峡江水利枢纽进水口检修闸门安装技术

黄少奇

（中国水利水电第十二工程局有限公司机电安装分局，浙江丽水323000）



峡江水利枢纽进水口检修闸门安装技术

黄少奇

（中国水利水电第十二工程局有限公司机电安装分局，浙江丽水323000）

平板闸门的安装方法大同小异，而区别最大的地方在于不同的工况，需采用不同的吊装方式，以做到在确保安装质量、安全的前提下，减少安装成本。本文就江西峡江水利枢纽工程进水口检修门安装工况进行分析，拟定多种安装方案，最终经过对比，确认最优化的安装方案。

峡江；进水口；检修闸门；安装

1　工程简介

江西省峡江水利枢纽工程位于江西省吉安市峡江县境内，坝址地处赣江中游，距省会南昌市约160km，距吉安市约60 km，距峡江老县城巴丘镇约6.0 km，是一座以防洪、发电、航运为主，兼顾灌溉、床式发电厂供水等综合效益的水利枢纽工程。枢纽主要建筑物有混凝土泄水闸、混凝土挡水坝、河房、船闸、左右岸灌溉进水口鱼道等。工程对外交通便利，现有105国道、赣粤高速公路、京九铁路从坝址附近经过。

峡江水利枢纽工程进水口共9孔平板检修闸门，单孔闸门重约450 t，分6节门叶，单节重约75 t，进水口门机为自动抓梁式单向门机，主要用于吊装进口9孔检修门叶，门机轨道总长度208m，门机自重169 t，基距10m，轨距6m，轨上扬程8.3m，总扬程42.5m。

2　安装概括与技术难点

进水口检修闸门共54片，其中36片由门叶厂家直接供货，其余18片待对岸船闸工程使用完毕后再运至进水口进行安装，安装工作无法持续进行，安装工期较长，根据业主要求，由门叶厂家提供的36片新门叶需先进行安装并在一个月的时间内完成安装并通过验收，安装工期严峻。

如图1，安装区域的上游侧为一条宽8m的交通桥，交通桥与安装区域之间为拦污栅孔口，之间车辆无法通行，交通桥距离门机（门叶）安装位置约29m。右侧（根据水流方向）地面距离安装区域高度约40m，且靠近厂房位置，安装区域下载，起吊设备及运输设备通行困难。

图1　进水口区域总布置图

3　安装方案对比

经过专业技术人员现场分析与研究，提出以下3套安装方案：

（1）方案1：制作临时钢平台，铺设于拦污栅孔口及检修门孔口，使运输车辆及起吊设备可通过钢平台直接进入安装区域及孔口顶部。

方案优点：①由于汽车可直接驶至孔口顶部，可直接使用门机进行门叶的卸车、翻身及吊装，不需要其他额外的设备，安装不受门叶到货影响，避免不可预测的机械台班浪费；②门机直接起吊门叶，不需倒运，安装进度快；③节省成本；④无需长时间占用交通桥。

方案缺点：①制作钢平台需要时间，需提前完成；②钢平台由于其使用的一次性，不可反复使用。

（2）方案2：直接租赁大型起吊设备，停靠在交通桥进行安装。由于交通桥距离进水口孔口中心较远（约28m），且因为道路等问题，履带吊无法进场，如使用汽车的，经计算需800 t汽车的才能符合起吊要求。

方案优点：方便、快捷，无需制作布置其他辅助工具。

方案缺点：①汽车台班费非常高；②800 t汽车吊当地无法租赁，需到外省租赁，进出场困难；③施工过程中如门叶无法顺利到货，会造成机械台班费浪费；④施工工程中需长期占用交通桥，阻碍交通。

（3）方案3：制作临时把杆在交通桥处起吊门叶，然后安装临时轨道及卷扬机将门叶倒运至孔口顶部，由于门叶单节重约60 t，且外形尺寸较大，倒运麻烦且安全系数较低。

方案优点：整个过程只需布置把杆，临时轨道及卷扬机，成本较低。

方案缺点：①安全系数较低；②倒运过程中需反复拆装临时轨道，施工进度缓慢；③施工工程中需长期占用交通桥，阻碍交通。

通过施工技术可行性、安全性、进度、成本等方面综合对比以上3种施工方法，方案1虽然成本较方案3稍高些，但技术可行性、安全、进度方面均为最合适本施工项目的。

结论：方案1为最优化的施工方案。

4　方案校核

选定方案1进行施工后，需对方案1中设计制造的钢平台进行校核。钢平台起的作用主要有两方面：一是让车辆及起吊设备顺利通行，二是让起吊设备可以站脚进行门机的安装，进而进行后续门叶安装。

4.1平台面板设计

平台一、平台二面板与纵梁均按以下结构布置：

纵梁间距l1=0.5m；横梁间距l2=1.31~1.4m；汽车最大轮压P=88 200N。

后轮着地宽度b=60 cm；长度c=20 cm。

d=（602+202）1/2=63.2 cm

当后轮作用在板跨中央时，在该处产生最大弯矩。

l2/l1=1.31/0.5=2.62，c/b=20/60=0.33。由表1、2查得：

表1　四边简支板受局部均载时的计算系数λ与η

表2　四边简支板受局部均载时的计算系数φ与ψ

λ=2.985，η=0.906，φ=1.355，ψ=-0.588，μ=0.3,

则M x=[（2log4l1/πd+λ-φ）（1+μ）+（η+ψ）（1-μ）] P/8π

=[（2log4×50/63.2π+2.985-1.355）（1+0.3）+（0.906-0.588）（1-0.3）]×88200/8π

=8241.8N·cm

My=[（2log4l1/πd+λ-φ）（1+μ）-（η+ψ）（1-μ）]P/8π

=[（2log4×50/63.2π+2.985-1.355）（1+0.3）-（0.906-0.588）（1-0.3）]×88200/8π

=6 683.6N·cm

故每厘米宽度桥面板的最大弯矩：

Mmax=0.5[M1+1.1Mx]

因为有汽车荷载时,不考虑均布荷载，即M1=0

Mmax=0.5×1.1×82418=4533.48N·cm=462.6kg·cm

故面板的厚度δ=（6Mmax/[σ]）1/2=（6×462.6/1700）1/2=1.28cm，取δ=13mm。

4.2平台纵梁设计

（1）荷载分析

由于设计时横梁按后桥轴距分布，故在一根纵梁上可能受到的最大活载为汽车一个后轮的轮压活荷载P=18000/2=9000 kg=88 200 N，冲击系数取为1.1，静荷载为面板自重0.013×0.5×7850=51 kg/m和纵梁自重（估计用I20a）27.9 kg/m，合计q=78 kg/m即764.4N/m。

（2）内力计算

每跨纵梁可视作支撑在横梁上的简支梁。当汽车后轮作用于纵梁跨度中央时，在纵梁跨中截面产生最大弯矩。当后轮作用于靠近梁端时，在纵梁的支承端截面产生最大剪力：

Mmax=1.1PL/4+qL2/8=1.1×88200×1.31/4+764.4× 1.312/8=31938.2N·m；

Qmax=1.1P+qL2/2=1.1×88200+764.4×1.31/2= 97519.8N.m；

（3）截面选择及验算需要W=Mmax/[σ]=3259× 100/1700=192 cm3。

选择I20a，实有Wx=237 cm3，Ix=2370cm4，Ix/Sx≈17.2 cm，腹板厚δ=0.7 cm，单位重g=27.9 kg/m；

弯应力强度验算:σ=Mmax/Wx=325800/237=1375＜[σ]=1 700 kg/cm2，安全。

剪应力强度验算：τ=QSx/Ixδ=9951/17.2× 0.7=826.5＜[τ]=1 000 kg/cm2，安全。

挠度验算：f=PL23/48EIx+5qL24/384EIx

=9000×1313/48×2.1×106×2370+5×78× 1314/384×2.1×106×2370×100

=0.085+0.0006=0.086＜[f]=L2/250=0.524 cm，允许。

4.3平台一横梁设计

横梁为支撑的轨道梁或混凝土平台上的简支梁，计算跨度为清污机轨距L=4.5m，横梁间距为1.31m。

4.3.1内力计算

（1）汽车荷载：当汽车两后轮的合力与后轮对称于横梁跨中央时，在横梁上离跨中较近之后轮处产生最大弯矩，如图2：

图2　

Ra=9000（0.9+2.7）/4.5=7200 kg=70 560 N；

Mmax=1.1×1.8Ra=1.1×1.8×7200=14256 kg.m= 139 708.8N·m。

当一个后轮离桥面边缘为0.5m时,在横梁上产生最大剪力（如图3）。

Rmax=1.1×9000（2.2+4）/4.5=13640 kg=133672N。

图3　

（2）恒载：桥面板和纵梁的自重是通过纵梁支座作用于横梁上，由于纵梁的间距较密，故可将横梁上承受的集中荷载化为均布荷载计算，纵梁及面板自重78 kg/m，纵梁反力781×.31=102.2 kg=1001.56N，q1=102.2/0.5=204.4kg/m=2003.12 N/m，横梁初估用I36b，q2=65.6 kg/m，q=q1+q2=204.4+65.6=270 kg/m。

Ra=0.5QL=0.5×270×4.5=607.5 kg=5 953.5N；

M=1.8×607.5-0.5×270×1.82=656 kg·m= 6 428.8N·m；

ΣM=14256+656=14 912 kg·m=146 137.6 N·m；

ΣQ=13640+607.5=14247.5kg·m=139625.5N·m。

4.3.2截面选择

需要W=ΣM/[σ]=1491200/1700=877cm3；

采用I36b，W=919 cm3，I=16 530 cm4，Ix/Sx=30.3 cm，δ=12mm；q2=65.6 kg/m。

4.3.3截面验算

（1）强度验算：σ=ΣM/W=1491200/919=1 623 kg/cm2<[σ]=1 700 kg/cm2；

（2）剪应力：τ=Q S x/Ixδ=14247/30.3×12=470 kg/cm2<[τ]=1 000 kg/cm2；

（3）整体稳定性验算：由于采用等高连接，桥面板和纵梁及横梁的上翼缘焊牢,整体稳定性有保证,可不必验算；

（4）挠度验算：在两个轮压P作用下,梁跨中挠度可同下式求得：

f1=[（2a+c）L2-4a2L+2a3-a2c-c3]Pa/6EIL=0.71 cm；恒载作用：

f2=5qL4/384EI=5×270×4504/384×2.1×106× 16530×100=0.04 cm；

f=f1+f2=0.71+0.04=0.75cm＜[f]=L/250=1.8cm，允许。

4.4平台二横梁设计

横梁为支撑的轨道梁或混凝土平台上的简支梁，计算跨度为轨距L=3.2m，横梁间距为1.31m。

4.4.1内力计算

（1）汽车荷载：当汽车两后轮的合力与后轮对称于横梁跨中央时，在横梁上离跨中较近之后轮处产生最大弯矩，详见图4。

图4　

Ra=9000×（0.25+2.05）/3.2=6469kg=63396.2N

Mmax=1.1×1.15Ra=1.1×1.15×6469=8183kg·m =80193.4N·m。

当一个后轮离桥面边缘为0.5m时，在横梁上产生最大剪力：详见图5。

Rmax=1.1×9000（0.9+2.7）/3.2=11138kg=109152.4N。

图5　

（2）恒载：桥面板和纵梁的自重是通过纵梁支座作用于横梁上，由于纵梁的间距较密，故可将横梁上承受的集中荷载化为均布荷载计算，纵梁及面板自重78kg/m，纵梁反力78×1.31=102kg=999.6N，q1=102/0.5 =204kg/m=1999.2N。

横梁初估用I28 b，q2=47.9 kg/m：

q=q1+q2=204+47.9=252 kg/m；

Ra=0.5QL=0.5×252×3.2=403.2 kg=3 951.36N；

M=1.15×403.2-0.5×252×1.152=297kg·m= 2 910.6N·m；

ΣM=8183+297=8480 kg·m=83 104N·m；

ΣQ=11138+403.2=11541kg·m=113101.8 N·m。

4.4.2截面选择

需要W=ΣM/[σ]=848000/1700=499 cm3，

采用I28 b，W=534.3cm3，I=7480cm4，Ix/Sx=24.24，δ=10.5mm；q2=47.9 kg/m。

4.4.3截面验算

（1）强度验算：σ=ΣM/W=848000/534.3=1587kg /cm2<[σ]=1700 kg/cm2；

（2）剪应力：τ=QSx/Ixδ=11541/24.24×1.05= 453 kg/cm2<[τ]=1 000 kg/cm2；

（3）整体稳定性验算：由于采用等高连接，桥面板和纵梁及横梁的上翼缘焊牢,整体稳定性有保证,可不必验算；

（4）挠度验算：在两个轮压P作用下，梁跨中挠度可同下式求得：

f1=[（2a+c）L2-4a2L+2a3-a2c-c3]Pa/6EIL=0.41cm

恒载作用：

f2=5qL4/384EI=5×252×3204/384×2.1×106× 7480×100=0.022 cm

f=f1+f2=0.43+0.022=0.45cm＜[f]=L/250=1.8cm，允许。

4.5结构内力计算（130 t汽车吊吊装）

（1）汽车吊起吊门机构件并将部件吊至安装平台的过程中，当汽车吊吊臂旋转至支腿支撑点处时，该支腿的受力最大，平台受力最不利，同时平台按受力最不利情况考虑，即支腿处于工字钢正中间时的受力；

汽车吊加单节最重门机构件的重量为：69+22.9=92 t；单个支腿最大受力按60 t计算，同时为了保证支铰处的工字钢强度条件，支铰处的工字钢需设置5根，如图6所示，则单根工字钢的受力为60×9.8/5=117.6kN；

图6　

由于支铰置于工字钢上，所以校核强度时只需校核工字钢的相关参数，36b工字钢参数：Ix=16530cm4，Wx=919 cm3，E=2.1×106；

F=117.6 kN；

跨中弯矩：Mmax=Fl/4=117.6×4.5/4=132.3kN·m；

应力计算：σ=M/W=132.3×1000/919=140MPa< [σ]=170MPa；

挠度f=Fl3/48EI=11760×4503/（48×2.1×106× 16530）=0.64 cm

（2）当汽车吊拼装门架和吊装过程中，受力最大的支腿处于水泥墩上，符合强度要求。

结论：工字钢内力及挠度安全。

5　结语

大型设备安装方案多种多样，本文仅对其中的一种方案进行设计优化。实际工程进行中，选择最可行、安全、快捷、经济的的施工方案，不仅能有效地节省成本，更能合理保证施工工期，体现一个施工企业的施工水平。

[1]范崇仁.水工钢结构设计[M].北京：中国水利水电出版社，2000.5.

[2]GB50017-2003钢结构设计[S]，2007.

[3]杨文渊.起重吊装常用数据手册[M].北京：人民交通出版社，2002.2.

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1672-5387（2016）02-0054-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.016

2015-05-15

黄少奇（1983-），男，工程师，从事水工钢结构安装及管理工作。