移动式防洪墙系统的三维有限元模拟

范力阳，朱 纯，杨冰清，李建习，周锴旸，雷 冬

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

1 概述

传统的防洪系统如防洪堤、 防洪坝等永久性防洪建筑物虽然能够很好地抵御洪水， 但是会占用有限的城市土地，破坏现有的景观，更重要的是难以协调城市建设与防洪安全要求、 水面和岸上双向风景观赏要求以及居民亲水性要求的矛盾［1］。 移动式防洪墙既能在汛期安装满足城市的防洪需求， 又能在非汛期拆卸并快速堆叠储存， 因而常作为汛期时的临时性防洪系统被广泛地应用于城市江河堤坝上、人防工程洞口、地下车库、地铁口等处［2，3］。 移动式防洪墙通常由中心立柱、边柱、档板、密封胶条、压紧装置、预埋件等组成［4］，其主要受力部件为立柱、档板和预埋件等，如图1。在非汛期时，将需要安装移动式防洪墙的位置提前建设好混凝土基础并在混凝土基础中埋设移动防洪墙的预埋件。 得到洪水预警信息后， 组织安装人员将移动式防洪墙的立柱固定在预埋件上，之后插入防洪挡板，使用压紧装置将防洪挡板与密封胶条压紧， 完成移动式防洪墙的安装［5，6］。工作状态下的移动式防洪墙将作用在防洪挡板上的水荷载传递到立柱上， 立柱再通过预埋装置将荷载传递给混凝土基础。作为防洪系统，移动式防洪墙的安全性、可靠度应该得到充分证明。

目前移动式防洪墙多数由铝合金材料制作，在满足安全的前提下也应减少原材料的消耗来提高经济性，因此选择合理的设计结构，确定设计工况下防洪墙安全性就尤为重要了。 由于移动式防洪墙系统较为庞大、生产成本高、生产周期长等特点，不适宜在不确定跨度、 挡水高度等参数的条件下进行盲目的现场试验。因此，关于不同参数的移动式防洪墙的力学性能可通过计算方法得到大概论证。 但移动式防洪墙结构相对复杂， 如果用理论计算的方法很难得到精确的解析解［7，8］。 针对于移动式防洪墙的立柱和挡水板的材料性能问题， 可以依靠数值方法——有限单元法将移动式防洪墙系统离散成若干个有限的、按照一定方式相互作用的单元体，结合弹性力学方程得到出近似的数值解。 本文通过使用ABAQUS软件对移动式防洪墙系统做了不同工况条件下的有限元模拟，分析了移动式防洪墙的应力和挠度情况，为移动式防洪墙的设计和推广提供一定的参考作用。

图1 移动式防洪墙系统示意图

2 建立有限元模型

在建模过程中，材料的属性参数至关重要，表1列出了挡板和立柱的各项材料参数， 其中主要包括材料的弹性模量、泊松比和密度等性质的参数。由于止水条由橡胶制成， 其自重相对于挡水板和立柱可忽略不计，故在计算中不考虑止水条的自重。

表1 材料参数

由草图经过一系列拉伸（Extrusion）及切削（Cut）操作得到立柱和挡水板部件如图2、图3。模型考虑了导角，避免了应力集中，使计算结果更加准确。 由于挡水板两端的一部分在安装过程中嵌入立柱的槽中，会给静水压力作用的定义带来不便，同时为之后的与挡水条定义接触作准备， 故在挡水板部件上进行了面分割（Partition Face），使得水压力的作用更加符合实际情况。 在建立立柱和挡板部件时依据实际尺寸立柱类型选择为实体（Solid），为尽量贴近实际，加入了立柱与挡板之间的止水条及挡板与挡板之间的止水条，同样选择为实体。

图2 立柱部件模型

图3 挡水板部件模型

将移动式防洪墙的各部件装配成移动式防洪墙的系统模型，如图4。 对移动式防洪墙系统主要考虑的荷载为静水压力，重力，约束考虑立柱与预埋件为完全固定约束状态。

图4 部件装配

“网格划分”是决定分析精度的重要环节，网格并非越细越好，而是应结合工程类型、计算机运算能力、运算成本来选取网格密度。同时对不同的部分应采用合适的网格类型， 六面体便于计算， 但较难划分，四面体易于划分，但计算的单元体多，计算速度慢。挡水板及立柱下段采用四面体网格，立柱上段采用六面体网格，如图5。

图5 移动式防洪墙系统网格划分

3 有限元模拟结果

为了比较不同设计工况的移动式防洪墙的力学性能，本次分别模拟了单跨度为2，2.5，3，3.5，4m的移动式防洪墙。图6、图7展示了跨度为3m的移动式防洪墙的在静水荷载作用下应力和挠度的有限元模拟结果， 其他跨度的模拟结果中最大的应力和挠度结果如表2。

图6 跨长3m移动防洪墙应力云图

图7 跨长3m移动式防洪墙位移云图

表2 各跨度防洪墙的最大应力及最大挠度

从图6可看出，立柱的应力从上往下递增，最大应力出现在变截面位置。 加强件部位应力也是从上往下递增，加强件的最大应力出现在底部。挡板的最大应力出现在挡板中部，并且底部的挡板应力最大，顶部的挡板最小，挡板应力从下往上依次递减。跨度在3m及以内的防洪墙系统中，最大应力为125.6MPa，低于材料的容许应力160MPa。 由于本次模拟计算仅考虑了静水荷载， 故实际工况中立柱及档板所受荷载可能会有所偏高， 因此需在今后的工作中校核跨度为3m时的移动防洪墙系统的力学性能。 当移动式防洪墙跨度为3.5m时， 移动防洪墙系统的最大应力达到178.3MPa， 该数值已超过材料的容许应力，因此， 在本次模拟的移动式防洪墙的立柱及挡水板型号中，立柱之间的跨度设计不能超过3.5m，立柱之间的跨度不宜超过3。

由图7可知， 挡板最大位移出现在挡板中部，并且底部的挡板位移较大， 中部的挡板位移呈减小趋势，而靠近顶部的挡板位移又开始增大。这是由于底部的挡板受到的静水荷载较大， 因此越靠近底部的挡板位移越大， 图中可明显地看出最底下的两块挡板明显大于中部挡板。中部挡板受到的荷载减小，因此位移小于底部的挡板。顶部的挡板位移增大，这是由于挡板与立柱是绑定的， 立柱的位移会带动挡板的位移，立柱中下部位移很小，对挡板的位移影响较小，到了立柱顶端位移较大，对顶部挡板有明显的影响，因此顶部的挡板位移又呈增大的趋势。在应力满足材料容许应力的条件下，即跨度为3m时，移动式防洪墙的最大位移为3.484mm， 相对于1800mm的挡水高度，3000mm的跨度属于小变形， 能够满足结构的稳定性和安全性要求。

4 结语

（1）对移动式防洪墙系统建立有限元模型，利用ABAQUS软件进行计算， 结果表明移动式防洪系统可以很好地将荷载通过挡水板、 立柱等传递给预埋件，结构设计比较合理，没有出现应力集中现象。

（2）从图7可看出，立柱最大的挠度出现在立柱顶部，且从上往下递减。 此外，由于立柱底部的加强件的限制，立柱底部的位移较小，证明立柱底部加强件能够起到减小立柱挠度的作用。

（3）移动式防洪墙在单跨度不超过3m时，移动式防洪墙系统在静水荷载作用下的最大应力， 最大挠度均在安全范围内。 当移动式防洪墙的单跨度达到3.5m时， 移动式防洪墙系统的最大应力超过了材料的容许应力， 此时不能保证防洪系统的安全性。 因此，在工程应用中，该型号的移动式防洪墙系统跨度不宜超过3m。