淺述鋼結(jié)構(gòu)在水利工程中的應(yīng)用

蔡育杰

（青海大學(xué)水利電力學(xué)院 青海西寧 810016）

引言

鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外各領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛。本文就鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、發(fā)展歷程、應(yīng)用前景等方面來展開，基于水利工程中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和技術(shù)來介紹，從鋼結(jié)構(gòu)在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展角度展開，結(jié)合一些著名的水工鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的實(shí)際情況淺述鋼結(jié)構(gòu)在水利工程中的應(yīng)用。

1 鋼結(jié)構(gòu)的基本知識

用型鋼或鋼板制成基本構(gòu)件，根據(jù)使用要求，通過焊接或螺栓連接等方法按照一定規(guī)律組成的承載結(jié)構(gòu)叫做鋼結(jié)構(gòu)[1]對于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和分析。不僅僅是力學(xué)的分析和運(yùn)算，因?yàn)橐@得一個質(zhì)優(yōu)的結(jié)構(gòu)，還必須了解清楚結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)的使用要求，了解結(jié)構(gòu)的工作狀況，掌握鋼材在各種因素影響下的工作性能以及構(gòu)造方面的要求。借助于豐富的工程實(shí)踐知識，做出合理的總體結(jié)構(gòu)布置和合理的結(jié)構(gòu)選型，然后才能設(shè)計(jì)構(gòu)件，進(jìn)行構(gòu)造處理，并確定必要的制造工藝要求和安裝方法等。鋼結(jié)構(gòu)是一種受力性能良好的空間結(jié)構(gòu)體系，是我國建筑工程中廣泛應(yīng)用的一種重要結(jié)構(gòu)形式，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

1.1 鋼結(jié)構(gòu)自重較輕

雖然鋼的密度很大，但其強(qiáng)度也很高，故構(gòu)件所需的截面面積較小，鋼材容重與其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值也相對較小，所以自重較輕便于運(yùn)輸和安裝。以鋼骨架作支撐的空間結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于建筑開間、進(jìn)深和跨度較大、高聳的結(jié)構(gòu)。憑借這一特點(diǎn)可減輕建筑物重量，增加空間利用率，故可試用活動結(jié)構(gòu)中減少驅(qū)動力，如水工中的各類鋼閘門。

1.2 具有良好的抗震性和抗沖擊性

鋼結(jié)構(gòu)的塑性和韌性較為出眾，又因?yàn)槠渥灾剌^輕，引起的振動慣性力也較小，故能有效的降低地震活動的震損強(qiáng)度。

1.3 裝配性及施工方便性良好

鋼結(jié)構(gòu)自重較輕且其部件加工精細(xì)、尺寸準(zhǔn)確，在現(xiàn)場裝配時十分簡易快捷省時省力，并且運(yùn)輸也較為方便。故而在具體工程中的應(yīng)用可縮短建筑工期，提高施工效率。

1.4 鋼結(jié)構(gòu)易腐蝕

鋼結(jié)構(gòu)建筑在歷經(jīng)風(fēng)雨的沖刷后會發(fā)生銹蝕，影響其承重能力，尤其是水工鋼結(jié)構(gòu)容易腐蝕的缺點(diǎn)較為突出。故在初建時一般都對鋼結(jié)構(gòu)采取防腐蝕措施，如：涂層、鍍鋅防銹等。建成后也要定期維護(hù)。

1.5 鋼結(jié)構(gòu)不耐高溫

當(dāng)溫度高于300℃時鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和彈性模量會顯著下降，達(dá)到500～600℃以上時，鋼材即失去承載能力，溫度達(dá)到150℃時，應(yīng)在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件外部包以石棉、混凝土、或含有蛭石的水泥漿層[1]。

2 鋼結(jié)構(gòu)在水利工程中的應(yīng)用

2.1 水利工程建設(shè)中鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)劣性分析

鋼結(jié)構(gòu)在水利、水電、水運(yùn)、海洋采油等工程中大致有六個方面的應(yīng)用：活動式結(jié)構(gòu)、裝拆式結(jié)構(gòu)、板結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、海工鋼結(jié)構(gòu)。

（1）活動式結(jié)構(gòu)

在水工建筑物中主要的活動式結(jié)構(gòu)有：閘門、攔污柵、閥門、船閘閘門、升船機(jī)和引橋等。

在這類活動式的結(jié)構(gòu)件來說，其建筑選材應(yīng)主要考慮材料的密度因素，自重較輕的材質(zhì)可降低啟閉設(shè)備的造價和運(yùn)轉(zhuǎn)所耗費(fèi)的動力。而上文鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第一個突出的特點(diǎn)即是自重較輕，因此在水工結(jié)構(gòu)中的活動式結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)自重較輕的優(yōu)勢。

（2）裝拆結(jié)構(gòu)

水利工程施工建設(shè)中常會遇到構(gòu)件的拆裝，結(jié)構(gòu)的搬遷以及一些機(jī)動的結(jié)構(gòu)，因而鋼結(jié)構(gòu)的自重輕、良好的裝配性、運(yùn)輸方便、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)相較于其他材料便顯得經(jīng)濟(jì)性和合理性更勝一籌。

（3）板結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)又一大特點(diǎn)即是其密封性好，易于用鋼結(jié)構(gòu)做成密封結(jié)構(gòu)，如一些管道和各種容器等。在水利工程中對密封的要求標(biāo)準(zhǔn)很高，例如壓力管道、貯液罐等結(jié)構(gòu)均采用鋼材質(zhì)來制造，以達(dá)到其密封性要求。

（4）高聳結(jié)構(gòu)及大跨度結(jié)構(gòu)

大壩是水利工程中的主體建筑物，通常為滿足水庫蓄量、防洪指標(biāo)、電站出力等要求都會將壩體修建的很高、且跨度很大。壩高通常都是幾十米甚至上百米，且一般在河道斷面較寬的地方。除此之外，水利工程中還涉及一些線路塔、微波塔、電視轉(zhuǎn)播塔等高聳的建筑物，在上述這些構(gòu)造中鋼結(jié)構(gòu)更體現(xiàn)出了其抗振性、抗沖擊性好且自重較輕、易裝配的優(yōu)勢性，故而被廣泛應(yīng)用于水利工程中。

（5）海工鋼結(jié)構(gòu)

海洋工程中水利工程中的一個分支領(lǐng)域，主要涉及一些海洋的鉆井和采油工程。在海洋中作業(yè)首先應(yīng)考慮的就是作業(yè)平臺搭建的問題。這類結(jié)構(gòu)要承受平臺上各種裝置以及機(jī)械設(shè)備的荷載，還有風(fēng)浪和冰等動力荷載作用，這就發(fā)揮了鋼材強(qiáng)度高、抗振性和抗沖擊性好且便于海上安裝等特點(diǎn)[1]。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)在水利工程中的應(yīng)用實(shí)例分析

在水利水電工程中，金屬結(jié)構(gòu)種類較多，大多采用鋼鐵材料制作加工而成，也被稱作水工鋼結(jié)構(gòu)或水工機(jī)械設(shè)備。金屬結(jié)構(gòu)主要包括5種鋼質(zhì)設(shè)備：閘門、壓力鋼管、攔污柵、清理與啟閉機(jī)[4]。而充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的多重優(yōu)勢來看，這些水工建筑構(gòu)件的首選必然是鋼結(jié)構(gòu)。故筆者將在本節(jié)就這幾個模塊分別對鋼結(jié)構(gòu)在這些構(gòu)件中的應(yīng)用實(shí)例作以分析。

2.2.1 鋼閘門

水工鋼閘門是水工鋼結(jié)構(gòu)中極其關(guān)鍵的設(shè)備，其運(yùn)行情況將會直接關(guān)系到整個水利工程系統(tǒng)的狀況。國內(nèi)大多數(shù)水庫大壩均采用鋼結(jié)構(gòu)來修筑閘門即水工鋼閘門。

（1）葛洲壩工程弧形閘門

葛洲壩水利樞紐二江泄水閘閘型為開敞式，采用雙層閘門布置，上扉為平板門，下扉為弧形門。其跨度為12m，高度為12m，水頭為27m。每扇閘門承受的總水壓力達(dá)4200kN。設(shè)計(jì)蓄水位66m時弧形門軸推力可達(dá)4100t。該應(yīng)用即是鋼結(jié)構(gòu)在水工鋼閘門應(yīng)用中的典例，其設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力錨束錨固鋼筋混凝土錨塊支撐大型弧形閘門的方法，可以解決閘墩支鉸區(qū)鋼筋過多，布置困難的問題，并且避免了混凝土裂縫，是水利工程中較為有利的應(yīng)用。

（2）長江三峽雙線五級船閘

三峽船閘是目前世界上規(guī)模最大、級數(shù)最多、總水頭最高、施工難度最大的船閘。船閘總長6442m，其中上游引航道213m，下游引航道2708m，船閘主體段1621m。每線船閘主體段由6個閘首和5個閘室組成，每個閘室長28m、寬34m，閘室砍上最小水深5m。閘門既要求有足夠的剛度，又要求能適應(yīng)閘首的變形，巨大的門體自重加大了人字門底樞潤滑的難度。鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，剛度優(yōu)良且自重又輕，故在三峽水利樞紐南線第二級閘首的人字形閘門即采用鋼材結(jié)構(gòu)。其船閘閘室寬34m、每扇門寬20.2m、門高38.5m，閘門承受的最水頭（上下游水位差）為36m，每扇門承受的總水壓力為130000kN，每扇門自重達(dá)8300kN。其規(guī)模已超過目前世界上大型的船閘，如美國的新威爾遜船閘、羅馬尼亞的鐵門船閘等[1]。

2.2.2 水工鋼焊接技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)常用的連接方法有焊接連接，鉚釘連接和螺栓連接，其中焊接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方法，其優(yōu)點(diǎn)是：不削弱構(gòu)件截面（不必鉆孔），可省去拼接板因而構(gòu)造簡單、節(jié)約鋼材、制造加工方便。

在大、中型水電站焊接鋼結(jié)構(gòu)主要有壓力鋼管（包括蝸殼）、鐵閘門、啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)件、水輪機(jī)焊接座環(huán)、發(fā)電機(jī)圓盤轉(zhuǎn)子支架、升船機(jī)承船廂主體以及其他大型鋼結(jié)構(gòu)件。這些水工鋼結(jié)構(gòu)大多是設(shè)計(jì)水頭高、容量大、構(gòu)件龐大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、焊接質(zhì)量要求高的焊接結(jié)構(gòu)，在水利工程領(lǐng)域涉獵甚廣。

2.2.3 水利行業(yè)中建筑設(shè)施

在水利工程行業(yè)中除了擋水建筑物大壩、池水建筑物溢洪道、輸水建筑物隧洞、引水渠以外，還涉及許多其他的保障水利工程正常運(yùn)行的建筑物，如：水電站廠房、抽水泵和啟閉閘房等。這些建筑物往往很少選用鋼結(jié)構(gòu)來修筑，從而導(dǎo)致這些其他建筑物的使用壽命很短、抗沖擊性、抗震性弱，經(jīng)常發(fā)生損毀現(xiàn)象。而水利工程一般的設(shè)計(jì)使用年限都比較長，其配套房建設(shè)的使用期亦須跟工程相匹配，運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施建筑和改造是現(xiàn)如今水利工程施工建設(shè)的一大選擇。而且，目前水利工程中配套房建設(shè)施均選擇運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)，以解決其提前老化、失修的問題。

3 水工鋼的發(fā)展前景

水工鋼結(jié)構(gòu)的施工期短，與混凝土相比，鋼結(jié)構(gòu)的自重較輕，且現(xiàn)場施工安裝便利，而水利工程設(shè)施環(huán)境一般比較惡劣，故而水工鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用必是水利行業(yè)的一大選擇。另外一方面，也可以有效緩解我國目前鋼鐵產(chǎn)能過剩的問題。在未來的發(fā)展中，水工鋼的發(fā)展方向?qū)⒅饕塾谛滦弯摰难兄婆c運(yùn)用，以用來解決和適應(yīng)水利工程施工時的特殊應(yīng)用環(huán)境。如：高強(qiáng)度低合金鋼、鍍鋁鋅薄板等的國產(chǎn)化、高性能鋼，如耐熱鋼，耐侯鋼等。

4 結(jié)語

本文主要就鋼結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)與屬性進(jìn)行了簡單論述并結(jié)合其特點(diǎn)分析了鋼結(jié)構(gòu)在水利工程中的優(yōu)勢性及其應(yīng)用。通過對鋼結(jié)構(gòu)在水利工程中的應(yīng)用前景和綜合效益分析發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)在水利行業(yè)的應(yīng)用還有很大的空間可以拓展，希望通過筆者淺顯的論述能對讀者起到一定激發(fā)作用。

[1]范崇仁.水工鋼結(jié)構(gòu)（第四版）[M].北京：中國水利水電出版社，2008，2016，7.

[2]燕強(qiáng)，張錦涌，彭方俊，潘菁，曾寶鋒.鋼結(jié)構(gòu)基本知識及其著名建筑介紹[J].