基于反復荷載方法的水電站閘室鋼梁擾動特征計算

張 鵬

(遼寧省朝陽縣凌河保護區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122000)

1 概 述

水電站閘室鋼梁擾動特征計算是水電站閘室穩(wěn)定性主要設計指標，其鋼梁擾動強度對閘室穩(wěn)定性影響較為顯著[1]。通過對閘室鋼梁擾動特征的計算，確定鋼梁保持穩(wěn)定性所能承受的最大荷載以及抗剪切能力[2]。近些年來，對于水電站閘室鋼梁擾動特征主要通過室內(nèi)力學測定的方式進行[3-9]，這種方法優(yōu)點在于和實際情況吻合度較高，但是缺點在于需要不能對閘室整體鋼梁擾動特征進行全面分析。當前，反復荷載方法在一些鋼結(jié)構(gòu)擾動特征計算中得到應用，但是在水電站等工程鋼梁穩(wěn)定性計算中應用還較少。為提高水電站閘室穩(wěn)定性，文章采用反復荷載方法，以某水電站閘室設計為具體實例，探討該方法對于水電站閘室穩(wěn)定性計算的適用性，從而為水電站閘室鋼梁穩(wěn)定指標設計提供方法參考。

2 反復荷載方法原理

首先需要對水電站閘室鋼梁擾動屈服度(kPa/mm)Py,M進行確定，其計算方程為：

(1)

式中：My為擾動荷載，kPa；H0為擾動荷載橫向距離，mm。在鋼梁擾動屈服度確定基礎上，對其不同方向荷載下的擾動量△y,M(mm)進行計算：

△y,M=△fy+△sy+△vy

(2)

式中：△fy、△sy、△vy分別為鋼梁不同方向受力荷載擾動位移量，mm，計算方程分別為：

(3)

(4)

式中：Φv為擾動直徑，mm；fv為鋼梁滑動荷載，kPa；σ為不同鋼梁剪切應力，kPa；db為鋼梁擾動變動直徑，mm；σ為鋼體之間的截面應力，kPa；Ag為應力面積，cm2；G為彈性模量荷載。對水電站閘室的峰值荷載kPa進行計算：

(5)

式中：Tmax為水電站閘室荷載最大值，kPa；fc為水電站閘室鋼梁靜載，kPa；n為壓縮比；λ為剪切比；ρsh為鋼體密度，g/cm3。水電站閘室設計剪切應力，kPa方程為：

(6)

3 水電閘室鋼梁擾動特征分析

3.1 計算參數(shù)的設定

結(jié)合水電站設計閘室鋼梁實際情況，分別設置6組計算參數(shù)，參數(shù)主要包括擾動特征參數(shù)、以及強度和抗剪應力計算參數(shù)。鋼梁擾動屈服度計算參數(shù)，見表1；鋼梁強度及抗剪應力計算參數(shù)，見表2所示。

表1 鋼梁擾動屈服度計算參數(shù)

表2 鋼梁強度及抗剪應力計算參數(shù)

3.2 擾動屈度計算對比

為分析反復荷載計算方法的適用性，分別采用室內(nèi)力學測定方式對比分析反復荷載方法鋼梁擾動屈服度計算的精度。反復荷載計算值和測定值對比結(jié)果，見表3。

表3 反復荷載計算值和測定值對比結(jié)果

采用室內(nèi)力學測定的方式按照6組鋼梁擾動屈服度參數(shù)對其進行了鋼梁屈服度和極限屈服度的測定，并結(jié)合反復荷載擾動屈服度計算方法及滑動荷載和極限荷載對其屈服度和極限屈服度分別進行計算，從各組參數(shù)測定值和理論值對比結(jié)果可看出，各組參數(shù)下測定值和理論值差均≤±30kPa/mm，按照鋼梁結(jié)構(gòu)設計規(guī)范要求，在允許誤差范圍內(nèi)，表明反復荷載計算方法可用于水電站閘室擾動特征的計算。在適用性分析的基礎上，可以用來對水電站閘室鋼梁強度和抗剪能力進行計算和分析。

3.3 不同荷載強度下鋼梁擾位移量分析

采用反復荷載方法對不同荷載強度下閘室鋼梁擾動位移量進行計算，不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動位移量計算結(jié)果，見表4。

表4 不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動位移量計算結(jié)果

分別設置了4組荷載條件，對恒定荷載和反復荷載兩種方式下的擾動位移量進行計算，從計算結(jié)果可看出，隨著荷載的增加水電站閘室鋼梁擾動的位移量逐步遞增，這主要是荷載量的增加使得閘室鋼梁壓縮比以及荷載橫向間距減小，從而增加其擾動位移量。隨著時間的推移，不同荷載條件下的位移量變化有所差異，總體呈現(xiàn)先遞增后逐步趨于穩(wěn)定的變化。相比而言，受鋼梁擾動屈度影響采用反復荷載計算方法下的鋼梁擾動位移量變幅要高于恒定荷載條件下的擾動位移量變化的幅度。

3.4 不同荷載條件下鋼梁擾動強度試驗

在反復荷載計算適用性分析的基礎上，結(jié)合該方法中對不同荷載條件下的鋼梁擾動強度進行計算，不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動強度計算結(jié)果，見表5。

表5 不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動強度計算結(jié)果

從各組參數(shù)下不同荷載條件下的鋼梁擾動強度計算結(jié)果可看出，不同計算參數(shù)下隨著荷載量的增加水電站閘室鋼梁屈服度逐步增加，但增加變幅隨著荷載量的增加有所減小。這主要因為隨著反復荷載量的增加，使得鋼梁擾動屈服度增加幅度加大，但降低其擾動位移的變化量，使得不同荷載條件下的水電站閘室擾動量變幅有所降低。

3.5 不同荷載條件下鋼梁擾動抗剪切試驗

分別設置6組荷載條件，對不同荷載條件下的水電閘室擾動抗剪切特征進行計算，不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗結(jié)果，見表6。

表6 不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗結(jié)果

從各組荷載條件下的閘室鋼梁抗剪破壞特征值分析結(jié)果可看出，隨著反復荷載方法下鋼梁抗剪荷載逐步增加，這主要是因為鋼梁擾動屈服度隨著荷載量的增加而有所提高，增加了鋼梁擾動的抗剪荷載。隨著荷載量的增加，鋼梁擾動破壞有效次數(shù)呈現(xiàn)遞減變化，但遞減幅度有所減小，遞減的原因在于鋼梁擾動抗剪荷載量的增加，此外由于鋼梁擾動抗剪荷載的增加，使得水電站閘室鋼梁不同荷載條件下的損傷系數(shù)有所減小，總體呈現(xiàn)遞減變化。

4 試驗結(jié)論

1)采用反復荷載方法下計算的水電站閘室鋼梁擾動屈服度和試驗測定值之間的誤差總體于±30kPa/mm，按照鋼梁結(jié)構(gòu)設計規(guī)范要求，在允許誤差范圍內(nèi)，表明反復荷載計算方法可用于水電站閘室擾動特征的計算。

2)隨著時間的推移，不同荷載條件下的位移量變化有所差異，總體呈現(xiàn)先遞增后逐步趨于穩(wěn)定的變化。相比而言，受鋼梁擾動屈度影響采用反復荷載計算方法下的鋼梁擾動位移量變幅要高于恒定荷載條件下的擾動位移量變化的幅度。

3)隨著荷載量的增加，鋼梁擾動破壞有效次數(shù)呈現(xiàn)遞減變化，但遞減幅度有所減小，遞減的原因在于鋼梁擾動抗剪荷載量的增加，此外由于鋼梁擾動抗剪荷載的增加，使得水電站閘室鋼梁不同荷載條件下的損傷系數(shù)有所減小，總體呈現(xiàn)遞減變化。