BIM技术在埋藏式月牙肋岔管计算分析中的应用研究
埋藏式月牙肋钢岔管应力控制标准的比较研究
隙 条 件下 ，按 不 同 应力 控 制 标 准 设 计 的 钢 岔 管 管 壁 厚 度 和 肋 板 尺 寸 差 别 较 大 ，说 明不 同 应力 控 制 标 准 之 间 差 别 是 较 大 的 。此 外 ，在 满 足 明 管 校 核 准 则 和 适 当 围 岩 承 载 比 的 条 件 下 ，按 Ｄ Ｌ ／ Ｔ ５ １ ４ １ －２ ０ ０ １《 水 电站 压 力 钢 管 设 计 规 范 》
Ｚ ＨＯＵ Ｃａ ｉ ｒ ｏ ｎ ｇ ． Ｗ Ｕ Ｈｅ ｇ ａ ｏ ． Ｓ ＨＩ Ｃｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ
（ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｈｙ ｄ ｒ ｏ ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ２ ， Ｈｕ ｂ ｅ ｉ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
水 力 发 电
第４ Ｏ 卷第 ４ 期
２ ０ Байду номын сангаас ４年 ４月
埋 藏 式 月 牙 肋 钢 岔 管 应 力
控 ｛ ｝ ； ＝ ＝ 『 标 准 的 巴较 研 究
周 彩 荣 ，伍 鹤 皋 ，石 长征
（ 武 汉 大 学 水 资 源 与 水 电工 程 科 学 国家 重 点实 验 室 ，湖 北 武 汉 ４ ３ ０ ０ ７ ２ ）
坝 内 埋 管 的结 构 系数 增 加 １ ０ ％的 应力 控 制 标 准 对 地 下 埋 藏 式 钢 岔 管 进行 设 计 是 比较 合 理 的 。 关 键 词 ：水 工 结 构 ；埋 藏 式 月 牙 肋 钢 岔 管 ；应力 控 制 标 准 ；管 壁 厚 度 ；三 维 有 限元 法
月牙肋钢岔管的优化设计
月牙肋钢岔管的优化设计
杨海霞;李哲斐
【期刊名称】《固体力学学报》
【年(卷),期】2006()S1
【摘要】建立了通用的月牙肋钢岔管优化设计模型,编制了相应的程序.实例计算结果表明,不依赖设计者的个人经验,可以用本程序设计出满足设计要求的最佳方案.所得设计既快又好,研究成果有实际应用意义.
【总页数】4页(P180-183)
【关键词】月牙肋钢岔管;压力钢管;结构优化设计;钢岔管
【作者】杨海霞;李哲斐
【作者单位】河海大学工程力学系
【正文语种】中文
【中图分类】TV72
【相关文献】
1.龙背湾水电站月牙肋钢岔管优化设计 [J], 丛景春;罗华;伍鹤皋
2.新疆XSX水电站月牙肋钢岔管三维有限元优化分析 [J], 陈刚
3.埋藏式月牙肋钢岔管肋板受力特性和体型优化方法 [J], 苏凯;李聪安;胡馨之;伍鹤皋
4.水电站多锥节平底月牙肋钢岔管设计 [J], 韩晓凤
5.月牙肋钢岔管结构优化及联合承载机理研究 [J], 申艳;李晓;邵艳妮;赵择野
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山口水电站工程埋藏式钢岔管管材比较分析
钢 材
Ｑ３ ５ ４Ｃ
级来 减 少钢 板厚 度 。
从表 ２中钢岔管壁厚计算值可知 ，虽然钢岔管的管 径大 ， 但压力水头不高 。岔管采用 Ｑ ９Ｃ钢材的有 限元 ３０ 结构优化计算的壁厚虽大于 ８０ ａ ０ ＭＰ 的钢岔管 ， 但两方案 计算厚度均未超过规范规定范围 ， 满足设计要求． 无需提 高钢材等级 。
净水头（ 考虑调压井最高涌浪水位 ）２ 设计内水压 ９ｍ， 力（ 加水锤压力 ）１． 水压试验压力 １０ ｍ １８ ｍ， ４ ３． 。 ３
表２
岔 管
管 壁 和 肋 板 厚 度
管壁厚度 方案一 方案 二
３ ０
２ ８
单位 ： ｍｍ
肋板 厚度 方 案一
４ ６
４ ０
２ 岔管 管材 比较分析
管， 通过三次分岔 ， 将一根主管分为 ４根支管接入主厂房 内。钢岔管均为地下埋管 ， 厂房附近的支管为明管。１３ ～
号岔 管 型式 采 用 “卜 形 月牙 肋 岔 管 ； ” 岔管 前 接 主管 内径 ９ ｍ； 管 为 两大 两 小 共 ４根 ， 中 ， 号 、 ． 支 ０ 其 １ ２号支 管 内径 ３ ｍ， 号 、 号 支管 内径 ５ ｍ 见 下 图 ） ． ３ ４ ２ ． （ ２ 。
二长片麻岩 ， 围岩分类为Ⅲ类 ， 局部稳定性差。围岩弹性
模量 ＝ ６ Ｇ ａ 单位弹性抗力 Ｋ ＝５ ４ Ｍ ａ ｍ， ４． Ｐ ， ２ ｏ３ — ０ Ｐ／ 膨胀 ｃ
系数 Ｏ＝ ． ｌ－￣， ｚ １ ｘ０６ 泊松 ｔｇ＝ ． 。 ｄ ０ ／ Ｃ Ｌ ａ０ ５ ２
李
捷 等／４ ， 口水 电站工程埋藏式钢 岔管管材 比较 分析 １
无损探伤检 验工作 外 ，更 为重要 的是必须 对焊接线能
洪屏抽水蓄能电站内加强月牙肋钢岔管原型水压试验研究
洪屏抽水蓄能电站内加强月牙肋钢岔管原型水压试验研究姚敏杰;高雅芬【摘要】洪屏抽水蓄能电站岔管HD值高,且为国内首批采用国产800MPa级高强钢的钢岔管.从工程安全角度考虑,确定进行水压试验.通过水压试验检验钢岔管的制作水平,钝化尖端应力,削减焊后残余应力,增加结构的安全度.水压试验表明,其最终测试结果与三维有限元计算基本吻合,为后续钢岔管的设计提供了重要的依据.【期刊名称】《水力发电》【年(卷),期】2016(042)006【总页数】3页(P92-94)【关键词】水工结构;原型水压试验;内加强月牙肋岔管;洪屏抽水蓄能电站【作者】姚敏杰;高雅芬【作者单位】中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州310014;中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TV732.43洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县境内，紧靠江西省用电中心，与南昌、九江、武汉直线距离分别为65、100 km和190 km。
鄂赣联网的500 kV输电线路从洪屏电站附近通过。
电站为周调节纯抽水蓄能电站，一期装机容量1 200 MW。
电站建成后，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。
枢纽建筑主要包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群、地面开关站和地面中控楼等。
因钢岔管水压试验需占用工程工期，且费用不菲，笔者曾研究论证过钢岔管取消水压试验的可能性。
但鉴于本工程钢岔管HD值高、国内首批采用国产800 MPa级高强钢(上海宝钢，牌号为B780CF)，且生产制造厂家首次制作钢岔管，从工程安全角度考虑，最终确定应作水压试验，检验钢岔管的安全可靠度。
2014年11月，洪屏抽水蓄能电站进行了原型钢岔管水压试验。
中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司编制了钢岔管水压试验技术要求及工况设计，中国水利水电第六工程局有限公司、电力工业金属结构设备检测中心负责加载系统的安装、打压及各项测试工作。
埋藏式内加强月牙肋岔管已建工程围岩分担内水压力分析
埋藏式内加强月牙肋岔管已建工程围岩分担内水压力分析-水文＆水资源简介：埋藏式岔管国内外基本按明管设计，围岩分担内水压力仅作为一种安全储备。
以往有些工程也不同程度地考虑围岩分担内水压力的潜力，但仅处于经验阶段。
本文通过对我国已建的十三陵、日本的奥美浓、奥矢作第一等抽水蓄能电站的内加强月牙肋岔管原型观测资料分析，探讨岔管围岩分担力水压力的规律。
关键字：埋藏式内加强月牙肋岔管原型观测围岩分担内水压力埋藏式岔管通常是按明管设计，不考虑围岩的约束作用，围岩分担内水压力仅作为一种安全储备，以往我国有些工程也不同程度地考虑围岩分担内水压力的潜力，如以礼河三级电站斜井式调压井的分岔结构、渔子溪一级电站三梁岔管等。
由于日本大型抽水蓄能电站比较多，80年代末开始研究大PD值岔管围岩分担内水压力的设计。
首先是在奥美浓电站的内加强月牙肋岔管进行尝试，奥美浓电站的1#岔管最大PD=4108.5m2，主管内径5.5m。
这种尝试在世界上也属首例。
由于是首次尝试，缺乏经验，设计时围岩分担率限制在15%以下，而原型观测结果远大于15%。
在实际运行中，围岩与岔管是联合受力的。
埋藏式岔管围岩作用主要体现在两方面：一是在受到内水压力作用时，同地下埋藏式园管一样，围岩分担部分内水压力，减少钢岔管所承担的荷载；二是由于岔管结构变形是不均匀的，受到围岩的约束作用，限制了岔管变位，使其变形均匀化，消减岔管折角点的峰值应力，使岔管应力分布均匀化，便于材料强度的充分发挥。
为进一步分析实际工程中，岔管与围岩联合作用的规律，对我国的十三陵抽水蓄能电站的内加强月牙肋岔管原形观测资料进行了分析，并通过三维有限元模拟岔管实际工况与观测成果进行对比分析，同时也对日本的奥美浓抽水蓄能电站、奥矢作第一电站岔管观测成果进行分析，探讨岔管围岩分担内水压力的规律。
1十三陵抽水蓄能电站岔管观测资料分析1.1工程概况十三陵抽水蓄能电站位于北京著名的十三陵风景区，十三陵水库的左岸，电站最大水头481m，安装4台200MW单级混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量为800MW。
埋藏式钢岔管结构及应力应变分析
在对岔管进行结构计算 时， 仍将该工程埋藏
式 岔管按 明岔 管设 计 。根据 水 电站压 力钢 管设计 规 范 的规定 ， 当埋 藏式 岔管 具有 足够 埋深 时 ， 不 若
房， 装机容量 ２ １０Ｍ × ３ Ｗ。工程于２０ 年 ２月开 ０３ 工， 预计 ２０ ０６年 ｌ 月建 成发 电 。 １
见 图 ２ 。
４ ３ 应 力、 变计 算分析 ． 应
维普资讯
Ｙ
０
图 ｌ 岔管体 型设计结 果示 意图
管 变形越 小 ， 这也 是 埋 藏 式 岔 管优 于 明岔 管 的一
个重要方面。在主锥管靠近相贯线交汇点处及两
个 支锥 段靠 近相 贯 线 交 汇 点处 局 部 变 形 较 大 ， 其
四
川 水
力 发
电
Ｖｏ ． ５。Ｎｏ ３ １２ ． Ｊ ｎ ， ｕ ．２ ０ ０６
Ｓ ｃ ｕ ｎ Ｗ ａｅ Ｐ ｗ ｒ ｉｈ ａ ｔｒ ｏ ｅ
埋藏 式 钢 岔 管 结构 及 应 力应 变 分 析
杜
摘
鹏
陈 建 康
（ 四川大学 水利水电学院 ， 四川 成都 ６ ０ ６ ） １ ５ ０
有 限元 模 型 建 立 在 笛 卡 尔 直 角 坐 标 系 坐 标 （ Ｙ， ） ，Ｘ Ｙ 面 为 水 平 面 ， 直 方 向 为 ｚ ｘ， ｚ 下 Ｏ 竖 轴， 向上 为 正 ， 坐标 系成 右手 螺 旋 ， 标 原点 位 于 坐 主锥管 与 支锥管 公切球 球 心处 。钢 岔管计 算 网格
分 别进 行 了明钢 岔管 和埋 藏式 岔管 两种 方 案
的计算 ， 将钢岔管应力成 果以最大主应力 和 Ｖ ｎ ｏ
埋藏式月牙肋钢岔管的合理布置及承载参数分析
埋藏式月牙肋钢岔管的合理布置及承载参数分析近年来，我国常规水电和抽水蓄能电站工程得到快速的发展，各种施工技术、设备不断创新，建筑物的设计水平也在不断的提升。
埋藏式月牙肋钢岔管是常规引水式水电工程和抽水蓄能电站中应用广泛的建筑物，其承载力和体型设计直接影响着整个常规水电工程和抽水蓄能电站的工程质量和投资。
而在其设计过程中，埋藏式月牙肋钢岔管的体型设计布置和承载参数的计算又是非常重要的工作内容，为此文章针对埋藏式月牙肋钢岔管的合理体型设计及承载参数计算等相关的内容进行分析研究。
标签：埋藏式月牙肋钢岔管；合理体型设计；承载参数引言随着我国常规水电工程和抽水蓄能电站工程的快速发展，施工和设计水平都在不断提升，埋藏式月牙肋钢岔管做为一重要的建筑物，其结构、性能与传统的钢岔管相比有着受力明确、水头损失小和施工方便等显著的优势。
在埋藏式月牙肋钢岔管的设计中，其合理的布置以及承载参数的计算和设定是关键，影响着月牙肋钢管的整体设计质量。
为了保证埋藏式月牙肋钢岔管可以满足不同环境的需求，文章针对埋藏式月牙肋钢岔管的合理布置及承载参数等内容进行分析。
1 埋藏式月牙肋钢岔管的合理布置分析随着我国经济不断的发展，我国能源需求量逐年攀升，使得有着绿色能源的水电工程和抽水蓄能电站工程近几年得到大力的开发。
与此同时引水管道设计也伴随着地质条件差、高水头、大PD值等不利影响因素。
钢岔管作为引水式多机组电站中的关键设备，其综合这几年钢岔管的设计工作，月牙肋钢岔管应用最为广泛。
在具体的设计时，需要充分的考虑施工条件，例如岩层内的水压力等，通过对月牙肋钢岔管的参数、结构等的合理设计和布置，降低其安装和生产制造的难度，并保障工程的施工质量[1]。
从近几年的水电工程和抽水蓄能电站工程的现状来分析，有着PD值越来越大，围岩条件愈来愈复杂的趋势，从目前的围岩承载需求分析，围岩条件好时，管道在设计的过程中，管壁厚度会偏大。
为了满足实际工作中围岩的承载需求，管道的管壁厚度往往会超过设计的厚度，进而保证管道可以根据不同的围岩条件，对其承载比进行调整和控制。
水电站月牙肋岔管的计算机辅助设计
有 限元法两 种。结构力学 法 的计算结 果无法反 映出岔管各管
节、 各个部位 的应力和变位情况及相互影响 ， 大直径 ， 高水头 的
ｅｔＲ 等。其 中 Ｏ ｊ ｔＲ ｃＡ Ｘ ｂ ｃ Ｘ是一 种 面向对象 的 ｃ ＋编程 环 ｅＡ ＋ 境， 具有 面向对象 编程方 式的数据可 封装性 、 可继承性 及多态
Ｏ ｊ ｔｌ ｂｅ ．Ｅ ｃＡ Ｘ为月牙肋钢岔管计算机辅助设计的开发工具。
２２ 用 户 界 面 设 计 － 对 话 框 是 一 种 具 有 固 定 边 界 的 窗 口 ，也 是 目前 比较 流行 、
设计单位 中广泛 应用 ；利用 Ｏ ｊ ｔｌ ｂｅ Ａ Ｘ进行 Ａ ｔ Ａ ｃ Ｅ ｕｏ Ｄ二次开 Ｃ 发具有功能强大 、 速度快 、 安全性 好等特 点 ， 以最终确定使用 所
靠手动 。 使得 岔管建模难度大 ， 周期 长 。 不利于进行多方案分析
比较。实现结构离散 自动化 ， 即开发岔管有限元网格剖分的应 用程序 ， 对有 限元 分析技术具有重大意义 。 １３ 月牙肋岔管展开计算 ． 工程 中钢岔管 常由钢板卷焊 而成 。钢 岔管各管节形 状各 异， 在生产下料前 必须 制作管节 的全部或部分轮廓的平面展开 图， 然后才能切割下料 ， 指导下一步施工。 传统 的制作管节展开 图的方法是按画法几何基本原理求 解 ，手工绘制 管节展开 图 ， 手工作 图过程使得其作 图 中的误差较 大 ， 设计 精度较低 ， 不能 满足 当今 工程实际所需 的更高要求 ， 且工作效率 低 ， 劳动强度 大 。因此开发钢岔管管节展开和绘图程序 ， 不但能极大地方便
户界面 、 创建 自定义类 、 建立复杂 的应用程序 、 与其他编程 环境
进行交互等。
构来说 ， 求作相贯 线具有较大 难度 ， 实体 建模和结构离 散化仍
埋藏式月牙肋岔管辅助设计系统开发与应用
２０１９ 年第 １２ 期
水利规划与设计
ＤＯＩ: １０ ３９６９ / ｊ ｉｓｓｎ １６７２￣２４６９ ２０１９ １２ ０２５
埋藏式月牙肋岔管辅助设计系统开发与应用
申显柱ꎬ 李水生ꎬ 鲍 伟ꎬ 张 凯
( 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司ꎬ 贵州 贵阳 ５５００８１)
摘要: 依托埋藏式月牙肋岔管设计经验ꎬ 紧扣规范ꎬ 经研究论证后形成基于 Ｃａｔｉａ￣Ｖ５ 的岔管结构计算软件程序、
数化三维模板制作及二维图绘制功能主要依托 Ｃａｔ￣
ｉａ￣Ｖ５ 软件ꎬ 围岩和岔管联合承载有限元计算方法
功能主 要 依 托 Ａｎｓｙｓ 和 Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ 等 软 件 进 行 开
按结构力学法ꎬ 以 ＳＬ ２８１—２００３
作者简介: 申显柱(１９８０ 年—) ꎬ 男ꎬ 高级工程师ꎮ
２ １ ２ 模板制作内容
月牙肋岔管三维模板制作以约束造型为核心ꎬ
以尺寸驱动为特征ꎬ 实现参数化、 标准化及模板化
设计ꎬ 包括体形设计和管节展开ꎮ 模板文件分别为
有限元计算模型和管节展开模型ꎮ
结构ꎬ 如图 ５ 所示ꎮ
２ １ ３ 模板制作思路
地实现结构计算ꎬ 并且还可以生成相应的标准化计
能ꎬ 建模时将相关的设计参数提取出来ꎬ 放在模型
析ꎻ ⑤最后采用 ＡｕｔｏＣＡＤ 绘制二维图和采用 Ｗｏｒｄ
编写结构计算书ꎮ
实践表明ꎬ 因为月牙肋岔管结构较复杂ꎬ 传统
设计过程以人工为主ꎬ 设计过程时间长、 易出错、
步骤多、 内容繁琐ꎬ 所以体型参数设计、 结构计算
分析和二维施工图绘制一直是设计工作中最耗工时
的ꎮ 虽然结构设计、 有限元计算等有相关的计算软
肋岔管传统的设计流程: ①结合主支管参数ꎬ 依据
埋藏式月牙肋钢岔管肋板受力特性和体型优化方法
埋藏式月牙肋钢岔管肋板受力特性和体型优化方法苏凯;李聪安;胡馨之;伍鹤皋【摘要】A three dimensional finite element numerical model for steel bifurcation pipe of hydropower diversion system is established according to the engineering practice of embedded crescent-rib steel bifurcation pipe in a hydropower station.And this work is focused on the study of mechanical characteristics and shape optimization method of rib.The results indicate that the distribution of axial stress and z-direction stress in the thickness direction of rib is uniform,and the values of z-direction stress are significantly smaller than the counterpart of axial stress.Therefore,the z-direction property of the steel needs to be ensured to avoid the tearing in the thickness direction of the crescentrib.In this study,the inner edge of the crescent-rib is optimized by the resultant action percentile point,which is proposed based on the distribution characteristics of axial stress of crescent-rib cross sections.And the objective function is used to recheck the computation of the optimized shape crescent-rib,which can be recommended as a method to optimize the shape of the rib.%结合某水电站埋藏式月牙肋钢岔管的工程实际,建立其引水系统钢岔管的三维有限元数值模型,重点研究了月牙形肋板的受力特性与体型优化方法.计算结果表明:肋板轴向应力和z 向应力在厚度方向上的分布一致性较好,z向应力尽管数值上明显小于其轴向应力,但为使钢材沿厚度方向不出现撕裂破坏而需要保证满足肋板的z向性能要求;根据肋板横截面上轴向应力的分布特征,提出了合力作用分位点的概念,依据合力作用分位点轨迹线修正肋板内缘轮廓,由优化目标函数进行肋板体型优化计算,并建议此方法作为肋板体型优化的方法.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2018(051)003【总页数】9页(P232-240)【关键词】月牙肋钢岔管;肋板;z向应力;体型优化;合力作用分位点;内缘曲线;目标函数【作者】苏凯;李聪安;胡馨之;伍鹤皋【作者单位】武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TV732.4在中高水头引水式水电站中，多采用“一管两机”或“一管多机”的供水方式，常需设置分岔管．岔管是指输水管道分岔处的压力钢管管道，是由锥管、柱管、肋板焊接而成的板壳组合结构，其中月牙肋钢岔管具有受力合理、设计方便、水流流态好、水头损失小、结构可靠、制作安装容易等特点，是目前国内外采用最多的岔管型式[1-2]．月牙肋钢岔管的结构特点是：用一块完全嵌入管体的月牙形肋板从岔管的内部加强两个支管相贯线处的管壁，并承受由内水压力作用产生的两个支管相贯线处的不平衡力，让管壁所受到的水压力作用在肋板的形心上，按轴心受拉构件确定肋板的轮廓尺寸，这样可以充分利用钢材的抗拉强度[3]．而在实际内水压力的作用下，肋板的水流情况和受力状态都较为复杂，其各截面并非处于轴心受拉状态．目前，国内对肋板的研究主要集中在肋板的整体受力特征方面，如冯华[4]针对甘肃杂木河神树水电站钢岔管，对其肋板的合位移和 Mises应力进行了研究；辜晓原等[5]在设计江苏溧阳抽水蓄能电站月牙肋钢岔管时，分析了肋板的整体Mises 应力和肋板厚度方向的应力；郭雪[6]在研究张河湾抽水蓄能电站埋藏式钢岔管时发现，相比明管，埋管时肋板应力集中有十分显著的下降．可以看出以上研究多针对肋板整体受力展开，缺少对肋板轴向以及z向受力特征细致深入的研究．同时，对于肋板体型(肋板内缘曲线)，目前的工程实践多按抛物线方程确定，也有采用椭圆曲线进行设计的，如马鹿塘水电站一期工程钢岔管肋板内缘曲线即是采用了椭圆曲线，但是目前针对肋板体型的研究多集中在肋板的初步设计阶段，未对肋板的实际受力状态和体型进行复核，如张红梅[7]在研究西龙池抽水蓄能电站月牙肋钢岔管时，发现肋板最大横截面处应力分布不够均匀，认为主要原因在于肋板最大横截面的形心点与其合力作用点不重合．因此，本文结合某水电站埋藏式月牙肋钢岔管工程实际，建立钢岔管的三维有限元数值分析模型，针对肋板的受力特性，特别是对肋板轴向应力的分布特征以及z向应力的分布规律展开研究，并结合肋板各典型横截面上的轴向受力特征探讨肋板体型优化设计方法，提出优化目标函数，计算结果可为肋板体型的优化设计提供重要的参考依据．1 基本理论1.1 Mises屈服理论月牙肋钢岔管采用Mises屈服准则，具体规定如下：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态，其表达式详见式(1)．Mises屈服准则的物理意义为：当材料的单位体积形状改变的弹性能达到某一常数时，质点就发生屈服，故 Mises屈服准则又称为能量准则．Mises应力是基于剪切应变能的一种等效应力，遵循材料力学第4强度理论，它是一个综合考虑了第1主应力、第2主应力和第3主应力的概念，可以用来对材料的疲劳、破坏等进行评价[8-10]．式中：1σ为第1主应力；2σ为第2主应力；3σ为第3主应力；J为常数，可根据简单拉伸试验求得或纯剪切试验来确定．1.2 点/点接触单元与围岩联合受力是埋藏式钢岔管的重要承载特性，数值模拟分析过程中往往需要考虑外围围岩的支撑作用．但是由于施工工艺、混凝土冷缩、温度降低等原因，在钢管与外包混凝土和围岩之间会出现一定大小的初始缝隙，即便通过回填或者接缝灌浆也是不能完全消除的，因此在内水压力作用下，岔管与围岩间具有典型的接触力学行为特征．有限元方法在分析模拟接触问题时较为成熟，其解决接触问题的基本思路是：通过有限元离散，建立支配方程，根据初始接触状态利用约束变分原理形成刚度矩阵(其中，接触单元的法向刚度由式(2)计算)，根据支配方程求出接触力，并由计算所得外力和位移再次检验接触状态，若与假定的接触状态不符，则重新假定接触状态，更改刚度矩阵重新迭代计算，如此循环，直至迭代计算的接触状态稳定为止，最后进行迭代计算的收敛性检查．式中：β为接触刚度系数；E为附着层单元的弹性模量；Tmax为允许最大穿透，与穿透公差系数及特征接触长度有关．在接触分析时接触刚度的取值是决定接触算法的收敛性以及接触穿透特征的关键因素．一般来说，应该选取足够大的接触刚度以保证接触穿透小到可以接受，但同时应保证不会引起总刚度矩阵的病态问题而保证接触算法的收敛性．ANSYS平台中提供的接触模型有 3种：点/点接触、点/面接触和面/面接触．由于点/点接触单元只需要构建接触面和目标上的对应点点接触对即可，不需要形成外围岩体单元，建模较为方便，得到广泛应用[11-12]．点/点接触单元如图1所示，当接触单元发生正位移时钢衬与围岩间的缝隙脱离接触，单元法向力为零，不传递荷载；当接触单元发生负位移时缝隙保持接触，单元传递与位移呈线性关系的负值法向力，此时接触单元表现为线性弹簧，则其对钢衬节点的反向作用就相当于围岩对钢衬的作用力．在一般计算过程中，假定外围围岩为弹性介质，采用围岩的弹性抗力系数反映围岩的支撑作用，具体点/点接触单元的法向刚度可按式(3)进行计算．图1 点/点接触单元示意Fig.1 Point-to-point contact element式中：K为外围围岩的弹性抗力系数；A为接触面积；N为点/点接触单元的数量．2 计算模型2.1 基本资料某水电站装机容量246,MW，水库总库容1.325亿 m3，工程等别为二等，工程规模为大(2)型．输水发电系统采用一洞两机布置方式，输水线路长6,540.76,m，其中引水隧洞长 5,984.88,m，压力管道长353.61,m．压力管道采用一管两机布置型式，立面采用斜井布置，斜井倾角55°，在厂房上游边墙外布置对称 Y型内加强月牙肋钢岔管，岔管中心距厂房上游边墙的垂直距离约为 77.5,m，引水主管直径5.8,m，引水支管管径 4.1,m．已知设计内水压力为3.0,MPa．根据《水电站压力钢管设计规范》(NB/T 35056—2015)[13]可以确定月牙肋钢岔管的体型和肋板尺寸，如图2所示．肋板材料采用07,MnMoVR型调质钢板，钢材弹性模量 E＝206.0,GPa，泊松比μ＝0.30，钢材设计强度均按《水电站压力钢管设计规范》进行取值．图2 月牙肋钢岔管及肋板体型图Fig.2 Shape and size of crescent-rib steel bifurcation pipe and rib2.2 计算模型按照《水电站压力钢管设计规范》(NB/T 35056—2015)[13]的规定，模型在主管和支管端部均取固端全约束．模型计算范围的确定按不影响钢岔管单元应力、应变分布和满足足够的精度要求进行考虑，主、支管段轴线长度从公切球球心向上下游分别取最大公切球直径的1.5倍左右．有限元模型建立在笛卡尔直角坐标系坐标下，Oxz面为水平面，x轴为顺水流方向，竖直方向为 y轴，向上为正，坐标系成右手螺旋，坐标原点位于主锥管与之锥管公切球球心处．岔管管壳全部采用 ANSYS 4节点板壳单元SHELL63，肋板较厚则采用 8节点实体单元SOLID45，厚度方向网格划分为 4等份．针对埋藏式月牙肋钢岔管，采用点/点接触单元CONTAC52模拟钢衬与围岩的接触力学行为[2,14]．岔管整体模型及肋板模型网格划分如图3所示．图3 岔管整体模型及肋板模型网格Fig.3 Grid of bifurcation pipe and rib models2.3 计算条件有限元计算按埋藏式岔管联合承载进行，对围岩及回填混凝土进行了一定的简化[15-18]，采用的基本假定有：①围岩为均质各向同性，且应力状态处于线弹性范围以内；②不考虑围岩的初始应力状态及开挖后的二次应力状态影响，钢衬和混凝土不承受来自围岩的初应力；③在内水压力作用下，混凝土径向均匀开裂，钢衬所承受的内水压力部分通过径向开裂后的混凝土传递到岩石上，混凝土只起传递荷载作用；④将混凝土与钢岔管之间的缝隙及混凝土与围岩之间的缝隙合并为一层缝隙，在考虑围岩联合承载计算时，钢衬与围岩之间的初始缝隙假定取为6×10-4倍主管半径，本工程初始缝隙值为 1.74,mm；⑤围岩与回填混凝土只对钢岔管管壁正的法向位移起约束作用，围岩的单位弹性抗力系数为40,MPa/cm．3 肋板受力特性分析鉴于肋板构造和受力特征的对称性，本文取肋板Oxz平面上半部分各横截面进行应力结果分析，对各横截面进行编号详见图 4(a)．横截面局部坐标系的定义为：以肋板中面内缘为坐标原点O′，z′方向为肋板厚度方向，y′轴方向沿横截面外法向，坐标系成右手螺旋，其中横截面 1-1、5-5和 10-10处的平面局部坐标系定义如图4(b)所示．图4 截面编号及局部坐标系示意Fig.4 Number of cross sections and local coordinate system3.1 肋板整体Mises应力根据有限元计算结果，绘制了肋板整体Mises应力等值线，见图 5，应力以拉为正，压为负．肋板最大Mises应力为 168.446,MPa，出现在肋板最大截面的内缘处，小于肋板相应抗力限值266,MPa．3.2 肋板z向应力在月牙肋钢岔管制造过程中，肋板与左右两侧支锥管采用角焊缝连接，如果肋板选材没有考虑z向性能的要求，由于接头拘束度较大，在焊缝的冷却收缩过程中，将使近缝区肋板母材发生层状撕裂[19-20]；同时在内水压力循环作用下，除了产生肋板平面内的作用力以外，还会产生沿厚度方向(z向)的拉应力，将导致肋板发生撕裂破坏．图5 肋板整体Mises应力等值线(单位：MPa)Fig.5 Contour of Mises stress of rib(unit：MPa)从有限元数值计算结果可以看出：肋板的z向应力在厚度方向上分布较为均匀，且绝大部分区域z向应力都为较小的压应力，但在肋板与管壳相连的局部区域出现了较明显的拉应力集中现象，对于横截面1-1、3-3、5-5和 7-7处的 z向应力，最大值分别为：24.12,MPa、27.11,MPa、35.29,MPa 和 54.96,MPa，肋板 z向拉应力最大值为 89.56,MPa，出现在管顶部位的横截面 10-10处，整体数值不是很大，各横截面的最大 z向应力值随着截面编号增大呈现出增大的趋势，最大值均出现在肋板与管壳相连处，见图6．但是，目前我国《厚度方向性能钢板》(GB/T5313—2010)[21]规定对于 z向性能级别按钢材的含硫量及z向的断面收缩率确定，而有关肋板钢材z向性能级别的选择，现行的《水电站压力钢管设计规范》等有关规范没有给出明确规定．王志国[19,,22]初步提出以肋板厚度为参数进行肋板 z向性能级别选择的方法，以供设计人员参考，但对肋板的 z向受力限值依然没有涉及．图6 肋板z向应力三维分布Fig.6 3D distribution of z-direction stress of rib 3.3 肋板轴向应力图7 肋板轴向应力三维分布Fig.7 3D distribution of axial stress of rib在进行肋板体型设计时，通常依据肋板承受轴向拉力为基本要求，即要求肋板横截面内法向为轴向受拉状态，且分布均匀．从图 7可以看出：肋板的轴向应力在厚度方向上分布较为均匀，各横截面的轴向应力都呈现出内侧大外侧小的基本规律，且在肋板与管壳相连的区域出现局部应力峰值现象，对于埋藏式月牙肋钢岔管，横截面 1-1、3-3、5-5和 7-7处最大轴向应力值分别为：168.68,MPa、146.16,MPa、106.87,MPa和 67.41,MPa，各横截面的最大轴向应力值随着截面编号的增大而呈现出减小的趋势，且最大值出现的位置由肋板内缘处向肋板与管壳相连处转变．4 肋板体型优化鉴于沿肋板厚度方向的轴向应力分布较为均匀，本文以肋板中面各横截面的轴向应力值作为基准值来分析肋板的内力分布特征．根据各典型横截面的位置特征，采用分位点αi定义各横截面上的合力作用点，即合力作用点位置距横截面局部坐标系原点O'的距离ci与横截面宽度wi＝bt＋d 之比，即αi＝ci/wi，具体如图8所示．图8 肋板体形及横截面坐标系示意Fig.8 Shape of rib and coordinate systemof cross section由计算结果可以看出：当肋板采用抛物线的内缘曲线时，在靠近管道腰部位置的几个横截面，即1-1～6-6截面，分位点αi值均在0.45左右，最大值为0.477,3，最小值为 0.434,8，而对于 7-7～10-10截面，αi值都超过 0.50，最大值达到0.631,6，说明肋板各横截面的轴向受拉特性并不突出，不符合设计预期，计算结果详见表 1，表中弯矩值以肋板内缘侧受拉为正，反之为负．肋板各横截面的轴力和弯矩值随着截面编号的增大而减小，肋板横截面的轴力和弯矩最大值均出现在1-1截面处，见图9．肋板在初步设计时一般假定为轴心受拉构件，即在确定肋板中央截面宽度后，肋板的外缘曲线以相贯线为基础向管壳外适当加宽 50～100,mm，以满足管壳与肋板焊接缝的位置要求，而对于肋板其余截面的宽度，则按内缘抛物线轮廓确定．从肋板的内力分布特征可以看出，当肋板的内缘曲线采用抛物线时，各横截面位置的轴向受拉特性并不突出，因而，有必要对肋板内缘曲线进行优化修正以满足其轴向受拉特性．表1 肋板横截面合力作用分位点计算Tab.1 Computation of resultant action percentile points at cross sections of rib截面编号横截面宽度wi/mm横截面轴力N/MN横截面弯矩M/(MN·m)合力作用点距离ci/mm合力作用分位点αi 1-1 1,210.00 14.06 1.08 528.54 0.436,8 2-2 1,195.55 13.09 1.02 519.870.434,8 3-3 1,152.17 12.63 0.90 505.38 0.438,6 4-4 1,081.39 10.89 0.67 478.78 0.442,7 5-5 1,984.70 18.65 0.40 446.03 0.453,0 6-6 1,864.90 16.140.12 412.81 0.477,3 7-7 1,724.22 13.70 -0.071 380.60 0.525,5 8-81,561.77 11.84 -0.071 321.08 0.571,5 9-9 1,365.79 10.75 -0.011 196.55 0.537,3 10-10 1,112.00 10.12 0 170.74 0.631,6图9 肋板各横截面内力Fig.9 Internal forces at cross sections of rib本文以合力作用分位点αi为中心，按肋板外缘曲线至合力作用分位点轨迹线间距的两倍值确定肋板各横截面宽度，以此对肋板内缘轮廓曲线进行修正，从而使合力作用分位点与横截面中心重合，则肋板处于轴心受拉状态．从肋板内缘曲线优化后的轮廓可以看出，在管道腰部位置附近(截面 1-1～6-6)的肋板轮廓需要加宽，但对于管顶和管底位置的肋板上下端部，肋板截面宽则需要减小，见图10(a)．对于优化修正后的肋板体型，需要修改相应的肋板有限元模型，并按同样的方法进行合力作用分位点的复核计算，本文对肋板体型进行两次优化复核计算，结果见表2．同时，经两次优化后的肋板体型，见图10(b)和(c)，图中方案YH-0表示肋板体型未进行优化时的计算结果，而方案YH-1和方案YH-2则分别对应肋板体型第1次优化和第 2次优化的计算结果．图10 肋板内缘曲线优化示意Fig.10 Optimization of inner edges of rib表2 肋板体型优化后各截面合力作用分位点复核计算表Tab.2 Recheck computation of resultant action percentile points at cross sections of optimized rib截面编号 YH-1 YH-2 YH-1 YH-2 YH-1 YH-2 YH-1 YH-2 YH-1 YH-2横截面宽度wi/mm 横截面轴力N/MN 横截面弯矩M/(MN·m) 合力作用点距离ci/mm 合力作用分位点αi 1-1 1,362.32 1,471.16 14.13 14.15 0.77 0.46 626.74 702.78 0.460,1 0.477,7 2-2 1,351.31 1,465.97 14.01 14.03 0.80 0.50 618.32 697.13 0.457,6 0.475,5 3-3 1,293.59 1,398.04 12.72 12.71 0.66 0.42 594.61 666.20 0.459,7 0.476,5 4-4 1,205.161,304.89 11.01 11.03 0.55 0.38 552.70 618.22 0.458,6 0.473,8 5-51,077.42 1,165.32 18.83 18.87 0.39 0.30 494.79 548.92 0.459,2 0.471,0 6-6 1,904.42 1,967.44 16.35 16.44 0.20 0.20 420.53 453.44 0.465,1 0.468,7 7-7 1,687.14 1,707.55 13.78 13.86 0.04 0.07 333.31 334.790.485,1 0.473,2 8-8 1,481.49 1,470.39 11.79 11.78 -0.011 0.01 246.35 227.60 0.511,6 0.483,9 9-9 1,338.49 1,329.44 10.71 10.69 0 0 173.78 162.00 0.513,4 0.491,7 10-10 1,082.52 1,081.28 10.07 10.02 0 0 141.88 140.26 0.507,5 0.495,3岔管肋板是一个整体受力构件，体型优化工作并不能保证各横截面均呈现理想的轴向受拉特性，由此本文提出如式(4)的优化目标函数，即以肋板截面合力作用分位点平均相对误差不超过误差限值为优化目标，同时要求各截面合力作用分位点的相对误差iω不超过最大允许偏心率误差当优化计算结果满足式(4)时，可认为肋板处于理想的轴心受拉状态，体型优化工作即告完成．针对误差限值[]ω以及最大允许偏心率误差的取值，本文从结构和经济方面考虑建议取则由表3可以看出，本工程第2次优化结果满足肋板理想轴向受拉特性的要求．式中n为肋板划分的横截面份数，本工程中n＝10．表3 肋板各截面合力作用分位点相对误差计算Tab.3 Computation of relative error of resultant action percentile points at cross sections of rib方案 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 10-10各横截面合力作用分位点的相对误差iω/%,合力作用分位点平均相对误差ω/%,YH-0 12.64 13.04 12.28 11.46 9.40 4.54 5.10 14.30 7.46 26.32 11.65 YH-1 07.98 08.48 08.06 08.28 8.16 6.98 2.98 02.32 2.68 01.50 05.74 YH-2 04.46 04.90 04.70 05.24 5.80 6.26 5.36 03.22 1.66 00.94 04.255 结语本文结合某水电站工程实际，采用有限元法研究分析了埋藏式月牙肋钢岔管肋板的受力特性，着重分析了肋板在厚度和宽度方向上的应力分布特征，计算结果表明：肋板z向应力和轴向应力沿厚度方向变化均不大，可认为沿厚度方向应力均匀分布；肋板 z向拉应力整体数值不大，但与管壳相连区域受拉明显，在内水压力的循环作用下和焊缝的冷却收缩过程中肋板有可能沿厚度方向出现撕裂破坏，建议在现有指标的基础上完善肋板的 z向性能要求；同时，肋板横截面的轴向应力呈现出由内到外递减的基本规律，最大轴向应力值出现在肋板横截面内缘处；最后，当肋板采用抛物线的内缘轮廓曲线时，各横截面的轴向受拉特性并不突出．由此，本文提出了依据合力作用分位点的肋板内缘曲线修正方法，并给出了相应的体型优化目标函数，对肋板体型进行复核计算，结果表明优化后的肋板受力特性有明显的改善，说明这样的体型优化方法是有效的，具有一定的实际意义和工程应用价值．【相关文献】［1］王志国. 高水头大 PD值内加强月牙肋岔管布置与设计[J]. 水力发电，2001，10：56-59.Wang Zhiguo. 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实施过程中数据流转、数据共享的问题，实现了BIM模型与有限元分析的几何信息共享；进而通过在Ansys Workbench平台中根据实际分析需求定制分析流程，实现了月牙肋岔管有限元分析与Caita模型的参数化联动，有效降低了岔管有限元分析的工作量，为月牙肋岔管BIM模型的深入应用奠定了基础。
关键词：BIM技术 Catia 有限单元法 Ansys Workbench
1.前言
随着计算机技术的进步与发展，
BIM技术在水利水电工程中的作用正逐步凸显。
2019年发布的《水利水电工程勘测设计BI M实施指南》对水利水电行业BIM应用做了全面的论述，指出了BIM是工程设计技术发展的必然趋势。
目前，水利水电工程中
BIM应用在设计阶段的应用已全面开展、施工阶段应用正逐步推进。
岔管作为水利水电工程的重要组成部分，常见于泵站、电站等的输水系统中。
月牙肋岔管相对其他岔管体型具有受力明确合理、水流流态好等优点，在实际工程设计中应用较
多；但月牙肋岔管体型复杂，结构计算较为繁琐，设计效率较低，为解决岔管设计过程中的难点。
何新红、伍鹤皋等基于C ATI A开发了月牙肋岔管三维辅助设计系统，齐文强，邹柏青等介绍了一套基于C ATI A的三维设计方法，基本解决了岔管建模出图的问题，但岔管结构分析仍存在分析模型建立困难，效率低的问题。
本文对BIM模型全生命周期应用中如何实现有限元模型与BIM模型的联动、提高结构分析效率进行了研究，在我院
BIM实施的总体框架下，通过研究软件之间数据接口、定制有限元分析流程，实现了月牙肋岔管设计过程中模型的由BIM软件向设计软件的流转问题，提高了岔管的结构分析效率。
2. 有限元分析模板制作流程2.1 BIM模型重构
BI M模型通过数学信息技术反
映建筑物所具有的真实信息，其准确的表达了建筑的三维几何形状等信息，在项目全生命周期信息化管理方面起到了重要作用。
在岔管BIM应用
方面，伍鹤皋、齐文强、何新红等对如何利用CATIA参数化功能快速生
成月牙肋钢岔管三维模型进行了详尽的叙述。
BI M模型采用实体进行建模，包含了主岔管、支锥管、肋板、导流板实体对象，进而在实体模型的基础上实现岔管的出图、算量等应用。
然而在有限元分析时，工程师需要根据工程特点对模型进行特殊处理，如果直接采用常规BIM模型进行有限元分析，会导致前处理工作量繁琐，严重影响分析计算效率。
通常情况下，有限元分析模型需要设计人员根据BIM设计成果在有限元软件中手工建立相应模型。
结合岔管的受力特点，通常情况下在设计过程中锥管管壁采用壳单
元进行模拟，肋板采用实体单元进行
模拟，围岩作用弹抗系数法模拟，这就要求BIM模型包含锥体的中间面，以及肋板的三维实体。
在需求明确后对岔管的标准模板库进行了完善，在BI M模型中增加了岔管中面以及肋板的三维实体，形成如图1所示模型，进而通过Ansys Workbench软
件与Catia软件的接口实现几何元素的共享。
2.2 有限元模型建立
Ansys Workbench软件具有较
好的参数化能力，在输入几何元素发生改变后软件可以根据模板定制的分析流程快速对结果进行更新。
本文基于该平台定制了岔管的有限元分析模板，包含了正常运行、校核等常见工况；在设计过程中，设计人员可以通
过拖拽的方式创建新工况，然后调整图1 用于有限元计算的BIM模型
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/ 珠江水运·2019·07
图3 校核工况计算结果
可以为类似工程的BIM实施提供参考。
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