王穎麗，趙 鵬，潘艷輝，劉 超，王 瑾

（1.華北電力大學(xué)北京102206；2.鄭州安源工程技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引言

高聚物超薄防滲墻技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型堤壩除險(xiǎn)加固技術(shù)，具有對(duì)堤壩擾動(dòng)小、施工便捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)，其原理為采用靜壓成槽裝備靜壓成槽、套孔搭接、同步提升注漿，形成連續(xù)的防滲墻體。目前對(duì)高聚物靜壓成槽設(shè)備中的成槽桿穩(wěn)定性研究較少，成槽桿連接處是影響成槽桿穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，若連接方式不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)斷桿或彎桿現(xiàn)象，從而引發(fā)成槽垂直度難以保證、防滲墻搭接不嚴(yán)和深度受限等問(wèn)題。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在仿真分析中采用成槽桿的最大變形量和最大等效應(yīng)力判斷其安全性，采用成槽桿的臨界壓力判斷其穩(wěn)定性。

等效應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

式中：σ1，σ2，σ3分別指第一、二、三主應(yīng)力，［σs］為材料需用屈服應(yīng)力，σs為材料屈服極限，ns為安全系數(shù)。

式中：μ為一階模態(tài)載荷系數(shù)，F(xiàn)為壓力，F(xiàn)0為臨界壓力。

2 成槽桿有限元分析

為了對(duì)比插稍型、錐形螺紋和平螺紋三種連接方式對(duì)成槽桿力學(xué)特性的影響，建立了三種連接方式成槽桿的三維有限元計(jì)算模型。計(jì)算模型中，成槽桿的總長(zhǎng)度均為7.50 m，每節(jié)長(zhǎng)度為1.50 m，直徑為63.50 mm，材質(zhì)為空心高強(qiáng)合金鋼。成槽桿的密度為7 850 kg/m3，彈性模量200 GPa，泊松比0.30。有限元模型中設(shè)定相同接觸方式、約束條件和荷載條件，單元類(lèi)型為三維二十結(jié)點(diǎn)單元（Solid186）。接觸：摩擦接觸，摩擦系數(shù)f=0.20，過(guò)盈量設(shè)置為0.05 mm；約束條件：對(duì)成槽桿下端進(jìn)行固定約束；載荷條件：成槽桿上端加載豎直方向壓力F=100 kN。

2.1 插稍型成槽桿

插稍型成槽桿的三維幾何模型圖（略），單元個(gè)數(shù)為12 624，結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為63 492。插稍型成槽桿的X、Y、Z三個(gè)方向變形云圖和等效應(yīng)力云圖（略）。分析云圖可見(jiàn)，插稍型成槽桿的X 方向最大變形量為3.77×103mm，Y 方向最大變形量為0.68 mm，Z方向最大變形量為6 350 mm；插稍型成槽桿的最大等效應(yīng)力為153.13 MPa。

在進(jìn)行屈曲分析時(shí)，臨界壓力只需根據(jù)第一階模態(tài)的載荷系數(shù)值確定。Y方向施加荷載為100 kN，第一階模態(tài)的載荷系數(shù)值μ為0.67，臨界壓力可由下式計(jì)算：F0=μF（3）

因此，插稍型成槽桿的臨界壓力為67.08 kN。

2.2 錐形螺紋型成槽桿

錐形螺紋型成槽桿的三維幾何模型圖（略），單元個(gè)數(shù)為9 716，結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為62 376。錐形螺紋型成槽桿的X、Y、Z 三個(gè)不同方向變形云圖和等效應(yīng)力云圖（略）。分析云圖可見(jiàn)，錐形螺紋型成槽桿的X方向最大變形量為4 040 mm，Y方向最大變形量為0.95 mm，Z方向最大變形量為2 310 mm；錐形螺紋型成槽桿的最大等效應(yīng)力為52.13 MPa。

在進(jìn)行屈曲分析時(shí)，臨界壓力只需根據(jù)第一階模態(tài)的載荷系數(shù)值確定。Y方向施加荷載為100 kN，第一階模態(tài)的載荷系數(shù)值μ為0.78，臨界壓力可由下式計(jì)算：F0=μF（4）

因此，插稍型成槽桿的臨界壓力為77.51 kN。

2.3 平螺紋型成槽桿有限元析

平螺紋型成槽桿的三維幾何模型如圖1所示，單元個(gè)數(shù)為9 716，結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為62 376。平螺紋型成槽桿的X、Y、Z三個(gè)不同方向變形云圖和等效應(yīng)力云見(jiàn)圖2。由圖2（a）-（c）可見(jiàn)，平螺紋型成槽桿的X方向最大變形量為4 410 mm，Y方向最大變形量為0.95 mm，Z方向最大變形量為2 310 mm；圖2（d）等效應(yīng)力云圖顯示，平螺紋型成槽桿成槽桿的最大應(yīng)力為52.04 MPa。

圖1 平螺紋型成槽桿三維模型圖

圖2 平螺紋型成槽桿變形云圖和等效應(yīng)力云圖

在進(jìn)行屈曲分析時(shí)，臨界壓力只需根據(jù)第一階模態(tài)的載荷系數(shù)值確定。Y方向施加荷載為100 kN，第一階模態(tài)的載荷系數(shù)值μ為0.78，臨界壓力可由下式計(jì)算：F0=μF（5）

因此，插稍型成槽桿的臨界壓力為77.51 kN。

3 不同連接方式對(duì)比分析

不同連接方式成槽桿的最大變形、最大等效應(yīng)力、臨界荷載計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 變形、等效應(yīng)力、臨界荷載對(duì)比表

由X 方向最大變形值可見(jiàn)，插稍型成槽桿最大變形量最小，錐形螺紋成槽桿和平螺紋成槽桿最大變形量接近；由Y 方向最大變形值可見(jiàn)，插稍型最大變形量最小，錐形螺紋和平螺紋最大變形量較接近。由Z方向最大變形值可見(jiàn)，插稍型變形量最大，錐形螺紋和平螺紋最大變形量較接近。三種連接方式的成槽桿的最大變形值均為超過(guò)1 mm，變形量較小。

等效應(yīng)力結(jié)果顯示，插稍型成槽桿的最大等效應(yīng)力大于錐形螺紋和平螺紋成槽桿的最大等效應(yīng)力，平螺紋型成槽桿的最大等效應(yīng)力最小。因此，在同等情況下平螺紋型成槽桿安全性高于錐形螺紋和插稍型成槽桿，不易發(fā)生斷桿。

屈曲分析得出，在同等情況下插稍型成槽桿的臨界荷載最小，錐形螺紋和平螺紋型成槽桿的臨界荷載均高于插稍型，平螺紋型成槽桿的臨界平螺紋型成槽桿最大。因此，平螺紋型成槽桿穩(wěn)定性強(qiáng)，不易發(fā)生失穩(wěn)。從變形、等效應(yīng)力及臨界荷載等因素分析，平螺紋型成槽桿安全及穩(wěn)定性均優(yōu)于插稍型成槽桿和錐形螺紋成槽桿，因此成槽桿應(yīng)采用平螺紋方式連接。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果，試制了平螺紋型成槽桿，在黃河中下游段趙口閘堤防開(kāi)展了高聚物柔性防滲墻修復(fù)加固技術(shù)的示范應(yīng)用，以驗(yàn)證成槽桿連接方式選取的正確性。

經(jīng)示范工程驗(yàn)證，空心設(shè)計(jì)63.50 mm 合金高強(qiáng)鋼材質(zhì)的平螺紋型成槽桿具有穩(wěn)定性好、可操作性強(qiáng)、受力好等優(yōu)點(diǎn)。平螺紋型成槽桿連接緊密，成槽過(guò)程中未出現(xiàn)斷桿、彎桿、槽桿脫落等情況，保證了垂直成孔，防滲墻體連續(xù)性強(qiáng)。

5 結(jié)論

針對(duì)柔性高聚防滲墻裝備成槽桿的連接方式開(kāi)展了數(shù)值模擬，建立了插稍型、錐形螺紋和平螺紋連接方式的成槽桿有限元計(jì)算模型，進(jìn)行了不同連接方式成槽桿的靜力學(xué)及屈曲分析，采用最大等效應(yīng)力、變形量和臨界壓力等因素判斷成槽桿的安全及穩(wěn)定性。三種連接方式的成槽桿的最大變形值均未超過(guò)1 mm，變形量較?。徊迳孕统刹蹢U的最大等效應(yīng)力大于錐形螺紋和平螺紋成槽桿的最大等效應(yīng)力，平螺紋型成槽桿的最大等效應(yīng)力最小；插稍型成槽桿的臨界荷載最小，平螺紋型成槽桿的臨界荷載最大。平螺紋型成槽桿安全及穩(wěn)定性均優(yōu)于插稍型成槽桿和錐形螺紋成槽桿，不易發(fā)生斷桿和失穩(wěn)，成槽桿應(yīng)采用平螺紋方式連接，該連接方式的成槽桿通過(guò)了實(shí)際工程的檢驗(yàn)。研究結(jié)果為合理選取成槽桿的連接方式提供了理論基礎(chǔ)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。