新型鋁合金防洪墻結構設計與可行性研究

武星亮，代英男，唐鴻洋，孫 巍，王東輝

(遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003)

0 前言

面對城市內澇的嚴峻挑戰，除合理設計城市排洪管網外[1-2]，防洪墻的建設對城市防洪也起著舉足輕重的作用[3]。

新型鋁合金防洪墻具有閑時充當路面，用時自啟動的特點。此外，組件設計采用鋁合金擠壓型材，具有比強度高、一體擠壓成型、安裝方便等優勢，同時鋁型材表面能夠自動生成氧化薄膜，避免洪水腐蝕，提高產品壽命[4-5]。

1 結構設計

1.1 斷面設計

為了滿足新型鋁合金防洪墻墻體的密封性能、強度、剛度和外觀質量的可行性，墻體采用鋁型材焊接而成，型材分別起到承重、提供浮力和密封型腔的作用。承重型材結構如圖1所示。兩端設計為插接結構，便于焊接，中間部分采用長方形腔體加豎向加強筋結構，在減重的同時提高型材的自身剛度。浮體型材斷面如圖2所示。較大的腔體使得型材的等效密度小于水的密度，從而提供較大的浮力。

圖1承重型材

圖2浮體型材

1.2 主體結構設計

新型鋁合金防洪墻主體結構由墻體承重層、浮體層、密封防水系統和支撐系統組成，防洪墻墻體先通過型材插接為一體，再焊接固定。墻體上浮后，拉桿提供反拉力，抵抗洪水對墻體的壓力。此外，防洪墻的墻體采用模塊化設計，降低施工難度，提高安裝效率，同時墻體模塊寬度方向調整范圍為1.2～2m，以便適應不同應用場景。圖3為墻體寬度等于1.2m時的三維數模。

圖3新型鋁合金防洪墻三維模型

2 結構靜力學分析

由于新型鋁合金防洪墻在非工作狀態時會承受汽車重力荷載的作用，故運用有限元分析軟件進行靜力學分析，以便校驗強度、剛度是否滿足要求。

該防洪墻靜力學分析的具體參數見表1。

表1靜力學分析具體參數

經參數定義后，通過有限元軟件模擬分析，得出如圖4、圖5的分析結果。從分析結果可以看出，墻體受到汽車重力荷載時，最大應力為81.26MPa，最大變形量為0.877mm。而墻體材料6061-T6的屈服強度為240MPa，焊接強度為110MPa，故在荷載作用下的應力遠小于材料屈服強度，且變形量在彈性變形范圍內。因此，新型鋁合金防洪墻的強度、剛度滿足設計要求。

圖4應力分析結果

圖5位移分析結果

3 運動分析

新型鋁合金防洪墻的運動分析主要研究隨著水位的上升，對防洪墻墻體的靜水壓力能否克服墻體重力，從而使墻體上浮的情況。采用實驗分析的研究方法，對防洪墻墻體角位移和水位高度進行實測，經數據擬合，最終輸出墻體角位移關于水位變化的曲線圖。具體的分析過程如下。

3.1 分析過程

在防洪墻旋轉中心安裝角位移傳感器，實驗水槽內安裝水位檢測傳感器，在水位上升過程中，分別對角位移和水位高度進行數據采集。

3.2 分析結果

數據采集后，經數據擬合，輸出結果（如圖6所示）。從分析結果可知，當水位達到70mm左右時，墻體開始上浮；當水位達到400mm左右時，墻體角位移達到最大值。由此可得，鋁合金防洪墻在靜水壓力作用下可自啟動。

圖6運動分析位移曲線

4 結論

本文運用三維設計軟件對新型鋁合金防洪墻的主體結構進行設計，并通過有限元分析軟件和實驗分析法完成主體結構的靜力學分析和運動分析。結果表明：在汽車重力荷載作用下墻體的應力為81.26MPa，遠小于墻體材料的屈服極限。現場測試結果顯示，當槽內水深達到70mm時，新型鋁合金防洪墻能夠在靜水壓力的作用下實現自啟動。因此，新型鋁合金防洪墻可以滿足使用要求，且設計方案可行。