复核计算在某电站坝顶门机安全评估中的作用

， ，

(水利部产品质量标准研究所， 杭州 310012)

复核计算在某电站坝顶门机安全评估中的作用

梅华锋，李勤，黄迅雷

(水利部产品质量标准研究所， 杭州 310012)

复核计算是闸门和启闭机安全检测的重要内容和有效评估手段。本文对某电站坝顶门机进行了应力有限元和抗倾覆稳定性计算，复核计算结果为该门机的安全评估提供了客观依据，对消除门机运行安全隐患起到了重要作用。

坝顶门机；安全评估；复核计算

坝顶门式起重机担负着表孔检修门、中孔事故门等各种工作闸门的启闭、拦污栅的起吊和其他坝顶设备的安装检修工作，是水电站重要的水工设备，对整个大坝的安全运行有着直接影响[1]。该类起重机虽然不是经常吊运，但一旦使用时工作任务却十分繁重，有着较高的安全级别要求。

由于长期处于露天作业工况，坝顶门机在使用过程中不可避免地会出现不同程度的损伤，定期对其进行安全检测和评估，可及时发现问题，制定出相应措施，避免事故发生。复核计算因其快捷、安全、经济、不受现场条件影响、可模拟多种极限工况，已成为闸门和启闭机安全检测的一种重要手段。本文就复核计算在某水电站溢流坝坝顶门机安全检测与评估中发挥的作用进行阐述。

1 坝顶门机主要技术参数

某电站溢流坝安设QM 2×630/300kN单向门式启闭机一台，如下页图1所示。该坝顶门机由门架、起升机构、轨道、回转吊、液压自动挂钩梁以及电气设备和其他安全设施等组成。其中，门架高10.06m，轨距6m，大车轮距9m，主起升高度轨上扬程6m，回转起升高度轨上扬程2m，回转角度180°，回转半径6m。在安全检测中，对该门机进行了应力有限元和抗倾覆稳定性复核计算。

2 应力有限元计算

2.1 计算模型及参数

2.1.1 单元剖分

以整个门机门架为分析对象，建立计算模型，并通用有限元进行计算分析。结构有限元计算采用线弹性有限元法，把机架离散为由板单元和梁单元组成的弹性结构。所有的钢板构件采用板单元模拟。

计算模型划分的单元总数为58824个，节点总数为71548个，有限元模型如图2所示。在建立三维有限元模型时，Z方向取为沿大车轨道方向，X方向取为水流方向，Y方向为门机的高度方向。计算受力简图如图3所示。

图2 有限元计算模型简图

图3 计算受力简图

2.1.2 约束处理

坝顶门机上、下游下横梁两端与行走机构连接处铅垂方向(Y向)和垂直于轨道方向(X向)受约束；上游下横梁左端及下游下横梁右端与行走机构连接处受到沿轨道方向(Z向)约束；除此以外，所有的节点均为自由节点。

2.1.3 计算荷载

计算荷载主要考虑作用在坝顶门机上的结构自重、起吊载荷及其动载效应、大车的制动力以及风荷载四个部分。根据《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008)[2]，按照坝顶门机的实际工作情况，综合考虑各种荷载的不利组合，主要计算分析了以下两种工况条件下坝顶门机的应力分布和变形情况，如表1所示。

表1 计算分析的工况及其荷载

注1.大车的自重荷载和制动荷载按照重力加速度和制动加速度的方式施加。

2. 基本风荷载按照均布力的方式施加。

2.1.4 结构尺寸与材料特性

结构的外形尺寸按设计图纸取用，所有构件的尺寸都按照实测尺寸取用；坝顶门机结构材料为Q345钢。根据《水电水利工程启闭机设计规范》(DL/T 5167—2002)[3]，其许用应力为230MPa(δ≤16)、220 MPa(16<δ≤25)、205 MPa(25<δ≤36)；许用刚度为L/2000。计算时取弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比取μ=0.3。

2.2 计算结果及分析

两种工况下坝顶门机结构的应力分布和变形见图4、图5、图6和图7，图中均采用国际单位制单位，表2为两种工况下的有限元计算结果。

图4 组合Ⅰ等效应力

图5 组合Ⅰ位移

图6 组合Ⅱ等效应力

表2计算分析工况下的有限元计算结果

参数位置 等效应力(MPa)组合Ⅰ组合Ⅱ许 用 值主 梁6085端 梁3956支 腿65108中横梁912下横梁端部1624207MPa主梁挠度y(mm)2.22.83.0mm(L/2000)

计算结果表明：在两种工况条件下，坝顶门机各主要构件(包括主梁、支腿、横梁)的大部分板件的等效应力均小于材料许用应力。

由计算结果可以看出：在竖向荷载和自重作用下，各工况下主梁跨中的竖直方向位移量一般为1.0～2.8mm，均小于许用值。

3 抗倾覆稳定性计算

依据《水电水利工程启闭机设计规范》(DL/T 5167—2002)[3]中所规定的三种验算工况，在最不利的载荷组合条件下，采用稳定力矩ΣM≥0的力矩法原则，对坝顶门机平行轨道和垂直轨道两个方向分别进行抗倾覆稳定性校核，三种工况下选取的荷载系数φij如表3所示。总力矩为：

ΣMi=M1φi1+M2φi2+M3φi3+M4φi4

式中M1——门架、大车及小车自重等产生的力矩，对门机起稳定作用，符号为正；

M2——回转吊自重及额定起升载荷产生的力矩，对门机起倾覆作用，符号为负；

Me——水平惯性力产生的力矩，对门机起倾覆作用，符号为负；

M4——风力产生的力矩，对门机起倾覆作用，符号为负。

表3 荷载系数φij

三种工况下该QM 2×630/300kN坝顶门机抗倾覆稳定性计算结果如表4所示，相关计算数据按设计图纸取用，并均经现场复核。由表4可以看出，在无风静载和有风动载两种工况下，坝顶门机在平行轨道和垂直轨道方向上的抗倾覆稳定力矩ΣM小于零，存在发生倾覆的安全隐患。

表4 坝顶门机抗倾覆稳定性计算结果ΣMi

4 结 语

a.对水利水电工程在役闸门和启闭机的定期安全检测评估是保障工程安全运行的重要措施。复核计算是一种有效的安全评估手段，能快速准确、经济安全地为闸门和启闭机结构评估提供客观依据，《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》(SL 101—2014)[4]已将其列为闸门和启闭机安全检测的三项内容之一。

b.某水电站溢流坝坝顶门机的复核计算结果表明：该门机结构强度符合设计要求，但在无风静载和有风动载工况下存在倾覆不稳定的风险。电站运行管理单位及时采纳了安全评估结论及建议，在该门机上增加了配重，消除了运行安全隐患。

[1] 卢云祥，孟璐新，吴浩. 坝顶门机原型测试机有限元分析[J]. 中国水运(下半月)，2009，7(9):141-142.

[2] GB/T 3811—2008 起重机设计规范[S].

[3] DL/T 5167—2002 水电水利工程启闭机设计规范[S].

[4] SL 101—2014 水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程[S].

FunctionofReviewCalculationinDamTopGantrySafetyAssessmentofOnePowerStation

MEI Hua-feng, LI Qin, HUANG Xun-lei

(MWR Product Quality Standard Institute, Hangzhou 310012, China)

Review calculation is important content and effective assessment means for safety test of gate and hoist. In the paper, stress finite element and overturning-proof stability calculation are conducted on dam crest gantry crane in one power station. Review calculation results provide objective basis for gantry crane safety assessment, which plays an important role in eliminating safety hidden danger in gantry crane operation.

dam crest gantry crane; safety assessment; review calculation

TV72

A

1005-4774(2014)11-0022-04