三維設(shè)計(jì)在泄洪洞進(jìn)水塔中的應(yīng)用

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)

1 概 述

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)。

2 三維建模

2.1 建模軟件的選取

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。

2.2 AutoCAD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

3 三維有限元分析

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 計(jì)算分析

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。

3.2 配筋計(jì)算

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

4 三維配筋出圖

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

5 結(jié) 語

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。