構(gòu)皮灘水電站升船機(jī)重力式閘門鎖定裝置受力分析及加固處理

宋金育，耿克普，李航宇

(1.構(gòu)皮灘水電站，貴州 遵義 550000;2.杭州國電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310030)

1 工程概況

構(gòu)皮灘水電站通航建筑物工程由3座鋼絲繩卷揚(yáng)提升式垂直升船機(jī)和2級(jí)渠道組成，垂直升船機(jī)結(jié)構(gòu)形式與我國多數(shù)升船機(jī)類似［1－4］，但其通航水頭為199 m，通航線路總長2 306 m，設(shè)計(jì)代表船型為500t級(jí)機(jī)動(dòng)駁，是目前國內(nèi)提升高度最高、通航線路最長的升船機(jī)工程。該工程第2級(jí)升船機(jī)提升高度為127 m，布置于2級(jí)渠道中間，渠道內(nèi)水位恒定不變，為固定水頭，因此第2級(jí)升船機(jī)上下游閘首設(shè)計(jì)為固定式，即閘首安裝高程固定不變，并通過埋件將其固定于混凝土建筑物［5－6］。

第2級(jí)升船機(jī)上下游閘首設(shè)備包括鋼閘首、工作閘門及其固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)、檢修閘門及其固定式卷揚(yáng)式啟閉機(jī)、工作閘門導(dǎo)向架及鎖定裝置、檢修閘門導(dǎo)向架及鎖定裝置。工作閘門和檢修閘門采用了構(gòu)造簡(jiǎn)單的重力式閘門，摒棄了傳統(tǒng)液壓推桿形式的閘門，具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、受力明確、易安裝、便于檢修維護(hù)的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

因工作閘門和檢修閘門為重力式結(jié)構(gòu)，故閘門鎖定裝置的機(jī)械鎖采用了單自由度無約束形式，即重力作用下閘門可自鎖，提升閘門后手動(dòng)可解除鎖定，構(gòu)造簡(jiǎn)單、易操作。

2 受力分析

構(gòu)皮灘水電站第2級(jí)升船機(jī)下閘首整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。船只通行時(shí)工作閘門處于最高位即鎖定狀態(tài)，此時(shí)鎖定裝置機(jī)械鎖頭被提升力頂開，當(dāng)鎖頭凸臺(tái)高于機(jī)械鎖時(shí)，進(jìn)入鎖定狀態(tài)，工作閘門與鎖定裝置裝配關(guān)系如圖2所示。

本文僅分析鎖定裝置結(jié)構(gòu)自身的受力特性。工作閘門及鎖定裝置材質(zhì)均為Q235鋼，強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)均采用 GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］(以下簡(jiǎn)稱GB 50017—2003)3.4節(jié)中的指標(biāo)。

圖1 第2級(jí)升船機(jī)下閘首整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the lower lock head of the second-stage ship lift

圖2 工作閘門與鎖定裝置裝配關(guān)系Fig.2 Assembly relationship of the main gate and the locking device

2.1 機(jī)械鎖受力分析

鎖定裝置工作時(shí)，假定除機(jī)械鎖以外的所有部件均為剛性體且僅考慮平面內(nèi)的變形情況，僅計(jì)算分析機(jī)械鎖及銷軸的承載力及安全系數(shù)。

由圖3可知，鎖定工作狀態(tài)時(shí)機(jī)械鎖的破壞形式為受壓破壞，銷軸的破壞形式為剪切破壞。

根據(jù)受壓破壞的形式，依照GB 50017—2003式5.1.1 計(jì)算正應(yīng)力。

式中：σ為正應(yīng)力;N為軸心壓力;An為正截面有效面積。

代入數(shù)據(jù)可得 σ=14.77 MPa，小于設(shè)計(jì)值215.00 MPa，機(jī)械鎖安全且安全系數(shù)較高。

根據(jù)銷軸剪切破壞形式，依照GB 50017—2003式4.1.2計(jì)算剪應(yīng)力。

式中：τ為剪應(yīng)力;V為剪力;s為毛截面對(duì)中和軸面積矩;I為毛截面慣性矩;tw為腹板厚度。

代入數(shù)據(jù)可得 τ=15.46 MPa，小于設(shè)計(jì)值110.00 MPa，銷軸安全且安全系數(shù)較高。

圖3 鎖定工作狀態(tài)Fig.3 Locking condition

通過計(jì)算可知，機(jī)械鎖自身強(qiáng)度高，安全系數(shù)大，不會(huì)發(fā)生破壞。鎖定自由狀態(tài)受力較小，此處不做計(jì)算。

2.2 連接架受力分析

鎖定裝置通過連接架向混凝土基礎(chǔ)傳力，因此，工作閘門的自重通過機(jī)械鎖全部傳遞至連接架;同時(shí)，由于機(jī)械鎖萬向轉(zhuǎn)動(dòng)，連接架側(cè)板底部整體性被破壞(如圖4所示)，局部受力不均勻，將直接引起連接失效而導(dǎo)致底部開口擴(kuò)大，使得機(jī)械鎖無法正常工作，出現(xiàn)工作閘門脫落的危險(xiǎn)情況。因此，連接架的受力分析非常重要，要提前預(yù)判安全薄弱點(diǎn)并采取加固措施。

圖4 連接架結(jié)構(gòu)Fig.4 Connecting frame structure

對(duì)連接架底部支座局部受力和側(cè)板與橫板焊縫受力進(jìn)行分析，將理論計(jì)算值與許用應(yīng)力進(jìn)行比較，為加固方案提供理論計(jì)算依據(jù)。

由于機(jī)械鎖的安全系數(shù)較高，因此假定機(jī)械鎖為剛性體，即閘門重力全部由連接架承擔(dān)并傳遞。

(1)由圖3、圖4可知，底部支座局部受力破壞形式為受彎破壞，破壞斷裂面判斷在支座頂面處。根據(jù) GB 50017—2003式4.1.1(僅考慮平面內(nèi)受力)進(jìn)行計(jì)算。

式中：Mx為截面彎矩;γx為截面塑性發(fā)展系數(shù)，取1.05;Wnx為截面模量;f為鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(2)由圖4可知，側(cè)板與橫板連接焊縫在水平力作用下的破壞形式為正截面受拉破壞，連接焊縫長度方向垂直于受力方向，根據(jù)GB 50017—2003式7.1.3－1可知，焊縫計(jì)算長度取值將直接影響焊縫受力大小。

式中;σf為焊縫截面正應(yīng)力;N為軸心拉力;he為焊腳計(jì)算高度;lw為焊縫影響區(qū)域長度;βf為強(qiáng)度增大系數(shù)，取 1.0;fwf為焊縫抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

不同焊縫影響區(qū)域長度下的焊縫應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1，由表1可知，焊縫影響區(qū)域長度較短時(shí)(0～30 mm)，焊縫應(yīng)力超過許用應(yīng)力，為最危險(xiǎn)點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。當(dāng)焊縫影響區(qū)域長度大于50 mm時(shí)，整條焊縫受力偏于安全。計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際中出現(xiàn)的問題相吻合。

表1 焊縫應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.1 Weld stress calculation results MPa

3 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性，對(duì)連接架進(jìn)行有限元建模，運(yùn)用Abaqus有限元軟件對(duì)焊縫處進(jìn)行受力分析。Abaqus連接架建模如圖5所示(為重點(diǎn)考慮連接架底部側(cè)板與橫板連接焊縫受力情況，對(duì)圖4所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化)。

在Abaqus中依次通過實(shí)體建模—輸入本構(gòu)關(guān)系—網(wǎng)格劃分—施加荷載等步驟進(jìn)行模擬分析，應(yīng)力計(jì)算云圖如圖6所示。

圖5 連接架建模圖Fig.5 Connecting frame modeling

圖6 連接架計(jì)算應(yīng)力云圖Fig.6 Calculated stress cloud of the connection frame

通過數(shù)值模擬分析可知：有限元輸出結(jié)果與表1中手動(dòng)理論計(jì)算結(jié)果接近，即焊縫影響區(qū)域長度越短應(yīng)力值越大;同時(shí)，在閘門自重作用下，側(cè)板開口呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，將導(dǎo)致機(jī)械鎖與鎖頭脫鉤，使結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)。

4 補(bǔ)強(qiáng)措施

通過數(shù)值模擬分析可知，連接架在閘門自重作用下存在2處安全隱患點(diǎn)，即底部支座處和側(cè)板與橫板連接焊縫處。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上述2處危險(xiǎn)點(diǎn)提出如下補(bǔ)強(qiáng)措施。

(1)提高底部支座截面抵抗矩。1)在側(cè)板背面貼一塊約20 mm厚的鋼板(如圖7所示)，應(yīng)力可降至原狀態(tài)下的1/4，能夠滿足強(qiáng)度要求。2)考慮到機(jī)械鎖單自由度萬向轉(zhuǎn)動(dòng)工藝要求，在2塊側(cè)板(即圖5所示側(cè)板完整度被破壞部位)之間通長設(shè)置加強(qiáng)板，以連接2塊側(cè)板，提高整體性，避免開口增大，此時(shí)可在外側(cè)手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械鎖的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 側(cè)面設(shè)置加強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)方案Fig.7 Repairing scheme by adding reinforcement ribs on the side

(2)在側(cè)板與橫板連接焊縫處設(shè)置加強(qiáng)筋板，在橫板下表面處開始設(shè)置第1組，考慮焊接操作空間，第2組加強(qiáng)筋板應(yīng)盡量靠近第1組(如圖8所示)，焊縫長度大于50 mm時(shí)可不設(shè)置加強(qiáng)筋板。

圖8 設(shè)置加強(qiáng)筋板補(bǔ)強(qiáng)方案Fig.8 Repairing scheme by adding reinforcement ribs

5 效果分析及建議

本文通過對(duì)重力式閘門鎖定裝置的受力分析，找出了薄弱危險(xiǎn)點(diǎn)，根據(jù)結(jié)算結(jié)果提出了加固補(bǔ)強(qiáng)方案并應(yīng)用到工程實(shí)踐中。結(jié)果表明，本文提出的加固補(bǔ)強(qiáng)方案可操作性強(qiáng)，提高了鎖定裝置的安全性。

針對(duì)本工程出現(xiàn)的問題，結(jié)合工程安裝經(jīng)驗(yàn)，在升船機(jī)閘首鎖定裝置設(shè)計(jì)時(shí)提出以下建議，供類似工程參考。

(1)對(duì)于重力式閘門鎖定裝置，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮鎖定裝置為單鉤形式，讓其主要受垂直重力，避免出現(xiàn)水平分力而導(dǎo)致開口增大。

(2)本文工程中機(jī)械鎖安全系數(shù)較高，機(jī)械鎖質(zhì)量大，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)較吃力，今后設(shè)計(jì)時(shí)可減小機(jī)械鎖尺寸并采用電動(dòng)軸承抓梁形式，以提高運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性。