插入型組合式金屬防洪擋板有限元仿真分析

秦英泉，鄧 飛，呂中榮，徐丹麗，劉祚秋

（1.中山大學 航空航天學院，廣東 深圳 510006；2.廣東水利水電技術中心，廣東 510635）

組合式金屬防洪擋板結構穩定安全可靠， 可應用于小型住戶、城市街道，也可用于堤壩加高，提高堤壩原有的防洪強度， 因此組合式金屬防洪擋板的應用研究逐漸成為熱點。 組合式金屬防洪墻由以下部分組成［2］：立柱、擋板、預埋件、鎖定裝置、水封，在不同工況下還會加入加強件。 一般的組合式金屬防洪擋板通常在預埋件部分采用螺栓連接， 本文提出一種插入式的組合式金屬防洪擋板， 其預埋件部分僅為一個與立柱尺寸相同的鋼材插槽， 通過改變插入深度來加強立柱底部的約束力。 插槽的四周帶有止水橡膠， 一方面防止水流滲入底座影響底部約束力，另一方面止水橡膠作為彈性材料，還能起到減震效果。 這種結構在實地安裝過程中可減少螺栓安裝時間，直接將立柱插入插槽中，節約時間的同時，達到較好的防洪效果。對于插入型的防洪擋板，插入深度越大，底部對立柱的約束力也越大，防洪效果自然也越好，但并不是越深越好，越深意味著同樣擋水高度的情況下，立柱的長度需求越大，所需要的材料也越多，不符合經濟要求，為選取更符合防洪要求與經濟要求的防洪系統， 需分析不同高度的立柱與插入深度的關系。

組合式金屬防洪擋板是一種較為復雜的結構，對于其力學性能的分析可使用實驗的方法進行分析［1-2］，但對一個生產周期長、 生產成本高的大型裝配體直接進行實驗顯然不適合。 而使用理論計算的方法也很難獲得準確的解析解［3］，因此可使用有限單元法將結構離散成有限個單元進行分析以獲取其數值解［4-5］。本文使用ABAQUS 軟件，對插入式防洪擋板立柱裝配體進行多種工況的有限元分析， 分析插入式組合式防洪擋板的應力和變形情況， 為插入型組合式金屬防洪擋板的使用提供參考。

1 建立有限元模型

1.1 模型的建立

通過對草圖進行一系列拉伸、切削操作，對各個部件進行建模，包括土壤、混凝土底座，鋼板部件，橡膠，雙向立柱，將鋼板容器插入混凝土，再將4 塊橡膠貼上鋼板4 個面上，再將立柱插入鋼板容器中，最后將結構插入土壤中，引入導角以避免應力集中。立柱高度分為1、2、3 m， 插入深度為0.2、0.3、0.4 m，混凝土厚度均在插入深度的基礎上往下延伸0.2 m。為了準確設置接觸面與受力面， 根據擋水面高度與插入深度對立柱與擋板進行面分割操作，最后得到如圖1、圖2 結構。擋板的上部呈凸狀，下部則呈凹狀，通過上下表面的凹凸結構相互齒合，提高結構穩定性。

圖1 單跨長度3 m 防洪擋板

圖2 擋水高度3 m、插入深度0.4 m 裝配體結構

1.2 ABAQUS 有限元仿真前處理

由于ABAQUS 中沒有單位標注，在仿真過程中要保證前后單位一致，對力學結構進行簡化建模后，以實體單元導入ABAQUS 中。給各個部件設置材料參數，材料參數對仿真結果產生重要影響，貼近實際的材料參數也能使仿真結果更準確， 表1 列出結構各項材料參數，其中包括楊氏模量、泊松比及密度等參數。該型結構的止水條一般由止水橡膠組成，止水橡膠的重量與其他部件相比可忽略不計， 因此在計算中可不考慮橡膠的重量。

表1 材料參數

接觸設置中，將橡膠與鋼板、鋼板與混凝土、混凝土與土壤的接觸設置為綁定約束， 即將整個底座看作一個固定整體，其余接觸設置：切向摩擦公式為罰函數，摩擦系數為0.5；法向壓力過盈為“硬”接觸，約束執行方法為標準罰函數（罰（Standard））。

對于有限元分析， 正確的網格劃分能有效提高計算的精準度，所謂正確的網格，并不是指網格越細越好，細網格雖然會帶來更精確的結果，但同時也會耗費更多的計算資源，更長的計算時間。在滿足工程實際要求的同時， 綜合考慮計算機的算力限制與運算成本， 給不同的部件采用不同的網格類型與網格尺寸，得到如圖3 網格結構：土壤、混凝土、鋼板、加強件均使用四面體網格，幾何階次為二次；橡膠網格為六面體，幾何階次為二次并使用雜交公式；立柱使用六面體網格。

圖3 擋水高度3 m、插入深度0.4 m組合式防洪擋板網格

2 有限元仿真結果

本次模擬擋水高度為1、2、3 m，插入深度為0.2、0.3、0.4 m，單跨長度均為3 m 的兩跨裝配體結構，下面給出兩跨裝配體在受靜水荷載、 動水荷載及漂浮物沖擊荷載3 種荷載共同作用下的應力與位移的有限元仿真結果，假定流水速度為3 m/s，水流與裝配體結構的最大夾角為30°，水密度為1000 kg/m3，漂浮物最大質量為400 kg。 沖擊荷載作用于雙向立柱自由水面高度的兩邊。

擋水高度為3 m， 插入深度為0.4 m 及0.3 m 的仿真結果如圖4～圖7，其中變形圖放大20 倍，顯示背水面的應力分布。

圖4 擋水高度3 m、插入深度0.4 m 組合式防洪擋板應力云圖

圖5 擋水高度3 m、插入深度0.4 m 組合式防洪擋板位移云圖

圖4、圖6 所示立柱的應力總體呈從上往下遞增趨勢，但立柱的最大應力出現在變截面處，即與加強件連接的兩處地方； 擋板的最大應力出現在擋板的中部且越底部的擋板應力越大。對于單跨3m、插入深度0.4m、擋水高度為3m 的結構，立柱與擋板的最大應力為75.22 MPa，小于材料容許應力160 MPa。而對于插入深度為0.3 m 的結構，其最大應力為215.4 MPa，超過材料容許應力160 MPa， 該插入深度不足以完全支撐立柱，所以在本次模擬的立柱、擋板與加強件的型號與結構中，在擋水高度為3 m 的情況下，立柱的插入深度不宜小于0.3 m。

圖6 擋水高度3 m、插入深度0.3 m 組合式防洪擋板應力云圖

圖5、圖7 所示結構的變形量，由于兩側立柱結構不一樣，其變形與中間雙向立柱相比不同，因此擋板的變形情況并不對稱， 單塊擋板的最大變形量出現在擋板中部，且越往下擋板位移越小；上部的擋板雖然受力比底部小， 但立柱上端的位移比下部的位移更明顯，立柱帶動擋板位移，因此頂部擋板的位移也會逐漸增大， 而擋板底部由于受到最大的靜水荷載，因此其位移大于中間的擋板。插入深度為0.4 m時立柱最大位移為2.333 cm，對于跨度3 m、擋水高度3 m 的結構而言，在應力滿足容許應力的條件下，該變形屬于小變形， 能夠滿足結構的安全與穩定性要求。

圖7 擋水高度3 m、插入深度0.3 m 組合式防洪擋板位移云圖

對于復雜的水情， 不同的擋水高度使用同樣的插入深度或較低的擋水高度使用較深的插入深度顯然不符合經濟效益， 為滿足防洪要求同時兼顧經濟效益， 對于同一插入深度的結構需對不同擋水高度進行分析， 給出不同擋水高度與插入深度的仿真結果， 如表2， 給出擋板與立柱的最大應力與最大撓度， 其中1m 擋水高度的結構僅承受動水與靜水荷載，且無加強件支撐。

表2 不同擋水高度與插入深度的防洪系統的最大應力及最大撓度

在表2 的仿真工況中， 根據3 m 的仿真結果可看出，在防洪墻的擋水高度大于2 m 小于3 m 時，對于當前材料與結構型號，插入深度選取0.4 m 會在滿足防洪強度的情況下更符合經濟效益； 根據2 m 的仿真結果可看出，在當前加強件的型號下，對于2 m結構， 其插入深度對應力的影響比加強件對應力的影響要小， 當前加強件的型號足以支撐2 m 的洪水高度。而從對擋水高度為1 m，插入深度0.2 m 結構的分析結果來看， 在無沖擊荷載情況下其最大應力166.9 MPa 已超過材料的容許應力，因此對于該型插入型防洪擋板，對大于等于1 m 的防洪高度而言，其插入深度都不應小于0.2 m。

3 結語

（1） 對插入型組合式金屬防洪擋板系統建立有限元模型，利用ABAQUS 有限元仿真軟件，對結構力學性能進行仿真計算，結果表明，該型組合式防洪擋板系統可將結構承受的組合載荷通過擋板傳遞到立柱，立柱通過插入混凝土固定于地面，達到擋水效果，結構較為合理，無應力集中情況。

（2）從圖4、圖6 可看出，立柱最大撓度均出現在立柱頂部，且從上至下逐漸減小，說明加強件的存在使得立柱在承受底部更大水壓的情況下能有更小位移， 證明底部加強件能起到加強立柱支撐能力的作用。

（3） 防洪擋板的擋水高度大于2 m 小于3 m，受靜水、動水及沖擊3 種組合荷載時，插入深度選取為0.4 m 時的最大應力與最大撓度均滿足當前材料的使用要求， 在使用安全的范圍內。 而當插入深度為0.2 m 時， 結構最大應力均超過材料的容許應力，因此對于該型插入型防洪擋板， 對大于等于1 m 的防洪高度而言，其插入深度都不應小于0.2 m。