基于層次分析法和模糊綜合評價的移動防洪墻擋板的材料分析

車溫馨 CHE Wen-xin

（華北水利水電大學水利學院，鄭州 450046）

0 引言

移動防洪墻的出現可大大解決城市內澇的問題，它以日常安裝、拆卸簡單，防洪迅速，以及在城市建設中“隱形”等優點，深受大眾歡迎。而移動防洪墻擋板材料的選擇關系到防洪墻使用的安全性、經濟性、美觀性等因素，選擇合適的移動防洪墻擋板材料十分重要。范力陽等對移動式防洪墻系統進行了三維有限元模擬的研究[1]，汪倫焰等對移動式防洪系統應急安裝進行研究[2]，曹永超等運用激光掃描和BIM對移動式防洪墻施工質量控制進行研究[3]。根據對市面上移動防洪墻材料的調查，發現移動防洪墻擋板的材料大多選擇鋁合金和不銹鋼兩種。本文通過層次分析法對擋板材料的六個評價指標進行層次模型構建，對擋板材料進行模糊綜合評價，從而對不銹鋼和鋁合金兩種材料作為移動防洪墻擋板的實用性進行分析評價，為移動防洪墻實際使用中的優化提供技術支撐。

1 移動防洪墻介紹

移動式防洪墻主要由立柱、擋板、止水、螺栓、壓緊裝置、預埋件等構件組成[4]。其立柱為不銹鋼材質，擋板是內部帶有加強筋的空腔結構。擋板和立柱通過精密設計的卡槽固定，安裝拆卸方便，具有雙向止水功能。當移動防洪墻工作時，安裝工人將擋板垂直立柱，橫向插入立柱卡槽，并通過壓緊裝置固定，形成擋水工作面，抵擋洪水。等洪水退去后，將各部件拆卸按標記有序存放于倉庫保管[5]。移動防洪墻系統見圖1。

圖1 移動防洪墻系統

2 移動防洪墻擋板材料模糊綜合評價

2.1 構建層次結構模型

移動防洪墻的層次結構模型，有以下六個指標：有限元應力、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體系，存在1個一級評價指標，6個二級評價指標，如圖2。

圖2 選材評價指標體系

2.2 移動防洪墻擋板的評價指標的權重計算

移動防洪墻擋板的材料評價體系建立后，需要先對6個二級評價指標的重要性進行判斷，求得指標的權重向量。在進行指標比較時，選用Satty標度法[6]。

在城市里，移動防洪墻常設置在地鐵口，地下車庫等人流量密集或有重大財產的區域，這就要求移動防洪墻首先要保證結構安全，應該把防洪墻的安全性放在第一位。其次應該考慮，面臨洪水來襲，快速安裝使移動防洪墻盡早發揮作用，以達到減少人民財產損失的目的。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，應并列為第三位。最后，把擋板的外觀放在第四位。

根據建立第2層各因素U相對于方案A的兩兩判斷矩陣A-U，求出最大特征根和相應的特征向量，詳細過程和結果見表1。

表1 判斷矩陣A-U

對判斷矩陣進行一致性檢驗，該判斷矩陣為6階，得到RI=1.26。

計算一致性比例并進行判斷：

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

2.3 移動防洪墻擋板的評價指標分析

2.3.1 擋板的有限元應力分析

移動防洪墻作為城市防洪防澇的防線，保護著城市中人民生命和財產的安全，滿足擋板強度和剛度的要求是最基本的標準。為確定兩種材料擋板的所受應力值是否滿足要求，使用ansys軟件建立移動防洪墻模型，分別賦予移動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三種洪水工況下進行移動防洪墻模擬實驗，結果如表2所示。

表2 擋板有限元模擬結果表

根據上述數據，鋁合金和不銹鋼擋板均滿足結構的穩定性和安全性要求。本次模擬計算僅考慮了靜水荷載，實際工況中檔板的應力值和變形量可能會偏高。由數據可知，鋁合金的變形量是大于不銹鋼的變形量的，所以考慮強度和剛度要求時，不銹鋼材料優于鋁合金材料。

2.3.2 擋板輕量化分析

移動防洪墻的擋板高為長1.5m，0.2m，寬為114mm，采用空心結構，壁厚為2.5mm，每個擋板中間由兩塊直板連接，直板厚度為2.5mm，可達到均勻受力的效果。每塊擋板底部配有2根密封橡膠條，密封橡膠條的質量可忽略不計。由此，通過移動防洪墻的擋板體積鋁合金和不銹鋼的密度和相應擋板質量見表3。

表3 不同材料擋板重量

由表3可知，因為不銹鋼的密度大約是鋁合金密度的三倍，所以相同規模的移動防洪墻擋板，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安裝才能完成，根據計算的擋板重量，鋁合金和不銹鋼擋板都在正常重量之內，兩名工人可以正常安裝，沒有造成較大的施工安裝負擔。

2.3.3 擋板的壽命周期成本分析

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

表4 不同材料擋板費用

由表4可知，從擋板材料成本角度考慮，不銹鋼擋板的費用高于鋁合金擋板的費用，多于鋁合金費用的兩倍。從擋板制造費用的角度分析，不銹鋼的擋板制造費用要高于鋁合金的擋板制造費用。從擋板維修方面分析，鋁合金表面處理不好更容易氧化，所以要經常進行維修處理，不銹鋼相對要好一點，所以鋁合金的擋板維修費用要高于不銹鋼的擋板維修費用。最后，從材料成本、制造費用、維修費用綜合分析，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 耐腐蝕性評價

移動防洪墻擋板需要具有良好的耐腐蝕性。首先，對于不銹鋼材料而言，暴露在空氣中，其表面會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一步接觸。對于鋁合金材料而言，鋁合金暴露在大氣中，也會生成一層氧化膜，使得鋁合金同樣具有良好的耐腐蝕性。因此，在自然狀態下，鋁合金和不銹鋼都具有良好的耐腐蝕性能，但對于移動防洪墻使用場景為洪水的特殊性，不銹鋼的耐腐蝕性要比鋁合金的耐腐蝕性好。

2.3.5 疲勞性能評價

作為城市基礎設施工程，擋板應該具有較長的壽命。要達到長時間的使用壽命，擋板的疲勞性能是一個非常關鍵的因素。鋼材料基本上都有持久疲勞極限，而部分鋁合金則沒有持久疲勞極限，只要循環次數增加，疲勞損傷就會一直累積[9]。同時，不銹鋼的疲勞性能遠遠大于鋁合金的疲勞性能，這是不銹鋼擋板的優勢之一。

2.3.6 擋板外觀評價

移動防洪墻作為城市防洪防澇的基礎設施，是城市建設中的一部分，展現著城市的市容市貌，所以擋板的外觀也是擋板材料所需要考慮的因素之一。不銹鋼優于鋁合金的一個顯著特點就是不銹鋼易清潔。清理不銹鋼表面時順著不銹鋼的紋路很容易將表面雜物清理下來，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，針對擋板外觀的評價，不銹鋼擋板優于鋁合金擋板。

2.4 綜合模糊評價

通過上述對移動防洪墻擋板的評價指標的分析，可以得到鋁合金和不銹鋼擋板的評價結果。由于各因素的影響評價難以得到定量值，只能做定性分析，故將移動防洪墻擋板評價指標體系中每個評價指標按對基礎選型的影響程度分級。根據“高”、“一般”、“低”3個等級并根據結果賦予其[1，1]的數，寫成矩陣形式，即評價矩陣R[10]。首先，對鋁合金擋板和不銹鋼擋板進行指標定性分析，結果見表5。

表5 移動防洪墻選材指標評價值選擇

由表5每個評價指標對擋板材料選擇的影響程度分級，并對其分級結果賦予[1，1]的數，寫成矩陣形式，即評價矩陣R。將評價矩陣R與權重W代入公式（2）[11]，即得移動防洪墻擋板材料選擇的綜合評價結果。見表6。

表6 移動防洪墻擋板選材的預測結果

由表6計算結果可知，計算結果為-0.4978，0.5339。即擋板材料選擇的優劣順序為：不銹鋼擋板、鋁合金擋板。從有限元分析方面，不銹鋼擋板的強度和剛度優于鋁合金擋板，變形量比鋁合金擋板小。對擋板重量而言，盡管不銹鋼擋板是鋁合金擋板的三倍，但對兩名安裝工人來說，不銹鋼擋板的重量也在其承受范圍之內，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，這三個因素與擋板的使用壽命、成本有很大關系，顯然不銹鋼擋板是優于鋁合金擋板的。最后，從擋板外觀上看，移動防洪墻建在地鐵口、地下車庫等人群密集的地方，它代表了一個城市的市容市貌。盡管不銹鋼擋板和鋁合金擋板都是金屬的顏色，沒有美麗的圖案和顏色。但相對而言，不銹鋼更易清潔，而鋁合金臟物很難去除，所以不銹鋼是優于鋁合金的。

3 結束語

沒有最好的材料，也沒有最差的材料，性能符合要求的材料就是好材料[12]。本文對移動防洪墻擋板材料的選擇進行了綜合評價分析。從有限元應力、輕量化、壽命周期成本、耐腐蝕性、疲勞性能和外觀六個指標分析不銹鋼和鋁合金兩種擋板材料的實用性，建立了移動防洪墻擋板選材選擇的模糊數學評價模型。通過數學計算，結果表明不銹鋼材料更適合做移動防洪墻擋板材料，為實際工程運用提供技術支撐。最后根據移動防洪墻擋板選擇的數學評價模型，也為適用于移動防洪墻新材料的發現提供了理論依據。