基于流固耦合理論的山區(qū)房屋洪水響應分析

余勁松 安浩然 郭來棟

以某3層框架結構為研究對象，基于流固耦合分析理論，采用ANSYS構建了山洪與結構的耦合分析模型，分析結構在不同深度洪水沖擊時的響應情況，同時比選分析了“過流堰”防護措施、短柱擾流防護措施下結構的響應情況。研究結果表明：山洪沖擊結構時，水深未達到底層樓面時，結構位移及應力均較小，滿足結構安全要求，到達樓面板后，結構最大應力突增，迎水側底層柱柱底混凝土開裂；“過流堰”防護措施可以顯著降低結構穩(wěn)定繞流階段的穩(wěn)定位移，但應力降低不明顯，迎水側混凝土仍有開裂風險；短柱擾流防護措施能夠降低結構應力，滿足結構安全要求，可以考慮在山區(qū)新建房屋時采取此種方式。相關經(jīng)驗可供類似山區(qū)低層框架結構抗洪設計借鑒。

洪水沖擊； 山區(qū)房屋； 流固耦合； 動力響應； 防護措施

TV131.2 A

［定稿日期］2022-03-31

［作者簡介］余勁松（1996—），男，碩士，研究方向為橋梁防災減災。

洪澇是因降雨、融雪、冰凌、潰壩（堤）、風暴潮、熱帶氣旋等造成的江河洪水、漬澇、山洪、滑坡和泥石流等，以及由其引發(fā)的次生災害。山洪災害是我國洪澇災害引起的主要次生災害，危害極大，2020年，全國（港澳臺除外）因洪澇受災7 861.5萬人次，倒塌房屋9.0萬間，造成直接經(jīng)濟損失2 669.8億元［1］。山洪具有突發(fā)性強、破壞力大、難以預警、發(fā)生在偏遠山區(qū)等特點。國內外學者對山洪及其引起的次生災害進行了大量研究，除了對暴雨山洪的形成原因和演進規(guī)律進行研究外［2-5］，也有學者對洪水、泥石流等對結構的影響，及其防治措施進行了研究。肖詩云等［6-10］通過水槽試驗，研究了到潰口不同距離、不同墻體開洞率下的山區(qū)鄉(xiāng)村房屋抗洪能力。楊哲豪等［11-12］建立了數(shù)值模型研究潰壩洪水對結構物的沖擊荷載。王友彪等［13-15］通過水槽試驗和數(shù)值模擬的方法，以流深和流速作為主要研究參數(shù)，研究了洪水、泥石流對橋墩的影響。橋梁工程中，常采用設置擾流短柱的方式減小洪水對橋墩基礎的沖刷和沖擊［16］。而目前針對山區(qū)房屋防山洪的工程措施的研究還很少［17-18］。

目前，對于橋梁、大壩等結構在洪水或泥石流作用下的動力響應研究水平不斷提高，研究內容也不斷深入，但對于山區(qū)房屋，研究相對滯后。在我國西部山區(qū)，山洪影響更為突出，山區(qū)房屋多為低層，常采用整體框架的結構形式。在地質災害多發(fā)地，房屋常面臨洪水和泥石流的威脅，因此研究低層框架結構在山洪沖擊作用下的動力響應很有必要。

本文依托某洪水易發(fā)地3層框架結構民房開展研究，結構首層層高4 m，2～3層層高3 m。為確保該房屋在洪水沖擊作用后的正常使用，保障人民生命財產(chǎn)安全，本文通過數(shù)值模擬計算，研究在一定洪水流速沖擊作用下，不同水深工況下洪水對結構的影響，通過分析結構的位移及應力，提出合理的防護措施，以期對相似民建工程提供參考。

1 流固耦合模型與方法

1.1 原理

山洪沖擊房屋屬于流固耦合作用問題，即建筑結構在流場作用下的振動和變形會反過來改變流場，改變后的流場又反作用于結構，導致結構的荷載幅值及分布發(fā)生改變。流固耦合過程中結構的動力學控制方程基于達朗貝爾原理（DAlemberts principle）見式（1）。

［M］{}+［C］{a·}+［K］{a}={P（t）}（1）

式中，［M］為結構質量矩陣，［C］為阻尼矩陣，［K］為剛度矩陣；{}、{a·}、{a}分別為結構的加速度、速度及位移；{P（t）}為結構所受合力，t為結構與流體耦合時間參數(shù)。

流體介質控制方程為質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。其通用形式表示為式（2）。

（ρφ）t+（ρuφ）x+（ρvφ）y+（ρwφ）z=

xΓφx+yΓφy+zΓφz+S（2）

式中：t是時間；φ是通用變量，例如，表示為質量守恒方程時取1，表示動量守恒方程時取速度量；u、v、w分別表示速度矢量在x、y、z方向的分量；ρ為計算域流體密度；Г為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。

以水作為流體介質，考慮其為黏性不可壓縮流體，不考慮熱量交換。采用有限體積法對控制方程和流體區(qū)域進行離散，結構域和流體域的計算結果通過流固耦合面互相傳遞。待當前時刻的計算結果迭代收斂后，進行下一個時間步的計算。具體計算過程通過調用ANSYS- FLUENT的瞬態(tài)計算模式實現(xiàn)。

1.2 數(shù)值模型

分析對象為3層框架結構，如圖1所示。首層層高4 m，2、3層層高3 m，樓板厚度0.1 m，立柱0.4 m×0.4 m，梁高0.5 m、寬0.3 m。梁板柱均采用C30混凝土，抗拉強度ft=1.43 MPa，彈性模量E=3×104 MPa，泊松比μs=0.18，容重G=23 kN/m3。混凝土本構關系采用FLUENT默認本構。山區(qū)洪水含沙量較大［12］，會少量增加水的密度及黏度。本模型忽略含沙量對洪水的影響，采用黏性不可壓縮的清水作為流體材料。密度ρ=1000 kg/m3，動力粘度μ=1.003×10-3 Pa·s。

設置洪水流域為矩形斷面，為減弱計算域壁面對模型流場的影響，設置計算域寬20 m、長50 m，高為h （h=1～4 m），同時設置邊界層10層，每層5 mm；河流洪水流速范圍一般為4～15 m/s（這是對于常規(guī)河流流域洪水而言，河流斷面常呈“V”型，河流寬度通常在20～50 m），對于山區(qū)聚居地，山洪演進過程中，洪水斷面更大，能量被地表植被、低矮建筑耗散較大，且山區(qū)山谷交錯。因此，山洪洪峰到達民建建筑時其能量已大幅減少，在沖擊結構時流速相對于河流流速較小，故偏危險的將其流速考慮為4 m/s。設置進口（inlet）邊界為速度條件4 m/s；地面、側面及流固耦合面設置為壁面（Wall）；頂面及出口設置為開放邊界（Opening）且相對壓強為0。流固耦合模型如圖2所示。

數(shù)值計算采用標準k-epsilon兩方程模型，近壁面函數(shù)采用標準壁面函數(shù)。

2 計算結果分析

2.1 結構響應分析

在一定流速下，洪水沖擊結構的位移、應力響應與水位有關。入口流速恒定為4 m/s，計算域水深為1～4 m，得到結構承受的沖擊力時程曲線、上游側柱底迎水面正應力時程曲線及底層柱柱頂位移時程曲線，如圖3～圖5所示。

流體沖擊結構一般可分為瞬時沖擊、減速衰減、穩(wěn)定繞流3個階段。如圖3所示，水深為4 m時，結構所受沖擊力在0.2 s內從A點的0迅速增加到B點的398.7 kN，結合圖4、圖5亦可發(fā)現(xiàn)該階段的結構應力及位移響應值迅速增大，為瞬時沖擊階段。此外，水流與結構物接觸的瞬間，速度變化率達到最大值，故其沖擊力達到最大值。在B點到C點間，不難看出其沖擊力逐漸衰減，圖像均呈下凹狀，沖擊力衰減速率降低，沖擊力平均衰減速率為64.13 kN/s，在B點時結構的自身能量（勢能）達到最大值，因此結構出現(xiàn)回彈，位移減小，做往復運動，出現(xiàn)振動現(xiàn)象。由于結構與流場的流固耦合作用，水流會耗散結構的彈性勢能及動能，對其產(chǎn)生阻尼力，隨著結構總能量的減小，這種阻尼力也隨之減小，因此結構響應在峰值點后呈現(xiàn)減速衰減的現(xiàn)象。C點過后，當結構最終動能及勢能被水流耗散，結構自身產(chǎn)生一個基本穩(wěn)定的變形，其回彈力與水流沖擊力平衡，該階段為穩(wěn)定繞流階段。在本模型中，最大變形值僅為0.21 mm，因此不采用位移作為結構安全評估因素。

由圖4～圖6可知，水深為1～3 m時，結構最大應力出現(xiàn)在上游側柱底迎水面，分別為0.05 MPa、0.27 MPa、0.58 MPa，最大位移分別為0.005 mm、0.072 mm、0.210 mm。當水深為4 m時，結構最大位移、應力分別為0.157 mm、2.12 MPa，結構最大拉應力出現(xiàn)在上游側柱底迎水面，此工況下上游側柱底穩(wěn)定繞流下的拉應力（1.68 MPa）大于混凝土抗拉強度設計值，柱底出現(xiàn)拉裂縫。不難看出，水深為4 m時結構應力響應較3 m水深大1.54 MPa，但其最大位移響應小于3 m水深時結構最大位移，2個工況在穩(wěn)定繞流階段的位移響應值接近。通過分析認為，當洪水洪峰沖擊到柱迎水面及樓面板的瞬間，接觸面水流流速突變?yōu)?，其加速度達到最大值，結構產(chǎn)生最大響應，該階段為瞬時沖擊階段。洪水沖擊樓面板，樓板會增大結構的抗側力剛度，直接導致結構的順流向位移降低，樓板具有較大的阻水面積且豎向剛度較低，導致其產(chǎn)生向上的位移，洪水對面板有一個向上的舉托力，樓面板產(chǎn)生向上翹曲，最大位移出現(xiàn)在樓面。同時，該舉托力導致柱底拉應力加大，限制了結構沿水流方向的位移，因此水深4 m時結構應力較大，位移卻較小。

綜上所述，在一定的流速下，當水深低于首層樓面高度時，結構所受的沖擊力和位移響應都隨著洪水深度的增大而增大。當水深達到首層樓面高度，洪水直接作用于梁和樓面板時，結構受到的沖擊力急劇增加，上游側柱底處的應力也大幅增加。但是由于樓面板對水流的影響，結構的位移響應較小。可以看出，在保證結構安全性的基礎上，適當增加結構首層層高，可以避免結構薄弱位置出現(xiàn)較大拉應力，有助于防止該處混凝土出現(xiàn)拉裂縫。

2.2 結構表面沖擊荷載分析

研究結構受到最大沖擊力時，提取上游側底層中柱迎流面壓應力分布，如圖7所示。

從圖7容易看出，h=1～3 m時，洪水對柱體的最小沖擊壓力均出現(xiàn)在h處，最小沖擊壓力分別為 1 621 Pa、1 643 Pa、1 690 Pa，隨著洪水深度的增加，其對結構的最小沖擊壓力雖有增長，但增加幅度不大，基本保持不變。h=1～3 m時，水對柱體的最大沖擊壓力出現(xiàn)在約0.5h的位置，分別為5 400 Pa、5 950 Pa、6 100 Pa。同樣的，隨著洪水深度的增加，其對結構的最大沖擊壓力的增加幅度不大。

h=4 m時，3 m以下的柱表面沖擊壓力在1 000 Pa左右，大于3 m時，隨著高度的增加，柱表面所受沖擊壓力持續(xù)增加，最大沖擊壓力出現(xiàn)在柱子最高處約為3 448.1 Pa，較其余3個工況小。分析其原因，水深h=4 m時，洪水已經(jīng)淹沒底層樓面，樓面和梁分擔了部分洪水沖擊力。同時由于樓板的阻水效應，導致部分水流回流，與來流的動能相互抵消，因此其柱子的最大表面沖擊壓應力和最小表面沖擊壓應力均較小。

綜上所述，當洪水水深低于樓面板板高度時，柱體表面所受的沖擊壓力分布呈倒“C”型。最小沖擊壓力出現(xiàn)在水深高度處，最大沖擊壓力出現(xiàn)在0.5倍水深處。而且洪水水深對沖擊壓力的最大值、最小值影響較小。當洪水水深剛剛漫過樓面板時，靠近水面部分的柱體表面所受的沖擊壓力較大，其余部分沖擊壓力較小，分布也較均勻。

3 山洪防護措施分析

由前文可知，當水深h=4 m時，結構最大拉應力為2.12 MPa，穩(wěn)定繞流階段的拉應力為1.67 MPa，都出現(xiàn)在迎流側柱底，均超過混凝土抗拉強度設計值1.43 MPa。因此，將針對水深h=4 m的情形，對該3層民用建筑進行了山洪防護設計。

3.1 防護措施

山洪防護措施主要包括非工程措施和工程措施［10］。非工程措施包括調查評價、監(jiān)測預警系統(tǒng)、群測群防體系及加強山丘區(qū)人員搬遷管理，為主要防護措施。工程措施為被動防護方式，采取護岸、堤防，河道護底、跌水等消能措施，但此類防御措施范圍廣、投資大，且在水流長期作用下防護結構容易出現(xiàn)基底脫空，混凝土斷裂，結構沖毀等問題。因此，一種簡單、高效、投資小的防護措施對改善山區(qū)山洪沖擊影響具有積極意義。

本文提出2種適用于普通民宅的洪水防護方式——增設小型“過流堰”或短柱，如圖8所示。因山村地區(qū)部分民宅門外會修建一個小斜坡，以保證室內外高差來防潮。當洪水沖擊時，若漫過斜坡，該斜坡即為過流堰，第一種洪水防護措施即來源于此。此模型設置的“過流堰”截面尺寸為3 m×0.5 m見圖8（a）。第二種防護措施來源于橋梁結構橋墩的防護方式——在柱（墩）前增設擾流短柱見圖8（b）。短柱與房屋立柱的中心距為1 m，直徑為0.4 m，高1 m。短柱可以替房屋立柱抵擋洪水沖擊，改變立柱周圍的流場，從而改變結構的受力特性。

3.2 計算結果分析

增加防護裝置后的模型與前文h=4 m進行相同的邊界條件設置，得出底層柱柱頂位移和上游側中柱柱底表面應力分別如圖9、圖10所示。

從圖9可知，結構達到穩(wěn)定繞流階段后，未增加防護措施下的位移響應值大于增設防護措施的位移響應，分別為0.134 mm、0.107 mm、0.095 mm，三者最大位移響應值接近，“過流堰”防護和短柱防護分別減小了穩(wěn)定繞流階段位移20%、29%。雖然防護裝置對最大位移響應值影響不大，但其對降低穩(wěn)定繞流階段的穩(wěn)定位移值具有明顯效果。

從圖10中可以看出，未設防護裝置與過流堰防護所得柱底最大拉應力基本相同，為2.10 MPa，短柱防護所得柱底最大拉應力為1.85 MPa，較未防護情況減小13%。因瞬時沖擊拉應力出現(xiàn)時間較短，且較混凝土極限應力強度相近，因此認為洪水來流時瞬時沖擊力并不會引起結構出現(xiàn)致命損傷，主要以穩(wěn)定繞流階段的應力進行評估結構安全性。未加防護措施、過流堰、短柱的在穩(wěn)定繞流階段的柱底拉應力分別為1.67 MPa、1.61 MPa、1.34 MPa。根據(jù)防護裝置對柱底拉應力的減弱程度，判斷其防護效率，過流堰和短柱分別減小柱底拉應力4%、19%。短柱的防護能力明顯高于過流堰防護，而且短柱防護使柱底承受最大拉應力低于混凝土極限抗拉強度，有效避免了混凝土開裂。

綜上所述，過流堰防護對結構位移及應力響應影響較小，防護效果不明顯，不能避免混凝土開裂。而增設擾流短柱能夠有效減少結構位移，減小混凝土表面應力，有效避免出現(xiàn)拉裂縫，有很好的防護效果。

4 結束語

本文以某山區(qū)3層框架結構作為研究對象，基于流固耦合分析理論，采用數(shù)值模擬的方法，對結構在不同深度洪水沖擊時的安全性，和2種防護措施進行了研究，得到結論：

（1）當水深未達到底層樓面時，隨著洪水深度的增加，洪水沖擊力增大，結構的位移和應力隨之增加。但當洪水漫過底層樓面時，由于樓面對水流的作用，結構位移反而較小。但是結構受到的洪水沖擊力和應力響應會急劇加大，威脅結構安全。因此可以適當增加首層層高，提高結構的抗洪能力。

（2）當水深未達到底層樓面時，洪水對房屋柱體的沖擊壓力沿高度方向呈倒“C”型分布，而且水深對壓力分布的最大值和最小值影響不大。當洪水漫過樓面時，柱體在水面附近受到的壓力較大，柱體其他位置的壓力較小，分布較均勻。

（3）“過流堰”防護措施（門前低矮斜坡）可以顯著降低結構穩(wěn)定繞流階段的穩(wěn)定位移，但應力降低不明顯。短柱擾流防護措施能夠有效減少結構位移及柱底拉應力，降低混凝土開裂風險。且短柱擾流防護造價低，施工簡單，不需作專項設計，可在山區(qū)低層房屋抗洪設計中做適當推廣。

本文主要關注不同洪水深度對房屋結構的作用。其他參數(shù)，如洪水流速、含沙量等也可能影響結構的響應，這些值得后續(xù)做進一步的研究。

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