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(yòng)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(yòng)前景

防汛擋水闆早期起源于西方國(guó)家，它具(jù)有(yǒu)重量輕輕、堅固耐用(yòng)、安(ān)裝(zhuāng)迅速、方便存放的特點，可(kě)應用(yòng)于低下車(chē)庫、低窪地區(qū)及其他(tā)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(ān)全性研究方法

輕型移動式防汛擋水闆一般由疊梁闆、立柱、支撐、止水橡膠、壓緊裝(zhuāng)置、基礎及預埋件等組成，單個構件質(zhì)量宜控制50kg以内，以方便人工(gōng)結合小(xiǎo)型機械操作(zuò)。通過理(lǐ)論計算和有(yǒu)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(ān)裝(zhuāng)時，先将立柱通過螺栓固定在基礎預埋件上，并根據情況安(ān)裝(zhuāng)支撐杆；立柱之間安(ān)裝(zhuāng)疊梁闆，每塊疊梁闆底部和立柱側面設有(yǒu)橡膠密封，用(yòng)豎向緊固裝(zhuāng)置和側向緊固裝(zhuāng)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(zhì)量大大減小(xiǎo)，為(wèi)研究其結構安(ān)全性，本文(wén)以監測試驗為(wèi)主要手段。

3監測試驗方案

試驗件立柱及疊梁闆采用(yòng)6061-T4鋁合金型材，各力學(xué)參數見表1。

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

試驗分(fēn)别采用(yòng)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(zuò)用(yòng)下的監測試驗。監測内容包括應力和位移，應變監測采用(yòng)VS100系列型振弦表面應變計，位移監測采用(yòng)遊标卡尺。

1.6m懸臂結構采用(yòng)60mm厚疊梁闆；3.0m設支撐結構采用(yòng)120mm厚疊梁闆，柱後中(zhōng)間位置設45°支撐，支撐杆采用(yòng)60mm×60mm×4mm鍍鋅方管（穩定系數為(wèi)0.50）。柱腳用(yòng)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(kě)知，2#柱的内力較1#柱大，因此支撐與立柱安(ān)裝(zhuāng)偏移情況對整個結構體(tǐ)系受力有(yǒu)較大影響。對1#柱不同水位下各監測點的應力和位移進行分(fēn)析。

可(kě)知，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(xiàn)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)位移依舊呈線(xiàn)性增加。監測試驗結果表明柱腳和支撐所受應力大，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(lǐ)論公(gōng)式分(fēn)析：采用(yòng)SMSOLVER軟件分(fēn)析該結構各部件的受力及位移，并按理(lǐ)論公(gōng)式計算應力[1-2]，支撐杆還需進行穩定系數驗算。

4.2理(lǐ)論分(fēn)析及有(yǒu)限元驗證

可(kě)知，支撐杆實測應力值大于計算應力值，其他(tā)部位實測應力值一般略小(xiǎo)于計算應力值；支撐安(ān)裝(zhuāng)有(yǒu)偏移後各部位應力均有(yǒu)增大。經分(fēn)析，支撐杆為(wèi)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(zuò)用(yòng)下将産(chǎn)生彎矩，導緻實際應力大于計算應力，故壓杆要考慮穩定系數；當支撐安(ān)裝(zhuāng)有(yǒu)偏移時，支撐效應減弱，支撐和立柱的應力均有(yǒu)所增大；其他(tā)部位的應力受整體(tǐ)協調變形影響有(yǒu)偏移所減小(xiǎo)。同時，計算結果表明：有(yǒu)限元值與實測應力更貼近，理(lǐ)論公(gōng)式值更偏于安(ān)全；支撐安(ān)裝(zhuāng)情況對結構受力影響較大。因此，采用(yòng)理(lǐ)論公(gōng)式或有(yǒu)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(ān)全系數；在實際應用(yòng)時，支撐安(ān)裝(zhuāng)面與移動式防汛擋水闆要盡可(kě)能(néng)垂直，并做好支撐兩端的固定。

經分(fēn)析，實際中(zhōng)移動式防汛擋水闆為(wèi)可(kě)活動構件，受固定螺栓孔加工(gōng)誤差影響可(kě)能(néng)産(chǎn)生整體(tǐ)水平位移，受柱底橡膠不均勻壓縮影響可(kě)能(néng)使産(chǎn)生發生小(xiǎo)角度傾斜，這2個因素将導緻實際位移比計算位移大。同時，計算結果表明：理(lǐ)論計算值雖然大于有(yǒu)限元計算值，其精(jīng)度也能(néng)滿足應用(yòng)要求；立柱的制作(zuò)工(gōng)藝和支撐安(ān)裝(zhuāng)偏移對結構位移影響較大。因此，在實際應用(yòng)時，需盡可(kě)能(néng)減小(xiǎo)由立柱制作(zuò)工(gōng)藝和支撐安(ān)裝(zhuāng)偏移産(chǎn)生的位移，并加強結構自身剛度，預留一定位移安(ān)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(yǒu)限元分(fēn)析計算及監測成果可(kě)知，移動式防汛擋水闆的應力在支撐杆、柱腳闆較大。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（穩定系數為(wèi)0.41），在3.0m水壓下計算應力

試驗中(zhōng)當水位達2.9m時，安(ān)裝(zhuāng)有(yǒu)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(lǐ)論分(fēn)析成果基本吻合。

因此在應用(yòng)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于理(lǐ)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(zuò)用(yòng)下，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平面等影響。因此在實際應用(yòng)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(ān)全性的同時，滿足結構輕便性。