王秀麗, 程榮榮, 朱中城，梁 海

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州 730050；3.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710000)

泥石流是地質(zhì)不良山區(qū)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害,尤其是在中國(guó)西部地區(qū),泥石流災(zāi)害頻繁發(fā)生,對(duì)其危害范圍內(nèi)的各種構(gòu)筑物、人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失[1].由于泥石流具有規(guī)模大,活動(dòng)頻繁以及突發(fā)性等特點(diǎn),所以目前對(duì)泥石流防治的主要措施是修建各種攔擋壩[2],從而達(dá)到泄洪、攔渣、固床、穩(wěn)坡、控制固體物質(zhì)的功效.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥石流災(zāi)害的調(diào)查以及防治措施的研究有很多.Dowling等[3]通過(guò)對(duì)1950年至2011年全球范圍內(nèi)泥石流災(zāi)害調(diào)查,說(shuō)明了泥石流災(zāi)害一旦爆發(fā)將災(zāi)情嚴(yán)重.Takahashi等[4]通過(guò)實(shí)地調(diào)查泥石流災(zāi)害,對(duì)泥石流的形成、現(xiàn)有壩的破壞分析及泥石流災(zāi)害新的防治措施展開(kāi)了研究,為防治泥石流提供了參考,提出的新型壩體為防治泥石流塊石沖擊提供了新思路.Shima 等[5]介紹了采用鋼制開(kāi)敞式壩防治泥石流災(zāi)害的情況,通過(guò)數(shù)值方法模擬了四種不同的泥石流災(zāi)害場(chǎng)景,利用ANSYS AutoDyn軟件對(duì)壩進(jìn)行塊石沖擊分析以及三維沖擊框架的動(dòng)力響應(yīng)分析.Hiura等[6]通過(guò)數(shù)值模擬方法,分析了不同形狀和不同坡面的開(kāi)口式鋼壩對(duì)泥石流的攔擋性能.周文兵等[7]通過(guò)對(duì)白龍江地區(qū)的泥石流攔砂壩進(jìn)行調(diào)查和試驗(yàn),對(duì)攔砂壩的運(yùn)行現(xiàn)狀以及調(diào)控效果進(jìn)行了分析.羅祥等[8]提出了通過(guò)對(duì)泥石流防撞墩前放置廢舊輪胎來(lái)抵抗泥石流中大塊石沖擊的方法.鄭國(guó)足等[9]提出了帶彈簧支撐的新型泥石流攔擋壩,并對(duì)其抗沖擊性能進(jìn)行研究,認(rèn)為其具有良好的防治效果；王秀麗等[10]分析了具有自復(fù)位功能的泥石流攔擋壩抗沖擊性能；柳春等[11]從壩體迎坡比、防撞墩和緩沖層三種因素改進(jìn)攔擋壩,分析了大塊石與泥石流漿體對(duì)攔擋壩的沖擊性能.由于泥石流災(zāi)害一旦爆發(fā),情況復(fù)雜,災(zāi)情嚴(yán)重,故需要對(duì)新型攔擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,以更好地防治泥石流.在普通重力式攔擋壩中加入新元素,以改善攔擋壩的性能是一種思路.針對(duì)H型鋼抗沖擊性能的研究,路國(guó)運(yùn)等[12]對(duì)薄柔H型鋼柱在側(cè)向沖擊荷載下的力學(xué)性能進(jìn)行了分析,為薄柔構(gòu)件沖擊設(shè)計(jì)提供參考.孟剛等[13]把型鋼內(nèi)置于混凝土梁中,有效提高了梁的抗彎性能.朱翔等[14]分析了內(nèi)插雙H型鋼鋼管混凝土柱的抗沖擊性能,通過(guò)對(duì)比認(rèn)為,在相同條件下,內(nèi)插雙H型鋼鋼管混凝土柱的抗沖擊性能比鋼骨混凝土柱以及鋼筋混凝土柱優(yōu)越.王鈞等[15]研究了預(yù)應(yīng)力H型鋼混凝土簡(jiǎn)支梁正截面受力性能,表明H型鋼預(yù)應(yīng)力混凝土梁的抗彎剛度可近似取為預(yù)應(yīng)力混凝土梁的剛度與內(nèi)置H型鋼梁剛度之和.

內(nèi)置H型鋼混凝土結(jié)構(gòu)兼具鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),具有良好的抗震性能和抗沖擊性能.學(xué)者對(duì)H型鋼混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究較少.本文為充分利用H型鋼塑性和韌性好、抗沖擊性能好的特點(diǎn),改善普通重力壩在防治泥石流災(zāi)害中壩體易毀損的情況,提出了內(nèi)置H型鋼泥石流攔擋壩,并探究其在塊石沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng).

1 新型壩組成

本文以甘肅省舟曲縣三眼峪溝泥石流災(zāi)害治理工程中攔擋壩的縮尺模型為研究對(duì)象進(jìn)行模擬分析.新型壩如圖1所示,具體尺寸：壩長(zhǎng)1.6 m,壩高1.2 m,壩底寬0.4 m,壩頂寬0.2 m.泥石流大塊石采用剛性球等效來(lái)模擬[16],鋼球直徑0.6 m,H型鋼采用I14,尺寸為140 mm×80 mm×5.5 mm×9.1 mm,均勻布置在壩體內(nèi).

圖1 新型壩組成

型鋼長(zhǎng)1 100 mm,翼緣距壩體沖擊面距離為30 mm,翼緣邊緣距壩體左右面50 mm,型鋼平截面中性軸間距284 mm,采用6根型鋼均勻布置在壩體內(nèi).H型鋼插入混凝土壩連接,通過(guò)單元共節(jié)點(diǎn)使之共同工作.H型鋼在新型壩中具體定位如圖2所示.

圖2 新型壩中型鋼在平面上的布置(mm)

2 有限元模型的建立

有限元分析中,普通壩與內(nèi)置H型鋼壩均采用理想彈塑性模型,其中攔擋壩采用C20混凝土,彈性模量E=25.5 GPa,密度ρ=2 500 kg/m3,立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu,k=20 MPa,泊松比ν=0.2.型鋼采用Q345鋼材,其彈性模量為E=206 GPa,泊松比ν=0.3,密度ρ=7 850 kg/m3,屈服應(yīng)力fy=345 MPa.球體綁定為剛體,采用Q345鋼,泊松比ν=0.3,密度ρ=7 850 kg/m3,彈性模量E=206 GPa.新型壩與普通壩的有限元網(wǎng)格劃分方式相同,有限元模型如圖3所示.邊界條件設(shè)置為下部固定端約束.塊石與壩體間的接觸設(shè)置為面面接觸.沖擊位置選取為壩體中心點(diǎn).

圖3 新型壩有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

鋼球以8 m/s的速度分別沖擊普通攔擋壩與新型壩,對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析.

3.1 應(yīng)力與應(yīng)變對(duì)比

通過(guò)對(duì)比普通壩與新型壩的Von Mises應(yīng)力云(圖4和圖5)可以得:在t=0.005 s時(shí),鋼球與壩體初始接觸,普通壩碰撞部位變形較為明顯,體現(xiàn)出應(yīng)力集中,撞擊處應(yīng)力立刻達(dá)到混凝土的極限抗壓承載力.普通壩除壩肩外由上到下混凝土幾乎全部屈服,而新型壩內(nèi)置H型鋼,增大了壩體的整體剛度,使壩體下半部位應(yīng)力達(dá)到抗壓承載力,上半部位應(yīng)力很小.內(nèi)置H型鋼除根部和撞擊點(diǎn)處應(yīng)力較大,剩余部分應(yīng)力很小.隨著繼續(xù)發(fā)生接觸,壩體變形明顯,撞擊處四周應(yīng)力得到釋放,應(yīng)力由壩底向壩肩迅速擴(kuò)展.在t=0.015 s時(shí),型鋼應(yīng)力達(dá)到最大,為347.4 MPa,超出屈服應(yīng)力2.4 MPa.隨后,由于壩體來(lái)回震蕩擺動(dòng),能量在傳播中被H型鋼耗散.

圖4 新型壩Von Mises應(yīng)力云圖(MPa)

圖5 普通壩Von Mises應(yīng)力云圖(MPa)

對(duì)混凝土的模擬結(jié)果可知：混凝土選取規(guī)范中單軸受拉的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行模擬,該曲線引入混凝土單軸受拉損傷參數(shù)、形狀參數(shù),可適合不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的曲線形狀變化.其中混凝土的破壞準(zhǔn)則為混凝土受拉時(shí),ftk達(dá)到1.54 MPa發(fā)生破壞.

3.2 壩底支反力對(duì)比

新型壩和普通壩在鋼球撞擊作用下,在壩底產(chǎn)生x、y、z三個(gè)方向的反力F.由于與沖擊方向x方向相比,y、z向反力較小,可以忽略不計(jì).因此本文只討論x方向的支反力.從圖6可以看出,普通壩體和新型壩在受到撞擊后產(chǎn)生x方向的支反力,且達(dá)到支反力最大值.由于新型壩型鋼底部產(chǎn)生屈服,上部型鋼仍處于彈性階段,故壩體在與x軸呈小于90°的銳角下來(lái)回震蕩,支反力在10 kN的上下來(lái)回波動(dòng).普通壩在受到?jīng)_擊后壩體中下部立刻進(jìn)入屈服階段,支反力在30 kN的上下來(lái)回波動(dòng).相比于普通壩體,新型壩的最大支反力只有普通壩的1/2,一方面這是由于H型鋼強(qiáng)度高,塑形韌性好；另一方面由于型鋼對(duì)混凝土的約束作用,使得型鋼與混凝土之間形成“芯柱”.型鋼消耗掉部分沖擊力,所以整個(gè)壩體的基底支反力要小于普通壩.

圖6 泥石流攔擋壩壩底支反力時(shí)程曲線

3.3 位移對(duì)比

從圖7可以看出,在壩體受到撞擊后,t=0.02 s時(shí),普通壩的最大正位移為6.5 mm,新型壩的最大正位移為4.5 mm,普通壩的頂點(diǎn)位移是新型壩的1.44倍.這主要是兩者的約束不同而造成的.普通壩底部為完全固接約束,鋼球沖擊作用下,攔擋壩頂部位移較大,而內(nèi)置H型鋼壩體由于有型鋼的約束,在沖擊力作用下,壩體內(nèi)部型鋼在不發(fā)生塑性破壞的情況下相當(dāng)于一個(gè)支撐,會(huì)抵消一部分鋼球的沖擊力.所以相對(duì)于普通攔擋壩,內(nèi)置H型鋼壩體位移有所減小.可以看出,新型壩內(nèi)置H型鋼,剛度增大,故位移較普通壩較小.

圖7 泥石流攔擋壩壩頂x方向位移時(shí)程曲線

3.4 加速度對(duì)比

加速度響應(yīng)是結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的一個(gè)非常重要的參數(shù).根據(jù)達(dá)朗貝爾原理,加速度會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生慣性力,結(jié)構(gòu)在真實(shí)的外荷載、虛擬的慣性力共同作用下,處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài).從圖8可以看出,新型壩在受到撞擊后,撞擊點(diǎn)處加速度立刻達(dá)到最大值62.8 km·s-2,然后迅速減小至0.普通壩在受到撞擊后加速度達(dá)到最大值14.2 km·s-2,隨后在x=0上下來(lái)回波動(dòng),新型壩撞擊處所承擔(dān)的最大加速度是普通壩的4.4倍.

圖8 泥石流攔擋壩撞擊點(diǎn)處x方向加速度時(shí)程曲線

3.5 能量對(duì)比

通過(guò)對(duì)比新型壩與普通壩的內(nèi)能時(shí)程曲線,進(jìn)而分析新型壩的耗能效果,從圖9可以看出,新型壩在t=0.005 5 s時(shí),內(nèi)能達(dá)到最最大值28 kJ,隨后處于波動(dòng)狀態(tài).這是由于新型壩內(nèi)置型鋼,型鋼發(fā)生較大變形,能吸收更多的能量,有效耗散了大塊石作用于結(jié)構(gòu)上的部分撞擊能量,從而減小了沖擊力對(duì)壩體的破壞,也對(duì)減輕壩體局部的沖切破壞起到了積極的作用.

圖9 壩體內(nèi)能時(shí)程曲線

4 參數(shù)分析

本文為更好地探究?jī)?nèi)置H型鋼泥石流攔擋壩的沖擊性能,進(jìn)行新型壩體在不同撞擊速度v下的的位移、加速度、能量的響應(yīng)分析.如圖10～12所示.從圖10可以看出,在鋼球撞擊壩體瞬間,同一速度下新型壩較普通壩位移更小.普通壩與新型壩均在x=0上下波動(dòng),并且隨著速度的增加,同一時(shí)刻普通壩與新型壩的位移差值變大.在v=4 m/s的撞擊速度下,由于新型壩的內(nèi)置型鋼未達(dá)到屈服,故新型壩來(lái)回?cái)[動(dòng)的幅度均比普通壩小;在v=6 m/s的速度下,混凝土已經(jīng)進(jìn)入塑性屈服,但由于新型壩內(nèi)置型鋼,使得壩體仍能承受一定的沖擊.

圖10 不同撞擊速度下新型壩與普通壩位移時(shí)程

圖11 不同撞擊速度下新型壩與普通壩加速度時(shí)程曲線

圖12 不同撞擊速度下新型壩與普通壩內(nèi)能時(shí)程曲線

從圖11～12可以看出：鋼球在撞擊新型壩體時(shí),在x方向的加速度迅速降低.而撞擊普通壩體時(shí),加速度在x=0上下波動(dòng),當(dāng)t=0.04 s時(shí),加速度才降至0,這表明新型壩具有很好的抗沖擊性能.隨著沖擊速度的增大,壩體內(nèi)能也逐漸增大,且速度越大,新型壩體耗能效果越明顯.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)內(nèi)置H型鋼泥石流攔擋壩在泥石流塊石沖擊下的數(shù)值模擬,得出結(jié)論如下：

1)壩體在受到大塊石沖擊時(shí),內(nèi)置H型鋼不發(fā)生塑性破壞的情況下,新型壩的頂點(diǎn)最大位移是普通壩的1/1.44倍,最大支反力只有普通壩的1/2,可以看出,H型鋼會(huì)抵消部分鋼球的沖擊力.

2)新型壩在受到撞擊后,撞擊點(diǎn)處所承擔(dān)的最大加速度是普通壩的4.42倍,且內(nèi)置型鋼并未發(fā)生完全屈服,說(shuō)明新型壩的抗沖擊性能十分優(yōu)越.

3)新型壩的內(nèi)置H型鋼提高了結(jié)構(gòu)的整體抗沖擊性能,改善了由于混凝土屈服產(chǎn)生的壩體承載力驟降的現(xiàn)象;混凝土崩裂后,型鋼與型鋼約束范圍內(nèi)的核心混凝土形成“芯柱”,壩體仍具有較高的承載力.