水電站泄洪洞鋼模臺車門架三維有限元分析

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(中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

溪洛渡水電站右岸泄洪洞龍落尾邊墻鋼模臺車設計為全斷面臺車，采用鋼桁架結構，主要尺寸為14000 mm×13878 mm×9000 mm(寬×高×長)。底部設置八個滾輪用于臺車行走，軌距10000 mm，軌道為P50軌道，門距1.5～2 m布置10道橫向圍柃。在臺車中間層兩個提升井后各安裝一臺10 t卷揚機，單臺自重約3 t。為了校核門架的安全性，了解門架的受力情況，需對門架進行三維有限元分析，計算門架的靜應力和變形特性。

通常鋼結構有限元分析平臺以ANSYS和ABAQUS等為主，采用二維有限元分析，分析單元基本上為梁單元、管單元和殼單元[1-3]。但隨著計算機技術的快速發展，采用實體單元對鋼結構進行三維有限元分析已能夠滿足計算精度的要求，同時基本上不需對原始模型做較大的簡化[4-5]。由于CATIA軟件具有強大的建模功能，而鋼結構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算分析的精度要求。因此，本文基于CATIA平臺，對臺車門架進行三維有限元分析，模型基本不做簡化處理。

1 荷載計算

1.1 模板側壓力計算

按照《建筑工程大模板技術規程》JGJ74-2003、J270-2003，計算模板側壓力設計值為：

當H≤2.147m時，P=8.4+28.8H(kN/m2)

當H>2.147m時，P=61.828 kN/m2

模板荷載分布如圖1。

圖1 模板側壓力沿高度方向分布圖

1.2 門架荷載計算

在澆筑混凝土工況下，門架所受的荷載有：模板側壓力作用在門架支點上的荷載、模板重力作用在門架上的荷載、混凝土提升機構產生的荷載以及門架自重。

1)模板側壓力作用在門架支點上的荷載

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

R1側=127.259 kN，R2側=141.987 kN，

R3側=123.195 kN，R4側=110.708 kN，

R5側=131.589 kN，R6側=146.163 kN，

R7側=135.723 kN，R8側=85.693 kN。

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

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，根據公式R側=Ggl/L(其中g為重力加速度，l為門架支承點對應的模板寬度，L為模板總寬度)，門架兩側支承點承擔的荷載均為：R側=34971 N。

門架中部三個支承點承擔的荷載均為：R中=54399 N。

3)混凝土提升機構產生的荷載

門架除了承受模板支點荷載外，還承擔提升混凝土的荷載，單套提升機構的提升荷載約為6 t。牽引機構通過門架上的兩個定滑輪提升混凝土，單個定滑輪的支反力約為58.8 kN。牽引機構卷揚機自重3 t，其支座承擔的荷載為29.4 kN，方向豎直向上。門架上共有兩套提升機構。

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行網格劃分，包含1122841個節點、3188862個單元。對門架施加相應邊界條件后，運用CATIA軟件有限元分析模塊進行三維有限元分析，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力分布如圖3，絕大部分等效應力小于44.7 MPa，局部達到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構提升梁受力較大，其余部分受力均很小。門架的主應力分布如圖4，絕大部分主應力小于33.7 MPa，局部達到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構提升梁受力相對較大，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力 圖4 澆筑工況下門架主應力

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估

3 結論

運用CATIA軟件有限元分析模塊對溪洛渡水電站右岸龍落尾邊墻鋼模臺車的門架進行三維有限元分析，根據門架的受力和變形情況，得出了如下結論：

在澆筑混凝土工況下，門架的米塞斯等效應力和主應力均較小，其中上部立柱的上部、上部橫梁兩端以及混凝土提升機構提升梁受力稍大，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。