移動式防洪墻的彈性力學基本解答

徐東坡+馬世浩+周華

摘 要：移動式防洪墻在城市防洪中具有廣泛的應用前景，為了更好地掌握其工作時受力和變形的真實情況，從而選取相應材料，達到省材穩定的防洪效果。利用彈性力學的基本知識分析其受力情況，求解移動式防洪墻的彈性力學解答，解決材料選取的問題。在利用彈性力學時，對原型的受力以及邊界條件進行簡化工作，并對最終結果進行修正，從而使材料選取偏于安全，使結果對工程實際具有一定的指導意義。

關鍵詞：彈性力學；移動式防洪墻；基本解答

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.232

1 引言

隨著城市的建設發展，越來越多的城市地下空間出入口投入使用，而一些突發性暴雨常常會淹沒地下車庫或者灌入地鐵入口，造成巨大損失，由于各種新型移動式防洪墻的使用使得人們能快速便捷的應對此類現象。就目前移動式防洪墻的材料確定都是基于ANSYS的有限元分析和模型試驗來確定的，由于模型試驗在確定材料方面盲目性過大，故其大多用于分析結構的滲流和穩點。ANSYS主觀性較強，網格劃分的不同得到的結果就存在區別，則此方法大多用來驗證實驗結果。在墻體材料具體的選取方面大多停留在根據經驗，結合國內外已有的材料來選擇，尚沒有完全的理論分析來指導材料的選取。

彈性力學主要是研究可變形固體在力、溫度變化、約束變動等外部因數作用下所產生的應力、應變和位移的經典學科。移動式防洪墻在寬度上取單寬則可以簡化為梁，水壓力作用為三角形分布荷載，其結構形式符合彈性力學的基本假定，而在彈性力學[1，2]中給出了簡支梁在均布荷載作用下比材料力學更為精確的彈性力學解答，張偉就集中荷載作用下兩端固支梁的彈性力學解進行了研究[3]。而針對防洪墻這一受力問題的研究鮮有闡述。本文則主要針對移動式防洪墻的材料選取這一問題，進過初設結構尺寸，并分析其運行時的受力狀態，用彈性力學半逆解法求解出工作狀態下移動式防洪墻的應力函數，再結合邊界條件對應力函數的各系數求解，最終得到應力分量。然后分析求解移動式防洪墻的最危險截面最危險點處的應力值，利用材料力學第四強度理論對移動式防洪墻的材料選擇與結構分析提供指導。

2 移動式防洪墻形式組成與尺寸

2.1 移動式防洪墻結構組成

我們移動式防洪墻主要由以下各部分組成：斜墻式擋板、底板與支撐桿件。其中擋板與底板之間、前底板與后底板之間均采用合頁連接的方式，撐桿上沿抵在擋板背面的固定卡槽中，撐桿下沿抵在后底板的兩根橫梁處。擋板、底板、撐桿三者構成三角形幾何穩定結構，利用來水對底板的壓力和整個墻體的自重作用來增強防洪墻自身的抗滑穩定性。

2.2 移動式防洪墻尺寸

防洪墻尺寸的計算主要根據洪水的水平推力與洪水作用下防洪墻與地基摩擦阻力平衡條件得出。取設計水位h=1m，以節省材料為目的，并結合抗滑穩定分析對結構尺寸進行優化可求解出各部分尺寸分別為：擋板：長、寬分別為1.3m、1m，厚0.004m；前底板長、寬分別為0.7m、1m，厚0.004m；厚底板長、寬分別為1.3m、0.1m，厚0.004m；給部分肋和撐桿的長、寬分別為0.96m、0.02m，厚0.02m。

3 基于彈性力學的移動式防洪墻材料選擇與優化

彈性力學研究的是理想彈性體的小變形問題，而移動式防洪墻材料與受力變形上均滿足基本假定，則按彈性力學求解是科學的、準確的。

由截面尺寸設計可知，防洪墻設計水位為1m，且利用前擋板與后地板和撐桿之間的關系可以簡化擋板與另外兩個部分之間的連接形式為簡支梁，受到三角形分布荷載q，即形式為一矩形簡支梁，梁寬為單位寬度，梁高為h，梁長為l，體積力分別為X，Y均為零，如圖1所示。

分別代入即可求得任意截面上任意一點的應力分量。此時只需要分析確定出移動式防洪墻的最危險點即可求解出最危險的應力值，并按照第四強度理論設計選擇符合應力要求的墻體材料。

值得注意的是，進行彈性力學求解時，由于原問題邊界條件和受力情況比較復雜且進行了適當的簡化，因此在求得最終應力的基礎上應分別乘以安全系數值，即材料應力設計值為：

4 結論

通過對移動式防洪墻受力分析與求解其彈性力學基本解答，可以較為精確的確定出移動式防洪墻的最危險截面上最危險點的應力，并結合第四強度理論可以更經濟、安全的設計移動式防洪墻材料；結合相應的工程要求，采用不同尺寸時均可采用結論分析墻體最危險點的應力值，按工程需求進行材料的選取，對該工程起到指導性的作用。

參考文獻：

[1]徐芝綸.彈性力學簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]陸明萬，羅雪富.彈性理論基礎[M].北京：清華大學出版社，2001.

[3]張偉.集中荷載作用下兩端固支梁的彈性力學解[J].華北水利水電學院學報，2006，27（04）：40-42.

項目基金：國家級大學生創新創業訓練計劃項目 項目編號：201610078082

作者簡介：徐東坡（1995-），男，河南焦作人，本科，主要研究方向：水利水電工程及河流泥沙。endprint