新型铝合金防洪墙结构设计与可行性研究

武星亮，代英男，唐鸿洋，孙 巍，王东辉

(辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003)

0 前言

面对城市内涝的严峻挑战，除合理设计城市排洪管网外[1-2]，防洪墙的建设对城市防洪也起着举足轻重的作用[3]。

新型铝合金防洪墙具有闲时充当路面，用时自启动的特点。此外，组件设计采用铝合金挤压型材，具有比强度高、一体挤压成型、安装方便等优势，同时铝型材表面能够自动生成氧化薄膜，避免洪水腐蚀，提高产品寿命[4-5]。

1 结构设计

1.1 断面设计

为了满足新型铝合金防洪墙墙体的密封性能、强度、刚度和外观质量的可行性，墙体采用铝型材焊接而成，型材分别起到承重、提供浮力和密封型腔的作用。承重型材结构如图1所示。两端设计为插接结构，便于焊接，中间部分采用长方形腔体加竖向加强筋结构，在减重的同时提高型材的自身刚度。浮体型材断面如图2所示。较大的腔体使得型材的等效密度小于水的密度，从而提供较大的浮力。

图1承重型材

图2浮体型材

1.2 主体结构设计

新型铝合金防洪墙主体结构由墙体承重层、浮体层、密封防水系统和支撑系统组成，防洪墙墙体先通过型材插接为一体，再焊接固定。墙体上浮后，拉杆提供反拉力，抵抗洪水对墙体的压力。此外，防洪墙的墙体采用模块化设计，降低施工难度，提高安装效率，同时墙体模块宽度方向调整范围为1.2～2m，以便适应不同应用场景。图3为墙体宽度等于1.2m时的三维数模。

图3新型铝合金防洪墙三维模型

2 结构静力学分析

由于新型铝合金防洪墙在非工作状态时会承受汽车重力荷载的作用，故运用有限元分析软件进行静力学分析，以便校验强度、刚度是否满足要求。

该防洪墙静力学分析的具体参数见表1。

表1静力学分析具体参数

经参数定义后，通过有限元软件模拟分析，得出如图4、图5的分析结果。从分析结果可以看出，墙体受到汽车重力荷载时，最大应力为81.26MPa，最大变形量为0.877mm。而墙体材料6061-T6的屈服强度为240MPa，焊接强度为110MPa，故在荷载作用下的应力远小于材料屈服强度，且变形量在弹性变形范围内。因此，新型铝合金防洪墙的强度、刚度满足设计要求。

图4应力分析结果

图5位移分析结果

3 运动分析

新型铝合金防洪墙的运动分析主要研究随着水位的上升，对防洪墙墙体的静水压力能否克服墙体重力，从而使墙体上浮的情况。采用实验分析的研究方法，对防洪墙墙体角位移和水位高度进行实测，经数据拟合，最终输出墙体角位移关于水位变化的曲线图。具体的分析过程如下。

3.1 分析过程

在防洪墙旋转中心安装角位移传感器，实验水槽内安装水位检测传感器，在水位上升过程中，分别对角位移和水位高度进行数据采集。

3.2 分析结果

数据采集后，经数据拟合，输出结果（如图6所示）。从分析结果可知，当水位达到70mm左右时，墙体开始上浮；当水位达到400mm左右时，墙体角位移达到最大值。由此可得，铝合金防洪墙在静水压力作用下可自启动。

图6运动分析位移曲线

4 结论

本文运用三维设计软件对新型铝合金防洪墙的主体结构进行设计，并通过有限元分析软件和实验分析法完成主体结构的静力学分析和运动分析。结果表明：在汽车重力荷载作用下墙体的应力为81.26MPa，远小于墙体材料的屈服极限。现场测试结果显示，当槽内水深达到70mm时，新型铝合金防洪墙能够在静水压力的作用下实现自启动。因此，新型铝合金防洪墙可以满足使用要求，且设计方案可行。