三維設計在泄洪洞進水塔中的應用

魯思遠，龍 偉，管志保

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

1 概 述

在傳統水利工程中，基本是以二維方式進行繪圖設計，三維設計多用于效果演示或工程量的計算。在標準化較高的建筑行業，已經完成了將三維設計與有限元分析結合，最終生成設計圖，對于不滿足要求的結果可直接修改模型進行分析出圖，免去了繁瑣的修改，提高了設計水平和工作效率。隨著軟件不斷開放和發展，許多水利科研工作人員在綜合機械、建筑等行業軟件的基礎上，進行了二次開發，基本實現了從三維可視化建模到分析最終出圖的一體化，這也是水利工程設計的一大趨勢。

貴州某水利工程樞紐泄洪洞進水塔長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，進水塔內設有平板事故閘門、弧形工作閘門、摻氣槽、事故通氣孔、工作通氣孔、樓梯及橋機等結構。傳統的二維設計流程為：二維結構圖→結構配筋計算→二維鋼筋圖；采用二維設計的主要問題有：二維結構圖不能完整清楚地表達進水塔內部各部位及位置關系；進水塔閘門關閉時承受水頭較大，平面結構力學計算塔體側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。本文以該進水塔為例，詳細介紹從軟件選取、建模、分析、配筋計算再到出圖的三維設計。

2 三維建模

2.1 建模軟件的選取

目前，水利行業常用的三維建模軟件有AutoCAD、MicroStation、Catia等。Catia多用于機械行業，由于曲面建模等功能比較強大，被許多大型水利設計院進行二次開發，實現參數化設計；MicroStation對于不同專業間協同設計優勢較明顯；AutoCAD作為傳統的制圖軟件，主要有如下優勢：①傳統的二維設計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行修改優化，采用AutoCAD可實現二維平面圖轉化為三維實體模型的無縫對接；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，很難像其它行業采用標準化模塊設計。經過對比，采用AutoCAD進行三維建模。

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)，同時對二維圖進行清理；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行放置；通過二維圖在三維圖中的位置進行拉伸、裁剪、布爾運算等，建立三維實體模型。三維實體模型建立時，根據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

泄洪洞進水塔側墻等為非桿件體系，對于非桿件體系等較復雜的水工建筑物，采用三維有限元模型進行分析，可較好地模擬結構承載并得到貼合實際的結構變形及應力分布結果。在進行配筋設計時，可由截面應力圖形，根據主拉應力圖形面積，確定配筋面積。

3.1 計算分析

3.1.1 幾何模型導入

常用的大型有限元分析軟件有ANSYS、ABQUS等，本文采用ANSYS進行結構靜力分析。根據建立的三維模型，在AutoCAD中打開主體結構圖層(簡化模型不考慮細部結構)，將模型輸出為“.sat”格式文件，將輸出的模型導入ANSYS，并進行進行網格劃分。有限元網格劃分采用六面體單元為主，單元網格尺寸0.5 m左右。單元類型采用20節點六面體二次單元。

3.1.2 計算參數

泄洪洞進水塔為C30混凝土結構，采用線彈性本構關系計算，材料參數各項同性。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

泄洪洞進水塔結構受力明確，主要荷載為進水塔自重及外水壓力。進水塔在校核洪水位、工作閘門關閉的情況下，為最危險工況，本文主要計算校核洪水位工況。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：忽略頂部啟閉機室及起吊機等附屬結構及其荷載；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：進水塔靠基巖側回填混凝土，p=rh；④邊界條件：進水塔底部與地基接觸部位采用固定約束(主要分析進水塔側墻，底板采用彈性地基梁進行計算配筋)。見圖2。

圖2 三維有限元分析流程

3.1.4 計算結果

根據有限元分析結果，進水塔主要位移發生在兩側壁距底板12.0 m附近，最大變形為1.05 mm；X向最大正應力σx=1.41 MPa，Y向最大正應力σy=1.90 MPa。

3.2 配筋計算

根據《水工混凝土結構設計規范》(SL 191-2008)，C30混凝土抗壓強度設計值fc為14.3 N/mm2，抗拉強度設計值ft為1.43 N/mm2；熱軋鋼筋HRB400強度設計值fy為360 N/mm2，強度標準值fyk為400 N/mm2。結構承載力安全系數K為1.35，活載分項系數k2為1.20。

進水塔左右側墻的截面典型應力線見圖3。該部位側墻厚4.25 m，拉應力區主要集中在內表面0.6 m范圍內，主拉應力區域積分求和得拉力標準值T=329 118 N，按應力圖形計算配筋As=Kk2T/fy=1.35×1.2×329 118/350=1 481 mm2；按結構力學計算，該部位配筋面積5 880 mm2；結合有限元及結構力學計算成果，側墻實際配筋面積3 079 mm2。

圖3 進水塔左右側墻典型X向正應力分布圖

4 三維配筋出圖

進水塔內部結構復雜，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，對扭面等難以計算出實際長度。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三維配筋軟件中導入輸出的三維模型，根據配筋計算確定的鋼筋直徑定義鋼筋，利用軟件中的“面配筋”、“線配筋”等命令進行三維配筋，完成全部配筋后，定義剖切面，執行剖切。將剖切完成的配筋圖導入AutoCAD中自動生成二維鋼筋圖、鋼筋表及材料表等，調整好格式，加入圖框出圖。見圖4。

圖4 三維配筋出圖流程

5 結 語

1) 本文通過對樞紐建筑物泄洪洞進水塔三維建模、分析、配筋，反映了水工建筑物中三維設計的完整過程。

2) 采用AutoCAD實現由二維圖建立三維結構模型方便、快捷，模型直觀、清晰。

3) 對于復雜的水工建筑物，采用三維有限元分析計算更符合工程實際情況。

4) 三維配筋簡單快捷，避免了設計人員大量繁瑣重復的機械勞動，極大地提高了工作效率。