某現(xiàn)役水工鋼閘門安全運行評估分析

朱興杰（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003）

某現(xiàn)役水工鋼閘門安全運行評估分析

朱興杰
（遼寧省水利廳，遼寧 沈陽 110003）

文章介紹了某電站溢洪道弧形工作閘門的銹蝕檢測及設(shè)計復(fù)核計算情況，內(nèi)容包括閘門的外觀檢查、銹蝕量檢測、應(yīng)力計算及變形計算分析等。通過對溢洪道閘門的檢測及復(fù)核計算，發(fā)現(xiàn)了閘門系統(tǒng)存在的安全隱患，并提出消除隱患的措施和建議。

溢洪道；工作閘門；安全評估

1　檢測內(nèi)容和方法

水工金屬結(jié)構(gòu)安全檢測就是采用先進的檢測方法和儀器設(shè)備對現(xiàn)役水工金屬結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場檢測，通過檢測發(fā)現(xiàn)不安全因素，提出相應(yīng)的改造加固措施。水工金屬結(jié)構(gòu)安全檢測主要包括巡視檢查、外觀檢查、銹蝕檢測、結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形檢測等項內(nèi)容。

2　檢測結(jié)果

2.1外觀檢查結(jié)果

通過檢查發(fā)現(xiàn)，閘門側(cè)、底止水裝置多為一般銹蝕，局部較重銹蝕；表面分布有較多的銹斑、銹包或銹皮。閘門側(cè)導(dǎo)輪多已銹死不轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動不靈活，側(cè)導(dǎo)輪及聯(lián)接裝置多數(shù)存在銹蝕，表面有較多的銹斑、銹包或銹皮，局部成片分布；支鉸局部存在一般或較重銹蝕，表面分布有銹斑和銹包，局部成片分布。面板迎水面有少量分散的銹斑或大銹包。

2.2銹蝕量檢測

對閘門主要構(gòu)件的銹蝕量進行檢測，可以判斷各構(gòu)件的銹蝕程度，計算構(gòu)件的銹蝕速率，確定構(gòu)件的蝕余厚度，為結(jié)構(gòu)計算提供必要的數(shù)據(jù)。

通過對蝕余厚度檢測數(shù)據(jù)進行整理，閘門主要構(gòu)件銹蝕量檢測數(shù)據(jù)的各項統(tǒng)計結(jié)果分別列于表1～表2。表1為閘門銹蝕量頻數(shù)分布的統(tǒng)計結(jié)果；表2為閘門主要構(gòu)件及總體銹蝕量和銹蝕速率（銹蝕速率計算年限為13年）的平均值。

表1　閘門銹蝕量頻數(shù)分布

2.3結(jié)構(gòu)復(fù)核計算

2.3.1計算模型及參數(shù)

1）單元劃分。根據(jù)閘門的結(jié)構(gòu)型式和受力特點的不同，弧形閘門采用空間結(jié)構(gòu)有限元法進行復(fù)核計算。閘門結(jié)構(gòu)有限元計算分析采用美國Algor軟件公司研制的Super SAP程序。

表2　閘門主要構(gòu)件及總體銹蝕量和銹蝕速率的平均值參數(shù)面板主橫梁縱梁小橫梁支臂總體

根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點，將閘門面板、主橫梁、縱梁、邊梁、小橫梁腹板、支臂臂桿離散為板單元，小橫梁后翼緣、支臂間豎桿及斜桿離散為桿單元，支鉸簡化離散為塊體單元。計算模型的節(jié)點總數(shù)為43 053個，單元總數(shù)為45 494個。

2）約束處理。閘門在支鉸軸處受x，y，z方向位移約束，在門底受鉛直方向位移約束。其中坐標(biāo)系定義為：x軸沿主橫梁軸向，y軸沿水流方向，z軸沿鉛直方向。

3）計算工況。計算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力和自重以及風(fēng)浪壓力，底檻高程71.855 m。上游水位86.56 m，下游無水，閘門作用水頭14.705 m。

4）結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性。閘門各構(gòu)件的外形尺寸按設(shè)計圖紙取用，構(gòu)件的截面厚度采用現(xiàn)場實測的蝕余厚度。

閘門面板、主橫梁、支臂臂桿、縱梁、邊梁等結(jié)構(gòu)材料為16 Mn鋼，小橫梁、支臂豎桿及斜桿等結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，容重kN/m3。

2.3.2強度評判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)（DL/T5039-1995）《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，對于大中型工程的工作閘門和重要事故閘門，容許應(yīng)力應(yīng)乘以0.90～0.95的調(diào)整系數(shù)（局部承壓應(yīng)力不乘調(diào)整系數(shù)）。此外，（SL226-1998）《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對在役閘門進行結(jié)構(gòu)強度驗算時，材料的容許應(yīng)力應(yīng)按使用年限進行修正，容許應(yīng)力應(yīng)乘以0.90～0.95的使用年限修正系數(shù)。

根據(jù)以上規(guī)定，取容許應(yīng)力的修正系數(shù)k= 0.95×0.95=0.902 5。修正后的閘門各主要構(gòu)件材料的容許應(yīng)力列于表3。

2.3.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果與分析

1）面板。面板最大折算應(yīng)力為230.6 MPa，小于面板最大折算應(yīng)力小于容許值：

342.3 MPa（1.1α［σ］=1.1×1.5×207.5=342.3 MPa）。

2）主橫梁。主橫梁最大應(yīng)力值列于表4。由應(yīng)力計算結(jié)果可以知道，均小于材料相應(yīng)的容許應(yīng)力。

3）支臂。支臂有兩個主平面，一個主平面在主橫梁和支臂框架平面內(nèi)，稱之為主框架平面；另一主平面在上下支臂框架平面內(nèi)。支臂在兩個平面內(nèi)均受彎矩、軸力作用，為偏心受壓桿。由應(yīng)力計算結(jié)果可以知道：

表3　閘門各主要構(gòu)件材料的容許應(yīng)力　　MPa

表4　主橫梁最大應(yīng)力值　　MPa

1）上、下支臂最大軸向正應(yīng)力值分別為-156.4 MPa，-166.0 MPa，均小于材料相應(yīng)的容許應(yīng)力。

2）上、下支臂最大折算應(yīng)力值分別為155.8 MPa，165.7 MPa，均小于材料相應(yīng)的容許應(yīng)力。2.3.4結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果與分析

對于受彎構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)撓度計算結(jié)果進行剛度校核。根據(jù)（DL/T5013-1995）《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，對于表孔式工作閘門，主橫梁的最大撓度與計算跨度的比值，不應(yīng)超過1/600。閘門主橫梁跨度為9 000 mm，其容許出現(xiàn)的最大撓度為15.0 mm。

上、下主橫梁的最大撓度值分別為3.8 mm，3.9 mm，均小于主橫梁撓度的容許值（15.0 mm）。閘門主橫梁滿足剛度要求。

2.3.5支臂穩(wěn)定計算與分析

支臂為偏心受壓桿，除應(yīng)滿足強度要求外，還應(yīng)在外力作用下，不失去穩(wěn)定。支臂失穩(wěn)形態(tài)有兩種可能：一是在彎矩作用平面內(nèi)，因外力過大以致外力和構(gòu)件內(nèi)力不能保持靜力平衡，使彎曲變形急劇增加而失去穩(wěn)定；二是在彎矩作用平面外，即垂直于彎矩作用的平面，構(gòu)件發(fā)生彎扭變形而失去穩(wěn)定。因此，支臂必須按上述兩個方向分別進行穩(wěn)定校核。

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