新型壓力防洪結構設計及ANSYS有限元分析

秦玉梅

（菏澤市牡丹區水務局，山東 菏澤 274000）

近年來，極端天氣頻發，暴雨成災，洪水肆虐，國內眾多大中型城市先后遭遇不同程度的水災害，內澇已成為城市發展的軟肋，因此研究城市防洪結構具有重要意義[1-5]。方良[6]將新型塑料材料與金屬結構相結合，設計了一種新型擋洪結構，并基于有限元分析、載荷場試驗以及現場測試進行驗證；王緒彬等[7]針對河道防洪現狀及目前存在的問題進行防洪堤設計，對不同型式河堤、護岸進行方案比選；王克強[8]結合塔里木河阿拉爾河段防洪護岸構筑物設計，設計了一種壩式護岸和坡式護岸結合型的護岸型式；侯進平[9]結合護岸工程地質條件、傳統防洪護坡型式及防洪經驗，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構以及可行性研究；麥麥提·尼亞孜[11]針對車爾臣河防洪工程的設計及運行情況分析，對其防洪工程的結構型式進行了研究；倪立建[12]對輕型移動式防洪墻的應用前景及結構特征做了闡述，通過擋水試驗及監測，結合理論計算和有限元分析與其相互驗證。

以上研究表明，現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，少部分學者對鋼結構類型的輕式防洪結構進行研究。輕式防洪結構不僅經濟性高，同時人力需求少，具有較好應用前景。自閉式防汛結構（SCFB）是世界上最有效的防洪系統之一，目前已在全球范圍內投入使用。該防洪系統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控，可以自動完成?；谀壳暗淖蚤]式防洪結構設計理念，設計了一種SCFB 防洪結構，同時采用ANSYS 軟件對其力學性能進行了校驗分析，研究結果可為相關防洪工程提供設計借鑒。

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氣候區，年平均氣溫7.6～13.1 ℃，多年平均降水量500～600 mm，年內降水量極為不均勻，80%以上集中在汛期且年際變化很大，常造成水旱災害。區域內冰凍期一般從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。

2 SCFB結構設計

本次防洪結構設計優先選用鋁金屬，因為鋁材結構不僅經濟且重量輕，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。鋁蓋的設置是為了關閉水池腔，以防止非汛期時廢物或碎屑流入水池腔內堵塞排水通道。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構。

圖1 自閉式防汛結構

3 SCFB結構工作原理

SCFB 結構主要包含洪水蓄水池和防洪墻兩部分，當洪水上升到洪水水位前（設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。當水位上升到洪水水位時，防洪墻前的蓄水坑開始蓄水，當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。當水位下降到正常水平時，水池中的洪水由安置在結構內部的水泵排出，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 正常水位下防洪結構

圖3 滿水位下防洪結構

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，用于近似求解各種“真實世界”工程問題。其基礎依賴于將域分解為有限數量的子域（元素），通過應用變分或加權殘差方法構造系統近似解。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量的子域（單元）、插值函數的選擇、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為例，首先對求解域進行網格離散和單元節點編號，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。圖中假設節點1 和節點2 之間是具有剛度k的線性彈簧，每個節點承受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系表示為：

根據受力平衡原理，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（力）向量。

剛度矩陣可以用指數形式表示為：

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

5 防洪結構有限元分析

當前對復雜結構采用傳統力學分析方法去獲得解析解是極其困難和繁瑣的，大多數實際問題都是通過數值方法解決。隨著計算機的出現，工程分析領域應用最廣泛的技術之一是有限元法，其對各種靜力和動力問題均有較高精度的力學解。本次采用ANSYS 軟件對防洪墻進行力學分析，研究防洪墻在極端工況下的應力-應變特性。防洪墻混凝土基礎長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，力學參數詳見表1。

表1 力學參數

圖5 防洪結構數值模型

SCFB結構在極端工況下的總位移、總應力以及總應變分別如圖6—8所示。從圖6—8可以看出，鋁合金制成的SCFB 結構的最大總變形為1.4 mm，最大總應變為4×10-3，而最大應力約為24.5 N/mm。因此，數值結果表明本次設計SCFB 結構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，結構最大應力和最大應變處分別位于支承處和混凝土基礎表面，建議在實際加工中對兩處進行加固處理，防止出現裂縫。

圖6 SCFB結構總變形

圖7 SCFB結構總應力

圖8 SCFB結構總應變

6 結論

基于目前的自閉式防洪結構設計理念，設計了一種SCFB 防洪結構，同時采用ANSYS 軟件對其力學性能進行了校驗分析。研究結果表明，鋁合金制成的SCFB 結構的最大總變形為1.4 mm，最大總應變為4×10-3，而最大應力約為24.5 N/mm。數值結果表明本次設計SCFB 結構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；但結構最大應力和最大應變處分別位于支承處和混凝土基礎表面，建議在實際加工中對兩處進行加固處理，防止出現裂縫。