魯思遠(yuǎn),龍 偉,管志保
(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,貴陽 550002)
在傳統(tǒng)水利工程中,基本是以二維方式進(jìn)行繪圖設(shè)計(jì),三維設(shè)計(jì)多用于效果演示或工程量的計(jì)算。在標(biāo)準(zhǔn)化較高的建筑行業(yè),已經(jīng)完成了將三維設(shè)計(jì)與有限元分析結(jié)合,最終生成設(shè)計(jì)圖,對于不滿足要求的結(jié)果可直接修改模型進(jìn)行分析出圖,免去了繁瑣的修改,提高了設(shè)計(jì)水平和工作效率。隨著軟件不斷開放和發(fā)展,許多水利科研工作人員在綜合機(jī)械、建筑等行業(yè)軟件的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了二次開發(fā),基本實(shí)現(xiàn)了從三維可視化建模到分析最終出圖的一體化,這也是水利工程設(shè)計(jì)的一大趨勢。
貴州某水利工程樞紐泄洪洞進(jìn)水塔長29.3 m,寬18 m,高67.2 m,塔底以上最大水深64.0 m,最大過流量939 m3/s,進(jìn)水塔內(nèi)設(shè)有平板事故閘門、弧形工作閘門、摻氣槽、事故通氣孔、工作通氣孔、樓梯及橋機(jī)等結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)流程為:二維結(jié)構(gòu)圖→結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算→二維鋼筋圖;采用二維設(shè)計(jì)的主要問題有:二維結(jié)構(gòu)圖不能完整清楚地表達(dá)進(jìn)水塔內(nèi)部各部位及位置關(guān)系;進(jìn)水塔閘門關(guān)閉時(shí)承受水頭較大,平面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算塔體側(cè)墻等部位所需鋼筋較大甚至無法配筋;二維鋼筋圖對孔洞等部位容易遺漏,作圖工作量大且繁瑣。本文以該進(jìn)水塔為例,詳細(xì)介紹從軟件選取、建模、分析、配筋計(jì)算再到出圖的三維設(shè)計(jì)。
目前,水利行業(yè)常用的三維建模軟件有AutoCAD、MicroStation、Catia等。Catia多用于機(jī)械行業(yè),由于曲面建模等功能比較強(qiáng)大,被許多大型水利設(shè)計(jì)院進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì);MicroStation對于不同專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)勢較明顯;AutoCAD作為傳統(tǒng)的制圖軟件,主要有如下優(yōu)勢:①傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)及出圖基本都是采用AutoCAD,施工圖階段基本是在前期階段二維圖上進(jìn)行修改優(yōu)化,采用AutoCAD可實(shí)現(xiàn)二維平面圖轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型的無縫對接;②三維軟件操作界面及命令流二維互通,操作人員入門簡單;③水利工程樞紐建筑物型式各異,很難像其它行業(yè)采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)。經(jīng)過對比,采用AutoCAD進(jìn)行三維建模。
在二維圖形中,將各平、剖面二維圖調(diào)整為相同比例(1∶1或1∶1 000,若需與其它樞紐建筑物組合放入原始地形圖中,建議采用1∶1 000),同時(shí)對二維圖進(jìn)行清理;在三維建模中,通過切換三維視圖中的視角,將二維圖各剖面在三維圖中的位置進(jìn)行放置;通過二維圖在三維圖中的位置進(jìn)行拉伸、裁剪、布爾運(yùn)算等,建立三維實(shí)體模型。三維實(shí)體模型建立時(shí),根據(jù)建筑物的不同部位和材料屬性,建立不同的圖層,方便分類查看、工程量計(jì)算、模型輸出等。見圖1。
圖1 AutoCAD三維建模流程
泄洪洞進(jìn)水塔側(cè)墻等為非桿件體系,對于非桿件體系等較復(fù)雜的水工建筑物,采用三維有限元模型進(jìn)行分析,可較好地模擬結(jié)構(gòu)承載并得到貼合實(shí)際的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布結(jié)果。在進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)時(shí),可由截面應(yīng)力圖形,根據(jù)主拉應(yīng)力圖形面積,確定配筋面積。
3.1.1 幾何模型導(dǎo)入
常用的大型有限元分析軟件有ANSYS、ABQUS等,本文采用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析。根據(jù)建立的三維模型,在AutoCAD中打開主體結(jié)構(gòu)圖層(簡化模型不考慮細(xì)部結(jié)構(gòu)),將模型輸出為“.sat”格式文件,將輸出的模型導(dǎo)入ANSYS,并進(jìn)行進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元網(wǎng)格劃分采用六面體單元為主,單元網(wǎng)格尺寸0.5 m左右。單元類型采用20節(jié)點(diǎn)六面體二次單元。
3.1.2 計(jì)算參數(shù)
泄洪洞進(jìn)水塔為C30混凝土結(jié)構(gòu),采用線彈性本構(gòu)關(guān)系計(jì)算,材料參數(shù)各項(xiàng)同性。具體如下:混凝土容重2 400 kg/m3;彈性模量3.0×104MPa(C30混凝土);泊松比0.18;重力加速度9.81 m3/s。
3.1.3 邊界條件及荷載
泄洪洞進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)受力明確,主要荷載為進(jìn)水塔自重及外水壓力。進(jìn)水塔在校核洪水位、工作閘門關(guān)閉的情況下,為最危險(xiǎn)工況,本文主要計(jì)算校核洪水位工況。校核洪水工況:自重+外水壓力(校核洪水位)+回填混凝土壓力。①自重:忽略頂部啟閉機(jī)室及起吊機(jī)等附屬結(jié)構(gòu)及其荷載;②水壓力:四周均施加水壓力,p水=r水h水(校核水位最大水深64.0 m);③回填混凝土壓力:進(jìn)水塔靠基巖側(cè)回填混凝土,p=rh;④邊界條件:進(jìn)水塔底部與地基接觸部位采用固定約束(主要分析進(jìn)水塔側(cè)墻,底板采用彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算配筋)。見圖2。
圖2 三維有限元分析流程
3.1.4 計(jì)算結(jié)果
根據(jù)有限元分析結(jié)果,進(jìn)水塔主要位移發(fā)生在兩側(cè)壁距底板12.0 m附近,最大變形為1.05 mm;X向最大正應(yīng)力σx=1.41 MPa,Y向最大正應(yīng)力σy=1.90 MPa。
根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191-2008),C30混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc為14.3 N/mm2,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft為1.43 N/mm2;熱軋鋼筋HRB400強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy為360 N/mm2,強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk為400 N/mm2。結(jié)構(gòu)承載力安全系數(shù)K為1.35,活載分項(xiàng)系數(shù)k2為1.20。
進(jìn)水塔左右側(cè)墻的截面典型應(yīng)力線見圖3。該部位側(cè)墻厚4.25 m,拉應(yīng)力區(qū)主要集中在內(nèi)表面0.6 m范圍內(nèi),主拉應(yīng)力區(qū)域積分求和得拉力標(biāo)準(zhǔn)值T=329 118 N,按應(yīng)力圖形計(jì)算配筋A(yù)s=Kk2T/fy=1.35×1.2×329 118/350=1 481 mm2;按結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算,該部位配筋面積5 880 mm2;結(jié)合有限元及結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算成果,側(cè)墻實(shí)際配筋面積3 079 mm2。
圖3 進(jìn)水塔左右側(cè)墻典型X向正應(yīng)力分布圖
進(jìn)水塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用CAD繪制二維鋼筋圖、編制鋼筋表,遇到二期混凝土凹槽、孔洞等部位容易遺漏,對扭面等難以計(jì)算出實(shí)際長度。采用三維配筋立體直觀,配筋便捷,本次采用三維配筋軟件VisualFL。在 AutoCAD三維模型中,將需要配筋的部位輸出為“.sat”格式文件,在VisualFL三維配筋軟件中導(dǎo)入輸出的三維模型,根據(jù)配筋計(jì)算確定的鋼筋直徑定義鋼筋,利用軟件中的“面配筋”、“線配筋”等命令進(jìn)行三維配筋,完成全部配筋后,定義剖切面,執(zhí)行剖切。將剖切完成的配筋圖導(dǎo)入AutoCAD中自動(dòng)生成二維鋼筋圖、鋼筋表及材料表等,調(diào)整好格式,加入圖框出圖。見圖4。
圖4 三維配筋出圖流程
1) 本文通過對樞紐建筑物泄洪洞進(jìn)水塔三維建模、分析、配筋,反映了水工建筑物中三維設(shè)計(jì)的完整過程。
2) 采用AutoCAD實(shí)現(xiàn)由二維圖建立三維結(jié)構(gòu)模型方便、快捷,模型直觀、清晰。
3) 對于復(fù)雜的水工建筑物,采用三維有限元分析計(jì)算更符合工程實(shí)際情況。
4) 三維配筋簡單快捷,避免了設(shè)計(jì)人員大量繁瑣重復(fù)的機(jī)械勞動(dòng),極大地提高了工作效率。