峽江水利樞紐進水口檢修閘門安裝技術(shù)

黃少奇

（中國水利水電第十二工程局有限公司機電安裝分局，浙江麗水323000）

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峽江水利樞紐進水口檢修閘門安裝技術(shù)

黃少奇

（中國水利水電第十二工程局有限公司機電安裝分局，浙江麗水323000）

平板閘門的安裝方法大同小異，而區(qū)別最大的地方在于不同的工況，需采用不同的吊裝方式，以做到在確保安裝質(zhì)量、安全的前提下，減少安裝成本。本文就江西峽江水利樞紐工程進水口檢修門安裝工況進行分析，擬定多種安裝方案，最終經(jīng)過對比，確認最優(yōu)化的安裝方案。

峽江；進水口；檢修閘門；安裝

1　工程簡介

江西省峽江水利樞紐工程位于江西省吉安市峽江縣境內(nèi)，壩址地處贛江中游，距省會南昌市約160km，距吉安市約60 km，距峽江老縣城巴丘鎮(zhèn)約6.0 km，是一座以防洪、發(fā)電、航運為主，兼顧灌溉、床式發(fā)電廠供水等綜合效益的水利樞紐工程。樞紐主要建筑物有混凝土泄水閘、混凝土擋水壩、河房、船閘、左右岸灌溉進水口魚道等。工程對外交通便利，現(xiàn)有105國道、贛粵高速公路、京九鐵路從壩址附近經(jīng)過。

峽江水利樞紐工程進水口共9孔平板檢修閘門，單孔閘門重約450 t，分6節(jié)門葉，單節(jié)重約75 t，進水口門機為自動抓梁式單向門機，主要用于吊裝進口9孔檢修門葉，門機軌道總長度208m，門機自重169 t，基距10m，軌距6m，軌上揚程8.3m，總揚程42.5m。

2　安裝概括與技術(shù)難點

進水口檢修閘門共54片，其中36片由門葉廠家直接供貨，其余18片待對岸船閘工程使用完畢后再運至進水口進行安裝，安裝工作無法持續(xù)進行，安裝工期較長，根據(jù)業(yè)主要求，由門葉廠家提供的36片新門葉需先進行安裝并在一個月的時間內(nèi)完成安裝并通過驗收，安裝工期嚴峻。

如圖1，安裝區(qū)域的上游側(cè)為一條寬8m的交通橋，交通橋與安裝區(qū)域之間為攔污柵孔口，之間車輛無法通行，交通橋距離門機（門葉）安裝位置約29m。右側(cè)（根據(jù)水流方向）地面距離安裝區(qū)域高度約40m，且靠近廠房位置，安裝區(qū)域下載，起吊設(shè)備及運輸設(shè)備通行困難。

圖1　進水口區(qū)域總布置圖

3　安裝方案對比

經(jīng)過專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場分析與研究，提出以下3套安裝方案：

（1）方案1：制作臨時鋼平臺，鋪設(shè)于攔污柵孔口及檢修門孔口，使運輸車輛及起吊設(shè)備可通過鋼平臺直接進入安裝區(qū)域及孔口頂部。

方案優(yōu)點：①由于汽車可直接駛至孔口頂部，可直接使用門機進行門葉的卸車、翻身及吊裝，不需要其他額外的設(shè)備，安裝不受門葉到貨影響，避免不可預(yù)測的機械臺班浪費；②門機直接起吊門葉，不需倒運，安裝進度快；③節(jié)省成本；④無需長時間占用交通橋。

方案缺點：①制作鋼平臺需要時間，需提前完成；②鋼平臺由于其使用的一次性，不可反復(fù)使用。

（2）方案2：直接租賃大型起吊設(shè)備，?？吭诮煌蜻M行安裝。由于交通橋距離進水口孔口中心較遠（約28m），且因為道路等問題，履帶吊無法進場，如使用汽車的，經(jīng)計算需800 t汽車的才能符合起吊要求。

方案優(yōu)點：方便、快捷，無需制作布置其他輔助工具。

方案缺點：①汽車臺班費非常高；②800 t汽車吊當?shù)責o法租賃，需到外省租賃，進出場困難；③施工過程中如門葉無法順利到貨，會造成機械臺班費浪費；④施工工程中需長期占用交通橋，阻礙交通。

（3）方案3：制作臨時把桿在交通橋處起吊門葉，然后安裝臨時軌道及卷揚機將門葉倒運至孔口頂部，由于門葉單節(jié)重約60 t，且外形尺寸較大，倒運麻煩且安全系數(shù)較低。

方案優(yōu)點：整個過程只需布置把桿，臨時軌道及卷揚機，成本較低。

方案缺點：①安全系數(shù)較低；②倒運過程中需反復(fù)拆裝臨時軌道，施工進度緩慢；③施工工程中需長期占用交通橋，阻礙交通。

通過施工技術(shù)可行性、安全性、進度、成本等方面綜合對比以上3種施工方法，方案1雖然成本較方案3稍高些，但技術(shù)可行性、安全、進度方面均為最合適本施工項目的。

結(jié)論：方案1為最優(yōu)化的施工方案。

4　方案校核

選定方案1進行施工后，需對方案1中設(shè)計制造的鋼平臺進行校核。鋼平臺起的作用主要有兩方面：一是讓車輛及起吊設(shè)備順利通行，二是讓起吊設(shè)備可以站腳進行門機的安裝，進而進行后續(xù)門葉安裝。

4.1平臺面板設(shè)計

平臺一、平臺二面板與縱梁均按以下結(jié)構(gòu)布置：

縱梁間距l(xiāng)1=0.5m；橫梁間距l(xiāng)2=1.31~1.4m；汽車最大輪壓P=88 200N。

后輪著地寬度b=60 cm；長度c=20 cm。

d=（602+202）1/2=63.2 cm

當后輪作用在板跨中央時，在該處產(chǎn)生最大彎矩。

l2/l1=1.31/0.5=2.62，c/b=20/60=0.33。由表1、2查得：

表1　四邊簡支板受局部均載時的計算系數(shù)λ與η

表2　四邊簡支板受局部均載時的計算系數(shù)φ與ψ

λ=2.985，η=0.906，φ=1.355，ψ=-0.588，μ=0.3,

則M x=[（2log4l1/πd+λ-φ）（1+μ）+（η+ψ）（1-μ）] P/8π

=[（2log4×50/63.2π+2.985-1.355）（1+0.3）+（0.906-0.588）（1-0.3）]×88200/8π

=8241.8N·cm

My=[（2log4l1/πd+λ-φ）（1+μ）-（η+ψ）（1-μ）]P/8π

=[（2log4×50/63.2π+2.985-1.355）（1+0.3）-（0.906-0.588）（1-0.3）]×88200/8π

=6 683.6N·cm

故每厘米寬度橋面板的最大彎矩：

Mmax=0.5[M1+1.1Mx]

因為有汽車荷載時,不考慮均布荷載，即M1=0

Mmax=0.5×1.1×82418=4533.48N·cm=462.6kg·cm

故面板的厚度δ=（6Mmax/[σ]）1/2=（6×462.6/1700）1/2=1.28cm，取δ=13mm。

4.2平臺縱梁設(shè)計

（1）荷載分析

由于設(shè)計時橫梁按后橋軸距分布，故在一根縱梁上可能受到的最大活載為汽車一個后輪的輪壓活荷載P=18000/2=9000 kg=88 200 N，沖擊系數(shù)取為1.1，靜荷載為面板自重0.013×0.5×7850=51 kg/m和縱梁自重（估計用I20a）27.9 kg/m，合計q=78 kg/m即764.4N/m。

（2）內(nèi)力計算

每跨縱梁可視作支撐在橫梁上的簡支梁。當汽車后輪作用于縱梁跨度中央時，在縱梁跨中截面產(chǎn)生最大彎矩。當后輪作用于靠近梁端時，在縱梁的支承端截面產(chǎn)生最大剪力：

Mmax=1.1PL/4+qL2/8=1.1×88200×1.31/4+764.4× 1.312/8=31938.2N·m；

Qmax=1.1P+qL2/2=1.1×88200+764.4×1.31/2= 97519.8N.m；

（3）截面選擇及驗算需要W=Mmax/[σ]=3259× 100/1700=192 cm3。

選擇I20a，實有Wx=237 cm3，Ix=2370cm4，Ix/Sx≈17.2 cm，腹板厚δ=0.7 cm，單位重g=27.9 kg/m；

彎應(yīng)力強度驗算:σ=Mmax/Wx=325800/237=1375＜[σ]=1 700 kg/cm2，安全。

剪應(yīng)力強度驗算：τ=QSx/Ixδ=9951/17.2× 0.7=826.5＜[τ]=1 000 kg/cm2，安全。

撓度驗算：f=PL23/48EIx+5qL24/384EIx

=9000×1313/48×2.1×106×2370+5×78× 1314/384×2.1×106×2370×100

=0.085+0.0006=0.086＜[f]=L2/250=0.524 cm，允許。

4.3平臺一橫梁設(shè)計

橫梁為支撐的軌道梁或混凝土平臺上的簡支梁，計算跨度為清污機軌距L=4.5m，橫梁間距為1.31m。

4.3.1內(nèi)力計算

（1）汽車荷載：當汽車兩后輪的合力與后輪對稱于橫梁跨中央時，在橫梁上離跨中較近之后輪處產(chǎn)生最大彎矩，如圖2：

圖2　

Ra=9000（0.9+2.7）/4.5=7200 kg=70 560 N；

Mmax=1.1×1.8Ra=1.1×1.8×7200=14256 kg.m= 139 708.8N·m。

當一個后輪離橋面邊緣為0.5m時,在橫梁上產(chǎn)生最大剪力（如圖3）。

Rmax=1.1×9000（2.2+4）/4.5=13640 kg=133672N。

圖3　

（2）恒載：橋面板和縱梁的自重是通過縱梁支座作用于橫梁上，由于縱梁的間距較密，故可將橫梁上承受的集中荷載化為均布荷載計算，縱梁及面板自重78 kg/m，縱梁反力781×.31=102.2 kg=1001.56N，q1=102.2/0.5=204.4kg/m=2003.12 N/m，橫梁初估用I36b，q2=65.6 kg/m，q=q1+q2=204.4+65.6=270 kg/m。

Ra=0.5QL=0.5×270×4.5=607.5 kg=5 953.5N；

M=1.8×607.5-0.5×270×1.82=656 kg·m= 6 428.8N·m；

ΣM=14256+656=14 912 kg·m=146 137.6 N·m；

ΣQ=13640+607.5=14247.5kg·m=139625.5N·m。

4.3.2截面選擇

需要W=ΣM/[σ]=1491200/1700=877cm3；

采用I36b，W=919 cm3，I=16 530 cm4，Ix/Sx=30.3 cm，δ=12mm；q2=65.6 kg/m。

4.3.3截面驗算

（1）強度驗算：σ=ΣM/W=1491200/919=1 623 kg/cm2<[σ]=1 700 kg/cm2；

（2）剪應(yīng)力：τ=Q S x/Ixδ=14247/30.3×12=470 kg/cm2<[τ]=1 000 kg/cm2；

（3）整體穩(wěn)定性驗算：由于采用等高連接，橋面板和縱梁及橫梁的上翼緣焊牢,整體穩(wěn)定性有保證,可不必驗算；

（4）撓度驗算：在兩個輪壓P作用下,梁跨中撓度可同下式求得：

f1=[（2a+c）L2-4a2L+2a3-a2c-c3]Pa/6EIL=0.71 cm；恒載作用：

f2=5qL4/384EI=5×270×4504/384×2.1×106× 16530×100=0.04 cm；

f=f1+f2=0.71+0.04=0.75cm＜[f]=L/250=1.8cm，允許。

4.4平臺二橫梁設(shè)計

橫梁為支撐的軌道梁或混凝土平臺上的簡支梁，計算跨度為軌距L=3.2m，橫梁間距為1.31m。

4.4.1內(nèi)力計算

（1）汽車荷載：當汽車兩后輪的合力與后輪對稱于橫梁跨中央時，在橫梁上離跨中較近之后輪處產(chǎn)生最大彎矩，詳見圖4。

圖4　

Ra=9000×（0.25+2.05）/3.2=6469kg=63396.2N

Mmax=1.1×1.15Ra=1.1×1.15×6469=8183kg·m =80193.4N·m。

當一個后輪離橋面邊緣為0.5m時，在橫梁上產(chǎn)生最大剪力：詳見圖5。

Rmax=1.1×9000（0.9+2.7）/3.2=11138kg=109152.4N。

圖5　

（2）恒載：橋面板和縱梁的自重是通過縱梁支座作用于橫梁上，由于縱梁的間距較密，故可將橫梁上承受的集中荷載化為均布荷載計算，縱梁及面板自重78kg/m，縱梁反力78×1.31=102kg=999.6N，q1=102/0.5 =204kg/m=1999.2N。

橫梁初估用I28 b，q2=47.9 kg/m：

q=q1+q2=204+47.9=252 kg/m；

Ra=0.5QL=0.5×252×3.2=403.2 kg=3 951.36N；

M=1.15×403.2-0.5×252×1.152=297kg·m= 2 910.6N·m；

ΣM=8183+297=8480 kg·m=83 104N·m；

ΣQ=11138+403.2=11541kg·m=113101.8 N·m。

4.4.2截面選擇

需要W=ΣM/[σ]=848000/1700=499 cm3，

采用I28 b，W=534.3cm3，I=7480cm4，Ix/Sx=24.24，δ=10.5mm；q2=47.9 kg/m。

4.4.3截面驗算

（1）強度驗算：σ=ΣM/W=848000/534.3=1587kg /cm2<[σ]=1700 kg/cm2；

（2）剪應(yīng)力：τ=QSx/Ixδ=11541/24.24×1.05= 453 kg/cm2<[τ]=1 000 kg/cm2；

（3）整體穩(wěn)定性驗算：由于采用等高連接，橋面板和縱梁及橫梁的上翼緣焊牢,整體穩(wěn)定性有保證,可不必驗算；

（4）撓度驗算：在兩個輪壓P作用下，梁跨中撓度可同下式求得：

f1=[（2a+c）L2-4a2L+2a3-a2c-c3]Pa/6EIL=0.41cm

恒載作用：

f2=5qL4/384EI=5×252×3204/384×2.1×106× 7480×100=0.022 cm

f=f1+f2=0.43+0.022=0.45cm＜[f]=L/250=1.8cm，允許。

4.5結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算（130 t汽車吊吊裝）

（1）汽車吊起吊門機構(gòu)件并將部件吊至安裝平臺的過程中，當汽車吊吊臂旋轉(zhuǎn)至支腿支撐點處時，該支腿的受力最大，平臺受力最不利，同時平臺按受力最不利情況考慮，即支腿處于工字鋼正中間時的受力；

汽車吊加單節(jié)最重門機構(gòu)件的重量為：69+22.9=92 t；單個支腿最大受力按60 t計算，同時為了保證支鉸處的工字鋼強度條件，支鉸處的工字鋼需設(shè)置5根，如圖6所示，則單根工字鋼的受力為60×9.8/5=117.6kN；

圖6　

由于支鉸置于工字鋼上，所以校核強度時只需校核工字鋼的相關(guān)參數(shù)，36b工字鋼參數(shù)：Ix=16530cm4，Wx=919 cm3，E=2.1×106；

F=117.6 kN；

跨中彎矩：Mmax=Fl/4=117.6×4.5/4=132.3kN·m；

應(yīng)力計算：σ=M/W=132.3×1000/919=140MPa< [σ]=170MPa；

撓度f=Fl3/48EI=11760×4503/（48×2.1×106× 16530）=0.64 cm

（2）當汽車吊拼裝門架和吊裝過程中，受力最大的支腿處于水泥墩上，符合強度要求。

結(jié)論：工字鋼內(nèi)力及撓度安全。

5　結(jié)語

大型設(shè)備安裝方案多種多樣，本文僅對其中的一種方案進行設(shè)計優(yōu)化。實際工程進行中，選擇最可行、安全、快捷、經(jīng)濟的的施工方案，不僅能有效地節(jié)省成本，更能合理保證施工工期，體現(xiàn)一個施工企業(yè)的施工水平。

[1]范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國水利水電出版社，2000.5.

[2]GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[S]，2007.

[3]楊文淵.起重吊裝常用數(shù)據(jù)手冊[M].北京：人民交通出版社，2002.2.

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1672-5387（2016）02-0054-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.016

2015-05-15

黃少奇（1983-），男，工程師，從事水工鋼結(jié)構(gòu)安裝及管理工作。