輕型移動(dòng)式防洪墻擋水試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)分析

倪立建，林萬青

（浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江 杭州 310012）

輕型移動(dòng)式防洪墻擋水試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)分析

倪立建，林萬青

（浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江 杭州 310012）

對輕型移動(dòng)式防洪墻的應(yīng)用前景及結(jié)構(gòu)特征做了闡述，通過擋水試驗(yàn)及監(jiān)測，結(jié)合理論計(jì)算和有限元分析與其相互驗(yàn)證，重點(diǎn)分析輕型移動(dòng)式防洪墻的結(jié)構(gòu)受力和破壞形態(tài)。

輕型；移動(dòng)式防洪墻；擋水試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)分析

1 輕型移動(dòng)式防洪墻的應(yīng)用前景

移動(dòng)式防洪墻技術(shù)，即可拆卸或可移動(dòng)的防洪保護(hù)系統(tǒng)，通過安裝可拆卸的鋁合金墻體達(dá)到抵御洪水的目的。它具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、運(yùn)輸方便、安裝簡單的特點(diǎn)，可應(yīng)用于堤防加高、道口旱閘封堵，工廠小區(qū)、地下車庫及其他重要建筑物防洪水保護(hù)等方面。近年來，該技術(shù)已成熟應(yīng)用于捷克、奧地利、德國等歐洲眾多城市的防洪中，并成功抵御了多次洪水。

在國內(nèi)，移動(dòng)式防洪墻技術(shù)還處于起步階段，且現(xiàn)狀堤防無法滿足大型機(jī)械對移動(dòng)式防洪墻的運(yùn)輸安裝，其在城市防洪上的應(yīng)用受到限制。因此有必要研究一種可利用人工與小型機(jī)械結(jié)合的方式，能在較小工作面內(nèi)進(jìn)行靈活安裝的輕型移動(dòng)式防洪墻結(jié)構(gòu)，并能與現(xiàn)有堤防結(jié) 合，解決現(xiàn)狀堤防防洪高度不足、堤防高度與景觀生態(tài)不協(xié)調(diào)等

圖1 移動(dòng)式防洪墻與堤防結(jié)合示意圖

2 輕型移動(dòng)式防洪墻結(jié)構(gòu)及安全性研究方法

輕型移動(dòng)式防洪墻一般由疊梁板、立柱、支撐、止水橡膠、壓緊裝置、基礎(chǔ)及預(yù)埋件等組成，單個(gè)構(gòu)件質(zhì)量宜控制50 kg以內(nèi)，以方便人工結(jié)合小型機(jī)械操作（見圖2）。通過理論計(jì)算和有限元分析與其相互驗(yàn)證，重點(diǎn)分析輕型移動(dòng)式防洪墻的結(jié)構(gòu)受力和破壞形態(tài)。

圖2 移動(dòng)式防洪墻結(jié)構(gòu)示意圖

安裝時(shí)，先將立柱通過螺栓固定在基礎(chǔ)預(yù)埋件上，并根據(jù)情況安裝支撐桿；立柱之間安裝疊梁板，每塊疊梁板底部和立柱側(cè)面設(shè)有橡膠密封，用豎向緊固裝置和側(cè)向緊固裝置將橡膠壓緊，達(dá)到止水密封的目的。

輕型移動(dòng)式防洪墻較傳統(tǒng)的擋水結(jié)構(gòu)體積和質(zhì)量大大減小，為研究其結(jié)構(gòu)安全性，本文以監(jiān)測試驗(yàn)為主要手段，

3 監(jiān)測試驗(yàn)方案

試驗(yàn)件立柱及疊梁板采用6061 - T4鋁合金型材（見圖3），各力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 試驗(yàn)構(gòu)件尺寸示意圖

表1 鋁合金試驗(yàn)件參數(shù)表

試驗(yàn)分別采用四跨1.6 m高懸臂結(jié)構(gòu)的輕型移動(dòng)式防洪墻和三跨3.0 m高設(shè)支撐結(jié)構(gòu)的輕型移動(dòng)式防洪墻進(jìn)行不同高度靜水作用下的監(jiān)測試驗(yàn)。監(jiān)測內(nèi)容包括應(yīng)力和位移，應(yīng)變監(jiān)測采用VS100系列型振弦表面應(yīng)變計(jì)，位移監(jiān)測采用游標(biāo)卡尺。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置試驗(yàn)圖

1.6 m懸臂結(jié)構(gòu)采用60 mm厚疊梁板；3.0 m設(shè)支撐結(jié)構(gòu)采用120 mm厚疊梁板，柱后中間位置設(shè)45°支撐，支撐桿采用60 mm×60 mm×4 mm鍍鋅方管（穩(wěn)定系數(shù)為0.50）。柱腳用2塊290 mm×130 mm×10 mm不銹鋼與柱鋁合金型材以螺栓連接，監(jiān)測點(diǎn)布置見圖4。

4 監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測成果分析

在1.6 m靜水壓下，懸臂結(jié)構(gòu)和設(shè)支撐結(jié)構(gòu)移動(dòng)式防洪墻監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，設(shè)支撐后在相同荷載下實(shí)測應(yīng)力及位移量有明顯減小，支撐結(jié)構(gòu)對提高擋水高度有較大作用。

在3.0 m靜水壓下，設(shè)支撐結(jié)構(gòu)移動(dòng)式防洪墻監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，2#柱的內(nèi)力較1#柱大，因此支撐與立柱安裝偏移情況對整個(gè)結(jié)構(gòu)體系受力有較大影響。對1#柱不同水位下各監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力和位移進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5。

表2 1.6 m水壓下應(yīng)力及位移監(jiān)測表

表3 3.0 m水壓下應(yīng)力及位移監(jiān)測表

圖5 1#柱不同水位下應(yīng)力和位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化圖

由圖5可知，隨著水位上升，各構(gòu)件應(yīng)力快速增加，其中以柱腳和支撐應(yīng)力增加速度最快。位移隨著水位上升呈線性增加，當(dāng)水位超過2.4 m后，柱頂位移增加速度明顯加快，柱中位移依舊呈線性增加。監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果表明柱腳和支撐所受應(yīng)力最大，易最先破壞；擋水高度超過1.5倍支撐點(diǎn)高度后，立柱位移增加速度明顯加快。方法與監(jiān)測成果進(jìn)行比較。

理論公式分析：采用SM SOL VER軟件分析該結(jié)構(gòu)各部件的受力及位移，并按理論公式計(jì)算應(yīng)力[1-2]，支撐桿還需進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)驗(yàn)算。內(nèi)力分析見圖6，應(yīng)力及位移計(jì)算成果見表4、表5。

有限元分析：建立有限元模型進(jìn)行分析[3-5]成果見圖7、圖8。計(jì)算各測點(diǎn)應(yīng)力及移位值，將理論公式計(jì)算、有限元分析及實(shí)測值成果列于表4、表5。

4.2 理論分析及有限元驗(yàn)證

以3.0 m設(shè)支撐結(jié)構(gòu)為例，采用理論公式、有限元分析

表4 應(yīng)力實(shí)測值與計(jì)算值比較表 MPa

圖6 設(shè)支撐立柱體系內(nèi)力分析圖

圖7 設(shè)支撐立柱體系有限元分析圖

圖8 疊梁板有限元分析圖

表5 位移實(shí)測值與計(jì)算值比較表

由表4可知，支撐桿實(shí)測應(yīng)力值大于計(jì)算應(yīng)力值，其他部位實(shí)測應(yīng)力值一般略小于計(jì)算應(yīng)力值；支撐安裝有偏移后各部位應(yīng)力均有增大。經(jīng)分析，支撐桿為受壓桿，桿件的撓曲變形和幾何缺陷（如初彎曲、初偏心）在力作用下將產(chǎn)生彎矩，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)力大于計(jì)算應(yīng)力，故壓桿要考慮穩(wěn)定系數(shù)；當(dāng)支撐安裝有偏移時(shí)，支撐效應(yīng)減弱，支撐和立柱的應(yīng)力均有所增大；其他部位的應(yīng)力受整體協(xié)調(diào)變形影響有偏移所減小。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明：有限元值與實(shí)測應(yīng)力更貼近，理論公式值更偏于安全；支撐安裝情況對結(jié)構(gòu)受力影響較大。因此，采用理論公式或有限元方法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，要考慮支撐效應(yīng)減弱后結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，支撐安裝面與移動(dòng)式防洪墻要盡可能垂直，并做好支撐兩端的固定。

由表5可知，實(shí)測位移值大于理論公式值和有限元計(jì)算值。經(jīng)分析，實(shí)際中移動(dòng)式防洪墻為可活動(dòng)構(gòu)件，受固定螺栓孔加工誤差影響可能產(chǎn)生整體水平位移，受柱底橡膠不均勻壓縮影響可能使產(chǎn)生發(fā)生小角度傾斜，這2個(gè)因素將導(dǎo)致實(shí)際位移比計(jì)算位移大。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明：理論計(jì)算值雖然大于有限元計(jì)算值，其精度也能滿足應(yīng)用要求；立柱的制作工藝和支撐安裝偏移對結(jié)構(gòu)位移影響較大。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需盡可能減小由立柱制作工藝和支撐安裝偏移產(chǎn)生的位移，并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身剛度，預(yù)留一定位移安全余量，保證結(jié)構(gòu)位移在規(guī)定范圍內(nèi)。

4.3 破壞形態(tài)研究

由有限元分析計(jì)算及監(jiān)測成果可知，移動(dòng)式防洪墻的應(yīng)力在支撐桿、柱腳板較大。破壞試驗(yàn)將支撐桿更換，觀察其破壞系統(tǒng)。

把3.0 m設(shè)支撐結(jié)構(gòu)的支撐桿換成50 mm×50 mm×4 mm鋼管（穩(wěn)定系數(shù)為0.41），在3.0 m水壓下計(jì)算應(yīng)力

試驗(yàn)中當(dāng)水位達(dá)2.9 m時(shí)，安裝有偏移的支撐桿瞬間失穩(wěn)破壞，柱腳臨水側(cè)局部受拉破壞，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析成果基本吻合，試驗(yàn)情況見圖9。

圖9 設(shè)支撐立柱體系破壞圖

因此在應(yīng)用時(shí)需加強(qiáng)支撐的抗失穩(wěn)設(shè)計(jì)，適當(dāng)加厚柱腳板，減小破壞風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 語

根據(jù)上述研究成果，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的輕型移動(dòng)式防洪墻在擋水試驗(yàn)下的應(yīng)力和位移基本滿足相應(yīng)規(guī)范要求，其受力主要集中在柱腳板、支撐等部位，實(shí)際位移受加工誤差、橡膠壓縮等因素影響往往大于理論位移，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)先破壞支撐結(jié)構(gòu)再拉壞柱腳。如在動(dòng)載作用下，還要考慮動(dòng)載增幅系數(shù)、疲勞強(qiáng)度、荷載方向與支撐不在同一平面等影響。因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需重點(diǎn)加強(qiáng)柱腳板和支撐等結(jié)構(gòu)薄弱部位設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，滿足結(jié)構(gòu)輕便性。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部．GB 50017 — 2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2003．

[2]中華人民共和國建設(shè)部．GB 50429 — 2007鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國計(jì)劃出版社，2008．

[3]余新洲，束一鳴，秦明.裝卸式防汛墻在波浪作用下的變形分析[J].水電能源科學(xué)，2012，30(2)：111 - 114.

[4] 李金鳳.涌潮作用下雙壁鋼圍堰施工期受力分析[J].中國水運(yùn)，2012(4)：239 - 241.

[5] 吳海云，蔡明儀，魏憲軍.鋁合金薄壁插接組合截面梁彎曲效應(yīng)計(jì)算方法的初步研究[J].現(xiàn)代機(jī)械，2008(2)：26 - 28.

（責(zé)任編輯 黃 超）

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1008 - 701X(2017)03 - 0037 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.011

2016-12-29

倪立建(1984 - )，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程設(shè)計(jì)、管理、質(zhì)量監(jiān)督等工作。

E - mail：63613276@qq.com