拱坝聚氨酯保温层在冲击作用下的动力响应研究

张馨文，卢晓春，刘思琪，陈渴鑫，李 爽

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

0 引 言

近年来，聚氨酯保温材料由于具备施工简单、保温隔热、产品性能稳定可靠，有效防止了大体积混凝土表面裂缝的产生[1- 2]等优点，在混凝土拱坝的保温保湿应用中备受关注。同时，聚氨酯保温材料也被用于我国西北寒冷地区工程建设中预防大温差产生的温度裂缝，但由于融冰期雪山融化带有较大的加速度[3]，大量浮冰涌入水库，高速撞击聚氨酯保温层表面，在冲击作用下难以保证表层聚氨酯保温材料的完整性，从而使得保温保湿功能局部失效，并引起局部温湿度差异，甚至可能导致裂缝的形成。目前，国内外对聚氨酯保温材料的保温保湿性能进行了大量研究，如刘光延等学者基于混凝土温湿耦合原理分析了聚氨酯硬质泡沫的保温保湿效果[4- 5]，且自20世纪80年代起，国内技术人员借鉴国外学者的研究成果，研究了浮冰撞击桥墩、护坡以及排桩等水工建筑物，并取得一定成果和经验，但关于聚氨酯保温材料遭受冲击作用下的动力响应尚未有明确研究。

鉴于浮冰冲击存在空间随机性及时间随机性，本文采用瞬态动力学分析方法，对浮冰冲击荷载下聚氨酯保温层的动力响应进行数值仿真。通过对浮冰撞击坝体的有限元数值模拟，研究浮冰在不同撞击位置、不同撞击速度、同时撞击以及连续撞击工况下聚氨酯保温层的动态响应，提出保护措施，保证大坝安全运行，为今后类似工程问题提供参考。

1 有限元计算条件

1.1 有限元计算模型

某混凝土双曲拱坝最大坝高240 m，正常蓄水位在坝高235 m处，顶宽17.6 m，底宽61 m，且坝体上游面聚氨酯保温层厚0.05 m。该枢纽工程所在地冬季寒冷而漫长，最低气温达-40℃，依据历史监测资料拟定浮冰尺寸为1 m×1 m×1.5 m(长×宽×高)。不考虑地形及地质构造，且定义浮冰为刚性体，采用ABAQUS建立有限元模型，整个模型尺寸为1 680 m×960 m×600 m，采用6面体8节点单元，其中坝体包含58 752个结点，50 904个单元，坝体三维模型如图1。

图1 三维有限元模型

1.2 计算工况与材料参数

由于工程所在地处于融冰期，本文主要考虑在正常蓄水位(坝高235 m处)时，浮冰在不同撞击速度、不同撞击部位等工况下的动力响应情况。鉴于本文研究对象为随机浮冰，只考虑浮冰撞击荷载，且5点处冲击力垂直作用于坝面，较其他各点无冲击力分量可言，可取该点分析速度的影响，具体浮冰撞击工况见表1，撞击点示意见图2。大坝混凝土、地基及其他各材料参数均为设计值，参数如表2所示。

表1 浮冰撞击工况

表2 各类材料参数

图2 浮冰撞击位置示意

2 聚氨酯保温层动力响应分析

基于数值计算成果，对各工况下聚氨酯保温层受冲击作用的应力情况进行分析，考虑本工程为左右对称结构，成果只对坝体左部的5个撞击点进行分析。

图3为撞击速度一致、不同撞击点处聚氨酯保温层的应力曲线。由图3可看出，不同作用点上的应力基本一致，均先迅速增大，后逐渐趋于稳定，表明单点单次撞击时拱坝不同撞击部位对聚氨酯保温层的应力无影响。

图3 不同撞击位置的应力

图4为撞击速度不同、撞击点5处聚氨酯保温层的应力示意。图4表明，撞击速度对聚氨酯保温层的应力影响呈正相关，撞击速度越大，应力峰值越大，最大为106.73 kPa；单点单次撞击时，撞击瞬间撞击点处的应力迅速上升，随着撞击过程的结束，应力值在小范围内波动，最后趋于稳定。

图4 不同速度时撞击点5的应力

图5为撞击速度为8 m/s、单点连续撞击4次时撞击点处的应力曲线。由图5可以看出，不同撞击位置对保温层动力响应基无影响，每次撞击瞬间，应力波动较大动力反应程度剧烈，且应力峰值随撞击次数的增加而增大，最大为114.29 kPa。

图5 单点连续撞击时各点的应力

图6为多点同时撞击且撞击速度为8 m/s时，各撞击点处的应力曲线。由图6可以看出，多点撞击时各点处动力反应程度较单点撞击时剧烈，由于应力波存在叠加效应，且随距离的增加而减弱，因此各点波动幅度出现差异，其中位于撞击点群中心部位的5点处应力波动最为剧烈，最大峰值达106.73 kPa。

图6 多点同时撞击时各点的应力

图7为多点同时连续撞击且撞击速度为8 m/s时，各撞击点处的应力曲线。由图7可看出，大体符合单点连续撞击规律，但各点波动也存在差异，综合了同时撞击与连续撞击的应力变化规律，位于撞击点群中心位置的撞击点5反应最剧烈，最大峰值可达154.40 kPa。

图7 多点同时连续撞击时各点的应力

综上所述，在冲击荷载下，撞击速度与聚氨酯保温层的应力呈正相关，撞击位置对应力几乎无影响；单次撞击时，撞击瞬间应力迅速增大，随撞击过程的结束，应力趋于稳定；连续撞击时，每次撞击瞬间出现峰值，整个撞击过程波动起伏较大；同时撞击时，各点之间应力相互影响，且撞击点群中心位置受其他各点影响最明显。四种工况中，工况四即同时连续撞击对聚氨酯保温层的影响最大，应力最大可达154.40 kPa。

3 表层防护措施研究

上述计算结果工况四(多点同时连续撞击)中，聚氨酯保温层所受应力最大为154.40 kPa，对应变化位移最大为0.01 m。由于聚氨酯保温层在大坝运行期长期处于负载及温湿度变化环境中，有学者指出经温湿度负载加速老化后，其压缩强度明显下降[6]，考虑老化后冲击作用也存在一定危害，因此，需进行防护措施处理。因为拱坝为曲面结构，用于表面作防护层的材料较少，建筑工程中，能对形状不规则的曲面进行除险加固，且具备抗渗性好、整体性强、处理方式灵活及投资省等特性的材料除水泥砂浆外，还有铁丝网砂浆。本工程拟采用外铺3 cm厚的铁丝网砂浆，其密度为2 000 kg/m3，弹性模量为20 GPa，泊松比为0.25，为研究其防护性能，在上述坝体有限元模型外表面添加一层铁丝网砂浆进行仿真计算，对危险工况四中有无铁丝网砂浆计算结果进行对比。

应力增量对比结果见表3。从表3可知，施加铁丝网砂浆后，聚氨酯保温层所受应力有所降低，约为原来的3%，有效削减了冲击力，表明铁丝网砂浆对内部结构的保护起到决定性作用，在外界冲击荷载下可有效防护聚氨酯保温层。

表3 聚氨酯保温层最大应力前后对比

注：λ表示有无铁丝网砂浆聚氨酯保温层应力值之比。

4 结 语

针对近年来广泛使用的聚氨酯保温材料，本文以拱坝为例分析了浮冰冲击作用下的动力响应情况，主要得到以下结论：

(1)聚氨酯保温层的应力变化与撞击位置无关，与撞击速度呈正相关。

(2)连续撞击时，应力幅值上下波动较大；同时撞击时，撞击点群中心部位所受影响较大。

(3)在严寒且昼夜温差较大的地区，为保证保温层的完整性及耐久性，可在外层施加铁丝网砂浆作为防冲层，避免聚氨酯保温层局部损伤。