某现役水工钢闸门安全运行评估分析

朱兴杰（辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003）

某现役水工钢闸门安全运行评估分析

朱兴杰
（辽宁省水利厅，辽宁 沈阳 110003）

文章介绍了某电站溢洪道弧形工作闸门的锈蚀检测及设计复核计算情况，内容包括闸门的外观检查、锈蚀量检测、应力计算及变形计算分析等。通过对溢洪道闸门的检测及复核计算，发现了闸门系统存在的安全隐患，并提出消除隐患的措施和建议。

溢洪道；工作闸门；安全评估

1　检测内容和方法

水工金属结构安全检测就是采用先进的检测方法和仪器设备对现役水工金属结构进行现场检测，通过检测发现不安全因素，提出相应的改造加固措施。水工金属结构安全检测主要包括巡视检查、外观检查、锈蚀检测、结构应力与变形检测等项内容。

2　检测结果

2.1外观检查结果

通过检查发现，闸门侧、底止水装置多为一般锈蚀，局部较重锈蚀；表面分布有较多的锈斑、锈包或锈皮。闸门侧导轮多已锈死不转动或转动不灵活，侧导轮及联接装置多数存在锈蚀，表面有较多的锈斑、锈包或锈皮，局部成片分布；支铰局部存在一般或较重锈蚀，表面分布有锈斑和锈包，局部成片分布。面板迎水面有少量分散的锈斑或大锈包。

2.2锈蚀量检测

对闸门主要构件的锈蚀量进行检测，可以判断各构件的锈蚀程度，计算构件的锈蚀速率，确定构件的蚀余厚度，为结构计算提供必要的数据。

通过对蚀余厚度检测数据进行整理，闸门主要构件锈蚀量检测数据的各项统计结果分别列于表1～表2。表1为闸门锈蚀量频数分布的统计结果；表2为闸门主要构件及总体锈蚀量和锈蚀速率（锈蚀速率计算年限为13年）的平均值。

表1　闸门锈蚀量频数分布

2.3结构复核计算

2.3.1计算模型及参数

1）单元划分。根据闸门的结构型式和受力特点的不同，弧形闸门采用空间结构有限元法进行复核计算。闸门结构有限元计算分析采用美国Algor软件公司研制的Super SAP程序。

表2　闸门主要构件及总体锈蚀量和锈蚀速率的平均值参数面板主横梁纵梁小横梁支臂总体

根据闸门结构形式和受力特点，将闸门面板、主横梁、纵梁、边梁、小横梁腹板、支臂臂杆离散为板单元，小横梁后翼缘、支臂间竖杆及斜杆离散为杆单元，支铰简化离散为块体单元。计算模型的节点总数为43 053个，单元总数为45 494个。

2）约束处理。闸门在支铰轴处受x，y，z方向位移约束，在门底受铅直方向位移约束。其中坐标系定义为：x轴沿主横梁轴向，y轴沿水流方向，z轴沿铅直方向。

3）计算工况。计算荷载主要考虑作用于闸门的静水压力和自重以及风浪压力，底槛高程71.855 m。上游水位86.56 m，下游无水，闸门作用水头14.705 m。

4）结构尺寸与材料特性。闸门各构件的外形尺寸按设计图纸取用，构件的截面厚度采用现场实测的蚀余厚度。

闸门面板、主横梁、支臂臂杆、纵梁、边梁等结构材料为16 Mn钢，小横梁、支臂竖杆及斜杆等结构材料为Q235钢，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，容重kN/m3。

2.3.2强度评判标准

根据（DL/T5039-1995）《水利水电工程钢闸门设计规范》规定，对于大中型工程的工作闸门和重要事故闸门，容许应力应乘以0.90～0.95的调整系数（局部承压应力不乘调整系数）。此外，（SL226-1998）《水利水电工程金属结构报废标准》规定，对在役闸门进行结构强度验算时，材料的容许应力应按使用年限进行修正，容许应力应乘以0.90～0.95的使用年限修正系数。

根据以上规定，取容许应力的修正系数k= 0.95×0.95=0.902 5。修正后的闸门各主要构件材料的容许应力列于表3。

2.3.3结构应力计算结果与分析

1）面板。面板最大折算应力为230.6 MPa，小于面板最大折算应力小于容许值：

342.3 MPa（1.1α［σ］=1.1×1.5×207.5=342.3 MPa）。

2）主横梁。主横梁最大应力值列于表4。由应力计算结果可以知道，均小于材料相应的容许应力。

3）支臂。支臂有两个主平面，一个主平面在主横梁和支臂框架平面内，称之为主框架平面；另一主平面在上下支臂框架平面内。支臂在两个平面内均受弯矩、轴力作用，为偏心受压杆。由应力计算结果可以知道：

表3　闸门各主要构件材料的容许应力　　MPa

表4　主横梁最大应力值　　MPa

1）上、下支臂最大轴向正应力值分别为-156.4 MPa，-166.0 MPa，均小于材料相应的容许应力。

2）上、下支臂最大折算应力值分别为155.8 MPa，165.7 MPa，均小于材料相应的容许应力。2.3.4结构变形计算结果与分析

对于受弯构件，应根据挠度计算结果进行刚度校核。根据（DL/T5013-1995）《水利水电工程钢闸门设计规范》规定，对于表孔式工作闸门，主横梁的最大挠度与计算跨度的比值，不应超过1/600。闸门主横梁跨度为9 000 mm，其容许出现的最大挠度为15.0 mm。

上、下主横梁的最大挠度值分别为3.8 mm，3.9 mm，均小于主横梁挠度的容许值（15.0 mm）。闸门主横梁满足刚度要求。

2.3.5支臂稳定计算与分析

支臂为偏心受压杆，除应满足强度要求外，还应在外力作用下，不失去稳定。支臂失稳形态有两种可能：一是在弯矩作用平面内，因外力过大以致外力和构件内力不能保持静力平衡，使弯曲变形急剧增加而失去稳定；二是在弯矩作用平面外，即垂直于弯矩作用的平面，构件发生弯扭变形而失去稳定。因此，支臂必须按上述两个方向分别进行稳定校核。

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