖2—3可知，新型壩及普通壩的最大內能分別為173 461和191 859 J；最大動能分別為25 160.4和30 319.4 J；普通壩動能時程曲線在撞擊0.08 s后仍有上下波動的現象，而新型壩卻趨于穩定逐漸減小，說明沖擊作用后，剛度更大的普通壩內部慣性效應更加明顯，結構也更易達到局部沖切破壞。而由于加裝摩擦阻尼器的新型壩，相當于增加了結構的柔度，使新型壩結構的內能及動能比普通壩分別降低了9.59%和17.1%，有效地耗散了大塊石作用于結構上的部分撞擊能量，從而減小了沖擊力對壩體的破壞，也對減輕壩體局部的沖切破壞起到了積極的作用。

圖2　壩體內能對比時程曲線

圖3　壩體動能對比時程曲線

2.3應力對比

通過對比新型壩和普通壩的Von Mises應力來評價新型壩抗沖擊性能的優劣。通過對比普通壩和新型壩的Von Mises應力云圖可以看出： (1) 普通壩在鋼球撞擊的瞬間，撞擊位置的前后格柵柱與橫向鋼管連梁焊接節點處均出現應力，說明撞擊位置處的混凝土與鋼管的焊接節點是最易產生應力集中及破壞的； (2) 隨著沖擊的進行，應力范圍逐步擴大到各個橫向鋼管連梁，且在沖擊荷載達到峰值時，后格柵柱與鋼管連梁節點處應力也已達到鋼管極限抗壓承載力，說明鋼管連梁與格柵柱焊接節點已經完全破壞，普通壩已經喪失承載能力； (3) 鋼球撞擊壩體所用時間很短，整個沖擊時間僅為20 ms。對于新型壩來說：(1) 當t=10.1 ms時(即沖擊發生的瞬間)，新型壩前格柵柱在柱頂撞擊區域內混凝土的應力達到極限抗壓承載力；摩擦阻尼器出現應力響應，而后格柵柱僅柱頂出現應力，且幅值在8～10 MPa；后格柵柱與橫向鋼管連梁焊接節點及鋼管連梁均未出現應力。說明鋼球對新型壩的沖擊作用經過阻尼器的作用耗散了部分能量。 (2) 當t=20.0 ms時，新型壩僅有上部兩根橫向鋼管連梁與前格柵柱焊接節點已發生破壞，而后橫向鋼管連梁并未產生應力； (3) 當t=30.0 ms時，新型壩后格柵柱與橫向鋼管連梁焊接節點處才出現應力峰值，且并未發生破壞。 (4) 整個沖擊過程持續時長為55 ms，為普通壩沖擊時間的1.84倍。由沖量定理I=Ft可知，在沖量大小相同時，當撞擊時間t越長，沖擊力F則越小，這一點正好印證了本文在前面所提出的結論：新型泥石流格柵壩所受沖擊力要小于普通格柵壩。

2.4位移對比

在鋼球的沖擊作用下，新型壩與普通壩被沖擊的格柵柱前后柱頂沖擊方向位移如圖4—5所示。由圖4—5可知，新型壩前格柵柱沖擊方向最大位移為-75.02 mm，后格柵柱沖擊方向最大位移為-21.52 mm；普通壩前格柵柱沖擊方向最大位移為-48.2 mm，后格柵柱沖擊方向最大位移為-41.04 mm，新型壩前柱位移是普通壩前柱位移的1.56倍，這是由于摩擦阻尼器的作用，使新型壩較普通壩剛度更小，有更大的位移空間，故而新型壩前柱位移比普通壩的前柱位移要大，然而由于摩擦阻尼器與前柱的耗能緩沖作用，新型壩后柱位移則僅是普通壩的1/2。

圖4　壩體前柱頂沖擊方向位移時程曲線

圖5　壩體后柱頂沖擊方向位移時程曲線

2.5加速度對比

在巨石沖擊作用下，加速度尤其是最大加速度對于結構的動力響應是一個重要參數。由達朗貝爾原理可知，在結構受力運動的任何時刻，作用于結構上的真實外荷載、虛擬的慣性力及加速度在結構中產生慣性力的共同作用下，結構處于動態平衡狀態。在大部分的工程材料中，由于應力波的傳導速率很快，從而在有限尺度的結構中受到的動載將會快速達到平衡，此時應力波效應也將順應消失；可是結構自身還會繼續發生變形及整體運動，從而慣性效應仍會持續相當長的一段時間，這是不能被忽視的[9]。通過模擬分析得到普通壩、新型壩的加速度時程曲線。普通壩、新型壩的前格柵柱沖擊方向的加速度時程曲線如圖6所示。由圖6可以看出： (1) 新型壩壩體在沖擊方向的最大響應加速度比普通壩減小很多，只有普通壩的1/7.14。 (2) 新型壩在撞擊過程中，壩體響應加速度僅峰值較大，在t=0.02 s后，其值基本保持穩定，而普通壩在撞擊過程中，壩體響應加速度幅值較大且來回震蕩、上下波動，直到t=0.05 s后，波動才逐漸趨于平緩，說明在撞擊結束后普通壩壩體的慣性效應比新型壩要明顯。

圖6　不同壩體沖擊方向的加速度時程曲線

3　結 論

(1) 新型壩與普通壩相比，其沖擊力可減小1/1.15左右，壩體的響應加速度可降到普通壩的1/7.14，內能及動能比普通壩分別降低了9.59%和17.1%，從而減輕壩體局部的沖切破壞，說明本設計中新型帶摩擦阻尼器的泥石流攔擋壩具有良好的抗沖擊性能。

(2) 新型壩的前格柵柱雖然在鋼球沖擊作用下會發生破壞，但是新型壩的后格柵壩及橫向鋼管連梁不論是位移、變形還是壩體響應的加速度等都很小，從而確保了新型壩在巨石沖擊作用下不會發生整體破壞，仍然能夠正常發揮攔擋作用。

(3) 基于“攔疏一體、延長使用年限、保護整體”的思想提出的新型壩具有良好的抗沖擊性能。

[1]王啟亮,呂義清,員孟超.虎峪溝泥石流特征及其危險度評價[J].水土保持通報,2010,30(6):219-222.

[2]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.

[3]懶戶俊彥,葛西俊一郎,山口健太郎,等.采用格柵型鋼結構過水大壩防止泥石流[J].水土保持科技情報,2000(2):37-39.

[4]王秀麗,黃兆升.沖擊荷載下泥石流攔擋壩動力響應分析[J].中國地質災害與防治學報,2013,24(4):61-65.

[5]王秀麗,鄭國足.新型帶彈簧支撐抗沖擊研究及其在泥石流攔擋壩中的應用[J].中國安全科學學報,2013,23(2):3-9.

[6]鄧虎,陳寧生,胡桂勝,等.甘肅舟曲三眼峪溝泥石流動力學特征參數計算[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2011,30(4):833-838.

[7]中國地質調查局.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.

[8]何思明,吳永,沈均.泥石流大塊石沖擊力的簡化計算[J].自然災害學報,2009,18(5):51-56.

[9]余同希,邱信明.沖擊動力學[M].北京:清華大學出版社,2011:81-82.

Dynamic Responses of A Novel Debris Flow Blocking Dam with Friction Damper

WANG Xiuli1,2, ZHANG Qinqi1,2

(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China; 2.ResearchCenterofWesternCivilEngineeringDisasterPrevention&MitigationAttachedtoMinistryofEducation,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China)

[Objective] In order to reduce the damages of conventional grilled dam caused by debris flow, a novel debris dam with friction damper is proposed. [Methods] Simulating of massive stone in debris flow by steel ball, the finite element software ABAQUS was used to simulate the dynamic responses of the impact of large stones. [Results] As compared with the ordinary grilled dam, the stress response of beam-column joints was obviously reduced when an impacting force was applied against the dam. [Conclusion] The damped dam had well impact-resistance performance either in displacement withstanding or in energy reduction.

friction damper; new debris flow dam; dynamic response analysis; numerical simulation

2015-10-23

2015-10-30

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)

王秀麗(1963—),女(漢族),遼寧省沈陽市人,博士,教授,博士生導師,主要從事大跨度空間結構方面的研究。E-mail:404160163@qq.com。

張秦琦(1989—),男(漢族),陜西省渭南市人,碩士研究生,研究方向為泥石流防治及其治理。E-mail:1135739056@qq.com。

A

1000-288X(2016)04-0032-04

P642.23