基于潰口水深與流沖角的四角六棱鋼架穩定性影響探究

侯紀榮

(沈陽市蘇家屯區應急管理事務服務中心，遼寧 沈陽 110101)

四角六棱鋼架特有的結構優勢，決定其經常成為中小型潰決口塞堵搶險的重要材料和技術選擇。本文借助ABAQUS鋼構有限元分析系統，基于有限元強度折減法，對潰口水深與流沖角對四角六棱鋼架的功能穩定性影響課題開展專題分析探究，分析四角六棱鋼架潰口搶險拋填的穩定狀態與適用情況，為同類潰口搶險工程應用提供研究和技術參考。

1 四角六棱鋼架及概化計算模型

1.1 原型的概化

四角六棱鋼架是由6根直徑為50mm的空心鋼管經過螺栓連接而成，螺栓連接部位距每根鋼管一側的端頭20cm，其實物及概化幾何狀態具體如圖1所示。該鋼架拋入潰口后，在水流和之后拋投料的共同作用下，底面3個支腳將抓嵌于潰口土層中。3個支腳的抓嵌狀態決定四角六棱鋼架的穩定狀態。

圖1 四角六棱鋼架實物及概化幾何狀態圖(單位：mm)

1.2 有限元網絡模型

本計算模型由四角六棱鋼架及基礎2部分組成，四角六棱鋼架及基礎均選用修正二次十結點四面體單元，四角六棱鋼架每根桿件的桿徑方向設置為9個節點，桿長方向設置為49個節點。基礎在四周的每條邊上設置11個節點，在深度方向上設置5個節點，在與四角六棱鋼架底部3個支腳接觸的圓孔處，沿孔徑方向和孔深方向各設置節點9個。鋼架及基礎網格模型如圖2所示。

圖2 鋼架及基礎網格模型

1.3 邊界條件設置

本模型在基礎底面與四周設置了約束條件，其基本約束參數見表1。

表1 有限元邊界基本約束

1.4 互相作用條件設置

本模型中四角六棱鋼架底部3個支腳抓嵌于基礎土層后，四角六棱鋼架底部3個支腳與基礎土層緊密接觸，在此處要求設置優化的互相作用關系。此銜接面間的切向行為設置為無摩擦，法向行為設置為硬接觸。

本模型中四角六棱鋼架與基礎的剛度有相當大的懸殊，四角六棱鋼架的彈塑性模量是基礎的100倍，并且在本模型只研究與四角六棱鋼架接觸位置土體的應力、應變，對四角六棱鋼架內部的應力、應變并不關注，所以為降低軟件計算量，對四角六棱鋼架設置剛體約束。

1.5 材料物理機能參數

四角六棱鋼架與基礎的材料物理機能見表2。

表2 四角六棱鋼架與基礎的材料物理機能參數

2 四角六棱鋼架模型的載荷計算

2.1 載荷計算

在整個計算模型中，主要包括以下幾方面載荷：基礎表面受的靜水壓力(pw1)、四角六棱鋼架自身重量(G1)、四角六棱鋼架受的動水壓力(Fw)、基礎自身重量(G2)、四角六棱鋼架受的靜水壓力(pw2)。計算模型的載荷受力狀態如圖3所示。

圖3 載荷受力簡圖

2.2 承受的動水壓力

港口碼頭工程基礎多為透空型結構物，水流對透空結構的作用力與潰口水流施加給四角六棱鋼架的動水壓力基本類似，所以選用水流力計算方法計算鋼架所承受的動水壓力。JTS 144-1—2010《港口工程載荷規范》中的水流力計算公式為：

(1)

式中，Cw—水流阻力常數；Fw—水流標準值，kN；A—計算構件與流向垂向平面上的投影面積，m2；V—水流設計流動速率，m/s；ρ—水密度，103kg/m3，淡水取為1.0，海水取為1.025。

參考該規范，水流阻力常數Cw取值0.73，并參考規范中表2.13.0.3—6、表2.13.0.3—5、表2.13.0.3—3和表2.13.0.3—2對水流阻力常數分別實施斜向影響常數、橫向影響常數、淹沒常數和遮流常數修正，獲得修正后的水流阻力常數Cw=1.83。

2.3 其他載荷

基礎與四角六棱鋼架自身重量，按體力計算，對每個單元加施重力載荷，重力加速度(g)取值9.81m/s2。作用在基礎及四角六棱鋼架上的靜水壓力:

pw=ρgh

(2)

式中，h—水壓力作用點部位的水深，m,以表面力計算，對基礎的頂面及四角六棱鋼架的外表面加施靜水壓力，作用方向垂向于作用面。

表3 基于流沖角及流速差異的鋼架安全穩定常數表

3 基于潰口水深與流沖角的穩定性影響分析

3.1 潰流沖擊角對鋼架的穩定性影響

潰口拋投四角六棱鋼架實施救險封堵時，潰流對四角六棱鋼架的沖擊方向較為隨機，所以在分析四角六棱鋼架穩定狀態時應考慮各沖擊方向對四角六棱鋼架穩定狀態的影響。以下在0°到180°范圍，參考四角六棱鋼架的對稱性，每30°差異取1個流沖角，借以分析四角六棱鋼架的穩定狀態。基于水流沖角差異，四角六棱鋼架的承受沖擊狀態具體如圖4所示。

圖4 基于水流沖角鋼架承受沖擊狀態

潰口處水流的2個重點水力特性是潰口水深與水流的流動速率，水深與流動速率決定著拋投鋼架的穩定狀態，假定水深固定，本研究取以10種不同流動速率，分析基于7個不同流沖角的四角六棱鋼架穩定狀態。本計算不收斂，并且參考構造內彈塑性區貫通和關鍵點突變移位當作失穩判據。參考不收斂時間和基于流沖角及流速差異所確定的安全穩定常數具體見表3。參考基礎上被抓嵌于圓孔部位的突變移位確定的安全穩定常數如圖5—11所示。

圖5 流沖角0°折減強度常數與關鍵點移位

圖6 流沖角0°折減強度常數與關鍵點移位

圖7 流沖角60°折減強度常數與關鍵點移位

圖8 流沖角90°折減強度常數與關鍵點移位

圖9 流沖角120°折減強度常數與關鍵點移位

圖10 流沖角150°折減強度常數與關鍵點移位

圖11 流沖角180°折減強度常數與關鍵點移位

把圖5—11中參考關鍵節點突變移位確定的安全穩定常數與表3中的參考計算不收斂時間所確定的安全穩定常數實施比對，發現2類判據所獲得的安全穩定常數基本一致。圖5—11與表3存在以下規律：流沖角在0°～60°范圍內，安全穩定常數逐漸加大；流沖角在60°～120°范圍內，安全穩定常數逐漸降低；流沖角在120°～180°范圍內，安全穩定常數逐漸加大。表3中60°、30°、0°流沖角的安全穩定常數分別與180°、150°、120°流沖角的安全穩定常數幾乎完全相同。在圖5—11中60°、30°、0°流沖角的折減強度常數與關鍵點移位圖分別與180、150°、120°流沖角的折減強度常數與關鍵點移位圖幾乎完全相同。所以可推斷，隨流沖角演變，安全穩定常數基本呈周期性演變。參考表3，做3.8、3.6、3.4、3.2、3.0m/s流動速率的安全穩定常數與流沖角關系圖，具體如圖12所示。

圖12 安全穩定常數與流沖角關系圖

圖12中安全穩定常數隨著流沖角演變呈周期性演變，其周期120°。在0°～120°范圍內，60°上下兩側流沖角的安全穩定常數對于60°對稱。所以以下在實施四角六棱鋼架穩定狀態分析時僅需考慮0°～60°范圍內的流沖角。

圖13流沖角60°、30°、0°的安全穩定常數與流動速率關系圖線揭示，3種流沖角下，隨流動速率加大，安全穩定常數均對應降低。

圖13 安全穩定常數與流動速率關系圖

表4 基于水深及流動速率差異的鋼架安全穩定常數表

3.2 潰口水深對鋼架的穩定性影響

為分析潰口處水深對四角六棱鋼架穩定狀態的影響，在本節假定流沖角不變，以0°流沖角為例，取為10種不同流動速率，分析4種水深下四角六棱鋼架的穩定狀態。參考計算不收斂時間確定的安全穩定常數見表4，參考基礎上被抓嵌于圓孔部位的突變移位確定的安全穩定常數如圖14—17所示。

圖14 水深0.8m折減強度常數與關鍵點移位關系

圖15 水深1.0m折減強度常數與關鍵點移位關系

圖16 水深1.2m折減強度常數與關鍵點移位關系

圖17 水深1.5m折減強度常數與關鍵點移位關系

表4中的安全穩定常數與圖14—17中所確定的安全穩定常數仍基本一致。從表4中可看到，基于同一流動速率，隨著水深的加大，四角六棱鋼架的安全穩定常數對應加大，在圖14—17中同一流動速率的折減強度常數與關鍵點移位關系曲線在向右移動，所相應的突變移位點亦向右移動。

圖18 安全穩定常數與水深關系

為分析水深對不同流動速率下安全穩定常數的影響，做10種流動速率下安全穩定常數與水深關系圖，具體如圖18所示。

圖18安全穩定常數與水深關系圖線揭示，流動速率越大，安全穩定常數與水深關系曲線相對變得愈加平緩，并且各條曲線間的間距也在降低。結合以上分析可得到，隨著流動速率的加大，水深對安全穩定常數的加增效果在降低。

4 總結

通過四角六棱鋼架塞堵潰口功能穩定性的專題分析，可以得知：

(1)四角六棱鋼架穩定狀態隨潰口處水流動速率的加大而對應降低，隨水深加大而加大。隨著流沖角加大，四角六棱鋼架的穩定狀態呈周期性演變，流沖角越大相應的四角六棱鋼架安全穩定常數越大。

(2)流沖角由0°演變至到60°時，四角六棱鋼架的失穩方式表現為雙支腳傾覆式失穩轉化為單支腳傾覆式失穩。雙支腳傾覆式失穩原因是背水面腳孔處土體出現彈塑性貫通與過大的應力、移位。單支腳傾覆式失穩時，四角六棱鋼架重點失穩原因一般是迎水腳土體出現過大的應力、移位與彈塑性貫通。