防汛擋水闆的結構受力和破壞形态研究

今天小(xiǎo)編通過對防汛擋水闆的使用前景以及施工(gōng)藝做個簡單的介紹，并通過實驗數據對移動式防汛擋水闆的結構受力和破壞形态做出研究。

1應用前景

防汛擋水闆早期起源于西方國家，它具有重量輕輕、堅固耐用、安裝迅速、方便存放(fàng)的特點，可應用于低下(xià)車(chē)庫、低窪地區及其他重要建築物(wù)防洪水保護等方面，今年來已經取得了不俗的成就。

2結構及安全性研究方法

輕型移動式防汛擋水闆一(yī)般由疊梁闆、立柱、支撐、止水橡膠、壓緊裝置、基礎及預埋件等組成，單個構件質量宜控制50kg以内，以方便人工(gōng)結合小(xiǎo)型機械操作。通過理論計算和有限元分(fēn)析與其相互驗證，重點分(fēn)析輕型移動式防汛擋水闆的結構受力和破壞形态。

安裝時，先将立柱通過螺栓固定在基礎預埋件上，并根據情況安裝支撐杆；立柱之間安裝疊梁闆，每塊疊梁闆底部和立柱側面設有橡膠密封，用豎向緊固裝置和側向緊固裝置将橡膠壓緊，達到止水密封的目的。

輕型移動式防汛擋水闆較傳統的擋水結構體(tǐ)積和質量大(dà)大(dà)減小(xiǎo)，爲研究其結構安全性，本文以監測試驗爲主要手段。

3監測試驗方案

試驗件立柱及疊梁闆采用6061-T4鋁合金型材，各力學參數見表1。

注：鋁合金薄壁構件可能出現受壓局部屈曲，表中(zhōng)截面模量已按有效截面折減換算。

試驗分(fēn)别采用四跨1.6m高懸臂結構的輕型移動式防汛擋水闆和三跨3.0m高設支撐結構的輕型移動式防汛擋水闆進行不同高度靜水作用下(xià)的監測試驗。監測内容包括應力和位移，應變監測采用VS100系列型振弦表面應變計，位移監測采用遊标卡尺。

1.6m懸臂結構采用60mm厚疊梁闆；3.0m設支撐結構采用120mm厚疊梁闆，柱後中(zhōng)間位置設45°支撐，支撐杆采用60mm×60mm×4mm鍍鋅方管（穩定系數爲0.50）。柱腳用2塊290mm×130mm×10mm不鏽鋼與柱鋁合金型材以螺栓連接。

4監測分(fēn)析

4.1監測成果分(fēn)析

可知(zhī)，2#柱的内力較1#柱大(dà)，因此支撐與立柱安裝偏移情況對整個結構體(tǐ)系受力有較大(dà)影響。對1#柱不同水位下(xià)各監測點的應力和位移進行分(fēn)析。

可知(zhī)，随着水位上升，各構件應力快速增加，其中(zhōng)以柱腳和支撐應力增加速度快。位移随着水位上升呈線性增加，當水位超過2.4m後，柱頂位移增加速度明顯加快，柱中(zhōng)位移依舊(jiù)呈線性增加。監測試驗結果表明柱腳和支撐所受應力大(dà)，易先破壞；擋水高度超過1.5倍支撐點高度後，立柱位移增加速度明顯加快。方法與監測成果進行比較。

理論公式分(fēn)析：采用SMSOLVER軟件分(fēn)析該結構各部件的受力及位移，并按理論公式計算應力[1-2]，支撐杆還需進行穩定系數驗算。

4.2理論分(fēn)析及有限元驗證

可知(zhī)，支撐杆實測應力值大(dà)于計算應力值，其他部位實測應力值一(yī)般略小(xiǎo)于計算應力值；支撐安裝有偏移後各部位應力均有增大(dà)。經分(fēn)析，支撐杆爲受壓杆，杆件的撓曲變形和幾何缺陷（如初彎曲、初偏心）在力作用下(xià)将産生(shēng)彎矩，導緻實際應力大(dà)于計算應力，故壓杆要考慮穩定系數；當支撐安裝有偏移時，支撐效應減弱，支撐和立柱的應力均有所增大(dà)；其他部位的應力受整體(tǐ)協調變形影響有偏移所減小(xiǎo)。同時，計算結果表明：有限元值與實測應力更貼近，理論公式值更偏于安全；支撐安裝情況對結構受力影響較大(dà)。因此，采用理論公式或有限元方法進行應力計算時，要考慮支撐效應減弱後結構的安全系數；在實際應用時，支撐安裝面與移動式防汛擋水闆要盡可能垂直，并做好支撐兩端的固定。

經分(fēn)析，實際中(zhōng)移動式防汛擋水闆爲可活動構件，受固定螺栓孔加工(gōng)誤差影響可能産生(shēng)整體(tǐ)水平位移，受柱底橡膠不均勻壓縮影響可能使産生(shēng)發生(shēng)小(xiǎo)角度傾斜，這2個因素将導緻實際位移比計算位移大(dà)。同時，計算結果表明：理論計算值雖然大(dà)于有限元計算值，其精度也能滿足應用要求；立柱的制作工(gōng)藝和支撐安裝偏移對結構位移影響較大(dà)。因此，在實際應用時，需盡可能減小(xiǎo)由立柱制作工(gōng)藝和支撐安裝偏移産生(shēng)的位移，并加強結構自身剛度，預留一(yī)定位移安全餘量，保證結構位移在規定範圍内。

4.3破壞形态研究

由有限元分(fēn)析計算及監測成果可知(zhī)，移動式防汛擋水闆的應力在支撐杆、柱腳闆較大(dà)。破壞試驗将支撐杆更換，觀察其破壞系統。

把3.0m設支撐結構的支撐杆換成50mm×50mm×4mm鋼管（穩定系數爲0.41），在3.0m水壓下(xià)計算應力

試驗中(zhōng)當水位達2.9m時，安裝有偏移的支撐杆瞬間失穩破壞，柱腳臨水側局部受拉破壞，試驗結果與理論分(fēn)析成果基本吻合。

因此在應用時需加強支撐的抗失穩設計，适當加厚柱腳闆，減小(xiǎo)破壞風險。

根據上述研究成果，試驗方案設計的輕型移動式防汛擋水闆在擋水試驗下(xià)的應力和位移基本滿足相應規範要求，其受力主要集中(zhōng)在柱腳闆、支撐等部位，實際位移受加工(gōng)誤差、橡膠壓縮等因素影響往往大(dà)于理論位移，結構破壞時先破壞支撐結構再拉壞柱腳。如在動載作用下(xià)，還要考慮動載增幅系數、疲勞強度、荷載方向與支撐不在同一(yī)平面等影響。因此在實際應用時，需重點加強柱腳闆和支撐等結構薄弱部位設計，在保證結構安全性的同時，滿足結構輕便性。