邢述炳

水工金屬結(jié)構(gòu)防腐面積計(jì)算公式

邢述炳

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京210014）

防腐是水工金屬結(jié)構(gòu)施工中的重要工序，防腐面積的準(zhǔn)確性將影響工程造價(jià)。在傳統(tǒng)拆解法、投影法和類比法的基礎(chǔ)上，分析了水工金屬結(jié)構(gòu)的基本特征，提出了由結(jié)構(gòu)質(zhì)量、重疊系數(shù)、平均板厚和材料密度等構(gòu)成的防腐面積計(jì)算公式。結(jié)合閘閥門及攔污柵的結(jié)構(gòu)特征，給出各門型及攔污柵的重疊系數(shù)。工程算例表明，該經(jīng)驗(yàn)公式及重疊系數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性，提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率，便于水運(yùn)水利行業(yè)推廣運(yùn)用。

水工；金屬結(jié)構(gòu)；防腐面積；計(jì)算公式；重疊系數(shù)；閘閥門

0 引言

水工金屬結(jié)構(gòu)工作環(huán)境惡劣，防腐是施工中必不可少的工序，防腐效果很大程度上決定了其使用壽命，而防腐面積的準(zhǔn)確程度將影響工程造價(jià)，不得不考慮[1]。傳統(tǒng)的防腐面積計(jì)算方法通常有3種：第1種是拆解法，即逐個(gè)部件計(jì)算表面積然后再累加；第2種是投影法，即認(rèn)為水工金屬構(gòu)件的防腐面積近似等于投影面積的數(shù)倍[2]；第3種是類比法，即參考相似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類推。第1種方法雖然準(zhǔn)確，但是將耗費(fèi)大量人力勞動，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)人員的工作效率；第2種方法估算雖然較為簡潔，但往往跟實(shí)際出入較大；第3種方法類比計(jì)算雖然較為簡潔，但是依據(jù)前期的經(jīng)驗(yàn)，幾次類比后結(jié)果可能已經(jīng)偏離實(shí)際。

筆者從水工金屬結(jié)構(gòu)的特性出發(fā)，發(fā)現(xiàn)幾乎所有結(jié)構(gòu)均可簡化為板材或近似板材組合結(jié)構(gòu)，于是建立了“質(zhì)量-板厚-面積”的線性關(guān)系式，再根據(jù)結(jié)構(gòu)的重疊特性，引入重疊系數(shù)對防腐面積進(jìn)行折減修正。該算法以構(gòu)件各部件質(zhì)量已知為前提，根據(jù)重疊系數(shù)表，查出不同水工金屬結(jié)構(gòu)的重疊系數(shù)，再代入密度和平均板厚即可算得防腐面積。運(yùn)用該經(jīng)驗(yàn)公式，可得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，誤差控制在2%以內(nèi)，大大提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率，便于水運(yùn)水利行業(yè)推廣運(yùn)用。

1 防腐面積算法理論

1.1 構(gòu)件防腐面積簡化

水工金屬結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通常由板件、型材、鋼管和球節(jié)點(diǎn)等組成，其表面積計(jì)算各有不同。以常見的鋼管支承板梁結(jié)構(gòu)為例，該結(jié)構(gòu)由面板、主梁、縱梁、次梁、支承鋼管和球節(jié)點(diǎn)等組成，如圖1所示。其中，面板、主梁和縱梁所有構(gòu)件均為等厚度板件；次梁為槽鋼，槽鋼截面在肢尖及肢腰交接處存在圓角，平均厚度近似等于腰厚；鋼管及空心節(jié)點(diǎn)球可以看作是由等厚度薄板卷制而成的殼體結(jié)構(gòu)[3]。

圖1 水工金屬結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1Diagram of hydraulic metal structures

從鋼管支承板梁結(jié)構(gòu)中取出構(gòu)件單元體，如圖2所示。易得平板、槽鋼、鋼管及空心球總表面積。因?yàn)榘寮L寬、槽鋼肢長、鋼管和空心球的直徑等均遠(yuǎn)大于構(gòu)件壁厚，當(dāng)壁厚δ趨近于0時(shí)，平板、槽鋼、鋼管和空心球的全表面積均為各自展開面積的2倍。故水工金屬結(jié)構(gòu)可看做有n塊薄板微元組成，其總表面積可按式（1）計(jì)算。

圖2 水工金屬結(jié)構(gòu)單元體Fig.2Units of hydraulic metal structures

式中：A0為水工結(jié)構(gòu)總表面積，m2；a為薄板微元的寬度，m；b為薄板微元的長度，m。

1.2 防腐面積計(jì)算公式

同一金屬結(jié)構(gòu)的材料密度ρ基本一致，設(shè)n塊金屬板件中第i塊的質(zhì)量為mi，板厚為δi，則第i塊金屬板件的質(zhì)量可表達(dá)為式（2）：

轉(zhuǎn)化得式（3）：

將式（3）代入式（1），得n塊金屬板件的總表面積式（4）：

若板材平均厚度為δ，則有式（5）：

式中：A為結(jié)構(gòu)的防腐面積，m2；k為結(jié)構(gòu)的重疊系數(shù)；m為結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量，kg；ρ為結(jié)構(gòu)的材料密度，kg/m3；δ為結(jié)構(gòu)的平均板件厚度，m。

1.3 平均板厚計(jì)算

由式（7）轉(zhuǎn)化可得平均板厚式（8），當(dāng)組成構(gòu)件的板件厚度離散程度較小時(shí)，平均板厚可以根據(jù)各板厚的質(zhì)量權(quán)重按式（7）進(jìn)行估算。

式中：δi為第i種板件厚度，mm；mi為第i種板件總質(zhì)量，t。

2 重疊系數(shù)

2.1 人字閘門

人字閘門主要由門體結(jié)構(gòu)、支承系統(tǒng)、止水系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及工作橋等部分組成。其中，門體結(jié)構(gòu)需要實(shí)施除銹、噴鋅、涂裝等防腐工藝，該部分即為本文所要統(tǒng)計(jì)的防腐面積，而運(yùn)轉(zhuǎn)件、預(yù)埋件、止水橡皮、柔性護(hù)木、潤滑系統(tǒng)等均不在統(tǒng)計(jì)之列。人字閘門門體結(jié)構(gòu)主要由面板、主梁、橫隔板、水平次梁、豎直次梁、門軸柱、斜接柱、浮箱、背拉桿、鋼護(hù)木等組成[4]。

根據(jù)拱軸線的特征，人字閘門主梁普遍設(shè)置前翼緣，前翼緣與面板存在重疊區(qū)，橫隔板、水平次梁和豎直次梁通常不設(shè)置前翼緣。對于大型人字閘門來說，為降低頂?shù)讟械闹Х戳p小門頭下垂量，通常設(shè)置浮箱[5]。在防腐過程中，浮箱外部與門體防腐工藝相同，內(nèi)部簡單處理即可，故內(nèi)部不在本次防腐面積統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)。背拉桿是改善門體的抗扭剛度的重要構(gòu)件，中小型人字閘門通常使用非預(yù)應(yīng)力背拉桿，大中型人字閘門通常設(shè)置預(yù)應(yīng)力背拉桿[6]。非預(yù)應(yīng)力背拉桿，蓋板將遮住內(nèi)部面積；預(yù)應(yīng)力背拉桿不存在重疊區(qū)。為防止船舶碰撞閘門時(shí)對門體結(jié)構(gòu)的破壞，在閘門背水面的最低通航水位以上設(shè)置鋼護(hù)木，鋼護(hù)木內(nèi)部及其與梁系后翼緣重疊區(qū)不需要防腐，其余部分需要防腐。

以某Ⅲ級船閘人字閘門為例，該船閘承受單向水頭作用，最大設(shè)計(jì)水頭9.43 m，門體結(jié)構(gòu)尺寸為14.26 m×13.584 m×1.5 m（高×寬×厚），各部位防腐面積統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 人字閘門重疊系數(shù)及防腐面積Table 1Overlap coefficient and anticorrosion areas of miter gate

從表1中可以看出，人字閘門重疊區(qū)主要為浮箱內(nèi)部、面板與主梁結(jié)合處、門背鋼護(hù)木等，對于不設(shè)置浮箱的人字閘門重疊較少。以質(zhì)量占比作為重疊系數(shù)的權(quán)數(shù)，可得重疊系數(shù)為0.80，與實(shí)際重疊系數(shù)0.79比較接近，說明按分部質(zhì)量統(tǒng)計(jì)防腐面積是可行的?？紤]有些人字閘門不設(shè)置浮箱，統(tǒng)計(jì)分析后得人字閘門重疊系數(shù)范圍為0.75~0.90：設(shè)置浮箱結(jié)構(gòu)重疊系數(shù)可取0.80，不設(shè)置浮箱結(jié)構(gòu)重疊系數(shù)可取0.90。

2.2 三角閘門

三角閘門主要由門體結(jié)構(gòu)、支承系統(tǒng)、止水系統(tǒng)等幾大部分組成，其中門體結(jié)構(gòu)通常包括面板系、頂、底片剛架、自重剛架、空間聯(lián)系剛架、端柱、浮箱、工作橋等[7]。

三角閘門面板系多采用主梁式弧形結(jié)構(gòu)，縱向布置有橫隔板，主梁和橫隔板間設(shè)置T形次梁以加強(qiáng)面板。面板系傳來的水壓力通過頂?shù)灼?、斜片等空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)傳至頂?shù)讟小？臻g網(wǎng)架通常有2種結(jié)構(gòu)形式：一種是鋼管球節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，另一種是型鋼節(jié)點(diǎn)板結(jié)構(gòu)形式。鋼管球節(jié)點(diǎn)在防腐時(shí)，僅計(jì)算外表面面積，內(nèi)部密封不作處理；而型鋼節(jié)點(diǎn)板結(jié)構(gòu)在防腐時(shí)，因重疊區(qū)僅為型鋼與節(jié)點(diǎn)板搭接區(qū)域，不存在內(nèi)部，故表面積相對較大。端柱聯(lián)接上、下幾榀水平網(wǎng)架使閘門形成整體，并將網(wǎng)架傳來的水壓力傳遞給頂?shù)讟?，具有較大的剛度。端柱通常采用組合工字形開放性結(jié)構(gòu)，防腐面積基本沒有重疊區(qū)，但板件相對于面板系來說通常稍厚。由于三角閘門重心位置遠(yuǎn)離支承中心，在面板附近設(shè)有浮箱，可有效地減少門頭在水中的下垂量，因此大中型三角閘門中浮箱必不可少。三角閘門浮箱的防腐同人字閘門，防腐面積僅算浮箱外側(cè)。

以某Ⅲ級船閘三角閘門為例，該船閘承受雙向水頭作用，正向設(shè)計(jì)水頭2.52 m，反向設(shè)計(jì)水頭-3.27 m，門體結(jié)構(gòu)尺寸為10.50 m×12.39 m-70°（門高×弧面半徑-中心角），各部位防腐面積統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 三角閘門重疊系數(shù)及防腐面積Table 2Overlap coefficient and anticorrosion areas of triangle gate

從表2中可以看出，三角閘門重疊區(qū)主要集中在聯(lián)系桿、主支臂、斜支臂等鋼管內(nèi)部及浮箱內(nèi)部。因型鋼節(jié)點(diǎn)板結(jié)構(gòu)重疊較少，而小型門體（通常采用鋼管球節(jié)點(diǎn)）不設(shè)置浮箱，統(tǒng)計(jì)分析后得三角閘門重疊系數(shù)范圍為0.70~0.85：設(shè)置浮箱的管球結(jié)構(gòu)重疊系數(shù)可取0.75，不設(shè)置浮箱的型鋼結(jié)構(gòu)重疊系數(shù)可取0.85，小型不設(shè)置浮箱結(jié)構(gòu)重疊系數(shù)可取0.80。

2.3 橫拉閘門

橫拉閘門主要由門體結(jié)構(gòu)、支承系統(tǒng)、軌道裝置、推拉牽引裝置、止水及緩沖裝置等部分組成，門體結(jié)構(gòu)包括面板系、主橫梁、豎向聯(lián)結(jié)系、端桁架、浮箱、工作橋及踏步等幾部分。

橫拉閘門常見門體剖面結(jié)構(gòu)有矩形、梯形、三角形[8]等，以矩形結(jié)構(gòu)居多；面板有單面板和雙面板2種，以雙面板結(jié)構(gòu)居多；面板與主梁弦桿相連，縱向布置有豎直次梁，水平向在主橫梁之間布置有水平次梁。主橫梁采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架弦桿通常為方管或型鋼組成的封閉截面，內(nèi)部腹桿通常為型鋼組合截面。主梁通過豎向聯(lián)結(jié)系連接，豎向聯(lián)結(jié)系也采用桁架形式，以減小閘門啟閉時(shí)的水阻力。端桁架剛度較大，端桁架弦桿采用組合工字形結(jié)構(gòu)，并與各道主梁端腹桿及斜向聯(lián)系桿件共同組成剛度較高的端桁架體系。橫拉閘門門體較重，底臺車運(yùn)行工況復(fù)雜，通常依托兩側(cè)面板在底部2~3道主梁之間設(shè)置浮箱，以降低門體在水中的重量、延長底臺車的使用壽命。

以某Ⅲ級船閘橫拉閘門為例，該船閘承受雙向水頭作用，最大正向設(shè)計(jì)水頭8.50 m，最大反向設(shè)計(jì)水頭-1.31 m。門體結(jié)構(gòu)尺寸為23.65 m× 3.854 m×13.7 m（門長×門厚×面板高度），各部位防腐面積統(tǒng)計(jì)情況見表3。

表3 橫拉閘門重疊系數(shù)及防腐面積Table 3Overlap coefficient and anticorrosion areas of horizontal pulls gate

從表3中可以看出，橫拉閘門重疊區(qū)主要集中在主梁弦桿內(nèi)部、浮箱內(nèi)部及弦桿與面板結(jié)合處等。考慮國內(nèi)早期橫拉閘門多為單面板結(jié)構(gòu)，可釋放部分重疊面積，統(tǒng)計(jì)分析后得橫拉閘門重疊系數(shù)范圍為0.70~0.85：雙面板結(jié)構(gòu)重疊系數(shù)可取0.70，單面板結(jié)構(gòu)重疊系數(shù)可取0.80。

2.4 平面閘閥門

平面閘閥門主要有閥門、升臥門、檢修閘門等類型，閥門和升臥門均為實(shí)腹式結(jié)構(gòu)，檢修閘門按結(jié)構(gòu)形式可分為實(shí)腹式疊梁和桁架式疊梁兩種。平面閘閥門一般由門體結(jié)構(gòu)、主滾輪（主滑塊）、側(cè)滾輪（側(cè)向限位裝置）、止水系統(tǒng)等組成，其中門體結(jié)構(gòu)通常包括面板、主橫梁、縱梁（橫隔板）、次梁、邊梁、背拉桿、節(jié)點(diǎn)板、止水座等。

以某Ⅱ級船閘平面閥門為例，該船閘承受雙向水頭作用，最大正向設(shè)計(jì)水頭4.50 m，最大反向設(shè)計(jì)水頭-1.80 m，廊道孔口尺寸為3.5 m×3.5 m（高×寬）。門體結(jié)構(gòu)尺寸為3.62 m×3.66 m×0.4 m（高×寬×厚），各部位防腐面積統(tǒng)計(jì)情況見表4。

表4 平面閥門重疊系數(shù)及防腐面積Table 4Overlap coefficient and anticorrosion areas of flat valve

從表4中可以看出，平面閥門重疊區(qū)主要集中在門后節(jié)點(diǎn)板和背拉桿等處。結(jié)合其他幾種門型結(jié)構(gòu)形式，統(tǒng)計(jì)分析后得平面閘閥門重疊系數(shù)范圍為0.85~0.95：平面閥門和升臥門重疊系數(shù)可取0.95，實(shí)腹式疊梁門可取0.90，桁架式疊梁門可取0.85。

2.5 弧形閘閥門

弧形閘閥門主要有露頂式和潛孔式兩種，露頂式結(jié)構(gòu)多用作閘門進(jìn)行擋水，潛孔式結(jié)構(gòu)多用作閥門進(jìn)行輸水?；⌒伍l閥門通常由門體結(jié)構(gòu)、止水系統(tǒng)、支鉸等部件組成，其中門體結(jié)構(gòu)包括面板、主橫梁、主縱梁、次梁、支臂等。

主橫梁通常采用具有前翼緣的組合工字形截面，次梁采用槽鋼。門體防腐時(shí)，不需要防腐的區(qū)域主要集中在面板區(qū)，主梁前翼緣及次梁與面板重疊部分。當(dāng)支臂采用組合工字形截面，無重疊區(qū)；當(dāng)支臂采用管形結(jié)構(gòu)時(shí)，其內(nèi)部和兩端連接板部分存在重疊。

以某水庫弧形閥門為例，最大設(shè)計(jì)水頭52.0 m，輸水洞口尺寸為2.0 m×1.25 m（寬×高）。門體結(jié)構(gòu)各部位防腐面積統(tǒng)計(jì)情況見表5。

從表5中可以看出，弧形閥門重疊區(qū)主要集中在面板與主橫梁及次梁的結(jié)合處。結(jié)合國內(nèi)大孔口露頂式弧形閘門，統(tǒng)計(jì)分析后得弧形閘閥門重疊系數(shù)范圍為0.92~0.96：露頂式弧形閘門可取0.95，潛孔式弧形閥門可取0.93。

表5 弧形閥門重疊系數(shù)及防腐面積Table 5Overlap coefficient and anticorrosion areas of tainter valve

2.6 攔污柵及其他結(jié)構(gòu)

攔污柵主要由柵條、主梁、隔板、邊柱、連接板等部件組成。因?yàn)闁琶孢^流的特殊要求，攔污柵各構(gòu)件多順?biāo)鞣较虿贾?，且?gòu)件之間均通過板殼斷面進(jìn)行連接，除支承板外幾乎無重疊，故其重疊系數(shù)可取0.99。

其他水工金屬結(jié)構(gòu)，可根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特征，按部件拆解進(jìn)行分析，并參照閘閥門及攔污柵，估算出各自的重疊系數(shù)。

3 算例分析

根據(jù)工程實(shí)例，結(jié)合各門型特征，將人字閘門分為有浮箱和無浮箱2種，將三角閘門分為管球結(jié)構(gòu)、型鋼結(jié)構(gòu)和小型無浮箱3種，將橫拉閘門分為單面板和雙面板2種，將平面閘閥門分為平面閥門、提升臥倒門、實(shí)腹式疊梁和桁架式疊梁4種，將弧形閘閥門分為露頂式閘門和潛孔式閥門2種；同時(shí)，將上文計(jì)算所得的重疊系數(shù)分別代入檢驗(yàn)。不同水工金屬結(jié)構(gòu)重疊系數(shù)及防腐面積檢驗(yàn)結(jié)果詳見表6。

從表6中可以看出：閘閥門各門型及攔污柵的防腐面積公式計(jì)算值與實(shí)際值誤差均小于2%，滿足工程設(shè)計(jì)要求，其重疊系數(shù)取值相對合理。

4 結(jié)語

通過對水工金屬結(jié)構(gòu)防腐面積計(jì)算公式理論推導(dǎo)，結(jié)合閘閥門及攔污柵等具體結(jié)構(gòu)分部件計(jì)算分析，并進(jìn)行工程實(shí)例檢驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）防腐面積公式A=2km/ρδ，在水工鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算中具有較高準(zhǔn)確性，誤差可控制在2%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計(jì)要求；

表6 不同水工金屬結(jié)構(gòu)重疊系數(shù)及防腐面積Table 6Overlap coefficient and anticorrosion areas of different hydraulic metal structures

2）防腐面積計(jì)算公式中的重疊系數(shù)k，人字閘門設(shè)置浮箱時(shí)可取0.80，不設(shè)浮箱時(shí)可取0.90；三角閘門采用管球結(jié)構(gòu)時(shí)可取0.75，采用型鋼結(jié)構(gòu)時(shí)可取0.85，小型不設(shè)置浮箱門體可取0.80；橫拉閘門單面板結(jié)構(gòu)可取0.80，雙面板結(jié)構(gòu)可取0.70；平面閥門和提升臥倒門可取0.95，實(shí)腹式疊梁門可取0.90，桁架式疊梁門可取0.85；露頂式弧形閘門可取0.95，潛孔式弧形閥門可取0.93；攔污柵可取0.99。

3）防腐面積計(jì)算公式中的平均板厚δ，板厚規(guī)格相對集中時(shí)，可以分厚度板件的總質(zhì)量作為該板厚的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，計(jì)算誤差范圍較小。

4）防腐面積計(jì)算公式具有通用性，不局限于水工金屬結(jié)構(gòu)行業(yè)，當(dāng)運(yùn)用至其他行業(yè)計(jì)算構(gòu)件防腐面積時(shí)，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的特征重新計(jì)算構(gòu)件質(zhì)量、密度、重疊系數(shù)及平均板厚。

5）本防腐面積計(jì)算公式以金屬板材為基礎(chǔ)，當(dāng)構(gòu)件長寬高相當(dāng)時(shí)計(jì)算誤差較大，本公式不宜采用。

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Formula for calculating anticorrosion area of hydraulic metal structures

XING Shu-bing
（China Design Group Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210014,China）

Anticorrosion is an important procedure in hydraulic metal structure construction and accuracy of anticorrosion area will affect the project cost.On the basis of traditional decomposition method,projection method and analogy method,we analyzed essential feature of hydraulic metal structure and proposes anticorrosion area computational formula composed of structure mass,overlap coefficient,average thickness of slab and material density.By combining the structure feature of lock gate,valve and trash rack,we provided the overlap coefficient of each type gate and trash rack.The engineering instances prove that the accuracy of experience formula and overlap coefficient is high,which enhances the work efficiency of designers and provides convenience for its promotion and application in water transport and water conservancy industry.

hydraulic;metal structure;anticorrosion area;calculate formula;overlap coefficient;lock gate and valve

U641.331；TV663

A

2095-7874（2017）08-0010-06

10.7640/zggwjs201708003

2017-03-10

2017-05-27

邢述炳（1984—），男，江蘇徐州人，碩士，高級工程師，主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)械設(shè)計(jì)。E-mail：xingshubing@163.com