基于MIDAS仿真分析的一種新型輕型閘室墻移動模架設計

孫騰飛 安徽省港航建設投資集團有限公司

傳統施工工藝澆筑閘室墻是通過搭設腳手支架采用竹膠板和小型鋼模板組拼方式進行，安全風險大、作業效率不高、模板拼縫多等問題，錯臺、漲模、漏漿等質量問題。連云港港疏港航道沂北船閘閘室墻施工中，對移動模架整體大模板施工工藝進行了大膽嘗試，大大提高了作業效率和施工質量。在推廣應用中也發現該貝雷架式移動模架存在安拆困難、結構自重大等弊端。在安徽省某復線船閘施工中設計了一種新型輕型移動模架，通過大型通用有限元程序MIDAS/Civil對其結構按完全性進行了驗算，確保了結構穩定，大幅減輕了結構自重，降低了造價，作業效率進一步提升，施工安全更有保障。

1.設計背景

安徽省某復線船閘級別為Ⅲ級，閘室尺度為23×200（m）（閘室凈寬×有效長度），采用整體式鋼筋混凝土U型槽結構，共分10節，每節長度20m，墻高11.5m。閘室如圖1、圖2所示。

圖1 船閘平面布置圖

圖2 閘室典型斷面示意圖

圖3 閘室墻身迎水側模板布置圖

為有效提升施工質量，避免傳統小模板多次分層澆筑易產生脹模、錯臺、漏漿等質量通病和貝雷架式移動模架結構自重大、安拆困難、行走速度慢等缺點，根據施工要求決定采用整體鋼質大模板一次澆筑整節閘室墻，根據鋼結構設計規范和組合鋼模板技術規范設計一種新型輕型移動模架結構用于澆筑期間大模板、移動、安裝和固定，確保施工期間模板安全穩定。整體鋼模板單塊最大重量達到36t，兩側閘室墻墻身對稱澆筑，同時需要4塊大模板。

2.大模板拼接設計

閘室墻身迎水側模板自下而上模板高度分別為2400 m m、5000mm、5000mm。（如圖3、圖4）橫向模板預留端頭模板固定寬度，組合為“900+2000+2000mm+鋼護木+5×2000 m m+鋼護木+2000+2000+900mm”。

閘室墻身臨土面模板考慮浮式系船柱位置，主要采用2000×5000mm、1500×2000mm等規格模板拼裝。

3.移動模架系統設計

現場考察高良澗三線船閘工程、高郵運東船閘拆除改建工程和楊橋船閘工程，并對上述船閘閘室墻身模板支撐系統結構性能、受力特性深入研究，初步確定了移動模架結構形式（見圖5、圖6)。

4.仿真分析

4.1 仿真原則

在移動模架結構分析計算模型的建立過程中，主要考慮以下幾個方面的原則：

（1）結構模式

分析時選用空間結構模型進行，可以更好的反映其空間效應。

（2）單元選取

仔細分析設計圖紙，將結構進行離散，選取合適的有限元單元。主梁、支腿、吊點梁、分配梁等均采用空間梁單元來模擬，中桁架梁和連系桿件采用桁架單元來模擬。

（3）荷載處理

一般來講自重由計算程序自行考慮，為了大程度地保證與實際相一致，結構的自重荷載、恒荷載等，根據實際材料予以修正。

（4）邊界處理

箱輪處為鉸支，支腿上端與主梁及主梁與吊點梁之間的連接采用主從約束的方法建立剛性連接，中桁架梁與支腿及支腿與連系桿件處節點釋放相應的水平自由度，主梁腹桿端部設置梁端剛域。

依據以上的基本原則，應用移動模架整體有限元分析的技術思路，采用大型通用有限元程序MIDAS/Civil所提供的前處理模塊建立了移動模架空間結構分析計算模型，根據不同構件受力特點的不同，采用不同單元類型來模擬不同構件，同時根據模架的實際情況合理處理各構件之間的連接情況和邊界約束情況，形成統一的移動模架分析模型。

4.2 基本假定

在建立移動模架系統的幾何模型時，在保證模型能夠反映移動模架系統的力學特性，且與實際結構盡可能相一致的原則下，對實際結構作如下必要的簡化：

（1）由于模擬的是施工過程，模型僅考慮了結構自重以及吊點梁承擔的模板重量；

（2）由于移動模架必須保證施工過程中的安全性，其受力應完全在線彈性范圍內；

（3）在結構構件相交而形心不在同一點處，均設置剛性連接；

（4）不考慮附屬結構參與主體結構受力；

（5）假定移動模架系統中所有焊縫為連續全透焊，且忽略焊縫連接處材料特性的改變，認為焊接處的材料性能與相鄰結構的材料特性相同；

（6）忽略移動模架系統結構上的螺栓孔、聯接翼緣等對計算分析結果影響細小的微小結構；

（7）為方便查看所施加荷載的位置和大小，建模過程省略了內外模，并將荷載直接施加在掛架系統相應位置上。

4.3 有限元分析模型

采用有限元軟件MIDAS/Civil，根據設計圖紙中結構的幾何特性和材料特性來建立移動模架的空間有限元模型。模架中剪刀撐、斜撐作為安全儲備，不加入結構計算，吊點梁和支腿用梁單元來模擬，主梁、中桁架梁及連系桿件采用桁架單元。支腿底端施加鉸接約束，一組支腿之間的連接為剛接，主梁與支腿的連接為剛接。中桁架梁與支腿之間的連接為鉸接。吊點梁手拉葫蘆處施加大模板的豎向節點荷載。

圖4 閘室墻身迎水側模板布置圖

圖5 移動模架總裝立面圖

圖6 移動模架側面圖

全模型共1581個單元，其中桁架單元1342個，共有節點2523個。整體有限元模型坐標系以模架橫向為X方向，縱向（即沿閘室方向）為Y方向，豎向為Z方向。移動模架有限元模型如圖7所示。

4.4 模型荷載標準

（1）荷載系數

模架自重，分項系數：g1=1。

模板自重，分項系數：g1=1。

圖7 移動模架模型圖

圖8 移動模架應力情況

圖9 移動模架結構反力情況

（2）荷載取值

模板荷載：G=36t/個，F=36t/（2×8）=2.25t

4.5 組合支架受力分析

4.5.1 計算結果

移動模架整體受力和反力情況見圖8、圖9。

4.5.2 主梁結構驗算

主梁采用I18b工字鋼與[8槽鋼焊接為高度1.88m的桁架梁，與支座采用滿焊連接。

經計算，主梁最大應力為140.5Mpa，最大壓應力為140.4Mpa；腹桿最大應力為48.5Mpa，最大壓應力為19.5Mpa；水平桿最大應力為7.2Mpa，最大壓應力為6.6Mpa，與力學計算分析結果相符。見圖10-圖12。

可以看出，主梁應力水平處于較低水平，結構安全。

4.5.3 支腿驗算

支腿為Φ219×10和Φ377×8螺旋鋼管各8 根，即單根鋼管支腿由一組長度相同的Φ219×10 m m和Φ377×8mm鋼管組成。采用I14b工字鋼作為連系桿件，縱、橫兩個方向均將支腿連接，鋼管支腿采用法蘭連接。在車架地梁上焊接自制的支腿母頭，用于固定支腿。

經計算，支腿最大拉應力為17.7Mpa，最大壓應力為16.9Mpa，與力學計算分析結果相符。見圖13所示。可以看出，應力總體處于較低水平，結構安全。

圖10 主梁應力圖

圖11 腹桿應力圖

圖12 水平桿應力圖

4.5.4 吊點梁驗算

吊點梁采用[36a槽鋼，垂直于主梁布置。吊點梁與主梁連接采用滿焊連接。

經計算，吊點梁最大壓應力為110.0Mpa，與力學計算分析結果相符。見圖14所示。

可以看出，吊點梁應力處于很低水平，結構安全。

圖13 支腿應力圖

4.5.5 分配梁驗算

分配梁采用通長雙拼[20a槽鋼，兩端為輪箱，將單側各4對輪對連接為一個整體，中間與支腿用銷軸連接。

經計算，橫向分配梁最大壓應力為39.4Mpa，與力學計算分析結果相符。見圖15所示。

可以看出，吊點梁應力處于較低水平，滿足要求，結構安全。

4.6 數據分析

移動模架結構應力絕大部分在145Mpa以下，局部交點應力稍大，但均低于鋼材的強度設計值，整體支架變形較小。該支架結構強度，穩定性均滿足要求，變形較小，結構安全可靠。

5.結語

（1）本文以解決“因多次澆筑而產生的錯臺、漏漿等施工質量通病，以及貝雷架式移動模架結構自重大、安拆困難、行走速度慢”等問題為出發點，以閘室墻為施工對象，設計了一種新型輕型移動模架結構。采用大型有限元分析軟件MIDAS/Civil對移動模架體系進行了仿真分析。選取各主要受力構件進行計算，建立有限元分析模型，將大模板系統荷載作用在吊點梁上，直接傳力給支承體系，這樣的分析方法更為準確。經過計算分析得出各桿件應力水平較小，移動模架體系穩定可靠。

圖14 吊點梁應力圖

圖15 分配梁應力圖

（2）新型輕型移動模架在滿足剛度、強度要求情況下，與貝雷片銷接的承重、起吊橫梁相比，自重大幅度降低（70%以上），且桁架梁采用焊接工藝，行走移位及起吊模板過程中，不產生貝雷片銷接的變形。

（3）經計算采用該輕型新型移動模架工法施工可比傳統滿堂支架工法施工節約費用146萬元，比貝雷梁模架工法施工節約98萬元。

（4）經現場實踐應用統計，該新型輕型移動模架設計具有大幅度降低勞動強度、提高施工效率、降低成本、提高安全性等顯著優勢。應用該新型輕型移動模架施工，單節閘室墻澆筑平均僅需15天（現場最短10天），相比于傳統滿堂支架施工30天/節和貝雷梁模架20天/節，大幅提高了施工工效，節約了工期。

（5）第三方檢測顯示該施工工藝顯著提高了墻體外觀質量和鋼筋保護層厚度等指標，取得了良好的社會和經濟效益，并已在水陽江等船閘工程施工中推廣應用，具有廣泛推廣應用價值。