水工模型鋼結構框架的制作安裝與應用優勢

尹 輝，耿凡坤，李江峰，戚印鑫

（新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830049）

0 引言

水工模型試驗是依據相似原理，將建筑物的設計成果按比例縮小制作成模型，模擬原型中的自然狀況。通過觀測其試驗時的水力現象，取得相應的數據，按一定的相似準則引申于原型，作出合理的判斷。

水工模型試驗的主要目的是論證設計中建筑物的安全性和合理性，模型的制作是順利完成水工模型試驗的開端和關鍵[1]。

目前，水工模型的制作，多數仍采用磚混砌筑與板材粘接的方法。該方法制作工藝相對簡單，參數控制精度相對較難；模型制作成型后一旦出現問題，往往只能采取局部拆除修正或重做，造成材料浪費。鋼材應用于工程中已有百余年[2]，因其性能優良，在建筑領域越來越被重視和廣泛應用[3]。鋼材強度和彈性模量高，與混凝土等傳統建筑材料相比，其屈服強度與密度比值相對較高[4]。鋼構件因其重量輕、易成型和成本低等獨特優點，在生產中的應用比例日益增加[5]。依據長期的工作實踐經驗，鋼結構框架與板材組合制作水工模型的方法應運而生。該方法有效地解決了模型制作安裝的精度控制問題；可適度進行模型組件的單件標準化及簡單模塊化制作，使材料可以重復利用，從而節約成本。

某課題旨在研究水工建筑物中防沖槽的布置方式、拋填卵石粒徑對其消能效果的影響，研究方式為有針對性地設定來流條件和工程狀況，通過合理的模型試驗得出結論。為便于觀測、取得準確的數據成果，試驗用模型主體設計為鋼結構框架加裝有機玻璃板。模型鋼結構制作圖見圖1。

本文結合該課題模型制作情況，著重介紹采用鋼結構框架與板材組合制作水工模型的施工方法和工藝要求以及應用意義。

圖1 某課題模型鋼結構圖

1 水工模型制作安裝的新思路及其特點

裝配式鋼結構具有靈活便捷、環保節約等特點，當下被廣泛使用。將其運用到水工模型制作中，可以提高模型制作精度與速度，減少材料能源浪費，降低成本。

（1）通過構件組合調節，加快模型制作速度，提高模型制作精度。

（2）最大限度地提高模型建筑材料的重復使用率，節約成本。

（3）主要特點：①采用雙層鋼結構支撐模式，可以進行模型的高程、坡度、寬度及垂度的調整，使模型制作更靈便精準，從而保證試驗數據的準確性。②可以適度對模型組件進行單件標準化、簡單模塊化制作，使其能夠重復使用。③可以減少因模型修改而產生的材料、人工等費用，在一定程度上降低模型制作成本。

2 模型的鋼結構框架基本結構

（1）平坡（i=0）模型平面基礎層

①基礎層

采用槽鋼或角鋼。根據模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼水平放置，且平面向上；基礎層與地面結合牢固。其目的是為模型可調層，提供一個穩定的基礎平臺。

②可調層

采用槽鋼或角鋼。根據模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼水平放置，且平面與模型板材平面平行；可調層與基礎層之間，采用螺旋可調件連接且結合牢固。其目的是為模型制作定型提供一個可調、穩定、高精度的可靠平面。

（2）斜坡（i=α）模型斜坡基礎層

①基礎層

采用槽鋼或角鋼。根據模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼水平放置，且平面向上；隨著坡度的變化，型鋼呈臺階型分布，基礎層與地面結合牢固。其目的是為模型可調層提供一個穩定的基礎平臺。

②可調層

采用槽鋼或角鋼。根據模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼平面與模型板材坡面平行；可調層與基礎層之間采用螺旋可調件連接且結合牢固。其目的是為模型制作定型提供一個可調、穩定、高精度的可靠平面。

（3）側墻（i=0～α）模型側墻基礎層

①基礎層

采用槽鋼或角鋼。根據模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；要求型鋼水平面朝向外側，底部采用萬向節與平坡（i=0）模型基礎層或斜坡（i=α）模型基礎層連接，上部與側面采用限位桿連接，形成一個牢固穩定的基礎工作面。其目的是為模型可調層提供一個穩定的基礎平臺。

②可調層

采用槽鋼或角鋼。根據模型所承受荷載及板材厚度情況，選擇型鋼及確定格柵間距；可調層位于側墻基礎層的內側，與側墻基礎層之間采用螺旋可調件連接且結合牢固。其目的是為模型制作定型提供一個可調、穩定、高精度的可靠平面。

3 鋼結構的模型制作

3.1 焊接材料

模型基礎層以槽鋼為主。根據模型荷載情況確定其型號。要求型鋼平面面向可調層。基礎層與地面或斜肋是相互牢固結合的整體，為模型搭建提供一個穩定的具有安裝可調構件的基面。

可調層多選用角鋼：便于平面調節，且抗變形能力較好。要求角鋼的一個平面面向模型主板，為其提供穩定的安裝平面，另一個平面需保障有操作空間。可調層與基礎層之間用螺旋可調件牢固連接，其目的是為模型板材安裝提供一個穩定、可調、高精度的可靠平面。

3.2 下料及焊接精度

鋼材在局部承載時，具有一定的抗變形能力。各環節制作控制精度依設計尺寸選擇如下：

（1）下料精度控制

①基礎層

單元單根下料長度誤差：1 mm～2 mm；組合后總長度誤差：2 mm～5 mm；

②可調層

單元單根下料長度誤差：-1 mm～-2 mm；組合后總長度誤差：-2 mm～-5 mm。

（2）焊接精度控制

①基礎層

焊接單元整體控制精度：單元平面不平整度小于5mm；平面距離（長度）滿足3 mm～5 mm。

②可調層

焊接單元整體控制精度[6]：焊接完成并經過打磨處理后的單元平面不平整度小于0.2 mm；有封閉尺寸要求的平面距離（長度）滿足-2 mm～-3 mm；無封閉尺寸要求的平面距離（長度）滿足1 mm～5 mm。

3.3 焊接變形

焊接時，焊接應力變形是無法完全克服的，若采取措施，可將其降到最小。

（1）基礎層焊接

單個焊接件，采取先兩端后中間，先點焊后滿焊的工序進行作業；在進行焊接作業時，同一焊口，連續焊接時間不宜過長[7]。

（2）可調層焊接

同基礎層焊接法。若變形仍然難以滿足要求，可根據模型單元平面尺寸，采用型鋼焊接專用夾具先定位后再焊接。

4 鋼結構框架模型的安裝

（1）基礎層與地面之間的連接

采用有插筋焊接限位及無插筋焊接支撐[8]。要求基礎層與地面連接牢固，滿足試驗動、靜荷載要求。定型后的基礎層，單元平面不平整度小于10 mm；平面距離（長度）滿足2 mm～5 mm。

（2）可調層與基礎層之間的連接

采用螺栓進行連接，其目的是實現層面的可調性。要求可調層與基礎層連接牢固，滿足試驗動、靜荷載要求。經連接螺栓調整定型后的可調層，單元平面不平整度小于0.2 mm；平面距離（長度）滿足-2 mm～-5 mm。

有封閉尺寸要求的平面距離滿足-2 mm～-3 mm。

無封閉尺寸要求的平面距離（長度）滿足1 mm～5 mm。

（3）可調層的可調間距

是指可調層與基礎層之間的調整間距。基礎層是固定的，可調層是單元自由面。模型主板安裝于可調層上，并經過加固、修正、整平后，確保安裝單元板面不平整度（最大凸凹間隙）小于0.2 mm。然后，再確定可調層的可調間距。為了控制模型單元安裝定位精度、保證整體精度，一般選取可調間距為±150 mm。

（4）擋水板材的安裝

①底板安裝

底板安裝在可調層上，采用螺栓連接固定在模型外邊緣，且不影響側板安裝。

整體安裝精度：平面不平整度小于0.2 mm；平面距離（長度）滿足±3 mm。

②側板安裝

調節可調層至滿足安裝側板要求，再依據設計在底板上精確定位，最后將側板用粘（焊）接法連接固定。

先用點焊或點粘進行側板與底板之間的定位連接，然后點粘或點焊連接側板的側向縫。調節可調層并固定，再進行連續粘（焊）接。

整體安裝精度：平面不平整度小于0.2 mm；平面距離（長度）滿足±2 mm。

③隔板安裝

如果模型存在隔板，需完成底板、側板安裝后，方可進行隔板安裝。

整體安裝精度：平面不平整度小于0.2 mm；平面距離（長度）滿足±1 mm。

5 鋼結構框架模型的優勢

（1）制作安裝精度高

鋼結構框架制作精度比磚混結構好控制，無論是平整度、弧度、平面長度，其制作精度都相對較高。

水工模型制作與安裝誤差條件為：（1）建筑物模型高程允許誤差為±0.3 mm[9]；（2）建筑物模型平面距離允許誤差為±10 mm[10]。

鋼結構框架采用了可調裝置，使建筑物模型高程誤差精度能達到±0.15 mm；安裝板材后，其平面距離允許誤差可控制在±3 mm 以內同時平面不平整度小于0.15 mm。

（2）可以適度實現單件標準化、簡單模塊化

可以根據試驗模型的常規需求，將鋼結構框架的組件制作成系列尺寸的標準件；由這些標準件組成常用的簡單模塊單元，如底部基礎支架、側板限位裝置、鉸鏈結構等，方便模型制作。

（3）適應環境性強

磚混結構制模，對環境有一定的要求。如：模型位置的地面須干燥、環境溫度不宜過低等。而鋼結構框架可事先在車間加工好單元組件，再運抵現場進行安裝，其過程基本不受場地環境的限制，適應性較強。

（4）節約成本，降低費用

磚混結構制作的模型，在試驗結束后會全部拆除，其中絕大多數成為建筑垃圾，可回收利用價值不超過0.05%。而建筑垃圾的清運不僅不利于環保，還增加了成本。鋼結構框架的組件可重復利用。按照鋼材回收價格和回收利用率初步測算，回收價值占比可達45%，且基本不產生建筑垃圾。

（5）鋼結構框架與板材組合的模型制作方法，對于局部模型或斷面模型試驗，特別是標準斷面模型試驗，既經濟又實用；對需要模擬河道地形的整體水工模型試驗，可先使用標準組件拼裝成整體構件制成定床，再加裝適當板材制作成所需模型。因此，采用鋼結構框架與板材組合制作水工模型是一種既精準便捷又經濟有效的方法。某課題鋼結構模型見圖2。

圖2 某課題鋼結構模型

6 結語

長期以來，水工模型試驗的模型制作，絕大多數采用磚混砌筑與板材粘接的方法。磚混結構材料雖然單次成本較低，但在模型制作和成本控制上要求較高，如須由多種專業人員來制作模型，修改時增加費用等。而采用鋼結構框架與板材組合，模型制作會相對便捷，既能保證精度，又能節約時間和成本，即使是一般實驗員，也可以很快學會安裝。因此，將鋼結構框架應用于水工模型制作過程可予以推廣。