基于层次分析法和模糊综合评价的移动防洪墙挡板的材料分析

车温馨 CHE Wen-xin

（华北水利水电大学水利学院，郑州 450046）

0 引言

移动防洪墙的出现可大大解决城市内涝的问题，它以日常安装、拆卸简单，防洪迅速，以及在城市建设中“隐形”等优点，深受大众欢迎。而移动防洪墙挡板材料的选择关系到防洪墙使用的安全性、经济性、美观性等因素，选择合适的移动防洪墙挡板材料十分重要。范力阳等对移动式防洪墙系统进行了三维有限元模拟的研究[1]，汪伦焰等对移动式防洪系统应急安装进行研究[2]，曹永超等运用激光扫描和BIM对移动式防洪墙施工质量控制进行研究[3]。根据对市面上移动防洪墙材料的调查，发现移动防洪墙挡板的材料大多选择铝合金和不锈钢两种。本文通过层次分析法对挡板材料的六个评价指标进行层次模型构建，对挡板材料进行模糊综合评价，从而对不锈钢和铝合金两种材料作为移动防洪墙挡板的实用性进行分析评价，为移动防洪墙实际使用中的优化提供技术支撑。

1 移动防洪墙介绍

移动式防洪墙主要由立柱、挡板、止水、螺栓、压紧装置、预埋件等构件组成[4]。其立柱为不锈钢材质，挡板是内部带有加强筋的空腔结构。挡板和立柱通过精密设计的卡槽固定，安装拆卸方便，具有双向止水功能。当移动防洪墙工作时，安装工人将挡板垂直立柱，横向插入立柱卡槽，并通过压紧装置固定，形成挡水工作面，抵挡洪水。等洪水退去后，将各部件拆卸按标记有序存放于仓库保管[5]。移动防洪墙系统见图1。

图1 移动防洪墙系统

2 移动防洪墙挡板材料模糊综合评价

2.1 构建层次结构模型

移动防洪墙的层次结构模型，有以下六个指标：有限元应力、轻量化、寿命周期成本、耐腐蚀性、疲劳性能和外观。只有综合考虑移动防洪墙挡板各方面因素才能使材料选择更加合理。将上述因素层次化，可建立防洪墙挡板选材的指标体系，存在1个一级评价指标，6个二级评价指标，如图2。

图2 选材评价指标体系

2.2 移动防洪墙挡板的评价指标的权重计算

移动防洪墙挡板的材料评价体系建立后，需要先对6个二级评价指标的重要性进行判断，求得指标的权重向量。在进行指标比较时，选用Satty标度法[6]。

在城市里，移动防洪墙常设置在地铁口，地下车库等人流量密集或有重大财产的区域，这就要求移动防洪墙首先要保证结构安全，应该把防洪墙的安全性放在第一位。其次应该考虑，面临洪水来袭，快速安装使移动防洪墙尽早发挥作用，以达到减少人民财产损失的目的。再次，挡板的寿命周期成本，耐腐蚀性，疲劳性能同等重要，他们都与挡板的寿命和成本息息相关，应并列为第三位。最后，把挡板的外观放在第四位。

根据建立第2层各因素U相对于方案A的两两判断矩阵A-U，求出最大特征根和相应的特征向量，详细过程和结果见表1。

表1 判断矩阵A-U

对判断矩阵进行一致性检验，该判断矩阵为6阶，得到RI=1.26。

计算一致性比例并进行判断：

由公式（1）计算可得，CR=0.02。由于CR=0.02<0.1，则认为该判别矩阵的一致性是可以接受的，即满足一致性检验。

2.3 移动防洪墙挡板的评价指标分析

2.3.1 挡板的有限元应力分析

移动防洪墙作为城市防洪防涝的防线，保护着城市中人民生命和财产的安全，满足挡板强度和刚度的要求是最基本的标准。为确定两种材料挡板的所受应力值是否满足要求，使用ansys软件建立移动防洪墙模型，分别赋予移动防洪墙挡板铝合金和不锈钢材料属性[7]，并分别在1m、1.5m和2m三种洪水工况下进行移动防洪墙模拟实验，结果如表2所示。

表2 挡板有限元模拟结果表

根据上述数据，铝合金和不锈钢挡板均满足结构的稳定性和安全性要求。本次模拟计算仅考虑了静水荷载，实际工况中档板的应力值和变形量可能会偏高。由数据可知，铝合金的变形量是大于不锈钢的变形量的，所以考虑强度和刚度要求时，不锈钢材料优于铝合金材料。

2.3.2 挡板轻量化分析

移动防洪墙的挡板高为长1.5m，0.2m，宽为114mm，采用空心结构，壁厚为2.5mm，每个挡板中间由两块直板连接，直板厚度为2.5mm，可达到均匀受力的效果。每块挡板底部配有2根密封橡胶条，密封橡胶条的质量可忽略不计。由此，通过移动防洪墙的挡板体积铝合金和不锈钢的密度和相应挡板质量见表3。

表3 不同材料挡板重量

由表3可知，因为不锈钢的密度大约是铝合金密度的三倍，所以相同规模的移动防洪墙挡板，铝合金挡板的重量为6.37kg，而不锈钢挡板的重量为18.68kg，不锈钢挡板的重量大约为铝合金挡板重量的三倍。一根1.5m的挡板需要两位工人同时安装才能完成，根据计算的挡板重量，铝合金和不锈钢挡板都在正常重量之内，两名工人可以正常安装，没有造成较大的施工安装负担。

2.3.3 挡板的寿命周期成本分析

挡板的寿命周期成本应从挡板材料成本、挡板制造费用和挡板维修费用三个方面分析，挡板材料成本就是计算一块挡板所使用铝合金和不锈钢的费用，由于不同材料所使用的止水橡胶相同，所以橡胶条的费用可不参与分析。由此根据表3可计算挡板费用，见表4。

表4 不同材料挡板费用

由表4可知，从挡板材料成本角度考虑，不锈钢挡板的费用高于铝合金挡板的费用，多于铝合金费用的两倍。从挡板制造费用的角度分析，不锈钢的挡板制造费用要高于铝合金的挡板制造费用。从挡板维修方面分析，铝合金表面处理不好更容易氧化，所以要经常进行维修处理，不锈钢相对要好一点，所以铝合金的挡板维修费用要高于不锈钢的挡板维修费用。最后，从材料成本、制造费用、维修费用综合分析，铝合金的寿命周期成本要高于不锈钢的寿命周期成本。

2.3.4 耐腐蚀性评价

移动防洪墙挡板需要具有良好的耐腐蚀性。首先，对于不锈钢材料而言，暴露在空气中，其表面会形成一层紧贴而透明的钝化层[8]，可以防止不锈钢与大气进一步接触。对于铝合金材料而言，铝合金暴露在大气中，也会生成一层氧化膜，使得铝合金同样具有良好的耐腐蚀性。因此，在自然状态下，铝合金和不锈钢都具有良好的耐腐蚀性能，但对于移动防洪墙使用场景为洪水的特殊性，不锈钢的耐腐蚀性要比铝合金的耐腐蚀性好。

2.3.5 疲劳性能评价

作为城市基础设施工程，挡板应该具有较长的寿命。要达到长时间的使用寿命，挡板的疲劳性能是一个非常关键的因素。钢材料基本上都有持久疲劳极限，而部分铝合金则没有持久疲劳极限，只要循环次数增加，疲劳损伤就会一直累积[9]。同时，不锈钢的疲劳性能远远大于铝合金的疲劳性能，这是不锈钢挡板的优势之一。

2.3.6 挡板外观评价

移动防洪墙作为城市防洪防涝的基础设施，是城市建设中的一部分，展现着城市的市容市貌，所以挡板的外观也是挡板材料所需要考虑的因素之一。不锈钢优于铝合金的一个显著特点就是不锈钢易清洁。清理不锈钢表面时顺着不锈钢的纹路很容易将表面杂物清理下来，而铝合金表面容易留下痕迹，很难去除掉。而且不锈钢表面色泽光亮，铝合金表面较暗淡。所以，针对挡板外观的评价，不锈钢挡板优于铝合金挡板。

2.4 综合模糊评价

通过上述对移动防洪墙挡板的评价指标的分析，可以得到铝合金和不锈钢挡板的评价结果。由于各因素的影响评价难以得到定量值，只能做定性分析，故将移动防洪墙挡板评价指标体系中每个评价指标按对基础选型的影响程度分级。根据“高”、“一般”、“低”3个等级并根据结果赋予其[1，1]的数，写成矩阵形式，即评价矩阵R[10]。首先，对铝合金挡板和不锈钢挡板进行指标定性分析，结果见表5。

表5 移动防洪墙选材指标评价值选择

由表5每个评价指标对挡板材料选择的影响程度分级，并对其分级结果赋予[1，1]的数，写成矩阵形式，即评价矩阵R。将评价矩阵R与权重W代入公式（2）[11]，即得移动防洪墙挡板材料选择的综合评价结果。见表6。

表6 移动防洪墙挡板选材的预测结果

由表6计算结果可知，计算结果为-0.4978，0.5339。即挡板材料选择的优劣顺序为：不锈钢挡板、铝合金挡板。从有限元分析方面，不锈钢挡板的强度和刚度优于铝合金挡板，变形量比铝合金挡板小。对挡板重量而言，尽管不锈钢挡板是铝合金挡板的三倍，但对两名安装工人来说，不锈钢挡板的重量也在其承受范围之内，所以不锈钢挡板在轻量化分析方面，与铝合金挡板同样可行。其次，从寿命周期成本、耐腐蚀性、疲劳性能三方面，这三个因素与挡板的使用寿命、成本有很大关系，显然不锈钢挡板是优于铝合金挡板的。最后，从挡板外观上看，移动防洪墙建在地铁口、地下车库等人群密集的地方，它代表了一个城市的市容市貌。尽管不锈钢挡板和铝合金挡板都是金属的颜色，没有美丽的图案和颜色。但相对而言，不锈钢更易清洁，而铝合金脏物很难去除，所以不锈钢是优于铝合金的。

3 结束语

没有最好的材料，也没有最差的材料，性能符合要求的材料就是好材料[12]。本文对移动防洪墙挡板材料的选择进行了综合评价分析。从有限元应力、轻量化、寿命周期成本、耐腐蚀性、疲劳性能和外观六个指标分析不锈钢和铝合金两种挡板材料的实用性，建立了移动防洪墙挡板选材选择的模糊数学评价模型。通过数学计算，结果表明不锈钢材料更适合做移动防洪墙挡板材料，为实际工程运用提供技术支撑。最后根据移动防洪墙挡板选择的数学评价模型，也为适用于移动防洪墙新材料的发现提供了理论依据。