水电站泄洪洞钢模台车门架三维有限元分析

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(中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

0 引言

溪洛渡水电站右岸泄洪洞龙落尾边墙钢模台车设计为全断面台车，采用钢桁架结构，主要尺寸为14000 mm×13878 mm×9000 mm(宽×高×长)。底部设置八个滚轮用于台车行走，轨距10000 mm，轨道为P50轨道，门距1.5～2 m布置10道横向围柃。在台车中间层两个提升井后各安装一台10 t卷扬机，单台自重约3 t。为了校核门架的安全性，了解门架的受力情况，需对门架进行三维有限元分析，计算门架的静应力和变形特性。

通常钢结构有限元分析平台以ANSYS和ABAQUS等为主，采用二维有限元分析，分析单元基本上为梁单元、管单元和壳单元[1-3]。但随着计算机技术的快速发展，采用实体单元对钢结构进行三维有限元分析已能够满足计算精度的要求，同时基本上不需对原始模型做较大的简化[4-5]。由于CATIA软件具有强大的建模功能，而钢结构往往仅作线弹性分析就能满足要求，普通有限元软件均能满足计算分析的精度要求。因此，本文基于CATIA平台，对台车门架进行三维有限元分析，模型基本不做简化处理。

1 荷载计算

1.1 模板侧压力计算

按照《建筑工程大模板技术规程》JGJ74-2003、J270-2003，计算模板侧压力设计值为：

当H≤2.147m时，P=8.4+28.8H(kN/m2)

当H>2.147m时，P=61.828 kN/m2

模板荷载分布如图1。

图1 模板侧压力沿高度方向分布图

1.2 门架荷载计算

在浇筑混凝土工况下，门架所受的荷载有：模板侧压力作用在门架支点上的荷载、模板重力作用在门架上的荷载、混凝土提升机构产生的荷载以及门架自重。

1)模板侧压力作用在门架支点上的荷载

门架两侧立柱支点承受模板荷载的宽度为1.35 m，根据公式R=pS(其中p为荷载密度，S为面积)，各支点(从上向下)荷载计算结果为：

R1侧=127.259 kN，R2侧=141.987 kN，

R3侧=123.195 kN，R4侧=110.708 kN，

R5侧=131.589 kN，R6侧=146.163 kN，

R7侧=135.723 kN，R8侧=85.693 kN。

门架中间(纵向3排)立柱支点承受模板荷载的宽度为立柱间距2.1 m，各支点(从上向下)荷载计算结果为：

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)模板重力作用在门架上的荷载

模板总重G=23789.78 kg，根据公式R侧=Ggl/L(其中g为重力加速度，l为门架支承点对应的模板宽度，L为模板总宽度)，门架两侧支承点承担的荷载均为：R侧=34971 N。

门架中部三个支承点承担的荷载均为：R中=54399 N。

3)混凝土提升机构产生的荷载

门架除了承受模板支点荷载外，还承担提升混凝土的荷载，单套提升机构的提升荷载约为6 t。牵引机构通过门架上的两个定滑轮提升混凝土，单个定滑轮的支反力约为58.8 kN。牵引机构卷扬机自重3 t，其支座承担的荷载为29.4 kN，方向竖直向上。门架上共有两套提升机构。

2 三维有限元分析

在浇筑混凝土工况下，门架所受约束：门架纵梁下翼缘两端Ux=0、Uy=0、Uz=0、Rzx=0、Rzy=0，门架纵梁下翼缘下部立柱处Uy=0，门架所受的荷载和约束如图2所示。门架采用四面体单元进行网格划分，包含1122841个节点、3188862个单元。对门架施加相应边界条件后，运用CATIA软件有限元分析模块进行三维有限元分析，得出了门架受力变形情况。

图2 浇筑工况下门架模型

门架的米塞斯等效应力分布如图3，绝大部分等效应力小于44.7 MPa，局部达到74.5 MPa，其中上部立柱的上部、上部横梁两端以及混凝土提升机构提升梁受力较大，其余部分受力均很小。门架的主应力分布如图4，绝大部分主应力小于33.7 MPa，局部达到75.2 MPa，其中上部立柱的上部、上部横梁两端以及混凝土提升机构提升梁受力相对较大，其余部分受力均很小。门架的变形较小，如图5，最大变形仅1.98 mm，位于上部横梁两端。门架局部误差评估如图6，局部误差较小。因此，在浇筑混凝土工况下，门架的受力变形情况良好，是安全的。

图3 浇筑工况下门架等效应力 图4 浇筑工况下门架主应力

图5 浇筑工况下门架变形 图6 浇筑工况下门架局部误差评估

3 结论

运用CATIA软件有限元分析模块对溪洛渡水电站右岸龙落尾边墙钢模台车的门架进行三维有限元分析，根据门架的受力和变形情况，得出了如下结论：

在浇筑混凝土工况下，门架的米塞斯等效应力和主应力均较小，其中上部立柱的上部、上部横梁两端以及混凝土提升机构提升梁受力稍大，其余部分受力均很小。门架的变形较小，最大变形仅1.98 mm，位于上部横梁两端。因此，在浇筑混凝土工况下，门架的受力变形情况良好，是安全的。