雷 冬，洪 淼，周鍇旸，李建習(xí)，范力陽，付建軍

（1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，南京210098；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙410014）

為了實(shí)現(xiàn)城市防洪功能和生態(tài)景觀的融合［1-3］，新型防洪墻正在取代傳統(tǒng)的重力式、 懸臂式等混凝土防洪墻， 目前在我國已經(jīng)應(yīng)用的有活動鋼閘板防洪墻［4-5］、插板式防洪墻［6］等。活動鋼閘板防洪墻自重過大，制造、運(yùn)輸、安裝技術(shù)要求較高，且需要較大的有起吊設(shè)備的倉庫保管閘板［7］；插板式防洪墻施工工藝復(fù)雜，安裝時需要機(jī)械吊裝且容易發(fā)生滲水。本文研究的移動式鋁合金防洪墻（簡稱移動式防洪墻）具有安全可靠性高、安裝拆卸方便、循環(huán)使用率高、運(yùn)輸存放方便的特點(diǎn)，符合城市水生態(tài)剛性需求，具有不破壞現(xiàn)有林木、 建筑景觀及不影響旅游業(yè)等優(yōu)點(diǎn)［8］。 為了測試移動式防洪墻的整體力學(xué)性能，本文建立了測試模型系統(tǒng)， 分別針對2.4m和4m擋水高度進(jìn)行了系統(tǒng)整體力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［9-10］。

1 測試模型系統(tǒng)

試驗(yàn)采用的測試系統(tǒng)為2.4m高的扇形蓄水池及4m高的方形蓄水池， 前者由一面高2.4m的扇面移動式防洪墻和兩面高為2.4m的直面移動式防洪墻圍成，測試選擇為一直面墻進(jìn)行測試；后者北側(cè)為高度4m、單跨2.5m的移動式防洪墻，東側(cè)、南側(cè)為混凝土墻，西側(cè)下部為3m高的混凝土墻，上部1m為移動式玻璃防洪墻， 選擇北側(cè)的移動式鋁合金防洪墻進(jìn)行測試。 測試模型系統(tǒng)的蓄水池平面圖和現(xiàn)場實(shí)景如圖1和圖2。 該系統(tǒng)建立在江蘇戴克防洪科技有限公司移動防洪墻工廠內(nèi)部的專用試驗(yàn)場。

圖1 測試模型系統(tǒng)蓄水池平面圖

圖2 測試模型系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)景

移動式鋁合金防洪墻立柱、 擋板所采用的材料是6063鋁合金，具有較高的抗拉強(qiáng)度，立柱和擋板的截面如圖3。

2.4m高扇形水池蓄滿水大約需要6h，4m方形水池蓄滿水約需4h。 2.4m高防洪墻選取跨度為3m的擋板，4m高防洪墻選取跨度為2.5m的擋板進(jìn)行測試，以判斷是否滿足最強(qiáng)的工況要求。 2.4m及4m防洪墻試驗(yàn)段尺寸和測點(diǎn)布置如圖4、圖5，其中藍(lán)色測點(diǎn)為拉線式位移計測點(diǎn)， 用于測試立柱和擋板不同測點(diǎn)的撓度變化；紅色測點(diǎn)為應(yīng)變片測點(diǎn)，用于測試立柱和擋板的局部應(yīng)變，以獲得不同測點(diǎn)的應(yīng)力變化。

圖3 擋板截面圖和立柱截面圖

圖4 2.4m防洪墻試驗(yàn)段測點(diǎn)布置圖

圖5 4m防洪墻試驗(yàn)段測點(diǎn)布置圖

2 測點(diǎn)布置和試驗(yàn)過程

2.1 測點(diǎn)布置

2.4m高的防洪墻試驗(yàn)段共貼有4組應(yīng)變片，分為A，B，C，D 4組，每組8片，從上往下依次編號A1～A8，B1～B8，C1～C8，D1～D8，共計32片應(yīng)變片，其中A組貼在立柱上，A1～A5貼在立柱主體上，A6～A8貼在立柱的加強(qiáng)件上。另外，設(shè)2組拉線式位移傳感器，分為E，F(xiàn)兩組，E組5個，F(xiàn)組6個，共計11個位移傳感器，其中E組設(shè)置在立柱上，從上往下為E1～E5，F(xiàn)組設(shè)置在擋板上，從上往下為F1～F6。

4m高的防洪墻試驗(yàn)段共貼有4組應(yīng)變片， 分為A，B，C，D 4組，每組9片，從上往下依次編號A1～A9，B1～B9，C1～C9，D1～D9，共計36片應(yīng)變片，其中A組貼在立柱上，A1～A6貼在立柱主體上，A7～A9貼在立柱的加強(qiáng)件上。另外，設(shè)2組拉線式位移傳感器，分為E，F(xiàn)兩組，每組6個，共計12個位移傳感器，其中E組設(shè)置在立柱上，從上往下為E1～E6，F(xiàn)組設(shè)置在擋板上，從上往下為F1～F6。

2.2 試驗(yàn)過程

（1） 在移動式防洪墻的立柱及擋板測點(diǎn)位置安裝應(yīng)變片及拉線式位移計。

（2）初始水位、初始應(yīng)變值及初始位移傳感器讀數(shù)清零。

（3）緩慢蓄水直至蓄滿，每0.1m水位記錄相應(yīng)測點(diǎn)的應(yīng)變值及位移傳感器讀數(shù)的變化。

（4）蓄滿水后，保持7d，然后將水池的水排空，觀察泄水后殘余的應(yīng)力、應(yīng)變及位移。

3 變形和應(yīng)力測試結(jié)果

3.1 2.4m高防洪墻試驗(yàn)段測試結(jié)果

A組立柱主體應(yīng)力、應(yīng)變隨水位變化如圖6。

圖6 立柱主體應(yīng)力、應(yīng)變隨水位變化

從圖6可看出，隨著水位上升，應(yīng)力、應(yīng)變均呈現(xiàn)上升趨勢，其中立柱主體最底部的A5變化最為明顯，應(yīng)變最大可達(dá)450個微應(yīng)變，應(yīng)力最大為33 MPa。

立柱加強(qiáng)件的應(yīng)力、應(yīng)變隨水位變化如圖7。

圖7 立柱加強(qiáng)件應(yīng)力、應(yīng)變隨水位變化

從圖7可看出，A7，A8隨水位的升高應(yīng)力、 應(yīng)變呈現(xiàn)明顯增大， 加強(qiáng)件最底部A8應(yīng)變最大可達(dá)330個微應(yīng)變， 應(yīng)力最大可達(dá)23 MPa；A6為加強(qiáng)件最頂上的測點(diǎn)，此處應(yīng)力、應(yīng)變變化較小，基本不受荷載作用。

C組擋板中部應(yīng)力、應(yīng)變水隨水位變化如圖8。從圖8可看出， 應(yīng)力應(yīng)變隨水位升高呈現(xiàn)上升趨勢，其中最底部C5～C8上升趨勢最為明顯， 應(yīng)變最大可達(dá)約1100個微應(yīng)變，應(yīng)力最大可達(dá)80 MPa，越靠上部的擋板應(yīng)力、應(yīng)變上升幅度越小。

圖8 擋板中部應(yīng)力、應(yīng)變隨水位變化

立柱最大應(yīng)力及撓度匯總?cè)绫?。

表1 立柱應(yīng)力及撓度

由表1可知， 立柱主體的應(yīng)力從上往下遞增，最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱主體和加強(qiáng)件的過度位置A5，加強(qiáng)件中最大應(yīng)力出現(xiàn)在A8， 最大撓度出現(xiàn)在立柱頂端的E1。

擋板最大應(yīng)力及撓度匯總?cè)绫?。

表2 擋板應(yīng)力及撓度

如表2所示，擋板的應(yīng)力從上往下遞增，最大應(yīng)力出現(xiàn)在C6，C7兩塊擋板上， 而最底部C8擋板反而不是應(yīng)力最大位置； 撓度變化中， 最大撓度出現(xiàn)在F4，F(xiàn)5兩塊擋板上，最底下的F6也不是撓度最大的擋板， 分析原因?yàn)樽畹紫碌膿醢迮c地面之間的摩擦力限制了擋板的變形。

3.2 4m高防洪墻試驗(yàn)段測試結(jié)果

A組立柱主體應(yīng)力應(yīng)變隨水位變化如圖9。從圖9可看出，應(yīng)力、應(yīng)變開始變化不明顯，這是由于水壓力剛剛作用在加強(qiáng)件上， 水位還沒到達(dá)加強(qiáng)件以上的立柱主體，當(dāng)水位到達(dá)1500 mm后，應(yīng)力、應(yīng)變開始明顯增大，應(yīng)變最大可達(dá)1500個微應(yīng)變左右，應(yīng)力最大可達(dá)100 MPa。

圖9 立柱主體應(yīng)力應(yīng)變隨水位變化

立柱加強(qiáng)件應(yīng)力、應(yīng)變隨水位變化如圖10。從圖10可看出， 加強(qiáng)件應(yīng)力、 應(yīng)變隨水位上升呈上升趨勢，最大應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榧訌?qiáng)件最底部A9應(yīng)變片，最大應(yīng)變?yōu)?50個微應(yīng)變，最大應(yīng)力為38 MPa。

圖10 立柱加強(qiáng)件應(yīng)力、應(yīng)變隨水位變化

擋板中部應(yīng)力應(yīng)變隨水位變化如圖11。 從圖11可看出，隨著水位上升，應(yīng)力、應(yīng)變均呈現(xiàn)上升趨勢，其中最底部4塊擋板C6，C7，C8，C9上升最為明顯，且最大應(yīng)力、 應(yīng)變比較接近， 最大應(yīng)變?yōu)?400個微應(yīng)變，最大應(yīng)力為97 MPa左右。

圖11 擋板中部應(yīng)力、應(yīng)變隨水位變化

將立柱及擋板的最大應(yīng)力及撓度匯總?cè)绫?、表4。

表3 立柱應(yīng)力及撓度

表4 擋板應(yīng)力及撓度

如表3所示， 立柱主體的應(yīng)力從上往下遞減，最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱主體和加強(qiáng)件的過渡位置A6，加強(qiáng)件中最大應(yīng)力出現(xiàn)在A9， 最大撓度出現(xiàn)在立柱頂端的E1。如表4所示，擋板的應(yīng)力從上往下遞增，最大應(yīng)力出現(xiàn)在C7，C8兩塊擋板上， 而最底部C9擋板反而不是應(yīng)力最大位置；撓度變化中，最大撓度出現(xiàn)在F4，F(xiàn)5兩塊擋板上， 最底部F6也不是撓度最大擋板，這同樣是因?yàn)樽畹撞繐醢迮c地面之間的摩擦力限制了擋板變形。

4 結(jié)語

分析2.4m及4m高防洪墻的承載力試驗(yàn)結(jié)果可知：

（1）立柱及其加強(qiáng)件的應(yīng)力、應(yīng)變隨著水位上升呈增加趨勢。在最高水位，立柱主體的應(yīng)力從上往下遞增，加強(qiáng)件中最大應(yīng)力出現(xiàn)在最下端，系統(tǒng)中的最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱主體和加強(qiáng)件的過渡位置； 立柱的最大撓度出現(xiàn)在立柱頂端。因此，立柱的危險點(diǎn)在立柱主體和加強(qiáng)件的過渡位置。

（2） 擋板中部應(yīng)力、 應(yīng)變隨水位上升呈增加趨勢。 在最高水位，擋板的應(yīng)力從上往下遞增，但由于地面摩擦約束的影響， 最大應(yīng)力出現(xiàn)在從下往上的第二及第三塊擋板的中部。 因此擋板的危險點(diǎn)為從下往上第二及第三塊擋板中部。