水工模型钢结构框架的制作安装与应用优势

尹 辉，耿凡坤，李江峰，戚印鑫

（新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049）

0 引言

水工模型试验是依据相似原理，将建筑物的设计成果按比例缩小制作成模型，模拟原型中的自然状况。通过观测其试验时的水力现象，取得相应的数据，按一定的相似准则引申于原型，作出合理的判断。

水工模型试验的主要目的是论证设计中建筑物的安全性和合理性，模型的制作是顺利完成水工模型试验的开端和关键[1]。

目前，水工模型的制作，多数仍采用砖混砌筑与板材粘接的方法。该方法制作工艺相对简单，参数控制精度相对较难；模型制作成型后一旦出现问题，往往只能采取局部拆除修正或重做，造成材料浪费。钢材应用于工程中已有百余年[2]，因其性能优良，在建筑领域越来越被重视和广泛应用[3]。钢材强度和弹性模量高，与混凝土等传统建筑材料相比，其屈服强度与密度比值相对较高[4]。钢构件因其重量轻、易成型和成本低等独特优点，在生产中的应用比例日益增加[5]。依据长期的工作实践经验，钢结构框架与板材组合制作水工模型的方法应运而生。该方法有效地解决了模型制作安装的精度控制问题；可适度进行模型组件的单件标准化及简单模块化制作，使材料可以重复利用，从而节约成本。

某课题旨在研究水工建筑物中防冲槽的布置方式、抛填卵石粒径对其消能效果的影响，研究方式为有针对性地设定来流条件和工程状况，通过合理的模型试验得出结论。为便于观测、取得准确的数据成果，试验用模型主体设计为钢结构框架加装有机玻璃板。模型钢结构制作图见图1。

本文结合该课题模型制作情况，着重介绍采用钢结构框架与板材组合制作水工模型的施工方法和工艺要求以及应用意义。

图1 某课题模型钢结构图

1 水工模型制作安装的新思路及其特点

装配式钢结构具有灵活便捷、环保节约等特点，当下被广泛使用。将其运用到水工模型制作中，可以提高模型制作精度与速度，减少材料能源浪费，降低成本。

（1）通过构件组合调节，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复使用率，节约成本。

（3）主要特点：①采用双层钢结构支撑模式，可以进行模型的高程、坡度、宽度及垂度的调整，使模型制作更灵便精准，从而保证试验数据的准确性。②可以适度对模型组件进行单件标准化、简单模块化制作，使其能够重复使用。③可以减少因模型修改而产生的材料、人工等费用，在一定程度上降低模型制作成本。

2 模型的钢结构框架基本结构

（1）平坡（i=0）模型平面基础层

①基础层

采用槽钢或角钢。根据模型所承受荷载及板材厚度情况，选择型钢及确定格栅间距；要求型钢水平放置，且平面向上；基础层与地面结合牢固。其目的是为模型可调层，提供一个稳定的基础平台。

②可调层

采用槽钢或角钢。根据模型所承受荷载及板材厚度情况，选择型钢及确定格栅间距；要求型钢水平放置，且平面与模型板材平面平行；可调层与基础层之间，采用螺旋可调件连接且结合牢固。其目的是为模型制作定型提供一个可调、稳定、高精度的可靠平面。

（2）斜坡（i=α）模型斜坡基础层

①基础层

采用槽钢或角钢。根据模型所承受荷载及板材厚度情况，选择型钢及确定格栅间距；要求型钢水平放置，且平面向上；随着坡度的变化，型钢呈台阶型分布，基础层与地面结合牢固。其目的是为模型可调层提供一个稳定的基础平台。

②可调层

采用槽钢或角钢。根据模型所承受荷载及板材厚度情况，选择型钢及确定格栅间距；要求型钢平面与模型板材坡面平行；可调层与基础层之间采用螺旋可调件连接且结合牢固。其目的是为模型制作定型提供一个可调、稳定、高精度的可靠平面。

（3）侧墙（i=0～α）模型侧墙基础层

①基础层

采用槽钢或角钢。根据模型所承受荷载及板材厚度情况，选择型钢及确定格栅间距；要求型钢水平面朝向外侧，底部采用万向节与平坡（i=0）模型基础层或斜坡（i=α）模型基础层连接，上部与侧面采用限位杆连接，形成一个牢固稳定的基础工作面。其目的是为模型可调层提供一个稳定的基础平台。

②可调层

采用槽钢或角钢。根据模型所承受荷载及板材厚度情况，选择型钢及确定格栅间距；可调层位于侧墙基础层的内侧，与侧墙基础层之间采用螺旋可调件连接且结合牢固。其目的是为模型制作定型提供一个可调、稳定、高精度的可靠平面。

3 钢结构的模型制作

3.1 焊接材料

模型基础层以槽钢为主。根据模型荷载情况确定其型号。要求型钢平面面向可调层。基础层与地面或斜肋是相互牢固结合的整体，为模型搭建提供一个稳定的具有安装可调构件的基面。

可调层多选用角钢：便于平面调节，且抗变形能力较好。要求角钢的一个平面面向模型主板，为其提供稳定的安装平面，另一个平面需保障有操作空间。可调层与基础层之间用螺旋可调件牢固连接，其目的是为模型板材安装提供一个稳定、可调、高精度的可靠平面。

3.2 下料及焊接精度

钢材在局部承载时，具有一定的抗变形能力。各环节制作控制精度依设计尺寸选择如下：

（1）下料精度控制

①基础层

单元单根下料长度误差：1 mm～2 mm；组合后总长度误差：2 mm～5 mm；

②可调层

单元单根下料长度误差：-1 mm～-2 mm；组合后总长度误差：-2 mm～-5 mm。

（2）焊接精度控制

①基础层

焊接单元整体控制精度：单元平面不平整度小于5mm；平面距离（长度）满足3 mm～5 mm。

②可调层

焊接单元整体控制精度[6]：焊接完成并经过打磨处理后的单元平面不平整度小于0.2 mm；有封闭尺寸要求的平面距离（长度）满足-2 mm～-3 mm；无封闭尺寸要求的平面距离（长度）满足1 mm～5 mm。

3.3 焊接变形

焊接时，焊接应力变形是无法完全克服的，若采取措施，可将其降到最小。

（1）基础层焊接

单个焊接件，采取先两端后中间，先点焊后满焊的工序进行作业；在进行焊接作业时，同一焊口，连续焊接时间不宜过长[7]。

（2）可调层焊接

同基础层焊接法。若变形仍然难以满足要求，可根据模型单元平面尺寸，采用型钢焊接专用夹具先定位后再焊接。

4 钢结构框架模型的安装

（1）基础层与地面之间的连接

采用有插筋焊接限位及无插筋焊接支撑[8]。要求基础层与地面连接牢固，满足试验动、静荷载要求。定型后的基础层，单元平面不平整度小于10 mm；平面距离（长度）满足2 mm～5 mm。

（2）可调层与基础层之间的连接

采用螺栓进行连接，其目的是实现层面的可调性。要求可调层与基础层连接牢固，满足试验动、静荷载要求。经连接螺栓调整定型后的可调层，单元平面不平整度小于0.2 mm；平面距离（长度）满足-2 mm～-5 mm。

有封闭尺寸要求的平面距离满足-2 mm～-3 mm。

无封闭尺寸要求的平面距离（长度）满足1 mm～5 mm。

（3）可调层的可调间距

是指可调层与基础层之间的调整间距。基础层是固定的，可调层是单元自由面。模型主板安装于可调层上，并经过加固、修正、整平后，确保安装单元板面不平整度（最大凸凹间隙）小于0.2 mm。然后，再确定可调层的可调间距。为了控制模型单元安装定位精度、保证整体精度，一般选取可调间距为±150 mm。

（4）挡水板材的安装

①底板安装

底板安装在可调层上，采用螺栓连接固定在模型外边缘，且不影响侧板安装。

整体安装精度：平面不平整度小于0.2 mm；平面距离（长度）满足±3 mm。

②侧板安装

调节可调层至满足安装侧板要求，再依据设计在底板上精确定位，最后将侧板用粘（焊）接法连接固定。

先用点焊或点粘进行侧板与底板之间的定位连接，然后点粘或点焊连接侧板的侧向缝。调节可调层并固定，再进行连续粘（焊）接。

整体安装精度：平面不平整度小于0.2 mm；平面距离（长度）满足±2 mm。

③隔板安装

如果模型存在隔板，需完成底板、侧板安装后，方可进行隔板安装。

整体安装精度：平面不平整度小于0.2 mm；平面距离（长度）满足±1 mm。

5 钢结构框架模型的优势

（1）制作安装精度高

钢结构框架制作精度比砖混结构好控制，无论是平整度、弧度、平面长度，其制作精度都相对较高。

水工模型制作与安装误差条件为：（1）建筑物模型高程允许误差为±0.3 mm[9]；（2）建筑物模型平面距离允许误差为±10 mm[10]。

钢结构框架采用了可调装置，使建筑物模型高程误差精度能达到±0.15 mm；安装板材后，其平面距离允许误差可控制在±3 mm 以内同时平面不平整度小于0.15 mm。

（2）可以适度实现单件标准化、简单模块化

可以根据试验模型的常规需求，将钢结构框架的组件制作成系列尺寸的标准件；由这些标准件组成常用的简单模块单元，如底部基础支架、侧板限位装置、铰链结构等，方便模型制作。

（3）适应环境性强

砖混结构制模，对环境有一定的要求。如：模型位置的地面须干燥、环境温度不宜过低等。而钢结构框架可事先在车间加工好单元组件，再运抵现场进行安装，其过程基本不受场地环境的限制，适应性较强。

（4）节约成本，降低费用

砖混结构制作的模型，在试验结束后会全部拆除，其中绝大多数成为建筑垃圾，可回收利用价值不超过0.05%。而建筑垃圾的清运不仅不利于环保，还增加了成本。钢结构框架的组件可重复利用。按照钢材回收价格和回收利用率初步测算，回收价值占比可达45%，且基本不产生建筑垃圾。

（5）钢结构框架与板材组合的模型制作方法，对于局部模型或断面模型试验，特别是标准断面模型试验，既经济又实用；对需要模拟河道地形的整体水工模型试验，可先使用标准组件拼装成整体构件制成定床，再加装适当板材制作成所需模型。因此，采用钢结构框架与板材组合制作水工模型是一种既精准便捷又经济有效的方法。某课题钢结构模型见图2。

图2 某课题钢结构模型

6 结语

长期以来，水工模型试验的模型制作，绝大多数采用砖混砌筑与板材粘接的方法。砖混结构材料虽然单次成本较低，但在模型制作和成本控制上要求较高，如须由多种专业人员来制作模型，修改时增加费用等。而采用钢结构框架与板材组合，模型制作会相对便捷，既能保证精度，又能节约时间和成本，即使是一般实验员，也可以很快学会安装。因此，将钢结构框架应用于水工模型制作过程可予以推广。