移动式防洪墙构件承载力的计算方法

姚明星， 范力阳， 彭 庭， 黄锦峰， 雷 冬*

(1.长沙市公共工程建设中心，长沙 410013；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014；3.河海大学力学与材料学院，南京 210098)

移动式防洪墙具有安全可靠性高、安装拆卸方便迅速、高度可调节、循环使用率高、运输存放方便、建设工期短的特点，符合城市水生态刚性需求，具有不破坏现有林木、建筑景观，不影响旅游业等优点[1-4]。因此，移动式防洪墙已在中外多个城市成功投入使用。国际上第一套移动式防洪墙在1984年安装于德国科隆市，后来捷克的布拉格、奥地利多瑙河畔、匈牙利的巴哈等城市也相继开始大规模使用这种装配式防洪墙。中国在2000年以后，也开始启用移动式防洪墙。2002年，哈尔滨主城区松花江大堤公园段，为满足防洪安全性，设置了活动钢闸板防洪墙。钢闸板共1 318扇，其中标准闸板尺寸为5.0 m×2.0 m，质量为1.3 t，安装较不方便[5-6]。2012年，插板式防洪墙在天津大清河下游西河右堤加固工程中得到应用[7]。最近几年，以铝合金材料代替钢板的新型移动防洪墙开始在中国兴起，先后在湖北武汉、江苏常州、湖南长沙等地都有成功案例[8-9]。

移动式防洪墙具有很好的应用前景，但是国内针对它的科研工作以及相关标准和规范的制定工作还很缺乏。已有研究包括：德国汉堡理工大学河流与海岸工程学院与德国IBS公司合作，为装配式防洪墙系统制订了详尽的试验方案，开展了大量的测试工作，包括结构件的破坏实验和老化实验，系统的渗透性实验等；徐东坡等[10]给出了移动式防洪墙的弹性力学基本解答；吴军君等[11]开展了移动式防洪墙挡水试验研究；余新洲等[12]进行了波浪作用下的变形分析。

在规范和标准的制定方面，国外已经启动了部分工作。德国IBS公司等企业推出了相应的产品质量标准和系统使用指南；英国环境署颁布了移动式防洪墙设计和生产标准，并出版了相关的使用指南。但是在中国还没有一套完善的移动防洪墙设计规范。因此，根据有关行业的相关规范和工程经验，并结合德国的技术资料，给出了一套移动式防洪墙的主要受力构件的承载力计算方法。

1 荷载计算方法

移动式防洪墙一般由立柱、挡板、预埋件等部件组成。图1所示为正在安装中的移动式防洪墙。考虑静水、动水、波浪、冲击等组合荷载的作用，对立柱、挡板、螺栓、定位销、套管等多个受力部件的承载力进行计算分析。

图1 安装中的移动式防洪墙Fig.1 Mobile flood control

1.1 静水荷载

静水荷载为移动式防洪墙最常见的一种荷载。如图2所示，静水荷载通常为三角形荷载，由水的压强作用于防洪墙挡板上，挡板的荷载传递到立柱上，因此静水压强q可由式(1)计算。

q=ρghL

(1)

式(1)中：ρ为水的密度，kg/m3(若水中的悬浮物含量较大，如山区河流，泥石流等情况，可适当选取较大的水密度)；h为防洪墙的挡水高度,m；L为防洪墙的跨长,m；g为重力加速度。

图2 静水荷载示意图Fig.2 Diagram of hydrostatic load

1.2 动水荷载

移动式防洪墙设立于流动水域时，如果防洪墙的纵轴不平行于水流方向，则水的运动会对结构产生动水荷载，如图3所示。由于动水荷载是由水的冲量引起，根据冲量公式：

FΔt=m(vsinα)

(2)

则动水荷载q的计算公式为

qhΔt=ρ(hLvsinαΔt)vsinα

(3)

q=ρ(vsinα)2L

(4)

式中：α为水流与立柱、挡板的夹角,rad；v为水的流速,m/s。

图3 动水荷载示意图Fig.3 Diagram of hydrodynamic load

1.3 冲击荷载

当发生洪涝灾害时，河流中往往伴随着漂流物，这些漂流物撞击移动式防洪墙时，对墙体产生的冲击荷载就不能忽视，因此需考虑小型漂流物的冲击荷载。而对于大型的漂流物(质量大于400 kg)，如轮船撞击等情况，基本不会考虑进移动防洪系统的稳定性中，因为洪水发生时已基本停止航运，而且防洪墙大多用于城市防洪，城市中也少有大型的漂流物。

冲击荷载如图4所示。计算漂流物的冲击荷载时，应满足以下两个假设：

图4 冲击荷载示意图Fig.4 Diagram of impact load

(1)漂流物冲击时无变形。

(2)挡板或立柱弹性刚度为CF,N/m。

根据能量守恒的原理，漂流物的动能转化为结构的应变能，由能量守恒公式：

(5)

式(5)中：m为漂流物的质量，kg；v为漂流物的速度(与水的流速相同)，m/s；α为漂流物与墙体的攻角，rad；δ为结构的变形量，m。

冲击荷载为

(6)

1.4 波浪荷载

近岸区域使用移动式防洪墙时，需要考虑波浪荷载的作用。关于波浪荷载的处理，中国有许多规范都有相关的规定。根据波浪的种类及防洪墙所处的地理位置，将波浪荷载等效为一个集中力F，如图5所示。波浪荷载F可根据下式计算:

F=P1KL

(7)

(8)

K=1，f≥η

(9)

式中：f为超高值，m；η为波浪荷载最大高度和蓄水高度H之间的高度差，m；ρ1为波浪等效荷载。

图5 波浪荷载示意图Fig.5 Diagram of wave load

1.5 溢流

当洪水水位大于设计值，洪水溢过墙体时，其荷载如图6所示，图中q1、q2分别为

q2=ρgh1L

(10)

q1=ρg(h1+h)L

(11)

图6 溢流荷载示意图Fig.6 Diagram of overflow load

1.6 风荷载

防洪墙在工作中，可能承受来自背面的风力作用，而在空载时，两面都可能受到风力作用，但只有背面的风荷载对防洪墙可能造成危险，因此只考虑背面的风荷载，如图7所示。风压的取值与防洪墙所处的地理环境有关。

图7 风荷载示意图Fig.7 Diagram of wind load

1.7 荷载组合

除了上述6种基本荷载外，还有一些可能出现的活荷载，如围观群众或维修人员施加在墙体上边缘的拉力或压力，城市区域出现车辆撞击产生的荷载，圩田侧水压等。这些荷载虽然可能出现，但是人群荷载对墙体的影响较小，车辆的冲击荷载破坏力过大，圩田侧水压仅在洪水退去后才考虑其对墙体的作用，因此这些不作为常见的基础荷载进行考虑。

确定可能出现的基本荷载后，应根据移动式防洪墙使用的地理环境考虑可能出现的荷载组合情形。设立于静止的水池、水塘的移动式防洪墙，应考虑静水荷载的作用；用于城市内河挡水的移动式防洪墙应考虑静水荷载、动水荷载并酌情考虑冲击荷载的作用；设立于近岸区域的移动式防洪墙应考虑静水荷载及波浪荷载的作用；空载情况下移动式防洪墙应考虑背向风荷载的作用；当水位可能超过设计值时，应考虑溢流的荷载情况。

2 立柱的内力计算

移动式防洪墙的立柱包括中立柱、边立柱及角立柱，作为移动式防洪墙的主要受力结构，立柱为水平叠加的挡板提高支撑，同时施加水平作用力并将其导向地基。立柱受到水平作用力时主要可能发生弯曲，立柱底座与锚固件连接处的焊接部位也可能被破坏，因此立柱通常会根据工程需要增加加强件。

由于立柱的型号较多，且可能存在加强结构，因此考虑立柱内力时需要考虑不同截面位置的内力。如图8所示，有加强件的立柱，其结构为变截面结构，应分别考虑不同危险截面的内力。如果立柱为等截面结构，应考虑立柱底端的内力。

图8 变截面立柱Fig.8 Column with variable cross-section

计算立柱的内力时，首先应根据立柱的结构确定危险截面的位置。然后根据可能出现的荷载组合，分别计算各荷载组合在危险截面上的最大弯矩Mmax和剪力Fmax。立柱的截面形状类似于工字梁，计算最大正应力与最大切应力时可根据材料力学的相关公式进行近似计算。

立柱的截面最大正应力为

(12)

式(12)中：IZ为立柱截面对中性轴Z的惯性矩，m4；y为所求正应力点的纵坐标，m。

立柱的截面最大切应力为

(13)

计算立柱上的最大正应力及最大切应力后，可参考下式进行内力校核。

(14)

式(14)中：k为安全系数；[σ]为容许正应力，Pa；[τ]为容许切应力，Pa。

3 预埋件的内力计算

预埋件作为连接地基与立柱的主要部件，虽然占总建筑工程量的比例不大，却对整个防洪墙的工程质量起着重要作用，因此预埋件施工的质量控制及技术要点一直是施工过程中的主要监控对象。

一般而言，装有翼缘板的立柱底座通过螺栓锚固于预埋件上。预埋件由抗腐蚀的钢材制成，装嵌在钢筋混凝土基础内。预埋件的主要受力结构有螺栓、定位销、套管及锚固板，如图9所示。

图9 预埋件的结构Fig.9 Structure of embedded parts

3.1 螺栓的受力

螺栓作为将立柱固定于预埋件上的主要部件，需平衡立柱的弯矩和剪力，因此迎水侧和背水侧螺栓受到拉力T和剪力F作用，而迎水侧的螺栓主要受到拉力T作用。如图10所示，左侧为迎水侧，右侧为背水侧，立柱以右侧螺栓为轴发生转动，所以左侧3个螺栓受到拉力的作用，背水侧两个螺栓不受拉力作用。

图10 螺栓的分布Fig.10 Distribution of bolts

螺栓受到的拉力T为

(15)

式(15)中：n1为受拉螺栓的数量；L为迎水侧螺栓与背水侧螺栓的距离，m，M为立柱底座上的弯矩，N·m。则螺栓受到的内力为

(16)

(17)

式(17)中：n2为受剪螺栓的数量；AL为螺栓的截面积，m2。

3.2 定位销的受力

定位销的结构如图11所示，在锚固件中主要起着限制水平移动的作用。

图11 定位销的结构Fig.11 Structure of positioning pin

定位销主要受到剪力作用，其切应力可按下式计算：

(18)

式(18)中：Ad为定位销的截面积，m2

3.3 套管的受力

套管与定位销配合工作，同样起着限制位移的作用。套管的结构简图如图12所示。

图12 套管的结构Fig.12 Structure of casing

套管主要受到剪力作用，其切应力可按下式计算：

(19)

式中：AT为衬套截面积，m2。

3.4 锚固板的受力

锚固板嵌在混凝土上，主要承受来自预埋件受拉轴的拉力，其结构如图13所示，左侧三轴为迎水侧，受到拉力作用。

图13 锚固板的结构Fig.13 Structure of anchor plate

锚固板受到的压力可按下式计算：

(20)

式(20)中：AM为锚固板的受拉面积，m2。

4 挡板内力计算

多块挡板插入立柱插槽上下堆叠组合成防洪墙体，这些组合挡板承担着基本的密封防漏功能，承接水压并将其传递到立柱上。每块挡板之间由水平密封条相连，挡板与立柱之间也有竖直密封条，起着密封防漏的作用。挡板基本采用空心铝型材，不同厂家采用的截面形状略有不同。

由于挡板分块叠加组成，计算挡板内力时应根据荷载组合来确定不同高度位置的挡板。如图14所示，底端挡板B受到静水压最大，因此需要考虑B位置挡板所受的荷载，同时A位置挡板受到集中力F作用，也应考虑A位置挡板所受到荷载。

由于挡板插入立柱插槽，立柱并不会对挡板两端的转动有太大的约束，因此单块挡板的结构可简化为简支梁结构，其荷载简图如图14所示。图中均布荷载q可由下式计算：

q=K1[ρg(dH+H1)+qf]h

(21)

式(21)中：dH为溢流情况下的超高水位，m；H1为挡板的位置深度，m；qf为等效的动水荷载，N/m2；h为挡板的宽度，m。

图14 防洪墙体的荷载Fig.14 Load distribution of flood control wall

F为波浪的等效荷载或者冲击荷载，集中荷载作用在挡板上时，由于挡板之间会互相传递分散荷载，因此需要对挡板的集中荷载进行折减。当集中力F作用在挡板上的时候，实际作用在单块挡板上的荷载F1可按F1=0.4F进行计算。单块挡板的荷载如图15所示。

图15 单块挡板的荷载Fig.15 Load distribution of single baffle

根据图15，计算单块上挡板上的最大弯矩Mmax和最大剪力Fmax，则挡板的最大正应力和最大切应力可按下式计算：

(22)

(23)

计算出挡板上的最大正应力及最大切应力后，可参考下式进行内力校核。

(24)

式(24)中：k为安全系数；[σ]为容许正应力，Pa；[τ]为容许切应力，Pa。

5 总结与展望

结合德国的技术资料，根据有关行业的相关规范和工程经验，对目前主流的移动式防洪墙的荷载计算方法进行了研究，提出一套移动式防洪墙的主要受力构件的荷载计算方法，主要工作如下。

(1)充分考虑了移动防洪墙结构可能受到的荷载形式，给出了静水、动水、波浪、冲击、溢流以及风荷载计算方法。

(2)针对目前常用的变截面立柱结构形式，给出了立柱内力计算方法和安全校核标准。

(3)细致考虑了预埋件各部件受力情况，给出了螺栓、定位销、套管及锚固板的安全计算方法。

(4)充分考虑了挡板结构堆叠组合计算的复杂性，给出了等效计算方法。

所提出的计算方法能在一定程度上对移动式防洪墙的荷载进行简化，同时有效地计算出各个构件所受的荷载，非常适合实际工程应用。

由于移动式防洪墙是一项新兴的防洪手段，很多方面的理论、方法和技术还有待完善，本方法也还有许多新的问题需要解决，需要在实际应用中不断积累和完善，在以下几个方面，还需要做进一步的研究和开发。

(1)仅考虑立柱、挡板及预埋件的荷载，对于变柱、压紧装置、密封条及预埋件与地基的耦合问题还有有待后续工作的完善和补充。

(2)波浪荷载及风荷载为参考德国的相关规范，德国的地理环境与中国不同，因此德国的技术规范在中国是否适用还有待研究。

(3)挡板之间的荷载分散与传递仍需进一步研究与完善。