基于有限元法的抽水蓄能电站调压井液压滑模设计-.pdf

水利水电技术第4 l 卷2 0 1 0年第2期 基于有限元法的抽水蓄能电站调压井 液压滑模设计 李小会 ，邢健，康立志 中国水利水电第一工程局有 限公司，吉林 长春 1 3 0 0 6 2 摘要 文中介绍 了利用计算机软件对白莲河抽水蓄能电站阻抗式调压井衬砌液压滑模进行的有限元 仿真分析和结构优化设计。该滑模结构经多次优化改进后，其结构达到 了便 于拆装，施工并节约成本 的 目的。 关键词 调压井；滑模 ；衬砌 ；有限元法；优化设计；白莲河抽水蓄能电站 中图分类号 T V 7 3 2 ． 5 2 6 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 0 0 8 6 0 2 0 1 0 0 2 0 0 2 7 0 4 Fi n i t e e l e me n t me t ho d ba s e d de s i g n o f h y dr au l i c s l i p f o r m for s ur g e s ha f t c o n s t r uc t i o n o f p umpe d s t o r ag e h yd r o p o we r s t atio n L I Xi a o h u i ，X I N G J i a n，KAN G L i z h i S i n o h y d r o E n g i n e e r i n g B u r e a u N o ． 1 C o ．L t d ． ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 6 2 ， J i l i n ， C h i n a Ab s t r a c tTh e s i mu l a t i o n a n a l y s i s a n d s t r u c t u r a l o p t i mi z e d de s i g n ma d e o n t he hy dr a ul i c s l i p f o r m f o r t h e l i n i n g o f t he i mp e d a nc e s u r g e s h a f t o f B a i l i a n h e P u mp e d S t o r a g e Hy d r o p o we r S t a t i o n b a s e d o n fi n i t e e l e me n t me t h o d a r e d e s c r i b e d h e r e i n ．Aft e r t h e o p t i m i z a t i o n a n d i m p r o v e m e n t ma d e o n t h e s t r u c t u r e o f t h e s l i p fo r m fo r s e v e r a l t i me s ， t h e o b j e c t o f c o n v e n i e n t a s s e m b l y ， d i s a s s e m b l y a n d c o n s t ruc t i o n o f t h e s l i p for m h as b e e n r e a c h e d w i t h t h e s a v i n g o f t h e c o n s t ruc t i o n c o s t ． Ke y wo r d s s u r g e s h a f t ； s l i p f o r m；l i n i n g ；fi nit e e l e me n t me t h o d； o p t i m i z e d d e s i g n；B a i l i a r t h e P u mp e d S t o r age Hy d r o p o w e r S t a t i o n 1 概述 白莲河抽水蓄能电站位于湖北省黄冈市罗田县白 莲河乡境内，白莲河水库右坝头上游侧。电站装有 4 台可逆式电动发 电机组 ，总装机 1 2 0 0 MW，1 、2 引水隧洞分别设置 了带升管的阻抗式调压井 ，直径 2 2 m，高 度 为 4 2 I T I ，阻 抗 孔 直 径 5 m，高 度 为 3 4 ． 7 9 9 m。通过技术经济分析 带升管或阻抗孔采用 常规支模方法施工 ，不仅耗用大量的模板和脚手架 ， 施工作业中还存在安全隐患，并且工期长，浪费经济 资源。根据现场情况，通过反复比较 ，决定采用 国内 最为先进的液压滑模施工方法。 2 设计原则 调压井的直径为 2 2 m，设计模体属于超大直径 ， 设计模体结构应遵循 以下原则 1 结构的合理性及 Wa t e r Re s o u rc e s a n dHy d r o p o we r En g i n e e r i n g V o 1 ． 41 No 2 科学性 ，结构元件受力分析的准确性 ； 2 模体在安 装与拆装过程中，能够加快施工速度 ； 3 模体在安 装与拆装过程中，保证施工人员安全； 4 模体结构 适应混凝土垂直运输 ，避免钢筋绑扎和固定钢筋彼此 干扰； 5 模体本身有足够的刚度 、强度及整体稳定 性 ； 6 尽量减少模体的重量 ，有利于模体滑升，同 时做到经济节约。 3 设计方法 按照设计原则 ，首先对滑模结构中的支撑杆件的 选型及回收 ，操作平台的布置格局等作了充分的分析 研究 ，使其结构更适于安装 、拆装 、混凝土浇筑 、钢 筋绑扎等施工 ；其次对这种复杂的超大直径模体结构 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 一 l 5 作者简介 李小会 1 9 6 6 一 ，女 ，高级工程师 ，处长。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李小会， 等∥基于有限元法的抽水蓄能电站调压井液压滑模设计 采用有限元分析仿真分析的方法进行 了大量计算 ，采 用使模体结构更加紧凑合理 ，减轻了模体的重量 ，优 化了设计 ，加快了施工进度 ，提高了经济效益。有限 元工程仿真技术作为一种应用计算力学 、计算数学、 信息科学等相关科学和技术 的综合工程技术 ，本设计 有限元的分析计算主要依靠 通用有限元分析及结 构设计软件包 V S A P 完成，可视化空间三维结构分 析及设计 软件 包 V S A P适用 于建筑结构 、水工 、桥 梁工程 、机械行业 、船舶工业等各行业 ；常规计算 主要依靠 世纪旗云结构设计工具箱 加人工分析完 成。 3 ． 1 设计数据 根据 建筑工程模板施工手册 、 水利水电工程 施工组织设计手册 中的相关数据 ，结合本工程调压 井结构尺寸计算整理而得 基本荷载项 目取值表 见 表 1 、表 2 。按照设计计算的基本要求 恒载乘 以恒 载系数 1 ． 2 ，活载乘 以活载系数 1 ． 4 ，计算整理得到 设计荷载项目取值表 见表 3 。按照荷载组合整 理成 滑模结构构件荷载组合表 见表 4 ，根据 滑 模结构构件荷载组合表 进行结构设计 。 表 1 基本荷载项 目取值表 1 尺寸规格 荷载参考值 荷载 单 自重 总重 荷载项 目 数量 ／ m 2 ／ k g- m一 系数 ／ k g ／ k g 模 板 P 3 0 1 5 2 3 1 1 5 3 4 6 5 围圈 [ 1 6 a 6 9 ． 1 1 5m 2 l 1 8 5 6 2 3 7 9 上部操作平 台 3 8 O l 5 5 1 ． 1 2 0 9 0 7 2 0 9 0 7 下部吊架 3 8 0 l 3 2 ． 5 1 ． 1 1 2 3 5 0 1 2 3 5 0 单提升架 3 0 2 0 O 6 o 0 汇总 4 5 1 0 1 平 台铺板 、檩条 3 8 0 2 5 O 9 5 O 0 o 平 台桁架 3 8 0 1 5 0 5 7 O o 0 围圈 、提升架 3 8 0 1 0 o 3 8 0 o 0 支撑杆、千斤顶 3 8 0 l 0 o 3 8 0 o 0 注 施工荷载主要包括平 台上放置手推车 、吊罐 、液压操 作台 、电 气焊设备 、垂直运输 、井架等特殊设备时 ，千斤顶和液 压控 制台也包 括在 内。混凝土浇筑平台面积为 3 8 0 m ，圆周长 为 6 9 ． 1 1 5 n l 。其 中 平 台铺板 、檩条是指设计平 台铺板 、檩条时的施 工荷载 。 3 ． 2结构设计 在设计过程中，参考了琅琊山引水工程调压井中 滑模设计资料和企业现有滑模设备情况，同时吸收了 鲁布革工程 中的国外滑模 的先进经验，整个滑模体采 用整体钢结构设计 ，滑模控制采用液压 自动调平控制 台，配套选用专用千斤顶。共设有钢筋制安兼模体防 护平台、浇筑平台、抹面兼联系梁衬砌和钢爬梯制安 3大平台。整个装置主要由模板 、围圈 、提升架 、工 作盘 、支撑杆、液压系统等几大部分构成。模体重量 表2 基本荷载项目取值表 2 序号 荷载项目 荷载计算 荷载值 按浇筑高度为 0 ． 8 m计算 ，侧 ③ 混凝土侧 压力 压力 R5 ． 06 ． 0 k N ／ m，合 5 0 0～ 6 0 0 k g ／ m 力作用点约在 0 ． 4 h处 3 0 0 k g ／ m2 ，6 9 ． 1 1 5 m 圆 周 ④ 模板摩擦阻力 1 6 5 8 7 ．6 k g 长 ，0 ． 8 m 2层浇筑高度 倾倒混凝 土时 用溜槽或 串筒 或 0 ． 2 m 的运 ⑤ 模板承受的冲 输工 具 向模板 内倾 倒 混凝 土 2 0 0 k g ／ m 时 ，作用于模板 侧面的集 中荷 击力 载为 2 ． 0 k N 滑模施 工 采取 溜筒 按 0 ． 2 m 垂直运输混凝土， 对操作平台 ⑥ 刹车力设计值 O 垂直运输荷载和制动时 的刹车 力可 以不考虑 表 3 设计荷载项 目取值表 项 目 标准荷载 荷载系数 设计荷 载 说 明 ① 4 5 1 0 1 k g 1 ． 2 5 4 1 2 1 ． 2 k g 恒载系数为 1 ． 2 9 5 0 0 0 k g 1 ． 4 1 3 3 0 0 0 k g 平 台铺板及檩 条 ② 5 7 0 0 0 k g 1 ． 4 7 9 8 0 0 k g 平 台桁架 3 8 0 0 0 k g 1 ． 4 5 3 2 0 0 k g 支撑杆及千斤 顶数量 ③ 5 0 0 ～ 6 0 0 k g ／ m 2 1 ． 2 6 0 0 ～ 7 2 0 k g ／ m 2 活载系数为 1 ． 4 ④ 1 6 5 8 7 ． 6 k g 1 ． 4 2 3 2 2 2 ． 6 4 k g ⑤ 2 0 0 k g ／m 1 ． 4 3 4 0 k g ／ m 按均布荷载简化计算 ⑥ O 1 ． 4 O 注① ～ ⑥同表1 、表 2 。 表 4 滑模结构构件荷载组合表 滑模结构计算项 目 荷载组合 ① ② ④和① ② ⑥ 支撑杆计算 取较大者 模板 面板计算 ③ ⑤ ③ 围圈计算 ① ③ ⑤ ① ③ ④ 提升架计算 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ① ② ③ ④ ⑥ 操作平台结构计算 ① ② ⑥ ① ② ⑥ 注 ① ～⑥同表 1 、表 2 。 5 7 ． 1 t 。结构设计得的主要方法和思路如下。 3 ． 2 ． 1 液压千斤顶、支撑杆件数量计算及选型 根据 滑模结构构件荷载组合表 计算出总的垂 直荷 载，按照 G Y D 6 0液压 千斤顶进行数量计 算， 同时使用 世纪旗云结构设计工具箱 作了大量比较 性计算优化了爬杆的选择。 1 千斤顶、支撑杆件数量计算。 液压提升系统所需的千斤顶和支承杆的最少数量 按下式计算nN ／ P 。式 中，Ⅳ为总垂直荷载按上 面取值为 1 3 0 5 4 3 ． 8 4 k g 。P为单个千斤顶的计算承载 力，按千斤顶的允许承载能力 取千斤顶额定承载力 水利水电技术第 4 l卷2 0 1 0年第2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的 1 ／ 2 ，取为 3 0 0 0 k g 。nⅣ ／ P1 3 0 5 4 3 ． 8 4 ／ 3 0 0 0 4 3 ． 5 1 4 6 1 个 4 4个 ，取 4 5个 ，按 4 5个千斤顶 计算 ，千斤顶间距为 L6 9 ． 1 1 5 ／ 4 51 ． 5 3 6 m ，即 液压千斤顶按 1 ． 5 3 6 n l 均布在直径为 2 2 m的圆上共 计 4 5个 。 2 支撑杆件的选型。 首先将两种支撑杆件 4 , 2 5钢筋爬杆及 8 3 ． 5 脚手 架钢管作了综合 比较 ，其单位重分别为 3 ． 8 5 4 k g ／ m、 3 ． 8 4 2 k e m；抵 抗 矩 分 别 为 1 5 3 3 ． 9 8 m m 、 5 0 7 7 ． 7 9／ ／ l m ；承载能力通过三种方式计算 ①传统 计算；②按 世纪旗云结构设计工具箱 计算 ；③查 询手册经验值。将支撑杆件 长度按 2 ． 0 m、1 ． 8 m、 1 ． 6 m、1 ． 4 m计算 ，前者承载能力分别为 9 ． 0 7 k N、 l O ． 4 4 k N、1 2 ． 1 5 k N、1 4 ． 3 0 k N，后者 为 8 2 ． 5 k N、 8 8 ． 44 k N、9 3 ． 3 4 k N、9 7 ． 2 3 k N 。从上述分析很容易 看 出脚手架钢管作为支撑杆件的优趱 陛，三种设计方 法中，传统计算费时费力 ，计算结果容易出错 ；查询 手册经验值简单方便 ，但是手册的经验值准确性和范 围受到限制；而 世纪旗云结构设计工具箱 的计算 只需输入 已知条件，很快得到计算结果。本设计借鉴 了鲁布革滑模施工中的支撑杆件 回收的经验 ，在千斤 顶底座下面焊接一个支撑杆件套管 ，套管与提升架有 效连接成为一个整体 ，随模体向上方运动 ，套管的型 号为 b 6 0 3 ． 5 。支撑杆 件逐渐加 长，采用焊接 连接。 模体拆装完毕 ，能将支撑杆件从孑 L 内取出。本工程采 用此种方法节省钢材 3 ． 8 4 2 k g ／ m 4 2 n l 4 5个 X 4 2 套 1 4 ． 5 t 钢材。通过计算确定支撑杆件初始长度为 1 ． 5 m、2 ． 2 5 m、3 ． 7 5 m、4 ． 5 m，以避免接头在同一 受力平面内。支撑杆的下端固定在调压井阻抗孔平台 水平段基岩面上，上段穿过液压千斤顶的通心孔 ，承 受整个滑模荷载。 3 ． 2 ． 2模板 及 围圈 1 模板。 模板是混凝土井壁成形的模具 ，其刚度，表面平 整度等直接影响着所浇筑混凝土的成形及外观 ，考虑 制作和安装的方便 ，本工程采用 P 3 0 1 5可调小钢模拼 接而成，模板与围圈采用螺栓连接。 2 围圈。 围圈是模板的横 向支承肋 ，上下各一道 ，是 以 提升架为支座的双向受弯连续梁 ，同时 承受水平荷 载 混凝土 的侧压力 、冲击 力 和垂直荷载 模板和 围圈 自重力和摩阻力 ，当操作平 台支承在 围圈上 时 ，还承受操作平台的 自重力和施 工荷载。围圈 的 计算按三跨连续梁支承在提升架上考虑，从型材的 水 4 水电技术第4 1 卷2 0 1 0年第2期 李小会， 等∥基于有限元法的抽水蓄能电站调压井液压滑模设计 强度、整体稳定性、刚度进行设计计算，优选出 [ 1 2槽钢作围圈 ；同时考 虑到与提 升架 、钢 网架模 体平 台的连接便利性 ，最终采用 [ 1 6槽 钢 ，并进行 校核验算 。 3 ． 2 ． 3提升架 提升架是滑升模板 、围圈及工作盘 等的联 系构 件 ，并且通过安装于其顶部的液压千斤顶，带动联系 构件等模体上所有荷载沿支撑杆爬升。 提升架是滑模结构的主要承力构件 ，滑模施工中 的各种水平和竖向荷载均通过模板 、围圈、操作平台 传递到提升架上。通过提升架上的液压千斤顶将提升 架上的荷载传到钢支撑杆上，最后传到已凝固的混凝 土结构体上。提升架 由立柱、横梁等组成。在荷载作 用下立柱的侧向变形不大于 2 mm。提升架横梁采用 [ 1 2槽钢 ，提升架立柱采用 1 1 6工字钢。进行施工荷 载验算均能满足施工要求 。 3 ． 2 。 4 操 作平 台 操作平台见图 1 ，主要包括三部分 1 上部钢 筋平台，钢筋平 台通过提升架 与混凝 土下料 平台相 连。 2 中部 的混凝土下料平 台。 3 下部 的混凝土 抹面平台，平台之间使用爬梯连接。其 中混凝土操作 平台是整个滑模系统的核心 ，在整个系统中约占总重 的 8 5 ％以上；混凝土操作平 台是滑模施工 中主要材 料 、设备 、操作人员承载平台，结构的合理性 、科学 性及计算的准确性 ，关系到模体重量的减轻程度和经 济效益提高程度。 自 斜 入仓 磊 三 一平台 3 ． 2 。 5辅助 系统 包括预埋处理和洒水养护、中心测量 、水平控制 测量等装置。洒水养护是混凝土施工的一个重要环 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李小会， 等∥基于有限元法的抽水蓄能电站调压井液压滑模设计 节 ，洒水管用硬质塑料管 ，在辅助盘周边安装 ，在管 上钻孔 ，对混凝土表面进行洒水养护。中心测量采用 全站仪进行控制 ，在上井 口安装 2台激光投影仪 ，用 于控制模体滑升。水平测量利用水准管原理，在模体 上布置透明胶管，充水固定在模体上进行水平度观 测 。 4 有限元技术应用 在设计过程 中，吸收了金属学中原子晶格排列 中 最稳定 的品格排列结构正六边形 晶格结构 的思 想 ；同时将平行式空间网架结构和辐射式空间网架结 构的设计思想有效地融合到下料平台空间网架 的设计 中。模体以中心基准正六边形最稳结构向外扩散 ，具 有空间平行桁架和辐射桁架三者的有机结合 ，同时兼 顾考虑混凝土垂直运输的合理性和经济性 ，使模体在 结构上 日臻完美。结构分析完成后 ，本着便 于安装、 拆装的原则，采用螺栓连接的方式，使构件规格尺寸 标准化布置了模体网架结构 。真实的模仿模体 网架结 构的受力情况 ，选定 网架构件的型材断面尺寸。 本设计使用了 通用有限元分析及结构设计软件包 V S A P } 计算机软件，利用有限元分析 的思想 ，部分 的 仿真的分析了模体空间网架的受力情况，优化选定了 桁架型材的断面形式。桁架上弦选用[ 1 6工字钢，下 弦选用[ 1 4工字钢，拉压杆件选用 2 L 7 5 5角钢。 根据图2，调压井滑模平面结构分析步骤如下。 1 绘制桁架结构尺寸形式。 2 施加约束 、施加荷载形式 。 3 初选型钢断面形式 。 4 加查数据文件 。 5 生成 S A P数据文件及 S A P计算 。 6 查询 内力值 图，查询结点位 移等 等仿真结 果 ；全部钢构件验算及查阅钢构件计算书等分析的结 果。通过反复选择钢材断面的形式 ，最终确定桁架上 弦选用[ 1 6工字钢，下弦选用 [ 1 4工字钢 ，拉压杆件 选用 2 L 7 5 5角钢 。计算模体总重为 3 6 ． 9 9 t 。 5 结语 本文主要借鉴了琅琊山尾水调压井滑模设计资料 及鲁布革项目调压井滑模施工先进经验， 使用计算机 软件的有限元仿真分析的思想优化了设计 。主要取得 3 0 图 2调 压井 D 2 2 m滑模平面结构 单位 m m 了以下成 果 。 1 优化 了滑模模体的结构 ，琅琊山采用 9根辐 射梁的桁架结构 ，本设计采用以基准正六边形 向外辐 射 ，同时融合辐射式空间网架和平行式空间网架为一 体的稳定结构。而且桁架杆件标准化程度高 ，便于安 装 、拆装施工。 2 采用 世纪旗云结构设计工具箱 及 通用有 限元分析及结构设计软件包 V S A P 计算机软件进行 设计 ，提高了计算速度和准确性 ，实现大幅度的经济 节约 ，按照琅琊 山尾水调压井滑模 的模体单位面积钢 材用量计算 ，本工程节约钢材 2 4 ． 5 9 t 。 3 采用施工先进 经验优化设计 回收支撑杆 件 l 4 ． 5 t ，同时利用提升架形成钢筋平台 ，避免 了交叉 作业的干扰，加快了施工进度。 参考文献 [ 1 ] 张洪信 ．有限元基础理论与 A N S Y S应用[ M] ．北京 机械工业 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 2 ] 朱伯芳 ．有 限单元法原理与应用 [ M] ．北京 中国水利水 电出 版社 ，1 9 9 8 ． [ 3 ] 彭宣常 ，张晓萌 ．我 国滑模 工程施工 技术 的应用与 发展 [ J ] ． 施工技术，1 9 9 9 ， 3 ． 【 4 ] 戴勇 ． 白莲河蓄能电站调压井衬砌滑模施工【 J ] ．东北水利 水 电，2 0 0 8 ． 【 5 ] s L 3 2 9 2 ， 水工建筑物滑动模板施工技术规范【 S ] ． [ 6 ] G B 5 0 1 l 3 2 0 0 5 ，滑 动模板工程技术规范[ s ] ． 责任编辑欧阳越 推避 法行醚 实 法治水 水利水电技术第 4 1卷2 0 1 0年第2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m