中美水工鋼閘門設(shè)計方法對比

刁 楠,邸南思,高 超

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

1 概述

隨著我國海外水電市場的蓬勃發(fā)展，各設(shè)計單位在進行海外項目設(shè)計時，要求使用國外規(guī)范，特別是美國規(guī)范的相關(guān)技術(shù)標準，得到了世界大部分國家的認可和肯定。設(shè)計人員如能夠熟練使用美國規(guī)范進行鋼閘門設(shè)計，可更好地開展海外咨詢、工程設(shè)計等項目，進一步開拓國際市場。

中美水工鋼閘門的設(shè)計標準不同，因此，設(shè)計思路和方法也有所區(qū)別，通過分析、總結(jié)中美設(shè)計標準的差異，可以開闊設(shè)計人員的視野，積累技術(shù)經(jīng)驗，提高設(shè)計效率。對規(guī)范要求取長補短，并在一定程度上提升中國規(guī)范的海外認知度與認可度。

2 中美水工鋼閘門設(shè)計規(guī)范及主要設(shè)計方法

中國水工鋼閘門設(shè)計標準主要以《水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》(NB 35055—2015)為主，輔以《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2017)進行設(shè)計；而美國設(shè)計標準主要以《Design of Hydraulic Steel Structures》(ETL 1110-2-584)(后稱：《美國水工鋼閘門設(shè)計規(guī)范》)《Specification for Structural Steel Buildings》(ANSI/AISC 360-10)(后稱：《美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》)為主，輔以《Design of Hydraulic Gate》2nd Edition(后稱：《水工鋼閘門設(shè)計手冊》)進行設(shè)計。

《美國鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定水工鋼閘門的設(shè)計采用極限狀態(tài)法。

結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間與規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的概率稱為結(jié)構(gòu)的可靠度。“預(yù)定功能”是指結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。結(jié)構(gòu)整體或部分在超過某一狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的要求，這種狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，是區(qū)分結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)可靠或不可靠的標志[2]?！睹绹撻l門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，閘門設(shè)計時的極限狀態(tài)(見表1所示)。

表1 極限狀態(tài)的分類

以相應(yīng)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)的設(shè)計方法，稱為極限狀態(tài)法。其一般表達式為：

∑γiQni≤αφRn

(1)

式中 ∑γiQni為結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載組合下需要的強度，Qi為荷載效應(yīng)；αφRn為結(jié)構(gòu)的額定強度，Rn為抗力；α為性能系數(shù)，φ為抗力系數(shù)。

3 中美水工鋼閘門設(shè)計荷載對比

中美鋼閘門設(shè)計規(guī)范對于鋼閘門的荷載要求見表2所示。

表2 中美規(guī)范所規(guī)定的荷載

關(guān)于荷載種類中美規(guī)范基本相同，區(qū)別在于美國規(guī)范動水壓力是由波浪、水流引起的振動及水錘引起的水壓力，而中國規(guī)范動水壓力包括時均值和脈動值，其計算由兩部分組成，垂直于閘門面板的部分按靜水壓力乘以動力系數(shù)；另一部分作用于閘門底緣，又分為上托力和下吸力。

中國規(guī)范在進行荷載組合時，分為3個工況：設(shè)計工況，校核工況，地震工況。每種工況按照對應(yīng)的荷載進行組合(見表3所示)。

表3 中國規(guī)范荷載組合

美國規(guī)范對于荷載的組合更為復(fù)雜，不同門型對應(yīng)不同的荷載組合，如直升式平面閘門，其荷載組合如表4～5。可以看出，美國規(guī)范對于閘門設(shè)計的工況及對應(yīng)的荷載組合分類更為詳細。

表4～5中相關(guān)符號的意義如下：D為閘門自重;G為泥沙、積冰的重量;Hs為靜水壓力;Hd為動水壓力;Q為操作力;EV為環(huán)境荷載;IM為撞擊荷載;E為地震荷載。

表4 美國規(guī)范荷載組合

表5 美國規(guī)范荷載組合系數(shù)

4 中美水工鋼閘門設(shè)計方法對比

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般來說，閘門的結(jié)構(gòu)主要是由面板，主、次梁，邊梁，縱隔板等部件焊接而成，用來承擔(dān)擋水的水壓力。其計算模型一般采用平面體系假定進行分析。

鋼閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要就其強度、剛度、穩(wěn)定性進行計算，關(guān)于強度和剛度的計算中國相關(guān)規(guī)范采用容許應(yīng)力法，而穩(wěn)定性計算遵循《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，該規(guī)范要求使用極限狀態(tài)法。美國設(shè)計方法則統(tǒng)一采用極限狀態(tài)法。

中美閘門面板計算方法一致，均采用了Roark’s Formulas[3]的計算方法。

4.2 機械零部件設(shè)計

閘門的機械零部件是指閘門吊耳、吊軸、滾輪、滑塊等。吊耳、吊軸用于閘門的起吊，滾輪和滑塊則用于傳遞水壓力。

鋼閘門的機械零部件設(shè)計主要就其強度進行計算，中美規(guī)范的計算方法均采用容許應(yīng)力法。

關(guān)于吊耳板的計算，美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范從受拉、受剪、承壓以及吊耳板屈服的角度綜合考慮，并取最小計算值作為強度要求。而中國規(guī)范主要從局部緊接承壓以及孔壁抗拉的角度考量吊耳板的強度。

中美規(guī)范支承輪及輪軸設(shè)計沒有太大差異，支承輪的線接觸應(yīng)力，輪軸的彎、剪計算均一致。不同點在于點接觸的支承輪接觸應(yīng)力計算公式和容許接觸應(yīng)力。

中國規(guī)范要求的容許接觸應(yīng)力為3Fy(Fy：材料的屈服強度)，而美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求的容許接觸應(yīng)力為1.6Fu(Fu：材料的抗拉強度)。當所選材料的屈強比在0.61左右時，中美規(guī)范中的容許接觸應(yīng)力值相接近。

4.3 埋件設(shè)計

閘門埋件是預(yù)先埋設(shè)在水工建筑物閘門運行部位混凝土中的金屬構(gòu)件。其主要作用是為閘門正常運轉(zhuǎn)、吊裝、檢修提供具有一定精度要求的支承，行走，止水等基準面。其所承受的荷載主要為閘門所擋水的壓力。

關(guān)于閘門埋件的設(shè)計，中美規(guī)范均采用的是容許應(yīng)力法。不同點在于：

1) 在軌道計算內(nèi)容方面，中國規(guī)范主要計算了混凝土承壓應(yīng)力、軌道橫斷面彎曲應(yīng)力、軌道頸部局部承壓應(yīng)力以及軌道底板彎曲應(yīng)力；水工鋼閘門設(shè)計手冊則主要計算了混凝土承壓應(yīng)力、軌道橫斷面彎曲應(yīng)力及剪應(yīng)力。

2) 計算模型的不同。水工鋼閘門設(shè)計手冊對于埋件的計算是基于彈性地基梁理論和Andree-Fricke理論進行的[4]。而中國規(guī)范的思路更為簡化，僅僅通過力的擴散，并將其假設(shè)為受均布荷載作用下的懸臂梁來進行計算。

4.4 啟閉力設(shè)計

當閘門需要啟門時，由相關(guān)啟閉設(shè)備提供，用以克服摩阻力而提升閘門的力叫啟門力；用以維持閘門正常下落的力叫持住力；閉門力用于判斷閘門是否能靠自重閉門，當閉門力為負值時，閘門可以依靠自重閉門；正值時，閘門不能依靠自重閉門，需加重(加重方式有加重塊、水柱或機械下壓力等)。在進行啟門力、持住力計算前，需先完成閉門力驗算。啟閉設(shè)備的容量通常根據(jù)閘門的啟閉力進行選型確定。

閘門的啟閉方式根據(jù)閘門的運行情況，可以分為動水啟閉(如工作閘門)、靜水啟閉(如檢修閘門)、動閉靜啟(如事故閘門)。

中美閘門設(shè)計中關(guān)于啟閉力的計算考慮因素略有不同，相關(guān)計算因子見表6所示。

表6 中美啟閉力計算因子

可以看出中國規(guī)范中關(guān)于浮力部分的內(nèi)容沒有考慮，全部由相關(guān)修正系數(shù)代替。而美國規(guī)范中關(guān)于啟閉力的計算方法并未明確說明，故主要參考《水工鋼閘門設(shè)計手冊》[4]進行計算，其中關(guān)于水柱壓力、上托力未見有詳細說明。

5 中美水工鋼閘門設(shè)計差異性

5.1 算例分析

根據(jù)中美水工鋼閘門的設(shè)計特點，結(jié)合尼泊爾某電站調(diào)壓井事故閘門的設(shè)計實例，對其主要結(jié)構(gòu)零部件的計算結(jié)果進行對比。

尼泊爾某電站調(diào)壓井事故閘門設(shè)計參數(shù)如下：

孔口尺寸(寬×高)：4.8 m×4.8 m；

支承跨度：5.52 m；

底檻高程：1 751.85 m；

設(shè)計水位組合：1 790.00 m/無水；

操作水位組合：1 790.00 m/無水(閉門)，不超過3 m水位差(啟門)；

布置形式：上游面板、上游止水；

閘門自重：385 kN；

閘門加重：260 kN；

啟閉機容量：1 250 kN。

計算結(jié)果：因中美規(guī)范的不同，計算結(jié)果呈現(xiàn)的方式亦不相同，為便于研究，將所有結(jié)果做相關(guān)折算處理(啟閉力除外)，得出材料使用度值，即：“材料使用度=計算值/額定值”。材料使用度值越大，則表示計算值越接近額定值。詳細計算結(jié)果見表7所示。

表7 中美規(guī)范材料使用度計算結(jié)果

5.2 差異性比較

中美水工鋼閘門的設(shè)計方法有著明顯的不同，但設(shè)計結(jié)果除吊耳板計算結(jié)果差異較大以外，其余項目的差異并不是特別大，相關(guān)材料使用度偏差曲線如圖1所示。

圖1 中美計算結(jié)果偏差曲線示意

圖1所示的偏差曲線在基準線K=1以上時，說明中國規(guī)范的設(shè)計結(jié)果更接近材料安全額定值，而在基準線K=1以下時，則說明美國規(guī)范的計算結(jié)果更接近材料安全額定值。

可以看出：相同結(jié)構(gòu)形式的閘門在同樣的荷載條件下，主要結(jié)構(gòu)件利用中國規(guī)范計算的結(jié)果同美國規(guī)范的相接近，次要結(jié)構(gòu)件則略有不同，美國規(guī)范的計算結(jié)果更接近材料安全額定值，設(shè)計稍偏保守。變形結(jié)果基本一致。

機械零部件中的吊耳部分：中國規(guī)范主要從局部緊接承壓以及孔壁抗拉的角度考量吊耳板的強度。美國規(guī)范則從受拉、受剪、承壓以及吊耳板屈服的角度綜合考慮，并取最小計算值作為強度要求。關(guān)于吊耳強度，中國規(guī)范的計算結(jié)果則更為保守一些。

關(guān)于支承輪及輪軸的設(shè)計，中美規(guī)范計算結(jié)果沒有太大差異。主要區(qū)別在于容許接觸應(yīng)力有所不同。

埋件設(shè)計，中美規(guī)范關(guān)于軌道橫斷面彎曲應(yīng)力，混凝土承壓應(yīng)力的計算結(jié)果較為接近。中國規(guī)范計算結(jié)果略微偏保守一些。

啟閉力設(shè)計中：美國規(guī)范沒有持住力的計算。中國規(guī)范計算所需的閉門力和啟門力均較美國規(guī)范的大。

弧形閘門、人字門等其他門型與平面閘門的設(shè)計都是基于平面假定體系進行的，因此，在閘門結(jié)構(gòu)和閘門埋件的計算中，并沒有較大的差異，機械零部件的計算也是一致的，主要區(qū)別是不同的門型根據(jù)其功能的不同，導(dǎo)致了使用工況也有所不同，體現(xiàn)在荷載組合上，就有了一些差異。

6 結(jié)語

中美鋼水工閘門設(shè)計，在設(shè)計方法方面存在明顯不同；在設(shè)計結(jié)果方面，閘門的梁系、支承及埋件的計算結(jié)果差異較小、而吊耳及啟閉力的計算結(jié)果存在較明顯差異。因本文針對中美規(guī)范計算方法的差異性研究樣本有限，具體研究數(shù)據(jù)代表性有一定的局限性，僅供設(shè)計人員研究、參考。