基于有限元装配式挡洪结构优化设计分析

方 良

(修水县应急管理局，江西 九江 332400)

江西省自然灾害严重，其中洪涝灾害是全省造成人员伤亡最为严重的灾种之一[1]，因此设计防洪结构对应对暴雨灾害具有重要的安全意义[2- 3]。目前，国内外利用结构力学设计原理对防洪结构做出了部分研究，包括防洪护岸构筑物设计、提篮拱及其吊杆支座设计、装配式钢筋混凝土空心板以及堤防结构型式刚性衬砌和柔性衬砌设计等[4- 10]。本文基于对前文的挡洪结构研究，将新型塑料材料与金属结构相结合，设计了一种新型挡洪结构，最后基于载荷场试验、有限元分析以及现场测试验证结果，表明该结构能够成为一种有效地挡洪结构，可用于实际生产应用。

1 流域概况

修河长江流域发源于幕阜山下、湘鄂赣3省交界处的黄龙山，地貌类型主要属山前丘陵冲积低地平原和半波状冲积平原，地貌分区主要属九江下的丘陵冲积平原型地区。修河长江流域常年长期遭受强低温降雨干旱天气，管辖行政区域内东部修水县盆地平均每年降雨量209.3mm，其中常年降雨300mm以上的暴雨站点13个。最近一次修河降雨水位洪峰，水位96.69米，流量6110m3/s，是1983年以来的最高降雨水位。此次的强降雨天气造成修水县全县公路全部塌方、桥梁全部受损，全县洪水冲毁所有农田9800亩，农作物绝收受灾面积31.97万余亩，成灾灾害面积17.11万余亩，绝收受灾面积3.65万余亩，粮食生产损失2.47万吨，直接经济损失1.5亿余元。

2 模块式挡墙设计

本文设计的模块化防洪堤结构由一个倾斜和水平结构组成，如图1所示。在设计中，水压力作用在外部挡洪结构，连接支撑来承受压力。斜挡表面上的水压力确保了足够的锚固应力，可以防止总体结构发生移动。如果防洪堤结构安装在地面上，需要在两个结构水平部分下方放置橡胶密封件；如果是安装在位于不平或松软的地面上，则在水平部分使用锚定杆，使用连接杆连接垂直部件。为了让结构稳定性更大，垂直部件按照从长到短的顺序相互安装，并用杆连接，该结构在一定程度上允许弯曲。对于凸面结构，如图2所示，无需连接水平部分。面板的水平连接增加了墙的整体阻力。对于凹面形状只需连接第二个水平部分。倾斜部件的角度设置可根据支架的长度及其附着点的位置进行调整，模块化结构允许改变倾斜部件的长度。

图1 模块化防洪堤结构

图2 凸凹工程结构

3 有限元分析验证

模块化防洪堤结构的有限元分析荷载示意图如图3所示。模拟荷载包括F1=17.72kN，水位高度1.6m，P1上的水压力为0.016MPa，以及基底和表面之间的应力F6=0.55MPa，F7=0.55MPa，F8=0.55MPa。值得一提的是，本次荷载的施加方式严格考虑了真实自然条件下力的大小变化，因此一些重要节点应力状态和静力响应具有一定现实意义。本文根据有限元分析结果，不断地调整结构各部件的比例，直至所设计的结构能够满足稳定性条件。最后设计结构的应力云图如图4所示，节点应力见表1。由图4和表1可知，面板底面处一直受压应力控制，说明水压对挡洪结构有一定的固定作用，而从其他几处结果可以看出结构受拉应力作用明显。其中短支撑杆的受力最大，F3n为5.56kPa，而左下角构件的应力最小为0.946kPa。

图3 模块化防洪堤结构的有限元分析荷载

图4 模块化防洪堤结构的有限元分析结果

表1 有限元分析结果节点应力

4 室外测试验证与优化设计

本文在修河流域附近进行了一系列洪水试验，以测试所设计结构抵抗水压的能力和各个构件的稳定性。图5为本次测试现场图。测试结果表明，本文设计的防洪堤结构结构稳定，即使在强降雨条件下也能承受水压力，最大位移仅3mm。为更好测试构件潜在的失效模式，试验时按一定距离布置了应力计来对结构的张力进行测量，并测定了各个支架结构中的应力。本次实际测量的各监测点结构应力如图6所示。由图可知，随着水位深度的增加，右下角监测点与短连接杆的的应力增长块，且增量最大，其次是长连接杆中接近外部面板的监测点4*的应力增加速度最快，而长、短连接杆中部监测点的应力几乎没有变化。因此可以认为之前的理论假设和实际测试结果吻合较好。但从图6中也可看到，随着水位增加，连接结构的应力增长十分迅速，虽然总体上能够抵挡小型洪水的冲击，然而长时间的水压下，此种应力增长趋势严重威胁了链接结构的耐久性。因此，本文在之前的设计基础上，进一步对连接杆和挡洪面板进行了改进，其中链接构件由原来的长径比较大的圆柱形改进为矩形装备配式链接器件，面板则采用“田”字框架式的几何配置。新型整体装配式挡洪结构新型整体装配式与旧式结构各指标对比如图7所示。由图7可知，随着水位的上涨，进行优化设计后的监测点的应力最大减小了31.2%，位移最大仅为1.4mm，能大大增加结构的服务期限和结构安全性。

图5 现场测试图

图6 监测点结构应力

图7 新型整体装配式与旧式结构各指标对比

5 结语

本文将新型塑料材料与金属结构相结合，设计了一种新型挡洪结构。该结构通过有限元软件反复设计校核，同时在流域内进行了强降雨条件下结构稳定性验证试验，在理论设计上和实际应用中都具有较高的可靠性。此外，本文在旧式结构设计的基础上，采用新型矩形装配式链接器件和“田”字框架式的几何配置，能使洪水应急人员在短时间内进行快速安装，提高了此类挡洪结构的便捷性。但此挡洪结构设计未考虑不同地区洪峰流量差异和河堤高度，因此还需进一步优化和检验。