基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)的移動(dòng)防洪墻擋板的材料分析

車(chē)溫馨 CHE Wen-xin

（華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州 450046）

0 引言

移動(dòng)防洪墻的出現(xiàn)可大大解決城市內(nèi)澇的問(wèn)題，它以日常安裝、拆卸簡(jiǎn)單，防洪迅速，以及在城市建設(shè)中“隱形”等優(yōu)點(diǎn)，深受大眾歡迎。而移動(dòng)防洪墻擋板材料的選擇關(guān)系到防洪墻使用的安全性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性等因素，選擇合適的移動(dòng)防洪墻擋板材料十分重要。范力陽(yáng)等對(duì)移動(dòng)式防洪墻系統(tǒng)進(jìn)行了三維有限元模擬的研究[1]，汪倫焰等對(duì)移動(dòng)式防洪系統(tǒng)應(yīng)急安裝進(jìn)行研究[2]，曹永超等運(yùn)用激光掃描和BIM對(duì)移動(dòng)式防洪墻施工質(zhì)量控制進(jìn)行研究[3]。根據(jù)對(duì)市面上移動(dòng)防洪墻材料的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)防洪墻擋板的材料大多選擇鋁合金和不銹鋼兩種。本文通過(guò)層次分析法對(duì)擋板材料的六個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行層次模型構(gòu)建，對(duì)擋板材料進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，從而對(duì)不銹鋼和鋁合金兩種材料作為移動(dòng)防洪墻擋板的實(shí)用性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為移動(dòng)防洪墻實(shí)際使用中的優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 移動(dòng)防洪墻介紹

移動(dòng)式防洪墻主要由立柱、擋板、止水、螺栓、壓緊裝置、預(yù)埋件等構(gòu)件組成[4]。其立柱為不銹鋼材質(zhì)，擋板是內(nèi)部帶有加強(qiáng)筋的空腔結(jié)構(gòu)。擋板和立柱通過(guò)精密設(shè)計(jì)的卡槽固定，安裝拆卸方便，具有雙向止水功能。當(dāng)移動(dòng)防洪墻工作時(shí)，安裝工人將擋板垂直立柱，橫向插入立柱卡槽，并通過(guò)壓緊裝置固定，形成擋水工作面，抵擋洪水。等洪水退去后，將各部件拆卸按標(biāo)記有序存放于倉(cāng)庫(kù)保管[5]。移動(dòng)防洪墻系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 移動(dòng)防洪墻系統(tǒng)

2 移動(dòng)防洪墻擋板材料模糊綜合評(píng)價(jià)

2.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

移動(dòng)防洪墻的層次結(jié)構(gòu)模型，有以下六個(gè)指標(biāo)：有限元應(yīng)力、輕量化、壽命周期成本、耐腐蝕性、疲勞性能和外觀。只有綜合考慮移動(dòng)防洪墻擋板各方面因素才能使材料選擇更加合理。將上述因素層次化，可建立防洪墻擋板選材的指標(biāo)體系，存在1個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，6個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖2。

圖2 選材評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 移動(dòng)防洪墻擋板的評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算

移動(dòng)防洪墻擋板的材料評(píng)價(jià)體系建立后，需要先對(duì)6個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性進(jìn)行判斷，求得指標(biāo)的權(quán)重向量。在進(jìn)行指標(biāo)比較時(shí)，選用Satty標(biāo)度法[6]。

在城市里，移動(dòng)防洪墻常設(shè)置在地鐵口，地下車(chē)庫(kù)等人流量密集或有重大財(cái)產(chǎn)的區(qū)域，這就要求移動(dòng)防洪墻首先要保證結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)該把防洪墻的安全性放在第一位。其次應(yīng)該考慮，面臨洪水來(lái)襲，快速安裝使移動(dòng)防洪墻盡早發(fā)揮作用，以達(dá)到減少人民財(cái)產(chǎn)損失的目的。再次，擋板的壽命周期成本，耐腐蝕性，疲勞性能同等重要，他們都與擋板的壽命和成本息息相關(guān)，應(yīng)并列為第三位。最后，把擋板的外觀放在第四位。

根據(jù)建立第2層各因素U相對(duì)于方案A的兩兩判斷矩陣A-U，求出最大特征根和相應(yīng)的特征向量，詳細(xì)過(guò)程和結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 判斷矩陣A-U

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，該判斷矩陣為6階，得到RI=1.26。

計(jì)算一致性比例并進(jìn)行判斷：

由公式（1）計(jì)算可得，CR=0.02。由于CR=0.02<0.1，則認(rèn)為該判別矩陣的一致性是可以接受的，即滿足一致性檢驗(yàn)。

2.3 移動(dòng)防洪墻擋板的評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

2.3.1 擋板的有限元應(yīng)力分析

移動(dòng)防洪墻作為城市防洪防澇的防線，保護(hù)著城市中人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，滿足擋板強(qiáng)度和剛度的要求是最基本的標(biāo)準(zhǔn)。為確定兩種材料擋板的所受應(yīng)力值是否滿足要求，使用ansys軟件建立移動(dòng)防洪墻模型，分別賦予移動(dòng)防洪墻擋板鋁合金和不銹鋼材料屬性[7]，并分別在1m、1.5m和2m三種洪水工況下進(jìn)行移動(dòng)防洪墻模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 擋板有限元模擬結(jié)果表

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，鋁合金和不銹鋼擋板均滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性要求。本次模擬計(jì)算僅考慮了靜水荷載，實(shí)際工況中檔板的應(yīng)力值和變形量可能會(huì)偏高。由數(shù)據(jù)可知，鋁合金的變形量是大于不銹鋼的變形量的，所以考慮強(qiáng)度和剛度要求時(shí)，不銹鋼材料優(yōu)于鋁合金材料。

2.3.2 擋板輕量化分析

移動(dòng)防洪墻的擋板高為長(zhǎng)1.5m，0.2m，寬為114mm，采用空心結(jié)構(gòu)，壁厚為2.5mm，每個(gè)擋板中間由兩塊直板連接，直板厚度為2.5mm，可達(dá)到均勻受力的效果。每塊擋板底部配有2根密封橡膠條，密封橡膠條的質(zhì)量可忽略不計(jì)。由此，通過(guò)移動(dòng)防洪墻的擋板體積鋁合金和不銹鋼的密度和相應(yīng)擋板質(zhì)量見(jiàn)表3。

表3 不同材料擋板重量

由表3可知，因?yàn)椴讳P鋼的密度大約是鋁合金密度的三倍，所以相同規(guī)模的移動(dòng)防洪墻擋板，鋁合金擋板的重量為6.37kg，而不銹鋼擋板的重量為18.68kg，不銹鋼擋板的重量大約為鋁合金擋板重量的三倍。一根1.5m的擋板需要兩位工人同時(shí)安裝才能完成，根據(jù)計(jì)算的擋板重量，鋁合金和不銹鋼擋板都在正常重量之內(nèi)，兩名工人可以正常安裝，沒(méi)有造成較大的施工安裝負(fù)擔(dān)。

2.3.3 擋板的壽命周期成本分析

擋板的壽命周期成本應(yīng)從擋板材料成本、擋板制造費(fèi)用和擋板維修費(fèi)用三個(gè)方面分析，擋板材料成本就是計(jì)算一塊擋板所使用鋁合金和不銹鋼的費(fèi)用，由于不同材料所使用的止水橡膠相同，所以橡膠條的費(fèi)用可不參與分析。由此根據(jù)表3可計(jì)算擋板費(fèi)用，見(jiàn)表4。

表4 不同材料擋板費(fèi)用

由表4可知，從擋板材料成本角度考慮，不銹鋼擋板的費(fèi)用高于鋁合金擋板的費(fèi)用，多于鋁合金費(fèi)用的兩倍。從擋板制造費(fèi)用的角度分析，不銹鋼的擋板制造費(fèi)用要高于鋁合金的擋板制造費(fèi)用。從擋板維修方面分析，鋁合金表面處理不好更容易氧化，所以要經(jīng)常進(jìn)行維修處理，不銹鋼相對(duì)要好一點(diǎn)，所以鋁合金的擋板維修費(fèi)用要高于不銹鋼的擋板維修費(fèi)用。最后，從材料成本、制造費(fèi)用、維修費(fèi)用綜合分析，鋁合金的壽命周期成本要高于不銹鋼的壽命周期成本。

2.3.4 耐腐蝕性評(píng)價(jià)

移動(dòng)防洪墻擋板需要具有良好的耐腐蝕性。首先，對(duì)于不銹鋼材料而言，暴露在空氣中，其表面會(huì)形成一層緊貼而透明的鈍化層[8]，可以防止不銹鋼與大氣進(jìn)一步接觸。對(duì)于鋁合金材料而言，鋁合金暴露在大氣中，也會(huì)生成一層氧化膜，使得鋁合金同樣具有良好的耐腐蝕性。因此，在自然狀態(tài)下，鋁合金和不銹鋼都具有良好的耐腐蝕性能，但對(duì)于移動(dòng)防洪墻使用場(chǎng)景為洪水的特殊性，不銹鋼的耐腐蝕性要比鋁合金的耐腐蝕性好。

2.3.5 疲勞性能評(píng)價(jià)

作為城市基礎(chǔ)設(shè)施工程，擋板應(yīng)該具有較長(zhǎng)的壽命。要達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命，擋板的疲勞性能是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。鋼材料基本上都有持久疲勞極限，而部分鋁合金則沒(méi)有持久疲勞極限，只要循環(huán)次數(shù)增加，疲勞損傷就會(huì)一直累積[9]。同時(shí)，不銹鋼的疲勞性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁合金的疲勞性能，這是不銹鋼擋板的優(yōu)勢(shì)之一。

2.3.6 擋板外觀評(píng)價(jià)

移動(dòng)防洪墻作為城市防洪防澇的基礎(chǔ)設(shè)施，是城市建設(shè)中的一部分，展現(xiàn)著城市的市容市貌，所以擋板的外觀也是擋板材料所需要考慮的因素之一。不銹鋼優(yōu)于鋁合金的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是不銹鋼易清潔。清理不銹鋼表面時(shí)順著不銹鋼的紋路很容易將表面雜物清理下來(lái)，而鋁合金表面容易留下痕跡，很難去除掉。而且不銹鋼表面色澤光亮，鋁合金表面較暗淡。所以，針對(duì)擋板外觀的評(píng)價(jià)，不銹鋼擋板優(yōu)于鋁合金擋板。

2.4 綜合模糊評(píng)價(jià)

通過(guò)上述對(duì)移動(dòng)防洪墻擋板的評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，可以得到鋁合金和不銹鋼擋板的評(píng)價(jià)結(jié)果。由于各因素的影響評(píng)價(jià)難以得到定量值，只能做定性分析，故將移動(dòng)防洪墻擋板評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)按對(duì)基礎(chǔ)選型的影響程度分級(jí)。根據(jù)“高”、“一般”、“低”3個(gè)等級(jí)并根據(jù)結(jié)果賦予其[1，1]的數(shù)，寫(xiě)成矩陣形式，即評(píng)價(jià)矩陣R[10]。首先，對(duì)鋁合金擋板和不銹鋼擋板進(jìn)行指標(biāo)定性分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 移動(dòng)防洪墻選材指標(biāo)評(píng)價(jià)值選擇

由表5每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)擋板材料選擇的影響程度分級(jí)，并對(duì)其分級(jí)結(jié)果賦予[1，1]的數(shù)，寫(xiě)成矩陣形式，即評(píng)價(jià)矩陣R。將評(píng)價(jià)矩陣R與權(quán)重W代入公式（2）[11]，即得移動(dòng)防洪墻擋板材料選擇的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。見(jiàn)表6。

表6 移動(dòng)防洪墻擋板選材的預(yù)測(cè)結(jié)果

由表6計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算結(jié)果為-0.4978，0.5339。即擋板材料選擇的優(yōu)劣順序?yàn)椋翰讳P鋼擋板、鋁合金擋板。從有限元分析方面，不銹鋼擋板的強(qiáng)度和剛度優(yōu)于鋁合金擋板，變形量比鋁合金擋板小。對(duì)擋板重量而言，盡管不銹鋼擋板是鋁合金擋板的三倍，但對(duì)兩名安裝工人來(lái)說(shuō)，不銹鋼擋板的重量也在其承受范圍之內(nèi)，所以不銹鋼擋板在輕量化分析方面，與鋁合金擋板同樣可行。其次，從壽命周期成本、耐腐蝕性、疲勞性能三方面，這三個(gè)因素與擋板的使用壽命、成本有很大關(guān)系，顯然不銹鋼擋板是優(yōu)于鋁合金擋板的。最后，從擋板外觀上看，移動(dòng)防洪墻建在地鐵口、地下車(chē)庫(kù)等人群密集的地方，它代表了一個(gè)城市的市容市貌。盡管不銹鋼擋板和鋁合金擋板都是金屬的顏色，沒(méi)有美麗的圖案和顏色。但相對(duì)而言，不銹鋼更易清潔，而鋁合金臟物很難去除，所以不銹鋼是優(yōu)于鋁合金的。

3 結(jié)束語(yǔ)

沒(méi)有最好的材料，也沒(méi)有最差的材料，性能符合要求的材料就是好材料[12]。本文對(duì)移動(dòng)防洪墻擋板材料的選擇進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)分析。從有限元應(yīng)力、輕量化、壽命周期成本、耐腐蝕性、疲勞性能和外觀六個(gè)指標(biāo)分析不銹鋼和鋁合金兩種擋板材料的實(shí)用性，建立了移動(dòng)防洪墻擋板選材選擇的模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型。通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，結(jié)果表明不銹鋼材料更適合做移動(dòng)防洪墻擋板材料，為實(shí)際工程運(yùn)用提供技術(shù)支撐。最后根據(jù)移動(dòng)防洪墻擋板選擇的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，也為適用于移動(dòng)防洪墻新材料的發(fā)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。