新型壓力防洪結(jié)構(gòu)設(shè)計及ANSYS有限元分析

秦玉梅

（菏澤市牡丹區(qū)水務(wù)局，山東 菏澤 274000）

近年來，極端天氣頻發(fā)，暴雨成災(zāi)，洪水肆虐，國內(nèi)眾多大中型城市先后遭遇不同程度的水災(zāi)害，內(nèi)澇已成為城市發(fā)展的軟肋，因此研究城市防洪結(jié)構(gòu)具有重要意義[1-5]。方良[6]將新型塑料材料與金屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計了一種新型擋洪結(jié)構(gòu)，并基于有限元分析、載荷場試驗以及現(xiàn)場測試進行驗證；王緒彬等[7]針對河道防洪現(xiàn)狀及目前存在的問題進行防洪堤設(shè)計，對不同型式河堤、護岸進行方案比選；王克強[8]結(jié)合塔里木河阿拉爾河段防洪護岸構(gòu)筑物設(shè)計，設(shè)計了一種壩式護岸和坡式護岸結(jié)合型的護岸型式；侯進平[9]結(jié)合護岸工程地質(zhì)條件、傳統(tǒng)防洪護坡型式及防洪經(jīng)驗，提出格賓石籠護岸和漿砌石護岸2 種護岸型式；武星亮等[10]介紹了一種新型鋁合金防洪墻的結(jié)構(gòu)以及可行性研究；麥麥提·尼亞孜[11]針對車爾臣河防洪工程的設(shè)計及運行情況分析，對其防洪工程的結(jié)構(gòu)型式進行了研究；倪立建[12]對輕型移動式防洪墻的應(yīng)用前景及結(jié)構(gòu)特征做了闡述，通過擋水試驗及監(jiān)測，結(jié)合理論計算和有限元分析與其相互驗證。

以上研究表明，現(xiàn)階段的城市防洪研究主要聚焦于改進防洪堤和各種防洪護岸，少部分學(xué)者對鋼結(jié)構(gòu)類型的輕式防洪結(jié)構(gòu)進行研究。輕式防洪結(jié)構(gòu)不僅經(jīng)濟性高，同時人力需求少，具有較好應(yīng)用前景。自閉式防汛結(jié)構(gòu)（SCFB）是世界上最有效的防洪系統(tǒng)之一，目前已在全球范圍內(nèi)投入使用。該防洪系統(tǒng)不僅適用于地下停車場入口，同時適用于居民樓和河岸等防洪地點，且整個過程不需要人工監(jiān)控，可以自動完成。基于目前的自閉式防洪結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，設(shè)計了一種SCFB 防洪結(jié)構(gòu)，同時采用ANSYS 軟件對其力學(xué)性能進行了校驗分析，研究結(jié)果可為相關(guān)防洪工程提供設(shè)計借鑒。

1 工程概況

本次研究的防洪流域地處溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫7.6～13.1 ℃，多年平均降水量500～600 mm，年內(nèi)降水量極為不均勻，80%以上集中在汛期且年際變化很大，常造成水旱災(zāi)害。區(qū)域內(nèi)冰凍期一般從11 月中旬開始，至次年2 月中旬解凍，冰凍期約80 d，多年平均凍土層深48.6 cm，全年無霜期184 d，年平均風(fēng)速約16 m/s，多年平均降水量為558 mm，降雨多集中在7—8 月，并常以暴雨的形式出現(xiàn)。

2 SCFB結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次防洪結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)先選用鋁金屬，因為鋁材結(jié)構(gòu)不僅經(jīng)濟且重量輕，如圖1所示，主要部件包括鋁蓋、浮動墻、支撐塊、混凝土水池腔和進排水管等。鋁蓋的設(shè)置是為了關(guān)閉水池腔，以防止非汛期時廢物或碎屑流入水池腔內(nèi)堵塞排水通道。浮動墻即防洪墻，由聚酯制成，厚度為4～8 mm，高度為1 m，非汛期時壓存在一個具有一定溫度和濕度的混凝土水池腔中，而與地表連接的支撐板用于防止防洪墻在汛期脫離地表。防洪墻由層壓條加固，并填充聚氨酯泡沫芯，是一種非常堅固和耐沖擊的結(jié)構(gòu)。

圖1 自閉式防汛結(jié)構(gòu)

3 SCFB結(jié)構(gòu)工作原理

SCFB 結(jié)構(gòu)主要包含洪水蓄水池和防洪墻兩部分，當(dāng)洪水上升到洪水水位前（設(shè)計時一般控制在底座下方10 cm 以上），防洪墻均存在于地表以下，如圖2 所示。當(dāng)水位上升到洪水水位時，防洪墻前的蓄水坑開始蓄水，當(dāng)洪水完全填滿蓄水池后，防洪墻開始上升，如圖3 所示。此時，洪水如果繼續(xù)上升，但高度如果不超過防洪墻高度，洪水就不會淹沒居住區(qū)。當(dāng)水位下降到正常水平時，水池中的洪水由安置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水泵排出，同時防洪墻也會逐漸返回到原始位置，并通過鋁蓋封存。

圖2 正常水位下防洪結(jié)構(gòu)

圖3 滿水位下防洪結(jié)構(gòu)

4 有限元理論

有限元分析（FEA）方法最初由Turner等人（1956年）提出，是一種強大的計算技術(shù)，用于近似求解各種“真實世界”工程問題。其基礎(chǔ)依賴于將域分解為有限數(shù)量的子域（元素），通過應(yīng)用變分或加權(quán)殘差方法構(gòu)造系統(tǒng)近似解。有限元分析方法主要有以下分析步驟：將域離散化為有限數(shù)量的子域（單元）、插值函數(shù)的選擇、單元矩陣的裝配以獲得整個域的全局矩陣、施加邊界條件、方程的求解以及可視化。以一維線性彈簧系統(tǒng)為例，首先對求解域進行網(wǎng)格離散和單元節(jié)點編號，如圖4所示。

圖4 求解域離散

然后開始進行矩陣裝配，在矩陣表示法中，全局方程組可以表示為：

式中：K是系統(tǒng)剛度矩陣（N/mm）；u是未知的位移向量（mm）；F是力向量（N）。

式（2）—（6）中各分量與上述矩陣向量單位保持一致。圖中假設(shè)節(jié)點1 和節(jié)點2 之間是具有剛度k的線性彈簧，每個節(jié)點承受f1和f2的軸向載荷，而受力引起的位移u1和u2在其正方向上的位移表示為：

其與作用在彈簧上的力的關(guān)系表示為：

根據(jù)受力平衡原理，得出：

組合以上等式并以矩陣形式重寫方程：

式中：u(e)表示位移的節(jié)點未知向量；k(e)和f(e)分別為單元特征（剛度）矩陣和單元右側(cè)（力）向量。

剛度矩陣可以用指數(shù)形式表示為：

式中：i和j（i，j＝1，2）是行號和列號；系數(shù)k(e)ij可以解釋為節(jié)點i處產(chǎn)生初始位移所需的力，同時在節(jié)點j處產(chǎn)生的位移。

5 防洪結(jié)構(gòu)有限元分析

當(dāng)前對復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)力學(xué)分析方法去獲得解析解是極其困難和繁瑣的，大多數(shù)實際問題都是通過數(shù)值方法解決。隨著計算機的出現(xiàn)，工程分析領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一是有限元法，其對各種靜力和動力問題均有較高精度的力學(xué)解。本次采用ANSYS 軟件對防洪墻進行力學(xué)分析，研究防洪墻在極端工況下的應(yīng)力-應(yīng)變特性。防洪墻混凝土基礎(chǔ)長1 m、寬1.8 m、高0.5 m，混凝土水池腔高7.6 m，最大靜水壓力約為80 N/mm，流體密度為1 000 kg/m3。SCFB模型如圖5所示，力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 力學(xué)參數(shù)

圖5 防洪結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

SCFB結(jié)構(gòu)在極端工況下的總位移、總應(yīng)力以及總應(yīng)變分別如圖6—8所示。從圖6—8可以看出，鋁合金制成的SCFB 結(jié)構(gòu)的最大總變形為1.4 mm，最大總應(yīng)變?yōu)?×10-3，而最大應(yīng)力約為24.5 N/mm。因此，數(shù)值結(jié)果表明本次設(shè)計SCFB 結(jié)構(gòu)在臨界靜水壓力情況下變形較小、抗洪能力強，能夠達到抗洪效果。但值得注意的是，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大應(yīng)變處分別位于支承處和混凝土基礎(chǔ)表面，建議在實際加工中對兩處進行加固處理，防止出現(xiàn)裂縫。

圖6 SCFB結(jié)構(gòu)總變形

圖7 SCFB結(jié)構(gòu)總應(yīng)力

圖8 SCFB結(jié)構(gòu)總應(yīng)變

6 結(jié)論

基于目前的自閉式防洪結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，設(shè)計了一種SCFB 防洪結(jié)構(gòu)，同時采用ANSYS 軟件對其力學(xué)性能進行了校驗分析。研究結(jié)果表明，鋁合金制成的SCFB 結(jié)構(gòu)的最大總變形為1.4 mm，最大總應(yīng)變?yōu)?×10-3，而最大應(yīng)力約為24.5 N/mm。數(shù)值結(jié)果表明本次設(shè)計SCFB 結(jié)構(gòu)在臨界靜水壓力情況下變形較小、抗洪能力強，能夠達到抗洪效果；但結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大應(yīng)變處分別位于支承處和混凝土基礎(chǔ)表面，建議在實際加工中對兩處進行加固處理，防止出現(xiàn)裂縫。