范力陽，朱 純，楊冰清，李建習(xí)，周鍇旸，雷 冬

（1.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；2.長沙市公共工程建設(shè)中心，長沙410013；3.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，南京210098）

1 概述

傳統(tǒng)的防洪系統(tǒng)如防洪堤、 防洪壩等永久性防洪建筑物雖然能夠很好地抵御洪水， 但是會(huì)占用有限的城市土地，破壞現(xiàn)有的景觀，更重要的是難以協(xié)調(diào)城市建設(shè)與防洪安全要求、 水面和岸上雙向風(fēng)景觀賞要求以及居民親水性要求的矛盾［1］。 移動(dòng)式防洪墻既能在汛期安裝滿足城市的防洪需求， 又能在非汛期拆卸并快速堆疊儲(chǔ)存， 因而常作為汛期時(shí)的臨時(shí)性防洪系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于城市江河堤壩上、人防工程洞口、地下車庫、地鐵口等處［2，3］。 移動(dòng)式防洪墻通常由中心立柱、邊柱、檔板、密封膠條、壓緊裝置、預(yù)埋件等組成［4］，其主要受力部件為立柱、檔板和預(yù)埋件等，如圖1。在非汛期時(shí)，將需要安裝移動(dòng)式防洪墻的位置提前建設(shè)好混凝土基礎(chǔ)并在混凝土基礎(chǔ)中埋設(shè)移動(dòng)防洪墻的預(yù)埋件。 得到洪水預(yù)警信息后， 組織安裝人員將移動(dòng)式防洪墻的立柱固定在預(yù)埋件上，之后插入防洪擋板，使用壓緊裝置將防洪擋板與密封膠條壓緊， 完成移動(dòng)式防洪墻的安裝［5，6］。工作狀態(tài)下的移動(dòng)式防洪墻將作用在防洪擋板上的水荷載傳遞到立柱上， 立柱再通過預(yù)埋裝置將荷載傳遞給混凝土基礎(chǔ)。作為防洪系統(tǒng)，移動(dòng)式防洪墻的安全性、可靠度應(yīng)該得到充分證明。

目前移動(dòng)式防洪墻多數(shù)由鋁合金材料制作，在滿足安全的前提下也應(yīng)減少原材料的消耗來提高經(jīng)濟(jì)性，因此選擇合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，確定設(shè)計(jì)工況下防洪墻安全性就尤為重要了。 由于移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)較為龐大、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)周期長等特點(diǎn)，不適宜在不確定跨度、 擋水高度等參數(shù)的條件下進(jìn)行盲目的現(xiàn)場試驗(yàn)。因此，關(guān)于不同參數(shù)的移動(dòng)式防洪墻的力學(xué)性能可通過計(jì)算方法得到大概論證。 但移動(dòng)式防洪墻結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜， 如果用理論計(jì)算的方法很難得到精確的解析解［7，8］。 針對于移動(dòng)式防洪墻的立柱和擋水板的材料性能問題， 可以依靠數(shù)值方法——有限單元法將移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)離散成若干個(gè)有限的、按照一定方式相互作用的單元體，結(jié)合彈性力學(xué)方程得到出近似的數(shù)值解。 本文通過使用ABAQUS軟件對移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)做了不同工況條件下的有限元模擬，分析了移動(dòng)式防洪墻的應(yīng)力和撓度情況，為移動(dòng)式防洪墻的設(shè)計(jì)和推廣提供一定的參考作用。

圖1 移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)示意圖

2 建立有限元模型

在建模過程中，材料的屬性參數(shù)至關(guān)重要，表1列出了擋板和立柱的各項(xiàng)材料參數(shù)， 其中主要包括材料的彈性模量、泊松比和密度等性質(zhì)的參數(shù)。由于止水條由橡膠制成， 其自重相對于擋水板和立柱可忽略不計(jì)，故在計(jì)算中不考慮止水條的自重。

表1 材料參數(shù)

由草圖經(jīng)過一系列拉伸（Extrusion）及切削（Cut）操作得到立柱和擋水板部件如圖2、圖3。模型考慮了導(dǎo)角，避免了應(yīng)力集中，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。 由于擋水板兩端的一部分在安裝過程中嵌入立柱的槽中，會(huì)給靜水壓力作用的定義帶來不便，同時(shí)為之后的與擋水條定義接觸作準(zhǔn)備， 故在擋水板部件上進(jìn)行了面分割（Partition Face），使得水壓力的作用更加符合實(shí)際情況。 在建立立柱和擋板部件時(shí)依據(jù)實(shí)際尺寸立柱類型選擇為實(shí)體（Solid），為盡量貼近實(shí)際，加入了立柱與擋板之間的止水條及擋板與擋板之間的止水條，同樣選擇為實(shí)體。

圖2 立柱部件模型

圖3 擋水板部件模型

將移動(dòng)式防洪墻的各部件裝配成移動(dòng)式防洪墻的系統(tǒng)模型，如圖4。 對移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)主要考慮的荷載為靜水壓力，重力，約束考慮立柱與預(yù)埋件為完全固定約束狀態(tài)。

圖4 部件裝配

“網(wǎng)格劃分”是決定分析精度的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格并非越細(xì)越好，而是應(yīng)結(jié)合工程類型、計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力、運(yùn)算成本來選取網(wǎng)格密度。同時(shí)對不同的部分應(yīng)采用合適的網(wǎng)格類型， 六面體便于計(jì)算， 但較難劃分，四面體易于劃分，但計(jì)算的單元體多，計(jì)算速度慢。擋水板及立柱下段采用四面體網(wǎng)格，立柱上段采用六面體網(wǎng)格，如圖5。

圖5 移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

3 有限元模擬結(jié)果

為了比較不同設(shè)計(jì)工況的移動(dòng)式防洪墻的力學(xué)性能，本次分別模擬了單跨度為2，2.5，3，3.5，4m的移動(dòng)式防洪墻。圖6、圖7展示了跨度為3m的移動(dòng)式防洪墻的在靜水荷載作用下應(yīng)力和撓度的有限元模擬結(jié)果， 其他跨度的模擬結(jié)果中最大的應(yīng)力和撓度結(jié)果如表2。

圖6 跨長3m移動(dòng)防洪墻應(yīng)力云圖

圖7 跨長3m移動(dòng)式防洪墻位移云圖

表2 各跨度防洪墻的最大應(yīng)力及最大撓度

從圖6可看出，立柱的應(yīng)力從上往下遞增，最大應(yīng)力出現(xiàn)在變截面位置。 加強(qiáng)件部位應(yīng)力也是從上往下遞增，加強(qiáng)件的最大應(yīng)力出現(xiàn)在底部。擋板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在擋板中部，并且底部的擋板應(yīng)力最大，頂部的擋板最小，擋板應(yīng)力從下往上依次遞減。跨度在3m及以內(nèi)的防洪墻系統(tǒng)中，最大應(yīng)力為125.6MPa，低于材料的容許應(yīng)力160MPa。 由于本次模擬計(jì)算僅考慮了靜水荷載， 故實(shí)際工況中立柱及檔板所受荷載可能會(huì)有所偏高， 因此需在今后的工作中校核跨度為3m時(shí)的移動(dòng)防洪墻系統(tǒng)的力學(xué)性能。 當(dāng)移動(dòng)式防洪墻跨度為3.5m時(shí)， 移動(dòng)防洪墻系統(tǒng)的最大應(yīng)力達(dá)到178.3MPa， 該數(shù)值已超過材料的容許應(yīng)力，因此， 在本次模擬的移動(dòng)式防洪墻的立柱及擋水板型號(hào)中，立柱之間的跨度設(shè)計(jì)不能超過3.5m，立柱之間的跨度不宜超過3。

由圖7可知， 擋板最大位移出現(xiàn)在擋板中部，并且底部的擋板位移較大， 中部的擋板位移呈減小趨勢，而靠近頂部的擋板位移又開始增大。這是由于底部的擋板受到的靜水荷載較大， 因此越靠近底部的擋板位移越大， 圖中可明顯地看出最底下的兩塊擋板明顯大于中部擋板。中部擋板受到的荷載減小，因此位移小于底部的擋板。頂部的擋板位移增大，這是由于擋板與立柱是綁定的， 立柱的位移會(huì)帶動(dòng)擋板的位移，立柱中下部位移很小，對擋板的位移影響較小，到了立柱頂端位移較大，對頂部擋板有明顯的影響，因此頂部的擋板位移又呈增大的趨勢。在應(yīng)力滿足材料容許應(yīng)力的條件下，即跨度為3m時(shí)，移動(dòng)式防洪墻的最大位移為3.484mm， 相對于1800mm的擋水高度，3000mm的跨度屬于小變形， 能夠滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性要求。

4 結(jié)語

（1）對移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)建立有限元模型，利用ABAQUS軟件進(jìn)行計(jì)算， 結(jié)果表明移動(dòng)式防洪系統(tǒng)可以很好地將荷載通過擋水板、 立柱等傳遞給預(yù)埋件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）從圖7可看出，立柱最大的撓度出現(xiàn)在立柱頂部，且從上往下遞減。 此外，由于立柱底部的加強(qiáng)件的限制，立柱底部的位移較小，證明立柱底部加強(qiáng)件能夠起到減小立柱撓度的作用。

（3）移動(dòng)式防洪墻在單跨度不超過3m時(shí)，移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)在靜水荷載作用下的最大應(yīng)力， 最大撓度均在安全范圍內(nèi)。 當(dāng)移動(dòng)式防洪墻的單跨度達(dá)到3.5m時(shí)， 移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)的最大應(yīng)力超過了材料的容許應(yīng)力， 此時(shí)不能保證防洪系統(tǒng)的安全性。 因此，在工程應(yīng)用中，該型號(hào)的移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)跨度不宜超過3m。