馬要坡

(構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 遵義 564408)

1 工程概況

構(gòu)皮灘發(fā)電廠通航建筑物由上下游引航道、3座鋼絲繩卷揚(yáng)提升式垂直升船機(jī)和2級中間渠道(含通航隧洞、渡槽及明渠)等建筑物組成。渡槽/明渠作為船只水平運行通道，其水位須常年保持穩(wěn)定且不失水，以保證船舶正常通行。因此，明渠混凝土結(jié)構(gòu)與閘首鋼結(jié)構(gòu)連接處止水裝置的強(qiáng)度、永久保水性是工程設(shè)計中不可忽視的環(huán)節(jié)[1]。

考慮到混凝土結(jié)構(gòu)與鋼閘首結(jié)構(gòu)的材料不同，溫度變化線膨脹系數(shù)有較大差異，并且地震作用時各結(jié)構(gòu)響應(yīng)也不盡相同[2]，構(gòu)皮灘發(fā)電廠升船機(jī)明渠止水裝置采用了柔性結(jié)構(gòu)連接形式(如圖1所示)，主要由U形壓板、水封橡皮和底座3部分組成，U形壓板與水封橡皮采用螺栓連接，底座與明渠埋件采用焊接連接，細(xì)部構(gòu)造如圖2所示。該裝置解決了不同結(jié)構(gòu)發(fā)生相對位移時橡皮拉伸量不足而引起的止水失效問題，能夠適應(yīng)較大變形，便于后期維修更換，具有設(shè)計簡單、施工方便、經(jīng)濟(jì)實用的特點。

圖1 渡槽/明渠止水裝置整體布置

圖2 柔性止水裝置構(gòu)造

2 受力分析

2.1 渡槽底座處焊縫強(qiáng)度驗算

基本假定：明渠內(nèi)設(shè)計水深為3 m，沿柔性止水裝置底部長度方向為受力面，僅考慮靜水壓力作用下對座板焊縫的影響。因底座小隔板間接增加了底座焊縫長度，故考慮引入小隔板焊縫安全儲備參數(shù)。

判別公式

γ0S≤R，

(1)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，通航建筑物結(jié)構(gòu)安全等級為一級，故取1.1[3]；S為荷載效應(yīng)設(shè)計值；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值。

判別公式中抗力要大于荷載效應(yīng)組合值，否則

將引起結(jié)構(gòu)失效。

根據(jù)圖紙設(shè)計參數(shù)，焊縫為焊腳高8 mm的角焊縫，靜水壓力作用下迎水面承受拉力，引入系數(shù)α作為小隔板焊縫安全儲備貢獻(xiàn)值，計算公式為

α=l1/l2，

(2)

式中：l1為小隔板焊縫總長度(考慮單邊)；l2為底座焊縫總長度(考慮單邊)。

按照GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]計算R值。

R=helwffw，

(3)

式中：he為角焊縫計算厚度，取焊腳高度h1的0.7倍；lw為角焊縫計算長度，lw=l2(1+α)；ffw為角焊縫設(shè)計強(qiáng)度。

荷載效應(yīng)設(shè)計值簡化為渡槽/明渠底部3 m水頭高的靜水壓力施加在底座豎向面板上，即

S=ρghLb，

(4)

式中：ρ為水的密度；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為水位高度，取3.0 m；L為底座長度，取12.3 m；b為底座影響水域?qū)挾?，?.6 m。

代入數(shù)據(jù)求得的結(jié)果見表1。

表1 渡槽底座處焊縫強(qiáng)度驗算結(jié)果

由表1可以看出，因底座長度尺寸固定不變，影響抗力的主要因素為焊腳高度，焊腳越高安全性越好，焊腳高度為6 mm時滿足強(qiáng)度要求，當(dāng)焊腳高度小于6 mm時則不能滿足要求，因此，施工中要加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，避免漏焊、缺焊現(xiàn)象發(fā)生。由α的定義可知，小隔板數(shù)量與抗力增長為同向關(guān)系，α越大安全儲備越多，因此，施工中應(yīng)注意小隔板焊接質(zhì)量。

2.2 U形壓板強(qiáng)度驗算

基本假定：U形壓板是第1道承受水壓的構(gòu)件，不僅要能夠滿足柔性設(shè)計要求，即板材不可太厚，要保證柔韌舒展性，同時還要保證在危險截面有足夠的強(qiáng)度防止拉斷。U形壓板螺栓處設(shè)置有一道壓條，起到提高壓實緊密性，增加薄U形壓板剛度的作用。因此，將最危險截面定義在壓條螺栓孔中心線處，即此處的螺栓孔(后期擴(kuò)孔)導(dǎo)致有效面積大大減少。

判別公式同式(1)。壓條的作用是增強(qiáng)柔性U形壓板平面上的剛度，保證不因局部緊固不密實而漏水。引入壓條安全儲備系數(shù)β，計算公式為

β=(A1/A2)+1 ，

(5)

式中：A1為壓條有效工作面積，取2個螺栓中心間距面積；A2為U形壓板工作面積，A2=h2L；h2為壓條高度。

按照GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算R值。

R=Anf，

(6)

式中：An為凈間距面積，An=βA1；f為鋼板抗拉強(qiáng)度。

荷載效應(yīng)設(shè)計值取U形壓板寬度范圍內(nèi)(即H取1.0 m)的靜水壓力，計算公式見式(4)，代入數(shù)據(jù)求得的結(jié)果見表2。

表2 U形壓板強(qiáng)度驗算結(jié)果

由表2可以看出，增加壓條高度能夠顯著提高U形壓板的強(qiáng)度，壓條帶來的安全儲備并不隨壓條高度的增加而增加。由β的定義可知，如果U形壓板高度和壓條螺栓間距變大，U形壓板平面上剛度減小，將因局部緊固不密實而滲水。

2.3 U形壓板失效后水封橡皮強(qiáng)度驗算

按照最不利工況考慮，當(dāng)因地震或混凝土與鋼結(jié)構(gòu)變形不均勻?qū)е氯嵝灾顾b置U形壓板變形過大被拉斷時，此時水壓力會直接作用到水封橡皮上，此時假設(shè)水封連接螺栓未破壞，水封本體無斷裂。

基本假定：水封橡皮最危險截面設(shè)置在壓條底部，即壓條始終處于正常壓緊工作狀態(tài)，由此可知，水封橡皮沒安全儲備系數(shù)。判別公式同式(1)。

由設(shè)計圖紙可知，水封橡皮材料為SF6674(防100) ，隨著運行時間的增加，水封橡皮自然老化。根據(jù)DL/T 5039—1995《水利水電工程鋼閘門制作驗收規(guī)范》[5]表E2可知，閘門止水橡皮抗拉強(qiáng)度為13～22 MPa。本文綜合考慮自然老化、材料制作誤差等因素后，取抗拉強(qiáng)度為18 MPa。

抗力計算公式同式(6)，其中β=1。荷載效應(yīng)計算式同2.2工況，代入數(shù)據(jù)求得的結(jié)果見表3。

由表3可知，水封越厚強(qiáng)度越高，老化(即強(qiáng)度折減)時，厚度為10 mm的水封橡皮在U形壓板失效后仍能承擔(dān)上部靜水壓力。但隨著時間的增加，水封強(qiáng)度降低，應(yīng)定期檢查及時更換新的水封，確保止水效果。

表3 止水橡皮強(qiáng)度驗算結(jié)果

3 施工中的注意事項

(1)柔性止水裝置是為了克服混凝土與鋼閘首結(jié)構(gòu)之間因線膨脹系數(shù)不同而出現(xiàn)較大變形設(shè)計的，具有雙重安全性，設(shè)計簡單、施工方便、經(jīng)濟(jì)實用。

(2)焊腳高度過小時(小于6 mm)，在靜水壓力長期作用下，焊縫連接會失效，導(dǎo)致底座從根部斷裂。焊接施工質(zhì)量決定了該部位的保水性能，如果出現(xiàn)漏焊、夾渣、氣孔等焊接缺陷，保水性較差，會帶來局部滲水的安全隱患，因此，施工中要加強(qiáng)焊縫質(zhì)量控制。

(3)U形壓板的壓條可顯著提高其承載力，但壓條高度不宜過高，否則將造成資源浪費。施工過程中需擴(kuò)孔開孔時，將會導(dǎo)致凈截面受力面積減小從而降低強(qiáng)度，影響后期安全，因此施工中要加強(qiáng)過程質(zhì)量控制，局部開孔處需進(jìn)行加強(qiáng)處理。

(4)U形壓板失效后水封橡皮強(qiáng)度能夠承擔(dān)靜水壓力，相當(dāng)于該柔性止水裝置具有雙重止水效果，安全性較大。水封橡皮自然老化后，強(qiáng)度仍能夠滿足止水要求，且與厚度為同向關(guān)系。因最危險截面選在了壓條底部，因此施工中要盡量保證水封橡皮安裝的直線度，確保U形壓板失效后水封橡皮受力均勻，避免受力突變而導(dǎo)致局部失效。

4 優(yōu)化建議

通過計算發(fā)現(xiàn)，水封橡皮強(qiáng)度提高較為明顯時，也能滿足抵抗靜水壓力的使用要求，因此今后該水封的結(jié)構(gòu)形式可以采用中間帶有鋼絲網(wǎng)(或尼龍網(wǎng)布)夾層的水封橡皮，能夠減緩自然老化，降低后期更換頻率。

本文根據(jù)計算需要，簡化了柔性止水裝置的結(jié)構(gòu)形式，僅考慮了單個部件的受力，未考慮整體布置下的止水效果，后期可通過建立三維模型，利用非線性有限元軟件對整體效果進(jìn)行分析。