三维设计在泄洪洞进水塔中的应用

鲁思远，龙 伟，管志保

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)

1 概 述

在传统水利工程中，基本是以二维方式进行绘图设计，三维设计多用于效果演示或工程量的计算。在标准化较高的建筑行业，已经完成了将三维设计与有限元分析结合，最终生成设计图，对于不满足要求的结果可直接修改模型进行分析出图，免去了繁琐的修改，提高了设计水平和工作效率。随着软件不断开放和发展，许多水利科研工作人员在综合机械、建筑等行业软件的基础上，进行了二次开发，基本实现了从三维可视化建模到分析最终出图的一体化，这也是水利工程设计的一大趋势。

贵州某水利工程枢纽泄洪洞进水塔长29.3 m，宽18 m，高67.2 m，塔底以上最大水深64.0 m，最大过流量939 m3/s，进水塔内设有平板事故闸门、弧形工作闸门、掺气槽、事故通气孔、工作通气孔、楼梯及桥机等结构。传统的二维设计流程为：二维结构图→结构配筋计算→二维钢筋图；采用二维设计的主要问题有：二维结构图不能完整清楚地表达进水塔内部各部位及位置关系；进水塔闸门关闭时承受水头较大，平面结构力学计算塔体侧墙等部位所需钢筋较大甚至无法配筋；二维钢筋图对孔洞等部位容易遗漏，作图工作量大且繁琐。本文以该进水塔为例，详细介绍从软件选取、建模、分析、配筋计算再到出图的三维设计。

2 三维建模

2.1 建模软件的选取

目前，水利行业常用的三维建模软件有AutoCAD、MicroStation、Catia等。Catia多用于机械行业，由于曲面建模等功能比较强大，被许多大型水利设计院进行二次开发，实现参数化设计；MicroStation对于不同专业间协同设计优势较明显；AutoCAD作为传统的制图软件，主要有如下优势：①传统的二维设计及出图基本都是采用AutoCAD，施工图阶段基本是在前期阶段二维图上进行修改优化，采用AutoCAD可实现二维平面图转化为三维实体模型的无缝对接；②三维软件操作界面及命令流二维互通，操作人员入门简单；③水利工程枢纽建筑物型式各异，很难像其它行业采用标准化模块设计。经过对比，采用AutoCAD进行三维建模。

2.2 AutoCAD三维建模

在二维图形中，将各平、剖面二维图调整为相同比例(1∶1或1∶1 000，若需与其它枢纽建筑物组合放入原始地形图中，建议采用1∶1 000)，同时对二维图进行清理；在三维建模中，通过切换三维视图中的视角，将二维图各剖面在三维图中的位置进行放置；通过二维图在三维图中的位置进行拉伸、裁剪、布尔运算等，建立三维实体模型。三维实体模型建立时，根据建筑物的不同部位和材料属性，建立不同的图层，方便分类查看、工程量计算、模型输出等。见图1。

图1 AutoCAD三维建模流程

3 三维有限元分析

泄洪洞进水塔侧墙等为非杆件体系，对于非杆件体系等较复杂的水工建筑物，采用三维有限元模型进行分析，可较好地模拟结构承载并得到贴合实际的结构变形及应力分布结果。在进行配筋设计时，可由截面应力图形，根据主拉应力图形面积，确定配筋面积。

3.1 计算分析

3.1.1 几何模型导入

常用的大型有限元分析软件有ANSYS、ABQUS等，本文采用ANSYS进行结构静力分析。根据建立的三维模型，在AutoCAD中打开主体结构图层(简化模型不考虑细部结构)，将模型输出为“.sat”格式文件，将输出的模型导入ANSYS，并进行进行网格划分。有限元网格划分采用六面体单元为主，单元网格尺寸0.5 m左右。单元类型采用20节点六面体二次单元。

3.1.2 计算参数

泄洪洞进水塔为C30混凝土结构，采用线弹性本构关系计算，材料参数各项同性。具体如下：混凝土容重2 400 kg/m3；弹性模量3.0×104MPa(C30混凝土)；泊松比0.18；重力加速度9.81 m3/s。

3.1.3 边界条件及荷载

泄洪洞进水塔结构受力明确，主要荷载为进水塔自重及外水压力。进水塔在校核洪水位、工作闸门关闭的情况下，为最危险工况，本文主要计算校核洪水位工况。校核洪水工况：自重+外水压力(校核洪水位)+回填混凝土压力。①自重：忽略顶部启闭机室及起吊机等附属结构及其荷载；②水压力：四周均施加水压力，p水=r水h水(校核水位最大水深64.0 m)；③回填混凝土压力：进水塔靠基岩侧回填混凝土，p=rh；④边界条件：进水塔底部与地基接触部位采用固定约束(主要分析进水塔侧墙，底板采用弹性地基梁进行计算配筋)。见图2。

图2 三维有限元分析流程

3.1.4 计算结果

根据有限元分析结果，进水塔主要位移发生在两侧壁距底板12.0 m附近，最大变形为1.05 mm；X向最大正应力σx=1.41 MPa，Y向最大正应力σy=1.90 MPa。

3.2 配筋计算

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)，C30混凝土抗压强度设计值fc为14.3 N/mm2，抗拉强度设计值ft为1.43 N/mm2；热轧钢筋HRB400强度设计值fy为360 N/mm2，强度标准值fyk为400 N/mm2。结构承载力安全系数K为1.35，活载分项系数k2为1.20。

进水塔左右侧墙的截面典型应力线见图3。该部位侧墙厚4.25 m，拉应力区主要集中在内表面0.6 m范围内，主拉应力区域积分求和得拉力标准值T=329 118 N，按应力图形计算配筋As=Kk2T/fy=1.35×1.2×329 118/350=1 481 mm2；按结构力学计算，该部位配筋面积5 880 mm2；结合有限元及结构力学计算成果，侧墙实际配筋面积3 079 mm2。

图3 进水塔左右侧墙典型X向正应力分布图

4 三维配筋出图

进水塔内部结构复杂，采用CAD绘制二维钢筋图、编制钢筋表，遇到二期混凝土凹槽、孔洞等部位容易遗漏，对扭面等难以计算出实际长度。采用三维配筋立体直观，配筋便捷，本次采用三维配筋软件VisualFL。在 AutoCAD三维模型中，将需要配筋的部位输出为“.sat”格式文件，在VisualFL三维配筋软件中导入输出的三维模型，根据配筋计算确定的钢筋直径定义钢筋，利用软件中的“面配筋”、“线配筋”等命令进行三维配筋，完成全部配筋后，定义剖切面，执行剖切。将剖切完成的配筋图导入AutoCAD中自动生成二维钢筋图、钢筋表及材料表等，调整好格式，加入图框出图。见图4。

图4 三维配筋出图流程

5 结 语

1) 本文通过对枢纽建筑物泄洪洞进水塔三维建模、分析、配筋，反映了水工建筑物中三维设计的完整过程。

2) 采用AutoCAD实现由二维图建立三维结构模型方便、快捷，模型直观、清晰。

3) 对于复杂的水工建筑物，采用三维有限元分析计算更符合工程实际情况。

4) 三维配筋简单快捷，避免了设计人员大量繁琐重复的机械劳动，极大地提高了工作效率。