基于檢測(cè)數(shù)據(jù)的弧形鋼閘門支臂可靠度分析

胡 強(qiáng)，王 姣，朱振寰

（1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌，330029；3.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌，330029）

0 引言

弧形鋼閘門廣泛地應(yīng)用于水利水電工程，在防洪、灌溉及發(fā)電等方面發(fā)揮著重要作用[1]。銹蝕是鋼閘門普遍存在的現(xiàn)象，由于受銹蝕的影響，鋼構(gòu)件的截面尺寸將會(huì)削弱，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度減小，變形增大，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大[3，4]。隨著工程結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)方法的不斷發(fā)展與更新，可靠度理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析的研究逐年增多[5-7]。余向明[8]等基于結(jié)構(gòu)可靠度理論采用JC法分別計(jì)算了鋼閘門初始運(yùn)行期和工作30a后的結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)，最終對(duì)閘門的可靠度進(jìn)行了初步的安全評(píng)估；李永科[9]利用Ansys有限元分析軟件建立鋼閘門三維實(shí)體模型，分析計(jì)算閘門內(nèi)部的荷載效應(yīng)及抗力，并計(jì)算了不同工況組合下閘門各構(gòu)件的可靠度。

本文以某水庫(kù)弧形鋼閘門為實(shí)例，基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的樣本數(shù)據(jù)，采用三維有限元方法分析支臂可靠度。

1 檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

1.1 閘門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

某水庫(kù)溢洪道閘門為斜支臂弧形閘門，閘門高度6.0m，寬度11.96m，主要由面板、雙主梁、支臂等部件組成，材料為Q235。閘門支臂為H型鋼結(jié)構(gòu)，翼緣厚20mm，腹板厚12mm。閘門為2010年水庫(kù)除險(xiǎn)加固時(shí)制造安裝，服役至今已10a。

1.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用TT300超聲波測(cè)厚儀在閘門下游側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，支臂翼緣和腹板各檢測(cè)150個(gè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表1。

表1 支臂銹蝕量統(tǒng)計(jì)特征表 mm

2 三維有限元模型分析

2.1 有限元模型

（1）單元?jiǎng)澐??？紤]弧形閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為準(zhǔn)確反映閘門的工作情況與受力狀態(tài)，采用三維實(shí)體單元（Solid185）對(duì)閘門整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

（2）約束處理。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿x、y、z方向平移的3個(gè)自由度，可較好反映閘門各部部位的受力與變形情況。

（3）結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性。閘門結(jié)構(gòu)材料為Q235，材料密度 ρ=7 850kg/m3，泊松比 μ=0.3，彈性模量 E=2.06×105MPa。

（4）計(jì)算荷載和工況。計(jì)算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力和自重，設(shè)計(jì)水頭5.5m。

按上述構(gòu)建的弧形閘門靜力分析有限元模型見(jiàn)圖1。閘門整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分為48 738個(gè)單元，83 327個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 閘門靜力分析有限元模型圖

2.2 銹蝕模擬

本次采用平均蝕余厚度法進(jìn)行模擬計(jì)算，即將構(gòu)件的蝕余厚度設(shè)置為設(shè)計(jì)尺寸R減去構(gòu)件平均銹蝕值與一倍標(biāo)準(zhǔn)差σ后的值，對(duì)閘門有限元模型尺寸進(jìn)行均勻削減。

2.3 應(yīng)力分析

支臂是壓應(yīng)力很大的偏心受壓桿件，主要承受沿支臂方向的軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力。本文采用第四強(qiáng)度理論校核弧形鋼閘門的強(qiáng)度，其折算應(yīng)力可用Von Mises應(yīng)力進(jìn)行表示和計(jì)算。根據(jù)前文建立的有限元模型，可計(jì)算不同銹蝕程度下支臂的Von Mises應(yīng)力值，詳見(jiàn)表2。

由表2可知：支臂翼緣和腹板軸向應(yīng)力最大值均為負(fù)值，說(shuō)明支臂主要承受來(lái)自主梁的壓力；上、下支臂翼緣的軸向應(yīng)力均大于其腹板的軸向應(yīng)力，且下支臂所受軸向應(yīng)力大于上支臂所受的軸向應(yīng)力，支臂的最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在下支臂的翼緣上。

表2 支臂銹蝕對(duì)支臂軸向應(yīng)力的影響

不同的銹蝕程度會(huì)導(dǎo)致支臂臂桿的內(nèi)力分布變化，從而導(dǎo)致支臂的彎矩發(fā)生變化。在支臂不同銹蝕程度下，選取彎矩最大值計(jì)算支臂下臂桿的彎矩，見(jiàn)表3。

表3 支臂銹蝕對(duì)支臂下臂桿彎矩的影響

通過(guò)計(jì)算，不同銹蝕程度條件下支臂下臂桿平面內(nèi)和平面外穩(wěn)定等效應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 銹蝕對(duì)支臂下臂桿穩(wěn)定應(yīng)力的影響

3 支臂可靠度分析

3.1 強(qiáng)度可靠度

考慮軸向應(yīng)力對(duì)支臂強(qiáng)度可靠度的影響，其極限狀態(tài)方程可表示為[10]：

式中：R為支臂鋼材極限抗壓強(qiáng)度的最大抗力，MPa；σ為支臂軸向應(yīng)力最大值，MPa。

本次選取閘門支臂不同的銹蝕程度來(lái)研究支臂軸向應(yīng)力的變化，根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果可知，銹蝕作用對(duì)下支臂翼緣的軸向應(yīng)力影響最大。運(yùn)用最小二乘法求得下支臂翼緣軸向應(yīng)力與支臂銹蝕量之間的回歸方程為：

式中：σ為支臂最大軸向應(yīng)力，MPa；h3為支臂翼緣銹蝕深度，mm。

據(jù)此建立支臂強(qiáng)度極限狀態(tài)方程：

式中材料抗力和銹蝕量均服從正態(tài)分布。屈服強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值可從文獻(xiàn)[6]中查得：R（257.9，30.9）MPa；銹蝕深度根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出：h3（0.47，0.50）mm。利用JC法計(jì)算支臂的可靠指標(biāo)，其可靠指標(biāo)β、失效概率Pf的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 支臂強(qiáng)度可靠度計(jì)算成果

3.2 穩(wěn)定可靠度

考慮弧形鋼閘門支臂強(qiáng)度的可靠度的同時(shí)，還應(yīng)分析其穩(wěn)定性能的可靠度。在眾多閘門安全事故中，有相當(dāng)部分閘門破壞是由于支臂失穩(wěn)所導(dǎo)致的。支臂穩(wěn)定性分析主要是研究支臂結(jié)構(gòu)在彎矩作用平面內(nèi)和彎矩作用平面外的穩(wěn)定性。根據(jù)規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017），支臂下臂桿可作為實(shí)腹式壓彎構(gòu)件考慮平面內(nèi)和平面外穩(wěn)定等效應(yīng)力。根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，采用最小二乘法求得支臂平面內(nèi)、外穩(wěn)定應(yīng)力與支臂銹蝕深度的回歸方程分別為：

據(jù)此，建立的支臂平面內(nèi)、外穩(wěn)定極限狀態(tài)方程為：

利用JC法計(jì)算支臂穩(wěn)定的可靠指標(biāo)，其可靠指標(biāo)β，失效概率Pf的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 支臂穩(wěn)定可靠度計(jì)算

3.3 計(jì)算成果

根據(jù)水利水電工程結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)的規(guī)定，閘門各構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的目標(biāo)可靠指標(biāo)為3.2，通過(guò)計(jì)算，弧形鋼閘門各結(jié)構(gòu)各項(xiàng)可靠指標(biāo)均大于目標(biāo)規(guī)定值（3.2），滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

某在役弧形鋼閘門運(yùn)行多年后，支臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部銹蝕。本文基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的樣本數(shù)據(jù)，采用三維有限元方法分析支臂可靠度。結(jié)果表明，支臂的強(qiáng)度、剛度均滿足目標(biāo)可靠指標(biāo)，可繼續(xù)正常使用。