水工模型鋼結(jié)構(gòu)框架的制作安裝與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

尹 輝，耿凡坤，李江峰，戚印鑫

（新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049）

0 引言

水工模型試驗(yàn)是依據(jù)相似原理，將建筑物的設(shè)計(jì)成果按比例縮小制作成模型，模擬原型中的自然狀況。通過(guò)觀測(cè)其試驗(yàn)時(shí)的水力現(xiàn)象，取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按一定的相似準(zhǔn)則引申于原型，作出合理的判斷。

水工模型試驗(yàn)的主要目的是論證設(shè)計(jì)中建筑物的安全性和合理性，模型的制作是順利完成水工模型試驗(yàn)的開(kāi)端和關(guān)鍵[1]。

目前，水工模型的制作，多數(shù)仍采用磚混砌筑與板材粘接的方法。該方法制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，參數(shù)控制精度相對(duì)較難；模型制作成型后一旦出現(xiàn)問(wèn)題，往往只能采取局部拆除修正或重做，造成材料浪費(fèi)。鋼材應(yīng)用于工程中已有百余年[2]，因其性能優(yōu)良，在建筑領(lǐng)域越來(lái)越被重視和廣泛應(yīng)用[3]。鋼材強(qiáng)度和彈性模量高，與混凝土等傳統(tǒng)建筑材料相比，其屈服強(qiáng)度與密度比值相對(duì)較高[4]。鋼構(gòu)件因其重量輕、易成型和成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中的應(yīng)用比例日益增加[5]。依據(jù)長(zhǎng)期的工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鋼結(jié)構(gòu)框架與板材組合制作水工模型的方法應(yīng)運(yùn)而生。該方法有效地解決了模型制作安裝的精度控制問(wèn)題；可適度進(jìn)行模型組件的單件標(biāo)準(zhǔn)化及簡(jiǎn)單模塊化制作，使材料可以重復(fù)利用，從而節(jié)約成本。

某課題旨在研究水工建筑物中防沖槽的布置方式、拋填卵石粒徑對(duì)其消能效果的影響，研究方式為有針對(duì)性地設(shè)定來(lái)流條件和工程狀況，通過(guò)合理的模型試驗(yàn)得出結(jié)論。為便于觀測(cè)、取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)成果，試驗(yàn)用模型主體設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)框架加裝有機(jī)玻璃板。模型鋼結(jié)構(gòu)制作圖見(jiàn)圖1。

本文結(jié)合該課題模型制作情況，著重介紹采用鋼結(jié)構(gòu)框架與板材組合制作水工模型的施工方法和工藝要求以及應(yīng)用意義。

圖1 某課題模型鋼結(jié)構(gòu)圖

1 水工模型制作安裝的新思路及其特點(diǎn)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有靈活便捷、環(huán)保節(jié)約等特點(diǎn)，當(dāng)下被廣泛使用。將其運(yùn)用到水工模型制作中，可以提高模型制作精度與速度，減少材料能源浪費(fèi)，降低成本。

（1）通過(guò)構(gòu)件組合調(diào)節(jié)，加快模型制作速度，提高模型制作精度。

（2）最大限度地提高模型建筑材料的重復(fù)使用率，節(jié)約成本。

（3）主要特點(diǎn)：①采用雙層鋼結(jié)構(gòu)支撐模式，可以進(jìn)行模型的高程、坡度、寬度及垂度的調(diào)整，使模型制作更靈便精準(zhǔn)，從而保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。②可以適度對(duì)模型組件進(jìn)行單件標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單模塊化制作，使其能夠重復(fù)使用。③可以減少因模型修改而產(chǎn)生的材料、人工等費(fèi)用，在一定程度上降低模型制作成本。

2 模型的鋼結(jié)構(gòu)框架基本結(jié)構(gòu)

（1）平坡（i=0）模型平面基礎(chǔ)層

①基礎(chǔ)層

采用槽鋼或角鋼。根據(jù)模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼水平放置，且平面向上；基礎(chǔ)層與地面結(jié)合牢固。其目的是為模型可調(diào)層，提供一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)平臺(tái)。

②可調(diào)層

采用槽鋼或角鋼。根據(jù)模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼水平放置，且平面與模型板材平面平行；可調(diào)層與基礎(chǔ)層之間，采用螺旋可調(diào)件連接且結(jié)合牢固。其目的是為模型制作定型提供一個(gè)可調(diào)、穩(wěn)定、高精度的可靠平面。

（2）斜坡（i=α）模型斜坡基礎(chǔ)層

①基礎(chǔ)層

采用槽鋼或角鋼。根據(jù)模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼水平放置，且平面向上；隨著坡度的變化，型鋼呈臺(tái)階型分布，基礎(chǔ)層與地面結(jié)合牢固。其目的是為模型可調(diào)層提供一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)平臺(tái)。

②可調(diào)層

采用槽鋼或角鋼。根據(jù)模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼平面與模型板材坡面平行；可調(diào)層與基礎(chǔ)層之間采用螺旋可調(diào)件連接且結(jié)合牢固。其目的是為模型制作定型提供一個(gè)可調(diào)、穩(wěn)定、高精度的可靠平面。

（3）側(cè)墻（i=0～α）模型側(cè)墻基礎(chǔ)層

①基礎(chǔ)層

采用槽鋼或角鋼。根據(jù)模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼水平面朝向外側(cè)，底部采用萬(wàn)向節(jié)與平坡（i=0）模型基礎(chǔ)層或斜坡（i=α）模型基礎(chǔ)層連接，上部與側(cè)面采用限位桿連接，形成一個(gè)牢固穩(wěn)定的基礎(chǔ)工作面。其目的是為模型可調(diào)層提供一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)平臺(tái)。

②可調(diào)層

采用槽鋼或角鋼。根據(jù)模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；可調(diào)層位于側(cè)墻基礎(chǔ)層的內(nèi)側(cè)，與側(cè)墻基礎(chǔ)層之間采用螺旋可調(diào)件連接且結(jié)合牢固。其目的是為模型制作定型提供一個(gè)可調(diào)、穩(wěn)定、高精度的可靠平面。

3 鋼結(jié)構(gòu)的模型制作

3.1 焊接材料

模型基礎(chǔ)層以槽鋼為主。根據(jù)模型荷載情況確定其型號(hào)。要求型鋼平面面向可調(diào)層。基礎(chǔ)層與地面或斜肋是相互牢固結(jié)合的整體，為模型搭建提供一個(gè)穩(wěn)定的具有安裝可調(diào)構(gòu)件的基面。

可調(diào)層多選用角鋼：便于平面調(diào)節(jié)，且抗變形能力較好。要求角鋼的一個(gè)平面面向模型主板，為其提供穩(wěn)定的安裝平面，另一個(gè)平面需保障有操作空間?？烧{(diào)層與基礎(chǔ)層之間用螺旋可調(diào)件牢固連接，其目的是為模型板材安裝提供一個(gè)穩(wěn)定、可調(diào)、高精度的可靠平面。

3.2 下料及焊接精度

鋼材在局部承載時(shí)，具有一定的抗變形能力。各環(huán)節(jié)制作控制精度依設(shè)計(jì)尺寸選擇如下：

（1）下料精度控制

①基礎(chǔ)層

單元單根下料長(zhǎng)度誤差：1 mm～2 mm；組合后總長(zhǎng)度誤差：2 mm～5 mm；

②可調(diào)層

單元單根下料長(zhǎng)度誤差：-1 mm～-2 mm；組合后總長(zhǎng)度誤差：-2 mm～-5 mm。

（2）焊接精度控制

①基礎(chǔ)層

焊接單元整體控制精度：?jiǎn)卧矫娌黄秸刃∮?mm；平面距離（長(zhǎng)度）滿(mǎn)足3 mm～5 mm。

②可調(diào)層

焊接單元整體控制精度[6]：焊接完成并經(jīng)過(guò)打磨處理后的單元平面不平整度小于0.2 mm；有封閉尺寸要求的平面距離（長(zhǎng)度）滿(mǎn)足-2 mm～-3 mm；無(wú)封閉尺寸要求的平面距離（長(zhǎng)度）滿(mǎn)足1 mm～5 mm。

3.3 焊接變形

焊接時(shí)，焊接應(yīng)力變形是無(wú)法完全克服的，若采取措施，可將其降到最小。

（1）基礎(chǔ)層焊接

單個(gè)焊接件，采取先兩端后中間，先點(diǎn)焊后滿(mǎn)焊的工序進(jìn)行作業(yè)；在進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，同一焊口，連續(xù)焊接時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)[7]。

（2）可調(diào)層焊接

同基礎(chǔ)層焊接法。若變形仍然難以滿(mǎn)足要求，可根據(jù)模型單元平面尺寸，采用型鋼焊接專(zhuān)用夾具先定位后再焊接。

4 鋼結(jié)構(gòu)框架模型的安裝

（1）基礎(chǔ)層與地面之間的連接

采用有插筋焊接限位及無(wú)插筋焊接支撐[8]。要求基礎(chǔ)層與地面連接牢固，滿(mǎn)足試驗(yàn)動(dòng)、靜荷載要求。定型后的基礎(chǔ)層，單元平面不平整度小于10 mm；平面距離（長(zhǎng)度）滿(mǎn)足2 mm～5 mm。

（2）可調(diào)層與基礎(chǔ)層之間的連接

采用螺栓進(jìn)行連接，其目的是實(shí)現(xiàn)層面的可調(diào)性。要求可調(diào)層與基礎(chǔ)層連接牢固，滿(mǎn)足試驗(yàn)動(dòng)、靜荷載要求。經(jīng)連接螺栓調(diào)整定型后的可調(diào)層，單元平面不平整度小于0.2 mm；平面距離（長(zhǎng)度）滿(mǎn)足-2 mm～-5 mm。

有封閉尺寸要求的平面距離滿(mǎn)足-2 mm～-3 mm。

無(wú)封閉尺寸要求的平面距離（長(zhǎng)度）滿(mǎn)足1 mm～5 mm。

（3）可調(diào)層的可調(diào)間距

是指可調(diào)層與基礎(chǔ)層之間的調(diào)整間距?；A(chǔ)層是固定的，可調(diào)層是單元自由面。模型主板安裝于可調(diào)層上，并經(jīng)過(guò)加固、修正、整平后，確保安裝單元板面不平整度（最大凸凹間隙）小于0.2 mm。然后，再確定可調(diào)層的可調(diào)間距。為了控制模型單元安裝定位精度、保證整體精度，一般選取可調(diào)間距為±150 mm。

（4）擋水板材的安裝

①底板安裝

底板安裝在可調(diào)層上，采用螺栓連接固定在模型外邊緣，且不影響側(cè)板安裝。

整體安裝精度：平面不平整度小于0.2 mm；平面距離（長(zhǎng)度）滿(mǎn)足±3 mm。

②側(cè)板安裝

調(diào)節(jié)可調(diào)層至滿(mǎn)足安裝側(cè)板要求，再依據(jù)設(shè)計(jì)在底板上精確定位，最后將側(cè)板用粘（焊）接法連接固定。

先用點(diǎn)焊或點(diǎn)粘進(jìn)行側(cè)板與底板之間的定位連接，然后點(diǎn)粘或點(diǎn)焊連接側(cè)板的側(cè)向縫。調(diào)節(jié)可調(diào)層并固定，再進(jìn)行連續(xù)粘（焊）接。

整體安裝精度：平面不平整度小于0.2 mm；平面距離（長(zhǎng)度）滿(mǎn)足±2 mm。

③隔板安裝

如果模型存在隔板，需完成底板、側(cè)板安裝后，方可進(jìn)行隔板安裝。

整體安裝精度：平面不平整度小于0.2 mm；平面距離（長(zhǎng)度）滿(mǎn)足±1 mm。

5 鋼結(jié)構(gòu)框架模型的優(yōu)勢(shì)

（1）制作安裝精度高

鋼結(jié)構(gòu)框架制作精度比磚混結(jié)構(gòu)好控制，無(wú)論是平整度、弧度、平面長(zhǎng)度，其制作精度都相對(duì)較高。

水工模型制作與安裝誤差條件為：（1）建筑物模型高程允許誤差為±0.3 mm[9]；（2）建筑物模型平面距離允許誤差為±10 mm[10]。

鋼結(jié)構(gòu)框架采用了可調(diào)裝置，使建筑物模型高程誤差精度能達(dá)到±0.15 mm；安裝板材后，其平面距離允許誤差可控制在±3 mm 以?xún)?nèi)同時(shí)平面不平整度小于0.15 mm。

（2）可以適度實(shí)現(xiàn)單件標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單模塊化

可以根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某Ｒ?guī)需求，將鋼結(jié)構(gòu)框架的組件制作成系列尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件；由這些標(biāo)準(zhǔn)件組成常用的簡(jiǎn)單模塊單元，如底部基礎(chǔ)支架、側(cè)板限位裝置、鉸鏈結(jié)構(gòu)等，方便模型制作。

（3）適應(yīng)環(huán)境性強(qiáng)

磚混結(jié)構(gòu)制模，對(duì)環(huán)境有一定的要求。如：模型位置的地面須干燥、環(huán)境溫度不宜過(guò)低等。而鋼結(jié)構(gòu)框架可事先在車(chē)間加工好單元組件，再運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，其過(guò)程基本不受場(chǎng)地環(huán)境的限制，適應(yīng)性較強(qiáng)。

（4）節(jié)約成本，降低費(fèi)用

磚混結(jié)構(gòu)制作的模型，在試驗(yàn)結(jié)束后會(huì)全部拆除，其中絕大多數(shù)成為建筑垃圾，可回收利用價(jià)值不超過(guò)0.05%。而建筑垃圾的清運(yùn)不僅不利于環(huán)保，還增加了成本。鋼結(jié)構(gòu)框架的組件可重復(fù)利用。按照鋼材回收價(jià)格和回收利用率初步測(cè)算，回收價(jià)值占比可達(dá)45%，且基本不產(chǎn)生建筑垃圾。

（5）鋼結(jié)構(gòu)框架與板材組合的模型制作方法，對(duì)于局部模型或斷面模型試驗(yàn)，特別是標(biāo)準(zhǔn)斷面模型試驗(yàn)，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用；對(duì)需要模擬河道地形的整體水工模型試驗(yàn)，可先使用標(biāo)準(zhǔn)組件拼裝成整體構(gòu)件制成定床，再加裝適當(dāng)板材制作成所需模型。因此，采用鋼結(jié)構(gòu)框架與板材組合制作水工模型是一種既精準(zhǔn)便捷又經(jīng)濟(jì)有效的方法。某課題鋼結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

圖2 某課題鋼結(jié)構(gòu)模型

6 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，水工模型試驗(yàn)的模型制作，絕大多數(shù)采用磚混砌筑與板材粘接的方法。磚混結(jié)構(gòu)材料雖然單次成本較低，但在模型制作和成本控制上要求較高，如須由多種專(zhuān)業(yè)人員來(lái)制作模型，修改時(shí)增加費(fèi)用等。而采用鋼結(jié)構(gòu)框架與板材組合，模型制作會(huì)相對(duì)便捷，既能保證精度，又能節(jié)約時(shí)間和成本，即使是一般實(shí)驗(yàn)員，也可以很快學(xué)會(huì)安裝。因此，將鋼結(jié)構(gòu)框架應(yīng)用于水工模型制作過(guò)程可予以推廣。