移動(dòng)式防洪墻的彈性力學(xué)基本解答

徐東坡+馬世浩+周華

摘 要：移動(dòng)式防洪墻在城市防洪中具有廣泛的應(yīng)用前景，為了更好地掌握其工作時(shí)受力和變形的真實(shí)情況，從而選取相應(yīng)材料，達(dá)到省材穩(wěn)定的防洪效果。利用彈性力學(xué)的基本知識(shí)分析其受力情況，求解移動(dòng)式防洪墻的彈性力學(xué)解答，解決材料選取的問題。在利用彈性力學(xué)時(shí)，對(duì)原型的受力以及邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化工作，并對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行修正，從而使材料選取偏于安全，使結(jié)果對(duì)工程實(shí)際具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：彈性力學(xué)；移動(dòng)式防洪墻；基本解答

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.232

1 引言

隨著城市的建設(shè)發(fā)展，越來越多的城市地下空間出入口投入使用，而一些突發(fā)性暴雨常常會(huì)淹沒地下車庫或者灌入地鐵入口，造成巨大損失，由于各種新型移動(dòng)式防洪墻的使用使得人們能快速便捷的應(yīng)對(duì)此類現(xiàn)象。就目前移動(dòng)式防洪墻的材料確定都是基于ANSYS的有限元分析和模型試驗(yàn)來確定的，由于模型試驗(yàn)在確定材料方面盲目性過大，故其大多用于分析結(jié)構(gòu)的滲流和穩(wěn)點(diǎn)。ANSYS主觀性較強(qiáng)，網(wǎng)格劃分的不同得到的結(jié)果就存在區(qū)別，則此方法大多用來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在墻體材料具體的選取方面大多停留在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有的材料來選擇，尚沒有完全的理論分析來指導(dǎo)材料的選取。

彈性力學(xué)主要是研究可變形固體在力、溫度變化、約束變動(dòng)等外部因數(shù)作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的經(jīng)典學(xué)科。移動(dòng)式防洪墻在寬度上取單寬則可以簡(jiǎn)化為梁，水壓力作用為三角形分布荷載，其結(jié)構(gòu)形式符合彈性力學(xué)的基本假定，而在彈性力學(xué)[1，2]中給出了簡(jiǎn)支梁在均布荷載作用下比材料力學(xué)更為精確的彈性力學(xué)解答，張偉就集中荷載作用下兩端固支梁的彈性力學(xué)解進(jìn)行了研究[3]。而針對(duì)防洪墻這一受力問題的研究鮮有闡述。本文則主要針對(duì)移動(dòng)式防洪墻的材料選取這一問題，進(jìn)過初設(shè)結(jié)構(gòu)尺寸，并分析其運(yùn)行時(shí)的受力狀態(tài)，用彈性力學(xué)半逆解法求解出工作狀態(tài)下移動(dòng)式防洪墻的應(yīng)力函數(shù)，再結(jié)合邊界條件對(duì)應(yīng)力函數(shù)的各系數(shù)求解，最終得到應(yīng)力分量。然后分析求解移動(dòng)式防洪墻的最危險(xiǎn)截面最危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力值，利用材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論對(duì)移動(dòng)式防洪墻的材料選擇與結(jié)構(gòu)分析提供指導(dǎo)。

2 移動(dòng)式防洪墻形式組成與尺寸

2.1 移動(dòng)式防洪墻結(jié)構(gòu)組成

我們移動(dòng)式防洪墻主要由以下各部分組成：斜墻式擋板、底板與支撐桿件。其中擋板與底板之間、前底板與后底板之間均采用合頁連接的方式，撐桿上沿抵在擋板背面的固定卡槽中，撐桿下沿抵在后底板的兩根橫梁處。擋板、底板、撐桿三者構(gòu)成三角形幾何穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，利用來水對(duì)底板的壓力和整個(gè)墻體的自重作用來增強(qiáng)防洪墻自身的抗滑穩(wěn)定性。

2.2 移動(dòng)式防洪墻尺寸

防洪墻尺寸的計(jì)算主要根據(jù)洪水的水平推力與洪水作用下防洪墻與地基摩擦阻力平衡條件得出。取設(shè)計(jì)水位h=1m，以節(jié)省材料為目的，并結(jié)合抗滑穩(wěn)定分析對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化可求解出各部分尺寸分別為：擋板：長(zhǎng)、寬分別為1.3m、1m，厚0.004m；前底板長(zhǎng)、寬分別為0.7m、1m，厚0.004m；厚底板長(zhǎng)、寬分別為1.3m、0.1m，厚0.004m；給部分肋和撐桿的長(zhǎng)、寬分別為0.96m、0.02m，厚0.02m。

3 基于彈性力學(xué)的移動(dòng)式防洪墻材料選擇與優(yōu)化

彈性力學(xué)研究的是理想彈性體的小變形問題，而移動(dòng)式防洪墻材料與受力變形上均滿足基本假定，則按彈性力學(xué)求解是科學(xué)的、準(zhǔn)確的。

由截面尺寸設(shè)計(jì)可知，防洪墻設(shè)計(jì)水位為1m，且利用前擋板與后地板和撐桿之間的關(guān)系可以簡(jiǎn)化擋板與另外兩個(gè)部分之間的連接形式為簡(jiǎn)支梁，受到三角形分布荷載q，即形式為一矩形簡(jiǎn)支梁，梁寬為單位寬度，梁高為h，梁長(zhǎng)為l，體積力分別為X，Y均為零，如圖1所示。

分別代入即可求得任意截面上任意一點(diǎn)的應(yīng)力分量。此時(shí)只需要分析確定出移動(dòng)式防洪墻的最危險(xiǎn)點(diǎn)即可求解出最危險(xiǎn)的應(yīng)力值，并按照第四強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)選擇符合應(yīng)力要求的墻體材料。

值得注意的是，進(jìn)行彈性力學(xué)求解時(shí)，由于原問題邊界條件和受力情況比較復(fù)雜且進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，因此在求得最終應(yīng)力的基礎(chǔ)上應(yīng)分別乘以安全系數(shù)值，即材料應(yīng)力設(shè)計(jì)值為：

4 結(jié)論

通過對(duì)移動(dòng)式防洪墻受力分析與求解其彈性力學(xué)基本解答，可以較為精確的確定出移動(dòng)式防洪墻的最危險(xiǎn)截面上最危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力，并結(jié)合第四強(qiáng)度理論可以更經(jīng)濟(jì)、安全的設(shè)計(jì)移動(dòng)式防洪墻材料；結(jié)合相應(yīng)的工程要求，采用不同尺寸時(shí)均可采用結(jié)論分析墻體最危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力值，按工程需求進(jìn)行材料的選取，對(duì)該工程起到指導(dǎo)性的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐芝綸.彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]陸明萬，羅雪富.彈性理論基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3]張偉.集中荷載作用下兩端固支梁的彈性力學(xué)解[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，27（04）：40-42.

項(xiàng)目基金：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào)：201610078082

作者簡(jiǎn)介：徐東坡（1995-），男，河南焦作人，本科，主要研究方向：水利水電工程及河流泥沙。endprint