基于反复荷载方法的水电站闸室钢梁扰动特征计算

张 鹏

(辽宁省朝阳县凌河保护区管理局，辽宁 朝阳 122000)

1 概 述

水电站闸室钢梁扰动特征计算是水电站闸室稳定性主要设计指标，其钢梁扰动强度对闸室稳定性影响较为显著[1]。通过对闸室钢梁扰动特征的计算，确定钢梁保持稳定性所能承受的最大荷载以及抗剪切能力[2]。近些年来，对于水电站闸室钢梁扰动特征主要通过室内力学测定的方式进行[3-9]，这种方法优点在于和实际情况吻合度较高，但是缺点在于需要不能对闸室整体钢梁扰动特征进行全面分析。当前，反复荷载方法在一些钢结构扰动特征计算中得到应用，但是在水电站等工程钢梁稳定性计算中应用还较少。为提高水电站闸室稳定性，文章采用反复荷载方法，以某水电站闸室设计为具体实例，探讨该方法对于水电站闸室稳定性计算的适用性，从而为水电站闸室钢梁稳定指标设计提供方法参考。

2 反复荷载方法原理

首先需要对水电站闸室钢梁扰动屈服度(kPa/mm)Py,M进行确定，其计算方程为：

(1)

式中：My为扰动荷载，kPa；H0为扰动荷载横向距离，mm。在钢梁扰动屈服度确定基础上，对其不同方向荷载下的扰动量△y,M(mm)进行计算：

△y,M=△fy+△sy+△vy

(2)

式中：△fy、△sy、△vy分别为钢梁不同方向受力荷载扰动位移量，mm，计算方程分别为：

(3)

(4)

式中：Φv为扰动直径，mm；fv为钢梁滑动荷载，kPa；σ为不同钢梁剪切应力，kPa；db为钢梁扰动变动直径，mm；σ为钢体之间的截面应力，kPa；Ag为应力面积，cm2；G为弹性模量荷载。对水电站闸室的峰值荷载kPa进行计算：

(5)

式中：Tmax为水电站闸室荷载最大值，kPa；fc为水电站闸室钢梁静载，kPa；n为压缩比；λ为剪切比；ρsh为钢体密度，g/cm3。水电站闸室设计剪切应力，kPa方程为：

(6)

3 水电闸室钢梁扰动特征分析

3.1 计算参数的设定

结合水电站设计闸室钢梁实际情况，分别设置6组计算参数，参数主要包括扰动特征参数、以及强度和抗剪应力计算参数。钢梁扰动屈服度计算参数，见表1；钢梁强度及抗剪应力计算参数，见表2所示。

表1 钢梁扰动屈服度计算参数

表2 钢梁强度及抗剪应力计算参数

3.2 扰动屈度计算对比

为分析反复荷载计算方法的适用性，分别采用室内力学测定方式对比分析反复荷载方法钢梁扰动屈服度计算的精度。反复荷载计算值和测定值对比结果，见表3。

表3 反复荷载计算值和测定值对比结果

采用室内力学测定的方式按照6组钢梁扰动屈服度参数对其进行了钢梁屈服度和极限屈服度的测定，并结合反复荷载扰动屈服度计算方法及滑动荷载和极限荷载对其屈服度和极限屈服度分别进行计算，从各组参数测定值和理论值对比结果可看出，各组参数下测定值和理论值差均≤±30kPa/mm，按照钢梁结构设计规范要求，在允许误差范围内，表明反复荷载计算方法可用于水电站闸室扰动特征的计算。在适用性分析的基础上，可以用来对水电站闸室钢梁强度和抗剪能力进行计算和分析。

3.3 不同荷载强度下钢梁扰位移量分析

采用反复荷载方法对不同荷载强度下闸室钢梁扰动位移量进行计算，不同荷载条件下水电站闸室钢梁扰动位移量计算结果，见表4。

表4 不同荷载条件下水电站闸室钢梁扰动位移量计算结果

分别设置了4组荷载条件，对恒定荷载和反复荷载两种方式下的扰动位移量进行计算，从计算结果可看出，随着荷载的增加水电站闸室钢梁扰动的位移量逐步递增，这主要是荷载量的增加使得闸室钢梁压缩比以及荷载横向间距减小，从而增加其扰动位移量。随着时间的推移，不同荷载条件下的位移量变化有所差异，总体呈现先递增后逐步趋于稳定的变化。相比而言，受钢梁扰动屈度影响采用反复荷载计算方法下的钢梁扰动位移量变幅要高于恒定荷载条件下的扰动位移量变化的幅度。

3.4 不同荷载条件下钢梁扰动强度试验

在反复荷载计算适用性分析的基础上，结合该方法中对不同荷载条件下的钢梁扰动强度进行计算，不同荷载条件下水电站闸室钢梁扰动强度计算结果，见表5。

表5 不同荷载条件下水电站闸室钢梁扰动强度计算结果

从各组参数下不同荷载条件下的钢梁扰动强度计算结果可看出，不同计算参数下随着荷载量的增加水电站闸室钢梁屈服度逐步增加，但增加变幅随着荷载量的增加有所减小。这主要因为随着反复荷载量的增加，使得钢梁扰动屈服度增加幅度加大，但降低其扰动位移的变化量，使得不同荷载条件下的水电站闸室扰动量变幅有所降低。

3.5 不同荷载条件下钢梁扰动抗剪切试验

分别设置6组荷载条件，对不同荷载条件下的水电闸室扰动抗剪切特征进行计算，不同荷载条件下水电站闸室抗剪试验结果，见表6。

表6 不同荷载条件下水电站闸室抗剪试验结果

从各组荷载条件下的闸室钢梁抗剪破坏特征值分析结果可看出，随着反复荷载方法下钢梁抗剪荷载逐步增加，这主要是因为钢梁扰动屈服度随着荷载量的增加而有所提高，增加了钢梁扰动的抗剪荷载。随着荷载量的增加，钢梁扰动破坏有效次数呈现递减变化，但递减幅度有所减小，递减的原因在于钢梁扰动抗剪荷载量的增加，此外由于钢梁扰动抗剪荷载的增加，使得水电站闸室钢梁不同荷载条件下的损伤系数有所减小，总体呈现递减变化。

4 试验结论

1)采用反复荷载方法下计算的水电站闸室钢梁扰动屈服度和试验测定值之间的误差总体于±30kPa/mm，按照钢梁结构设计规范要求，在允许误差范围内，表明反复荷载计算方法可用于水电站闸室扰动特征的计算。

2)随着时间的推移，不同荷载条件下的位移量变化有所差异，总体呈现先递增后逐步趋于稳定的变化。相比而言，受钢梁扰动屈度影响采用反复荷载计算方法下的钢梁扰动位移量变幅要高于恒定荷载条件下的扰动位移量变化的幅度。

3)随着荷载量的增加，钢梁扰动破坏有效次数呈现递减变化，但递减幅度有所减小，递减的原因在于钢梁扰动抗剪荷载量的增加，此外由于钢梁扰动抗剪荷载的增加，使得水电站闸室钢梁不同荷载条件下的损伤系数有所减小，总体呈现递减变化。