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(水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所， 杭州 310012)

復(fù)核計(jì)算在某電站壩頂門機(jī)安全評估中的作用

梅華鋒，李勤，黃迅雷

(水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所， 杭州 310012)

復(fù)核計(jì)算是閘門和啟閉機(jī)安全檢測的重要內(nèi)容和有效評估手段。本文對某電站壩頂門機(jī)進(jìn)行了應(yīng)力有限元和抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算，復(fù)核計(jì)算結(jié)果為該門機(jī)的安全評估提供了客觀依據(jù)，對消除門機(jī)運(yùn)行安全隱患起到了重要作用。

壩頂門機(jī)；安全評估；復(fù)核計(jì)算

壩頂門式起重機(jī)擔(dān)負(fù)著表孔檢修門、中孔事故門等各種工作閘門的啟閉、攔污柵的起吊和其他壩頂設(shè)備的安裝檢修工作，是水電站重要的水工設(shè)備，對整個(gè)大壩的安全運(yùn)行有著直接影響[1]。該類起重機(jī)雖然不是經(jīng)常吊運(yùn)，但一旦使用時(shí)工作任務(wù)卻十分繁重，有著較高的安全級別要求。

由于長期處于露天作業(yè)工況，壩頂門機(jī)在使用過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷，定期對其進(jìn)行安全檢測和評估，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，制定出相應(yīng)措施，避免事故發(fā)生。復(fù)核計(jì)算因其快捷、安全、經(jīng)濟(jì)、不受現(xiàn)場條件影響、可模擬多種極限工況，已成為閘門和啟閉機(jī)安全檢測的一種重要手段。本文就復(fù)核計(jì)算在某水電站溢流壩壩頂門機(jī)安全檢測與評估中發(fā)揮的作用進(jìn)行闡述。

1 壩頂門機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

某電站溢流壩安設(shè)QM 2×630/300kN單向門式啟閉機(jī)一臺(tái)，如下頁圖1所示。該壩頂門機(jī)由門架、起升機(jī)構(gòu)、軌道、回轉(zhuǎn)吊、液壓自動(dòng)掛鉤梁以及電氣設(shè)備和其他安全設(shè)施等組成。其中，門架高10.06m，軌距6m，大車輪距9m，主起升高度軌上揚(yáng)程6m，回轉(zhuǎn)起升高度軌上揚(yáng)程2m，回轉(zhuǎn)角度180°，回轉(zhuǎn)半徑6m。在安全檢測中，對該門機(jī)進(jìn)行了應(yīng)力有限元和抗傾覆穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算。

2 應(yīng)力有限元計(jì)算

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1.1 單元剖分

以整個(gè)門機(jī)門架為分析對象，建立計(jì)算模型，并通用有限元進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算采用線彈性有限元法，把機(jī)架離散為由板單元和梁單元組成的彈性結(jié)構(gòu)。所有的鋼板構(gòu)件采用板單元模擬。

計(jì)算模型劃分的單元總數(shù)為58824個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為71548個(gè)，有限元模型如圖2所示。在建立三維有限元模型時(shí)，Z方向取為沿大車軌道方向，X方向取為水流方向，Y方向?yàn)殚T機(jī)的高度方向。計(jì)算受力簡圖如圖3所示。

圖2 有限元計(jì)算模型簡圖

圖3 計(jì)算受力簡圖

2.1.2 約束處理

壩頂門機(jī)上、下游下橫梁兩端與行走機(jī)構(gòu)連接處鉛垂方向(Y向)和垂直于軌道方向(X向)受約束；上游下橫梁左端及下游下橫梁右端與行走機(jī)構(gòu)連接處受到沿軌道方向(Z向)約束；除此以外，所有的節(jié)點(diǎn)均為自由節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載主要考慮作用在壩頂門機(jī)上的結(jié)構(gòu)自重、起吊載荷及其動(dòng)載效應(yīng)、大車的制動(dòng)力以及風(fēng)荷載四個(gè)部分。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 3811—2008)[2]，按照壩頂門機(jī)的實(shí)際工作情況，綜合考慮各種荷載的不利組合，主要計(jì)算分析了以下兩種工況條件下壩頂門機(jī)的應(yīng)力分布和變形情況，如表1所示。

表1 計(jì)算分析的工況及其荷載

注1.大車的自重荷載和制動(dòng)荷載按照重力加速度和制動(dòng)加速度的方式施加。

2. 基本風(fēng)荷載按照均布力的方式施加。

2.1.4 結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性

結(jié)構(gòu)的外形尺寸按設(shè)計(jì)圖紙取用，所有構(gòu)件的尺寸都按照實(shí)測尺寸取用；壩頂門機(jī)結(jié)構(gòu)材料為Q345鋼。根據(jù)《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5167—2002)[3]，其許用應(yīng)力為230MPa(δ≤16)、220 MPa(16<δ≤25)、205 MPa(25<δ≤36)；許用剛度為L/2000。計(jì)算時(shí)取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比取μ=0.3。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

兩種工況下壩頂門機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形見圖4、圖5、圖6和圖7，圖中均采用國際單位制單位，表2為兩種工況下的有限元計(jì)算結(jié)果。

圖4 組合Ⅰ等效應(yīng)力

圖5 組合Ⅰ位移

圖6 組合Ⅱ等效應(yīng)力

表2計(jì)算分析工況下的有限元計(jì)算結(jié)果

參數(shù)位置 等效應(yīng)力(MPa)組合Ⅰ組合Ⅱ許 用 值主 梁6085端 梁3956支 腿65108中橫梁912下橫梁端部1624207MPa主梁撓度y(mm)2.22.83.0mm(L/2000)

計(jì)算結(jié)果表明：在兩種工況條件下，壩頂門機(jī)各主要構(gòu)件(包括主梁、支腿、橫梁)的大部分板件的等效應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：在豎向荷載和自重作用下，各工況下主梁跨中的豎直方向位移量一般為1.0～2.8mm，均小于許用值。

3 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

依據(jù)《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5167—2002)[3]中所規(guī)定的三種驗(yàn)算工況，在最不利的載荷組合條件下，采用穩(wěn)定力矩ΣM≥0的力矩法原則，對壩頂門機(jī)平行軌道和垂直軌道兩個(gè)方向分別進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性校核，三種工況下選取的荷載系數(shù)φij如表3所示。總力矩為：

ΣMi=M1φi1+M2φi2+M3φi3+M4φi4

式中M1——門架、大車及小車自重等產(chǎn)生的力矩，對門機(jī)起穩(wěn)定作用，符號為正；

M2——回轉(zhuǎn)吊自重及額定起升載荷產(chǎn)生的力矩，對門機(jī)起傾覆作用，符號為負(fù)；

Me——水平慣性力產(chǎn)生的力矩，對門機(jī)起傾覆作用，符號為負(fù)；

M4——風(fēng)力產(chǎn)生的力矩，對門機(jī)起傾覆作用，符號為負(fù)。

表3 荷載系數(shù)φij

三種工況下該QM 2×630/300kN壩頂門機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表4所示，相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)按設(shè)計(jì)圖紙取用，并均經(jīng)現(xiàn)場復(fù)核。由表4可以看出，在無風(fēng)靜載和有風(fēng)動(dòng)載兩種工況下，壩頂門機(jī)在平行軌道和垂直軌道方向上的抗傾覆穩(wěn)定力矩ΣM小于零，存在發(fā)生傾覆的安全隱患。

表4 壩頂門機(jī)抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果ΣMi

4 結(jié) 語

a.對水利水電工程在役閘門和啟閉機(jī)的定期安全檢測評估是保障工程安全運(yùn)行的重要措施。復(fù)核計(jì)算是一種有效的安全評估手段，能快速準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)安全地為閘門和啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)評估提供客觀依據(jù)，《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程》(SL 101—2014)[4]已將其列為閘門和啟閉機(jī)安全檢測的三項(xiàng)內(nèi)容之一。

b.某水電站溢流壩壩頂門機(jī)的復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明：該門機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，但在無風(fēng)靜載和有風(fēng)動(dòng)載工況下存在傾覆不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。電站運(yùn)行管理單位及時(shí)采納了安全評估結(jié)論及建議，在該門機(jī)上增加了配重，消除了運(yùn)行安全隱患。

[1] 盧云祥，孟璐新，吳浩. 壩頂門機(jī)原型測試機(jī)有限元分析[J]. 中國水運(yùn)(下半月)，2009，7(9):141-142.

[2] GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] DL/T 5167—2002 水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] SL 101—2014 水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)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