移動式防洪墻構(gòu)件承載力的計(jì)算方法

姚明星， 范力陽， 彭 庭， 黃錦峰， 雷 冬*

(1.長沙市公共工程建設(shè)中心，長沙 410013；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410014；3.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，南京 210098)

移動式防洪墻具有安全可靠性高、安裝拆卸方便迅速、高度可調(diào)節(jié)、循環(huán)使用率高、運(yùn)輸存放方便、建設(shè)工期短的特點(diǎn)，符合城市水生態(tài)剛性需求，具有不破壞現(xiàn)有林木、建筑景觀，不影響旅游業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。因此，移動式防洪墻已在中外多個(gè)城市成功投入使用。國際上第一套移動式防洪墻在1984年安裝于德國科隆市，后來捷克的布拉格、奧地利多瑙河畔、匈牙利的巴哈等城市也相繼開始大規(guī)模使用這種裝配式防洪墻。中國在2000年以后，也開始啟用移動式防洪墻。2002年，哈爾濱主城區(qū)松花江大堤公園段，為滿足防洪安全性，設(shè)置了活動鋼閘板防洪墻。鋼閘板共1 318扇，其中標(biāo)準(zhǔn)閘板尺寸為5.0 m×2.0 m，質(zhì)量為1.3 t，安裝較不方便[5-6]。2012年，插板式防洪墻在天津大清河下游西河右堤加固工程中得到應(yīng)用[7]。最近幾年，以鋁合金材料代替鋼板的新型移動防洪墻開始在中國興起，先后在湖北武漢、江蘇常州、湖南長沙等地都有成功案例[8-9]。

移動式防洪墻具有很好的應(yīng)用前景，但是國內(nèi)針對它的科研工作以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定工作還很缺乏。已有研究包括：德國漢堡理工大學(xué)河流與海岸工程學(xué)院與德國IBS公司合作，為裝配式防洪墻系統(tǒng)制訂了詳盡的試驗(yàn)方案，開展了大量的測試工作，包括結(jié)構(gòu)件的破壞實(shí)驗(yàn)和老化實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的滲透性實(shí)驗(yàn)等；徐東坡等[10]給出了移動式防洪墻的彈性力學(xué)基本解答；吳軍君等[11]開展了移動式防洪墻擋水試驗(yàn)研究；余新洲等[12]進(jìn)行了波浪作用下的變形分析。

在規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定方面，國外已經(jīng)啟動了部分工作。德國IBS公司等企業(yè)推出了相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)使用指南；英國環(huán)境署頒布了移動式防洪墻設(shè)計(jì)和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并出版了相關(guān)的使用指南。但是在中國還沒有一套完善的移動防洪墻設(shè)計(jì)規(guī)范。因此，根據(jù)有關(guān)行業(yè)的相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合德國的技術(shù)資料，給出了一套移動式防洪墻的主要受力構(gòu)件的承載力計(jì)算方法。

1 荷載計(jì)算方法

移動式防洪墻一般由立柱、擋板、預(yù)埋件等部件組成。圖1所示為正在安裝中的移動式防洪墻。考慮靜水、動水、波浪、沖擊等組合荷載的作用，對立柱、擋板、螺栓、定位銷、套管等多個(gè)受力部件的承載力進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 安裝中的移動式防洪墻Fig.1 Mobile flood control

1.1 靜水荷載

靜水荷載為移動式防洪墻最常見的一種荷載。如圖2所示，靜水荷載通常為三角形荷載，由水的壓強(qiáng)作用于防洪墻擋板上，擋板的荷載傳遞到立柱上，因此靜水壓強(qiáng)q可由式(1)計(jì)算。

q=ρghL

(1)

式(1)中：ρ為水的密度，kg/m3(若水中的懸浮物含量較大，如山區(qū)河流，泥石流等情況，可適當(dāng)選取較大的水密度)；h為防洪墻的擋水高度,m；L為防洪墻的跨長,m；g為重力加速度。

圖2 靜水荷載示意圖Fig.2 Diagram of hydrostatic load

1.2 動水荷載

移動式防洪墻設(shè)立于流動水域時(shí)，如果防洪墻的縱軸不平行于水流方向，則水的運(yùn)動會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動水荷載，如圖3所示。由于動水荷載是由水的沖量引起，根據(jù)沖量公式：

FΔt=m(vsinα)

(2)

則動水荷載q的計(jì)算公式為

qhΔt=ρ(hLvsinαΔt)vsinα

(3)

q=ρ(vsinα)2L

(4)

式中：α為水流與立柱、擋板的夾角,rad；v為水的流速,m/s。

圖3 動水荷載示意圖Fig.3 Diagram of hydrodynamic load

1.3 沖擊荷載

當(dāng)發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，河流中往往伴隨著漂流物，這些漂流物撞擊移動式防洪墻時(shí)，對墻體產(chǎn)生的沖擊荷載就不能忽視，因此需考慮小型漂流物的沖擊荷載。而對于大型的漂流物(質(zhì)量大于400 kg)，如輪船撞擊等情況，基本不會考慮進(jìn)移動防洪系統(tǒng)的穩(wěn)定性中，因?yàn)楹樗l(fā)生時(shí)已基本停止航運(yùn)，而且防洪墻大多用于城市防洪，城市中也少有大型的漂流物。

沖擊荷載如圖4所示。計(jì)算漂流物的沖擊荷載時(shí)，應(yīng)滿足以下兩個(gè)假設(shè)：

圖4 沖擊荷載示意圖Fig.4 Diagram of impact load

(1)漂流物沖擊時(shí)無變形。

(2)擋板或立柱彈性剛度為CF,N/m。

根據(jù)能量守恒的原理，漂流物的動能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，由能量守恒公式：

(5)

式(5)中：m為漂流物的質(zhì)量，kg；v為漂流物的速度(與水的流速相同)，m/s；α為漂流物與墻體的攻角，rad；δ為結(jié)構(gòu)的變形量，m。

沖擊荷載為

(6)

1.4 波浪荷載

近岸區(qū)域使用移動式防洪墻時(shí)，需要考慮波浪荷載的作用。關(guān)于波浪荷載的處理，中國有許多規(guī)范都有相關(guān)的規(guī)定。根據(jù)波浪的種類及防洪墻所處的地理位置，將波浪荷載等效為一個(gè)集中力F，如圖5所示。波浪荷載F可根據(jù)下式計(jì)算:

F=P1KL

(7)

(8)

K=1，f≥η

(9)

式中：f為超高值，m；η為波浪荷載最大高度和蓄水高度H之間的高度差，m；ρ1為波浪等效荷載。

圖5 波浪荷載示意圖Fig.5 Diagram of wave load

1.5 溢流

當(dāng)洪水水位大于設(shè)計(jì)值，洪水溢過墻體時(shí)，其荷載如圖6所示，圖中q1、q2分別為

q2=ρgh1L

(10)

q1=ρg(h1+h)L

(11)

圖6 溢流荷載示意圖Fig.6 Diagram of overflow load

1.6 風(fēng)荷載

防洪墻在工作中，可能承受來自背面的風(fēng)力作用，而在空載時(shí)，兩面都可能受到風(fēng)力作用，但只有背面的風(fēng)荷載對防洪墻可能造成危險(xiǎn)，因此只考慮背面的風(fēng)荷載，如圖7所示。風(fēng)壓的取值與防洪墻所處的地理環(huán)境有關(guān)。

圖7 風(fēng)荷載示意圖Fig.7 Diagram of wind load

1.7 荷載組合

除了上述6種基本荷載外，還有一些可能出現(xiàn)的活荷載，如圍觀群眾或維修人員施加在墻體上邊緣的拉力或壓力，城市區(qū)域出現(xiàn)車輛撞擊產(chǎn)生的荷載，圩田側(cè)水壓等。這些荷載雖然可能出現(xiàn)，但是人群荷載對墻體的影響較小，車輛的沖擊荷載破壞力過大，圩田側(cè)水壓僅在洪水退去后才考慮其對墻體的作用，因此這些不作為常見的基礎(chǔ)荷載進(jìn)行考慮。

確定可能出現(xiàn)的基本荷載后，應(yīng)根據(jù)移動式防洪墻使用的地理環(huán)境考慮可能出現(xiàn)的荷載組合情形。設(shè)立于靜止的水池、水塘的移動式防洪墻，應(yīng)考慮靜水荷載的作用；用于城市內(nèi)河擋水的移動式防洪墻應(yīng)考慮靜水荷載、動水荷載并酌情考慮沖擊荷載的作用；設(shè)立于近岸區(qū)域的移動式防洪墻應(yīng)考慮靜水荷載及波浪荷載的作用；空載情況下移動式防洪墻應(yīng)考慮背向風(fēng)荷載的作用；當(dāng)水位可能超過設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)考慮溢流的荷載情況。

2 立柱的內(nèi)力計(jì)算

移動式防洪墻的立柱包括中立柱、邊立柱及角立柱，作為移動式防洪墻的主要受力結(jié)構(gòu)，立柱為水平疊加的擋板提高支撐，同時(shí)施加水平作用力并將其導(dǎo)向地基。立柱受到水平作用力時(shí)主要可能發(fā)生彎曲，立柱底座與錨固件連接處的焊接部位也可能被破壞，因此立柱通常會根據(jù)工程需要增加加強(qiáng)件。

由于立柱的型號較多，且可能存在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，因此考慮立柱內(nèi)力時(shí)需要考慮不同截面位置的內(nèi)力。如圖8所示，有加強(qiáng)件的立柱，其結(jié)構(gòu)為變截面結(jié)構(gòu)，應(yīng)分別考慮不同危險(xiǎn)截面的內(nèi)力。如果立柱為等截面結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮立柱底端的內(nèi)力。

圖8 變截面立柱Fig.8 Column with variable cross-section

計(jì)算立柱的內(nèi)力時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)立柱的結(jié)構(gòu)確定危險(xiǎn)截面的位置。然后根據(jù)可能出現(xiàn)的荷載組合，分別計(jì)算各荷載組合在危險(xiǎn)截面上的最大彎矩Mmax和剪力Fmax。立柱的截面形狀類似于工字梁，計(jì)算最大正應(yīng)力與最大切應(yīng)力時(shí)可根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)公式進(jìn)行近似計(jì)算。

立柱的截面最大正應(yīng)力為

(12)

式(12)中：IZ為立柱截面對中性軸Z的慣性矩，m4；y為所求正應(yīng)力點(diǎn)的縱坐標(biāo)，m。

立柱的截面最大切應(yīng)力為

(13)

計(jì)算立柱上的最大正應(yīng)力及最大切應(yīng)力后，可參考下式進(jìn)行內(nèi)力校核。

(14)

式(14)中：k為安全系數(shù)；[σ]為容許正應(yīng)力，Pa；[τ]為容許切應(yīng)力，Pa。

3 預(yù)埋件的內(nèi)力計(jì)算

預(yù)埋件作為連接地基與立柱的主要部件，雖然占總建筑工程量的比例不大，卻對整個(gè)防洪墻的工程質(zhì)量起著重要作用，因此預(yù)埋件施工的質(zhì)量控制及技術(shù)要點(diǎn)一直是施工過程中的主要監(jiān)控對象。

一般而言，裝有翼緣板的立柱底座通過螺栓錨固于預(yù)埋件上。預(yù)埋件由抗腐蝕的鋼材制成，裝嵌在鋼筋混凝土基礎(chǔ)內(nèi)。預(yù)埋件的主要受力結(jié)構(gòu)有螺栓、定位銷、套管及錨固板，如圖9所示。

圖9 預(yù)埋件的結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of embedded parts

3.1 螺栓的受力

螺栓作為將立柱固定于預(yù)埋件上的主要部件，需平衡立柱的彎矩和剪力，因此迎水側(cè)和背水側(cè)螺栓受到拉力T和剪力F作用，而迎水側(cè)的螺栓主要受到拉力T作用。如圖10所示，左側(cè)為迎水側(cè)，右側(cè)為背水側(cè)，立柱以右側(cè)螺栓為軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，所以左側(cè)3個(gè)螺栓受到拉力的作用，背水側(cè)兩個(gè)螺栓不受拉力作用。

圖10 螺栓的分布Fig.10 Distribution of bolts

螺栓受到的拉力T為

(15)

式(15)中：n1為受拉螺栓的數(shù)量；L為迎水側(cè)螺栓與背水側(cè)螺栓的距離，m，M為立柱底座上的彎矩，N·m。則螺栓受到的內(nèi)力為

(16)

(17)

式(17)中：n2為受剪螺栓的數(shù)量；AL為螺栓的截面積，m2。

3.2 定位銷的受力

定位銷的結(jié)構(gòu)如圖11所示，在錨固件中主要起著限制水平移動的作用。

圖11 定位銷的結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of positioning pin

定位銷主要受到剪力作用，其切應(yīng)力可按下式計(jì)算：

(18)

式(18)中：Ad為定位銷的截面積，m2

3.3 套管的受力

套管與定位銷配合工作，同樣起著限制位移的作用。套管的結(jié)構(gòu)簡圖如圖12所示。

圖12 套管的結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure of casing

套管主要受到剪力作用，其切應(yīng)力可按下式計(jì)算：

(19)

式中：AT為襯套截面積，m2。

3.4 錨固板的受力

錨固板嵌在混凝土上，主要承受來自預(yù)埋件受拉軸的拉力，其結(jié)構(gòu)如圖13所示，左側(cè)三軸為迎水側(cè)，受到拉力作用。

圖13 錨固板的結(jié)構(gòu)Fig.13 Structure of anchor plate

錨固板受到的壓力可按下式計(jì)算：

(20)

式(20)中：AM為錨固板的受拉面積，m2。

4 擋板內(nèi)力計(jì)算

多塊擋板插入立柱插槽上下堆疊組合成防洪墻體，這些組合擋板承擔(dān)著基本的密封防漏功能，承接水壓并將其傳遞到立柱上。每塊擋板之間由水平密封條相連，擋板與立柱之間也有豎直密封條，起著密封防漏的作用。擋板基本采用空心鋁型材，不同廠家采用的截面形狀略有不同。

由于擋板分塊疊加組成，計(jì)算擋板內(nèi)力時(shí)應(yīng)根據(jù)荷載組合來確定不同高度位置的擋板。如圖14所示，底端擋板B受到靜水壓最大，因此需要考慮B位置擋板所受的荷載，同時(shí)A位置擋板受到集中力F作用，也應(yīng)考慮A位置擋板所受到荷載。

由于擋板插入立柱插槽，立柱并不會對擋板兩端的轉(zhuǎn)動有太大的約束，因此單塊擋板的結(jié)構(gòu)可簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)，其荷載簡圖如圖14所示。圖中均布荷載q可由下式計(jì)算：

q=K1[ρg(dH+H1)+qf]h

(21)

式(21)中：dH為溢流情況下的超高水位，m；H1為擋板的位置深度，m；qf為等效的動水荷載，N/m2；h為擋板的寬度，m。

圖14 防洪墻體的荷載Fig.14 Load distribution of flood control wall

F為波浪的等效荷載或者沖擊荷載，集中荷載作用在擋板上時(shí)，由于擋板之間會互相傳遞分散荷載，因此需要對擋板的集中荷載進(jìn)行折減。當(dāng)集中力F作用在擋板上的時(shí)候，實(shí)際作用在單塊擋板上的荷載F1可按F1=0.4F進(jìn)行計(jì)算。單塊擋板的荷載如圖15所示。

圖15 單塊擋板的荷載Fig.15 Load distribution of single baffle

根據(jù)圖15，計(jì)算單塊上擋板上的最大彎矩Mmax和最大剪力Fmax，則擋板的最大正應(yīng)力和最大切應(yīng)力可按下式計(jì)算：

(22)

(23)

計(jì)算出擋板上的最大正應(yīng)力及最大切應(yīng)力后，可參考下式進(jìn)行內(nèi)力校核。

(24)

式(24)中：k為安全系數(shù)；[σ]為容許正應(yīng)力，Pa；[τ]為容許切應(yīng)力，Pa。

5 總結(jié)與展望

結(jié)合德國的技術(shù)資料，根據(jù)有關(guān)行業(yè)的相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，對目前主流的移動式防洪墻的荷載計(jì)算方法進(jìn)行了研究，提出一套移動式防洪墻的主要受力構(gòu)件的荷載計(jì)算方法，主要工作如下。

(1)充分考慮了移動防洪墻結(jié)構(gòu)可能受到的荷載形式，給出了靜水、動水、波浪、沖擊、溢流以及風(fēng)荷載計(jì)算方法。

(2)針對目前常用的變截面立柱結(jié)構(gòu)形式，給出了立柱內(nèi)力計(jì)算方法和安全校核標(biāo)準(zhǔn)。

(3)細(xì)致考慮了預(yù)埋件各部件受力情況，給出了螺栓、定位銷、套管及錨固板的安全計(jì)算方法。

(4)充分考慮了擋板結(jié)構(gòu)堆疊組合計(jì)算的復(fù)雜性，給出了等效計(jì)算方法。

所提出的計(jì)算方法能在一定程度上對移動式防洪墻的荷載進(jìn)行簡化，同時(shí)有效地計(jì)算出各個(gè)構(gòu)件所受的荷載，非常適合實(shí)際工程應(yīng)用。

由于移動式防洪墻是一項(xiàng)新興的防洪手段，很多方面的理論、方法和技術(shù)還有待完善，本方法也還有許多新的問題需要解決，需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷積累和完善，在以下幾個(gè)方面，還需要做進(jìn)一步的研究和開發(fā)。

(1)僅考慮立柱、擋板及預(yù)埋件的荷載，對于變柱、壓緊裝置、密封條及預(yù)埋件與地基的耦合問題還有有待后續(xù)工作的完善和補(bǔ)充。

(2)波浪荷載及風(fēng)荷載為參考德國的相關(guān)規(guī)范，德國的地理環(huán)境與中國不同，因此德國的技術(shù)規(guī)范在中國是否適用還有待研究。

(3)擋板之間的荷載分散與傳遞仍需進(jìn)一步研究與完善。