水電站泄洪洞鋼模臺(tái)車門架三維有限元分析

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(中國(guó)電建集團(tuán) 貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

溪洛渡水電站右岸泄洪洞龍落尾邊墻鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)為全斷面臺(tái)車，采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，主要尺寸為14000 mm×13878 mm×9000 mm(寬×高×長(zhǎng))。底部設(shè)置八個(gè)滾輪用于臺(tái)車行走，軌距10000 mm，軌道為P50軌道，門距1.5～2 m布置10道橫向圍柃。在臺(tái)車中間層兩個(gè)提升井后各安裝一臺(tái)10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)，單臺(tái)自重約3 t。為了校核門架的安全性，了解門架的受力情況，需對(duì)門架進(jìn)行三維有限元分析，計(jì)算門架的靜應(yīng)力和變形特性。

通常鋼結(jié)構(gòu)有限元分析平臺(tái)以ANSYS和ABAQUS等為主，采用二維有限元分析，分析單元基本上為梁?jiǎn)卧⒐軉卧蜌卧猍1-3]。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，采用實(shí)體單元對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析已能夠滿足計(jì)算精度的要求，同時(shí)基本上不需對(duì)原始模型做較大的簡(jiǎn)化[4-5]。由于CATIA軟件具有強(qiáng)大的建模功能，而鋼結(jié)構(gòu)往往僅作線彈性分析就能滿足要求，普通有限元軟件均能滿足計(jì)算分析的精度要求。因此，本文基于CATIA平臺(tái)，對(duì)臺(tái)車門架進(jìn)行三維有限元分析，模型基本不做簡(jiǎn)化處理。

1 荷載計(jì)算

1.1 模板側(cè)壓力計(jì)算

按照《建筑工程大模板技術(shù)規(guī)程》JGJ74-2003、J270-2003，計(jì)算模板側(cè)壓力設(shè)計(jì)值為：

當(dāng)H≤2.147m時(shí)，P=8.4+28.8H(kN/m2)

當(dāng)H>2.147m時(shí)，P=61.828 kN/m2

模板荷載分布如圖1。

圖1 模板側(cè)壓力沿高度方向分布圖

1.2 門架荷載計(jì)算

在澆筑混凝土工況下，門架所受的荷載有：模板側(cè)壓力作用在門架支點(diǎn)上的荷載、模板重力作用在門架上的荷載、混凝土提升機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的荷載以及門架自重。

1)模板側(cè)壓力作用在門架支點(diǎn)上的荷載

門架兩側(cè)立柱支點(diǎn)承受模板荷載的寬度為1.35 m，根據(jù)公式R=pS(其中p為荷載密度，S為面積)，各支點(diǎn)(從上向下)荷載計(jì)算結(jié)果為：

R1側(cè)=127.259 kN，R2側(cè)=141.987 kN，

R3側(cè)=123.195 kN，R4側(cè)=110.708 kN，

R5側(cè)=131.589 kN，R6側(cè)=146.163 kN，

R7側(cè)=135.723 kN，R8側(cè)=85.693 kN。

門架中間(縱向3排)立柱支點(diǎn)承受模板荷載的寬度為立柱間距2.1 m，各支點(diǎn)(從上向下)荷載計(jì)算結(jié)果為：

R1中=197.965 kN，R2中=220.869 kN，

R3中=191.636 kN，R4中=172.213 kN，

R5中=204.693 kN，R6中=227.365 kN，

R7中=211.125 kN，R8中=133.30 kN。

2)模板重力作用在門架上的荷載

模板總重G=23789.78 kg，根據(jù)公式R側(cè)=Ggl/L(其中g(shù)為重力加速度，l為門架支承點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模板寬度，L為模板總寬度)，門架兩側(cè)支承點(diǎn)承擔(dān)的荷載均為：R側(cè)=34971 N。

門架中部三個(gè)支承點(diǎn)承擔(dān)的荷載均為：R中=54399 N。

3)混凝土提升機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的荷載

門架除了承受模板支點(diǎn)荷載外，還承擔(dān)提升混凝土的荷載，單套提升機(jī)構(gòu)的提升荷載約為6 t。牽引機(jī)構(gòu)通過(guò)門架上的兩個(gè)定滑輪提升混凝土，單個(gè)定滑輪的支反力約為58.8 kN。牽引機(jī)構(gòu)卷?yè)P(yáng)機(jī)自重3 t，其支座承擔(dān)的荷載為29.4 kN，方向豎直向上。門架上共有兩套提升機(jī)構(gòu)。

2 三維有限元分析

在澆筑混凝土工況下，門架所受約束：門架縱梁下翼緣兩端Ux=0、Uy=0、Uz=0、Rzx=0、Rzy=0，門架縱梁下翼緣下部立柱處Uy=0，門架所受的荷載和約束如圖2所示。門架采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，包含1122841個(gè)節(jié)點(diǎn)、3188862個(gè)單元。對(duì)門架施加相應(yīng)邊界條件后，運(yùn)用CATIA軟件有限元分析模塊進(jìn)行三維有限元分析，得出了門架受力變形情況。

圖2 澆筑工況下門架模型

門架的米塞斯等效應(yīng)力分布如圖3，絕大部分等效應(yīng)力小于44.7 MPa，局部達(dá)到74.5 MPa，其中上部立柱的上部、上部橫梁兩端以及混凝土提升機(jī)構(gòu)提升梁受力較大，其余部分受力均很小。門架的主應(yīng)力分布如圖4，絕大部分主應(yīng)力小于33.7 MPa，局部達(dá)到75.2 MPa，其中上部立柱的上部、上部橫梁兩端以及混凝土提升機(jī)構(gòu)提升梁受力相對(duì)較大，其余部分受力均很小。門架的變形較小，如圖5，最大變形僅1.98 mm，位于上部橫梁兩端。門架局部誤差評(píng)估如圖6，局部誤差較小。因此，在澆筑混凝土工況下，門架的受力變形情況良好，是安全的。

圖3 澆筑工況下門架等效應(yīng)力 圖4 澆筑工況下門架主應(yīng)力

圖5 澆筑工況下門架變形 圖6 澆筑工況下門架局部誤差評(píng)估

3 結(jié)論

運(yùn)用CATIA軟件有限元分析模塊對(duì)溪洛渡水電站右岸龍落尾邊墻鋼模臺(tái)車的門架進(jìn)行三維有限元分析，根據(jù)門架的受力和變形情況，得出了如下結(jié)論：

在澆筑混凝土工況下，門架的米塞斯等效應(yīng)力和主應(yīng)力均較小，其中上部立柱的上部、上部橫梁兩端以及混凝土提升機(jī)構(gòu)提升梁受力稍大，其余部分受力均很小。門架的變形較小，最大變形僅1.98 mm，位于上部橫梁兩端。因此，在澆筑混凝土工況下，門架的受力變形情況良好，是安全的。