移動式防洪墻系統的三維有限元模擬

范力陽，朱 純，楊冰清，李建習，周鍇旸，雷 冬

（1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙410014；2.長沙市公共工程建設中心，長沙410013；3.河海大學 力學與材料學院，南京210098）

1 概述

傳統的防洪系統如防洪堤、 防洪壩等永久性防洪建筑物雖然能夠很好地抵御洪水， 但是會占用有限的城市土地，破壞現有的景觀，更重要的是難以協調城市建設與防洪安全要求、 水面和岸上雙向風景觀賞要求以及居民親水性要求的矛盾［1］。 移動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存， 因而常作為汛期時的臨時性防洪系統被廣泛地應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］。 移動式防洪墻通常由中心立柱、邊柱、檔板、密封膠條、壓緊裝置、預埋件等組成［4］，其主要受力部件為立柱、檔板和預埋件等，如圖1。在非汛期時，將需要安裝移動式防洪墻的位置提前建設好混凝土基礎并在混凝土基礎中埋設移動防洪墻的預埋件。 得到洪水預警信息后， 組織安裝人員將移動式防洪墻的立柱固定在預埋件上，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， 完成移動式防洪墻的安裝［5，6］。工作狀態下的移動式防洪墻將作用在防洪擋板上的水荷載傳遞到立柱上， 立柱再通過預埋裝置將荷載傳遞給混凝土基礎。作為防洪系統，移動式防洪墻的安全性、可靠度應該得到充分證明。

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

圖1 移動式防洪墻系統示意圖

2 建立有限元模型

在建模過程中，材料的屬性參數至關重要，表1列出了擋板和立柱的各項材料參數， 其中主要包括材料的彈性模量、泊松比和密度等性質的參數。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，故在計算中不考慮止水條的自重。

表1 材料參數

由草圖經過一系列拉伸（Extrusion）及切削（Cut）操作得到立柱和擋水板部件如圖2、圖3。模型考慮了導角，避免了應力集中，使計算結果更加準確。 由于擋水板兩端的一部分在安裝過程中嵌入立柱的槽中，會給靜水壓力作用的定義帶來不便，同時為之后的與擋水條定義接觸作準備， 故在擋水板部件上進行了面分割（Partition Face），使得水壓力的作用更加符合實際情況。 在建立立柱和擋板部件時依據實際尺寸立柱類型選擇為實體（Solid），為盡量貼近實際，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，同樣選擇為實體。

圖2 立柱部件模型

圖3 擋水板部件模型

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

圖4 部件裝配

“網格劃分”是決定分析精度的重要環節，網格并非越細越好，而是應結合工程類型、計算機運算能力、運算成本來選取網格密度。同時對不同的部分應采用合適的網格類型， 六面體便于計算， 但較難劃分，四面體易于劃分，但計算的單元體多，計算速度慢。擋水板及立柱下段采用四面體網格，立柱上段采用六面體網格，如圖5。

圖5 移動式防洪墻系統網格劃分

3 有限元模擬結果

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

圖6 跨長3m移動防洪墻應力云圖

圖7 跨長3m移動式防洪墻位移云圖

表2 各跨度防洪墻的最大應力及最大撓度

從圖6可看出，立柱的應力從上往下遞增，最大應力出現在變截面位置。 加強件部位應力也是從上往下遞增，加強件的最大應力出現在底部。擋板的最大應力出現在擋板中部，并且底部的擋板應力最大，頂部的擋板最小，擋板應力從下往上依次遞減。跨度在3m及以內的防洪墻系統中，最大應力為125.6MPa，低于材料的容許應力160MPa。 由于本次模擬計算僅考慮了靜水荷載， 故實際工況中立柱及檔板所受荷載可能會有所偏高， 因此需在今后的工作中校核跨度為3m時的移動防洪墻系統的力學性能。 當移動式防洪墻跨度為3.5m時， 移動防洪墻系統的最大應力達到178.3MPa， 該數值已超過材料的容許應力，因此， 在本次模擬的移動式防洪墻的立柱及擋水板型號中，立柱之間的跨度設計不能超過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， 立柱的位移會帶動擋板的位移，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。在應力滿足材料容許應力的條件下，即跨度為3m時，移動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， 能夠滿足結構的穩定性和安全性要求。

4 結語

（1）對移動式防洪墻系統建立有限元模型，利用ABAQUS軟件進行計算， 結果表明移動式防洪系統可以很好地將荷載通過擋水板、 立柱等傳遞給預埋件，結構設計比較合理，沒有出現應力集中現象。

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

（3）移動式防洪墻在單跨度不超過3m時，移動式防洪墻系統在靜水荷載作用下的最大應力， 最大撓度均在安全范圍內。 當移動式防洪墻的單跨度達到3.5m時， 移動式防洪墻系統的最大應力超過了材料的容許應力， 此時不能保證防洪系統的安全性。 因此，在工程應用中，該型號的移動式防洪墻系統跨度不宜超過3m。