螺山泵站流道異型木模板支撐設(shè)計(jì)研究

黃 露 李建林 黃正東

(湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430056)

在大型泵站施工中，流道為大體積、變截面的異型混凝土復(fù)雜結(jié)構(gòu)。由于模板材質(zhì)、模板工藝和立模技術(shù)等原因，施工中易出現(xiàn)混凝土斷面尺寸偏差大、錯(cuò)臺(tái)、平整度差等質(zhì)量問題，將對(duì)水泵安裝和運(yùn)行產(chǎn)生顯著影響。

泵站進(jìn)水流道模板數(shù)量大，若采用傳統(tǒng)廠家訂制鋼模板，一次性成本大，且不可重復(fù)利用，制作周期長。因此，泵站工程進(jìn)水流道可以采用木?，F(xiàn)場(chǎng)拼接組裝，然后利用起重設(shè)備配合人工進(jìn)行吊裝施工[1]。

木模板布置方案中對(duì)其模板壓力的計(jì)算是關(guān)鍵步驟。大型泵站進(jìn)出水流道異型木模板體積大，自重大，形狀復(fù)雜，內(nèi)部支撐構(gòu)造復(fù)雜，普通的材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析手段非常難以將該模板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、變形情況分析清楚，因此需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析，從而對(duì)該模板結(jié)構(gòu)中的模板外殼以及支撐的應(yīng)力、應(yīng)變情況有更準(zhǔn)確的了解，也對(duì)今后類似模板及其內(nèi)部支撐設(shè)計(jì)提供一些有效的參考。

1 工程概況

螺山泵站增容工程建設(shè)內(nèi)容為：拆除老泵站，新建進(jìn)水前池、主泵房、安裝間、副廠房、兩岸連接建筑物、進(jìn)出口翼墻、出水池、出水渠、工程管理設(shè)施等，重建螺山交通橋。新建泵站規(guī)模：6臺(tái)×7.4m(每孔凈寬)×5m(孔高)，總設(shè)計(jì)流量198m3/s。螺山泵站進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)型式為肘形，三聯(lián)六孔，每孔中間采用中隔墩分流。進(jìn)口底板高程為13.2m，頂板高程為20.3m，尾部高程為16.725m。10-10～16-16斷面為直線段，0-0～10-10斷面為肘形段，方變圓臨界斷面為13-13。螺山泵站流道側(cè)視圖如圖1所示。

圖1 螺山泵站流道側(cè)視

各斷面流道設(shè)計(jì)參數(shù)表見表1。

表1 肘形進(jìn)水流道設(shè)計(jì)參數(shù)

模板制作過程如下：根據(jù)流道斷面圖，繪制各個(gè)斷面構(gòu)件圖，按構(gòu)件圖下料。構(gòu)件材料如下：內(nèi)支撐(圖2中構(gòu)件2、4、6)采用4cm×8cm矩形截面松木；直線段排架、圓弧段排架(圖2中構(gòu)件1、3、5)采用4cm厚松木板；面板采用2.5cm厚松木板。

圖2 流道斷面構(gòu)件(第1斷面)

根據(jù)流道中心截面單線圖，在水平地面上按1 ∶1比例加密放樣流道曲線。根據(jù)流道放樣曲線，將φ18圓鋼按流道曲線彎制成型，利用鋼筋按流道模板樣架示意圖焊接加固，形成穩(wěn)定的流道上彎段和下彎段樣架。采用φ50鋼管搭設(shè)腳手架，作為樣架固定及流道整體平整的結(jié)構(gòu)支撐架。樣架安裝采用經(jīng)緯儀測(cè)量校核，保證流道排架安裝的精度。

整體拼裝從進(jìn)水側(cè)開始，根據(jù)樣架和排架上的定位點(diǎn)，逐榀拼接排架，連系件采用4cm×8cm松木，拼接節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)板連接。排架拼裝完成后，拼裝松木面板，面板與排架采用圓釘連接。

用刮刀將調(diào)配均勻的原子灰涂刮在流道木模面板間隙和明顯凹陷部位表面。刮灰后2～3h干磨，打磨好后除掉表面灰塵。最后采用塔吊將流道木模整體安裝就位(見圖3)。

圖3 異型流道木模塔吊整體安裝

2 模板結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 有限元建模

有限元建模時(shí)，對(duì)模板主體部分均采用三維殼體單元shell181。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)中，每個(gè)截面沿模板殼體一周的弧形支撐由于其高度是個(gè)變化值，采用梁單元時(shí)梁的高度不好準(zhǔn)確地模擬，所以也采用三維殼體單元shell181，其他撐桿均采用beam188，支撐鋼筋均采用三維桿單元link8。

本次有限元模型的建立充分利用了ANSYS軟件自帶的APDL語言，可實(shí)現(xiàn)完全參數(shù)化三維有限元建模，使得模型可適用于某一種支承結(jié)構(gòu)全部可能的尺寸形式，做到了在更改方案時(shí)無須重新建模，大大提高了有限元模型的效率。

異型模板的整體及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。典型斷面內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)及有限元網(wǎng)格如圖5所示。

圖4 模板有限元網(wǎng)格

圖5 典型斷面內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)及有限元網(wǎng)格

2.2 計(jì)算工況及材料參數(shù)

根據(jù)該泵站施工過程，進(jìn)水流道的混凝土澆筑模板需要在工地現(xiàn)場(chǎng)制作，然后由吊車采用吊帶捆扎后安放到指定位置(見圖3)。為了保證吊裝過程中的結(jié)構(gòu)安全，需要計(jì)算吊裝過程中結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力情況；考慮到混凝土的澆筑速度和初凝時(shí)間，按照模板受側(cè)壓力及豎向壓力的較不利情況，對(duì)混凝土澆筑到三個(gè)不同高程時(shí)的模板支撐應(yīng)力進(jìn)行了分析：?混凝土澆筑到高程14.276m處；?混凝土澆筑到高程16.000m處；?混凝土澆筑到高程16.725m處。

綜上所述，本次三維有限元分析的計(jì)算工況與荷載組合見表2。

表2 計(jì)算工況與荷載組合

模板體系的自重，由有限元軟件根據(jù)材料密度自行計(jì)算而得。

工況二至工況四均為澆筑混凝土工況，整個(gè)模板結(jié)構(gòu)位于高程12.276～16.725m之間。在各自澆筑高程下部從壓力荷載梯度值12.03 kN/m2遞減至0，在此高程上部，從壓力荷載梯度值23.88 kN/m2遞減至0。

本次計(jì)算中，共涉及3種材料，即制作模板和撐桿采用的松木木材、鋼筋和合成纖維吊繩。模板采用2.5cm厚松木，由三維殼體單元shell181模擬；沿內(nèi)部周邊的弧形支撐采用3cm厚松木，也用三維殼體單元shell181來模擬；三維殼體單元shell181均用實(shí)常數(shù)模擬板厚；內(nèi)部撐桿采用4cm×8cm木方，采用beam188模擬。各材料力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 材料力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

由于外部模板為三維殼體單元shell181，可通過模板的各工況的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力云圖，考察其最大和最小主應(yīng)力的大小和方位，判斷模板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求；通過各工況下模板的合位移云圖，考察其最大變形的位置和大小，從而判斷模板結(jié)構(gòu)的剛度是否滿足要求。

對(duì)于內(nèi)部支撐桿，由于采用三維梁單元beam188來模擬，因此在有限元后處理中，考察各梁單元的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，以及由軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力組合而得到的梁截面沿軸向的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力。在此需要說明的是，最大應(yīng)力=軸向應(yīng)力+彎曲應(yīng)力，最小應(yīng)力=軸向應(yīng)力-彎曲應(yīng)力，此應(yīng)力組合可以表示出沿?fù)螚U軸向的極值應(yīng)力，最大應(yīng)力和最小應(yīng)力中有一個(gè)是極大值，另一個(gè)則是極小值，但最大應(yīng)力未必一定大于最小應(yīng)力。在下面分析中，只采用兩個(gè)極值中的大值。

各工況模板應(yīng)力、位移見表4。各工況模板的內(nèi)部支撐桿件極值應(yīng)力見表5。工況一與工況四計(jì)算結(jié)果云圖如圖6、圖7所示。

圖6 工況一計(jì)算結(jié)果云圖

圖7 工況四計(jì)算結(jié)果云圖

表4 各工況模板應(yīng)力、位移

續(xù)表

表5 各工況模板的內(nèi)部支撐桿件極值應(yīng)力 單位：MPa

續(xù)表

a.吊裝工況中，無論是模板還是內(nèi)部支撐，其應(yīng)力值均不大，模板的變形也很小，完全滿足強(qiáng)度和剛度要求。

b.在混凝土澆筑到三個(gè)不同高程的工況中，模板中出現(xiàn)的最大主拉應(yīng)力值為14.1MPa，最大主壓應(yīng)力值為17.8MPa，最大Mises應(yīng)力值為17.3MPa。內(nèi)部支撐桿的最大極值應(yīng)力為8.08MPa(壓應(yīng)力)。三個(gè)工況中的最大合位移僅為4.45mm。模板中的極值應(yīng)力部位有很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其他部位的應(yīng)力值相對(duì)要小得多，因此顯然是滿足材料的強(qiáng)度和剛度要求的。

3 模板支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化有限元分析

3.1 支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化及建模

由上節(jié)可知，0-0斷面至5-5斷面的各種應(yīng)力極值均較小，留有很大的裕度，故對(duì)斷面2-2、3-3、4-4、5-5進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，減少其內(nèi)部支撐(2-2和3-3斷面減少四角斜支撐1個(gè)、4-4斷面減少上下部豎支撐1個(gè)、5-5斷面減少豎支撐1個(gè))。優(yōu)化后各斷面內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)及有限元網(wǎng)格如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后各斷面內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)及有限元網(wǎng)格

計(jì)算工況與荷載組合及材料力學(xué)參數(shù)與前述方案相同。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各工況模板應(yīng)力、位移見表6。各工況模板的內(nèi)部支撐桿件極值應(yīng)力見表7。工況四計(jì)算結(jié)果云圖如圖9所示。

表7 支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化后典型斷面板的內(nèi)部支撐桿件極值應(yīng)力 單位：MPa

續(xù)表

圖9 支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化后工況四計(jì)算結(jié)果云圖

表6 支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各工況模板應(yīng)力、位移

a.吊裝工況中，無論是模板還是內(nèi)部支撐，其應(yīng)力值均不大，模板的變形也很小，完全滿足強(qiáng)度和剛度要求。

b.在混凝土澆筑到三個(gè)不同高程的工況中，模板中出現(xiàn)的最大主拉應(yīng)力值為14.1MPa，最大主壓應(yīng)力值為17.9MPa，最大Mises應(yīng)力值為17.3MPa。內(nèi)部支撐桿的最大極值應(yīng)力為8.08MPa(壓應(yīng)力)。三個(gè)工況中的最大合位移僅為4.45mm。模板中的極值應(yīng)力部位有很明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其他部位的應(yīng)力值相對(duì)要小得多，因此顯然是滿足材料的強(qiáng)度和剛度要求的。

c.與結(jié)構(gòu)改良前相比，整體應(yīng)力情況變化不大，局部應(yīng)力也未出現(xiàn)激增的情況，故結(jié)構(gòu)改良較為合理。

4 結(jié) 論

a.利用有限元分析方法，可以準(zhǔn)確了解泵站進(jìn)出水流道異型木模板結(jié)構(gòu)中的模板外殼以及支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

b.木模板原設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)下，無論是模板還是內(nèi)部支撐，其應(yīng)力值均不大，模板的變形也很小，模板中的極值應(yīng)力部位有很明顯的應(yīng)力集中 現(xiàn)象，其他部位的應(yīng)力值相對(duì)要小得多，完全滿足強(qiáng)度和剛度要求。

c.與結(jié)構(gòu)改良前相比，整體應(yīng)力情況變化不大，局部應(yīng)力也未出現(xiàn)激增的情況，故結(jié)構(gòu)改良較為合理。