防汛挡水板的结构受力和破坏形态研究

今天小编通过对防汛挡水板的使用前景以及施工艺做个简单的介绍，并通过实验数据对移动式防汛挡水板的结构受力和破坏形态做出研究。

1应用前景

防汛挡水板早期起源于西方国家，它具有重量轻轻、坚固耐用、安装迅速、方便存放的特点，可应用于低下车库、低洼地区及其他重要建筑物防洪水保护等方面，今年来已经取得了不俗的成就。

2结构及安全性研究方法

轻型移动式防汛挡水板一般由叠梁板、立柱、支撑、止水橡胶、压紧装置、基础及预埋件等组成，单个构件质量宜控制50kg以内，以方便人工结合小型机械操作。通过理论计算和有限元分析与其相互验证，重点分析轻型移动式防汛挡水板的结构受力和破坏形态。

安装时，先将立柱通过螺栓固定在基础预埋件上，并根据情况安装支撑杆；立柱之间安装叠梁板，每块叠梁板底部和立柱侧面设有橡胶密封，用竖向紧固装置和侧向紧固装置将橡胶压紧，达到止水密封的目的。

轻型移动式防汛挡水板较传统的挡水结构体积和质量大大减小，为研究其结构安全性，本文以监测试验为主要手段。

3监测试验方案

试验件立柱及叠梁板采用6061-T4铝合金型材，各力学参数见表1。

注：铝合金薄壁构件可能出现受压局部屈曲，表中截面模量已按有效截面折减换算。

试验分别采用四跨1.6m高悬臂结构的轻型移动式防汛挡水板和三跨3.0m高设支撑结构的轻型移动式防汛挡水板进行不同高度静水作用下的监测试验。监测内容包括应力和位移，应变监测采用VS100系列型振弦表面应变计，位移监测采用游标卡尺。

1.6m悬臂结构采用60mm厚叠梁板；3.0m设支撑结构采用120mm厚叠梁板，柱后中间位置设45°支撑，支撑杆采用60mm×60mm×4mm镀锌方管（稳定系数为0.50）。柱脚用2块290mm×130mm×10mm不锈钢与柱铝合金型材以螺栓连接。

4监测分析

4.1监测成果分析

可知，2#柱的内力较1#柱大，因此支撑与立柱安装偏移情况对整个结构体系受力有较大影响。对1#柱不同水位下各监测点的应力和位移进行分析。

可知，随着水位上升，各构件应力快速增加，其中以柱脚和支撑应力增加速度快。位移随着水位上升呈线性增加，当水位超过2.4m后，柱顶位移增加速度明显加快，柱中位移依旧呈线性增加。监测试验结果表明柱脚和支撑所受应力大，易先破坏；挡水高度超过1.5倍支撑点高度后，立柱位移增加速度明显加快。方法与监测成果进行比较。

理论公式分析：采用SMSOLVER软件分析该结构各部件的受力及位移，并按理论公式计算应力[1-2]，支撑杆还需进行稳定系数验算。

4.2理论分析及有限元验证

可知，支撑杆实测应力值大于计算应力值，其他部位实测应力值一般略小于计算应力值；支撑安装有偏移后各部位应力均有增大。经分析，支撑杆为受压杆，杆件的挠曲变形和几何缺陷（如初弯曲、初偏心）在力作用下将产生弯矩，导致实际应力大于计算应力，故压杆要考虑稳定系数；当支撑安装有偏移时，支撑效应减弱，支撑和立柱的应力均有所增大；其他部位的应力受整体协调变形影响有偏移所减小。同时，计算结果表明：有限元值与实测应力更贴近，理论公式值更偏于安全；支撑安装情况对结构受力影响较大。因此，采用理论公式或有限元方法进行应力计算时，要考虑支撑效应减弱后结构的安全系数；在实际应用时，支撑安装面与移动式防汛挡水板要尽可能垂直，并做好支撑两端的固定。

经分析，实际中移动式防汛挡水板为可活动构件，受固定螺栓孔加工误差影响可能产生整体水平位移，受柱底橡胶不均匀压缩影响可能使产生发生小角度倾斜，这2个因素将导致实际位移比计算位移大。同时，计算结果表明：理论计算值虽然大于有限元计算值，其精度也能满足应用要求；立柱的制作工艺和支撑安装偏移对结构位移影响较大。因此，在实际应用时，需尽可能减小由立柱制作工艺和支撑安装偏移产生的位移，并加强结构自身刚度，预留一定位移安全余量，保证结构位移在规定范围内。

4.3破坏形态研究

由有限元分析计算及监测成果可知，移动式防汛挡水板的应力在支撑杆、柱脚板较大。破坏试验将支撑杆更换，观察其破坏系统。

把3.0m设支撑结构的支撑杆换成50mm×50mm×4mm钢管（稳定系数为0.41），在3.0m水压下计算应力

试验中当水位达2.9m时，安装有偏移的支撑杆瞬间失稳破坏，柱脚临水侧局部受拉破坏，试验结果与理论分析成果基本吻合。

因此在应用时需加强支撑的抗失稳设计，适当加厚柱脚板，减小破坏风险。

根据上述研究成果，试验方案设计的轻型移动式防汛挡水板在挡水试验下的应力和位移基本满足相应规范要求，其受力主要集中在柱脚板、支撑等部位，实际位移受加工误差、橡胶压缩等因素影响往往大于理论位移，结构破坏时先破坏支撑结构再拉坏柱脚。如在动载作用下，还要考虑动载增幅系数、疲劳强度、荷载方向与支撑不在同一平面等影响。因此在实际应用时，需重点加强柱脚板和支撑等结构薄弱部位设计，在保证结构安全性的同时，满足结构轻便性。