張馨文，盧曉春，劉思琪，陳渴鑫，李 爽

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

0 引 言

近年來(lái)，聚氨酯保溫材料由于具備施工簡(jiǎn)單、保溫隔熱、產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，有效防止了大體積混凝土表面裂縫的產(chǎn)生[1- 2]等優(yōu)點(diǎn)，在混凝土拱壩的保溫保濕應(yīng)用中備受關(guān)注。同時(shí)，聚氨酯保溫材料也被用于我國(guó)西北寒冷地區(qū)工程建設(shè)中預(yù)防大溫差產(chǎn)生的溫度裂縫，但由于融冰期雪山融化帶有較大的加速度[3]，大量浮冰涌入水庫(kù)，高速撞擊聚氨酯保溫層表面，在沖擊作用下難以保證表層聚氨酯保溫材料的完整性，從而使得保溫保濕功能局部失效，并引起局部溫濕度差異，甚至可能導(dǎo)致裂縫的形成。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)聚氨酯保溫材料的保溫保濕性能進(jìn)行了大量研究，如劉光延等學(xué)者基于混凝土溫濕耦合原理分析了聚氨酯硬質(zhì)泡沫的保溫保濕效果[4- 5]，且自20世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)技術(shù)人員借鑒國(guó)外學(xué)者的研究成果，研究了浮冰撞擊橋墩、護(hù)坡以及排樁等水工建筑物，并取得一定成果和經(jīng)驗(yàn)，但關(guān)于聚氨酯保溫材料遭受沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)尚未有明確研究。

鑒于浮冰沖擊存在空間隨機(jī)性及時(shí)間隨機(jī)性，本文采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，對(duì)浮冰沖擊荷載下聚氨酯保溫層的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真。通過(guò)對(duì)浮冰撞擊壩體的有限元數(shù)值模擬，研究浮冰在不同撞擊位置、不同撞擊速度、同時(shí)撞擊以及連續(xù)撞擊工況下聚氨酯保溫層的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提出保護(hù)措施，保證大壩安全運(yùn)行，為今后類(lèi)似工程問(wèn)題提供參考。

1 有限元計(jì)算條件

1.1 有限元計(jì)算模型

某混凝土雙曲拱壩最大壩高240 m，正常蓄水位在壩高235 m處，頂寬17.6 m，底寬61 m，且壩體上游面聚氨酯保溫層厚0.05 m。該樞紐工程所在地冬季寒冷而漫長(zhǎng)，最低氣溫達(dá)-40℃，依據(jù)歷史監(jiān)測(cè)資料擬定浮冰尺寸為1 m×1 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。不考慮地形及地質(zhì)構(gòu)造，且定義浮冰為剛性體，采用ABAQUS建立有限元模型，整個(gè)模型尺寸為1 680 m×960 m×600 m，采用6面體8節(jié)點(diǎn)單元，其中壩體包含58 752個(gè)結(jié)點(diǎn)，50 904個(gè)單元，壩體三維模型如圖1。

圖1 三維有限元模型

1.2 計(jì)算工況與材料參數(shù)

由于工程所在地處于融冰期，本文主要考慮在正常蓄水位(壩高235 m處)時(shí)，浮冰在不同撞擊速度、不同撞擊部位等工況下的動(dòng)力響應(yīng)情況。鑒于本文研究對(duì)象為隨機(jī)浮冰，只考慮浮冰撞擊荷載，且5點(diǎn)處沖擊力垂直作用于壩面，較其他各點(diǎn)無(wú)沖擊力分量可言，可取該點(diǎn)分析速度的影響，具體浮冰撞擊工況見(jiàn)表1，撞擊點(diǎn)示意見(jiàn)圖2。大壩混凝土、地基及其他各材料參數(shù)均為設(shè)計(jì)值，參數(shù)如表2所示。

表1 浮冰撞擊工況

表2 各類(lèi)材料參數(shù)

圖2 浮冰撞擊位置示意

2 聚氨酯保溫層動(dòng)力響應(yīng)分析

基于數(shù)值計(jì)算成果，對(duì)各工況下聚氨酯保溫層受沖擊作用的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，考慮本工程為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，成果只對(duì)壩體左部的5個(gè)撞擊點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖3為撞擊速度一致、不同撞擊點(diǎn)處聚氨酯保溫層的應(yīng)力曲線。由圖3可看出，不同作用點(diǎn)上的應(yīng)力基本一致，均先迅速增大，后逐漸趨于穩(wěn)定，表明單點(diǎn)單次撞擊時(shí)拱壩不同撞擊部位對(duì)聚氨酯保溫層的應(yīng)力無(wú)影響。

圖3 不同撞擊位置的應(yīng)力

圖4為撞擊速度不同、撞擊點(diǎn)5處聚氨酯保溫層的應(yīng)力示意。圖4表明，撞擊速度對(duì)聚氨酯保溫層的應(yīng)力影響呈正相關(guān)，撞擊速度越大，應(yīng)力峰值越大，最大為106.73 kPa；單點(diǎn)單次撞擊時(shí)，撞擊瞬間撞擊點(diǎn)處的應(yīng)力迅速上升，隨著撞擊過(guò)程的結(jié)束，應(yīng)力值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定。

圖4 不同速度時(shí)撞擊點(diǎn)5的應(yīng)力

圖5為撞擊速度為8 m/s、單點(diǎn)連續(xù)撞擊4次時(shí)撞擊點(diǎn)處的應(yīng)力曲線。由圖5可以看出，不同撞擊位置對(duì)保溫層動(dòng)力響應(yīng)基無(wú)影響，每次撞擊瞬間，應(yīng)力波動(dòng)較大動(dòng)力反應(yīng)程度劇烈，且應(yīng)力峰值隨撞擊次數(shù)的增加而增大，最大為114.29 kPa。

圖5 單點(diǎn)連續(xù)撞擊時(shí)各點(diǎn)的應(yīng)力

圖6為多點(diǎn)同時(shí)撞擊且撞擊速度為8 m/s時(shí)，各撞擊點(diǎn)處的應(yīng)力曲線。由圖6可以看出，多點(diǎn)撞擊時(shí)各點(diǎn)處動(dòng)力反應(yīng)程度較單點(diǎn)撞擊時(shí)劇烈，由于應(yīng)力波存在疊加效應(yīng)，且隨距離的增加而減弱，因此各點(diǎn)波動(dòng)幅度出現(xiàn)差異，其中位于撞擊點(diǎn)群中心部位的5點(diǎn)處應(yīng)力波動(dòng)最為劇烈，最大峰值達(dá)106.73 kPa。

圖6 多點(diǎn)同時(shí)撞擊時(shí)各點(diǎn)的應(yīng)力

圖7為多點(diǎn)同時(shí)連續(xù)撞擊且撞擊速度為8 m/s時(shí)，各撞擊點(diǎn)處的應(yīng)力曲線。由圖7可看出，大體符合單點(diǎn)連續(xù)撞擊規(guī)律，但各點(diǎn)波動(dòng)也存在差異，綜合了同時(shí)撞擊與連續(xù)撞擊的應(yīng)力變化規(guī)律，位于撞擊點(diǎn)群中心位置的撞擊點(diǎn)5反應(yīng)最劇烈，最大峰值可達(dá)154.40 kPa。

圖7 多點(diǎn)同時(shí)連續(xù)撞擊時(shí)各點(diǎn)的應(yīng)力

綜上所述，在沖擊荷載下，撞擊速度與聚氨酯保溫層的應(yīng)力呈正相關(guān)，撞擊位置對(duì)應(yīng)力幾乎無(wú)影響；單次撞擊時(shí)，撞擊瞬間應(yīng)力迅速增大，隨撞擊過(guò)程的結(jié)束，應(yīng)力趨于穩(wěn)定；連續(xù)撞擊時(shí)，每次撞擊瞬間出現(xiàn)峰值，整個(gè)撞擊過(guò)程波動(dòng)起伏較大；同時(shí)撞擊時(shí)，各點(diǎn)之間應(yīng)力相互影響，且撞擊點(diǎn)群中心位置受其他各點(diǎn)影響最明顯。四種工況中，工況四即同時(shí)連續(xù)撞擊對(duì)聚氨酯保溫層的影響最大，應(yīng)力最大可達(dá)154.40 kPa。

3 表層防護(hù)措施研究

上述計(jì)算結(jié)果工況四(多點(diǎn)同時(shí)連續(xù)撞擊)中，聚氨酯保溫層所受應(yīng)力最大為154.40 kPa，對(duì)應(yīng)變化位移最大為0.01 m。由于聚氨酯保溫層在大壩運(yùn)行期長(zhǎng)期處于負(fù)載及溫濕度變化環(huán)境中，有學(xué)者指出經(jīng)溫濕度負(fù)載加速老化后，其壓縮強(qiáng)度明顯下降[6]，考慮老化后沖擊作用也存在一定危害，因此，需進(jìn)行防護(hù)措施處理。因?yàn)楣皦螢榍娼Y(jié)構(gòu)，用于表面作防護(hù)層的材料較少，建筑工程中，能對(duì)形狀不規(guī)則的曲面進(jìn)行除險(xiǎn)加固，且具備抗?jié)B性好、整體性強(qiáng)、處理方式靈活及投資省等特性的材料除水泥砂漿外，還有鐵絲網(wǎng)砂漿。本工程擬采用外鋪3 cm厚的鐵絲網(wǎng)砂漿，其密度為2 000 kg/m3，彈性模量為20 GPa，泊松比為0.25，為研究其防護(hù)性能，在上述壩體有限元模型外表面添加一層鐵絲網(wǎng)砂漿進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)危險(xiǎn)工況四中有無(wú)鐵絲網(wǎng)砂漿計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

應(yīng)力增量對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，施加鐵絲網(wǎng)砂漿后，聚氨酯保溫層所受應(yīng)力有所降低，約為原來(lái)的3%，有效削減了沖擊力，表明鐵絲網(wǎng)砂漿對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的保護(hù)起到?jīng)Q定性作用，在外界沖擊荷載下可有效防護(hù)聚氨酯保溫層。

表3 聚氨酯保溫層最大應(yīng)力前后對(duì)比

注：λ表示有無(wú)鐵絲網(wǎng)砂漿聚氨酯保溫層應(yīng)力值之比。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)近年來(lái)廣泛使用的聚氨酯保溫材料，本文以拱壩為例分析了浮冰沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)情況，主要得到以下結(jié)論：

(1)聚氨酯保溫層的應(yīng)力變化與撞擊位置無(wú)關(guān)，與撞擊速度呈正相關(guān)。

(2)連續(xù)撞擊時(shí)，應(yīng)力幅值上下波動(dòng)較大；同時(shí)撞擊時(shí)，撞擊點(diǎn)群中心部位所受影響較大。

(3)在嚴(yán)寒且晝夜溫差較大的地區(qū)，為保證保溫層的完整性及耐久性，可在外層施加鐵絲網(wǎng)砂漿作為防沖層，避免聚氨酯保溫層局部損傷。