宋金育，耿克普，李航宇

(1.構皮灘水電站，貴州 遵義 550000;2.杭州國電機械設計研究院有限公司，杭州 310030)

1 工程概況

構皮灘水電站通航建筑物工程由3座鋼絲繩卷揚提升式垂直升船機和2級渠道組成，垂直升船機結構形式與我國多數(shù)升船機類似［1－4］，但其通航水頭為199 m，通航線路總長2 306 m，設計代表船型為500t級機動駁，是目前國內提升高度最高、通航線路最長的升船機工程。該工程第2級升船機提升高度為127 m，布置于2級渠道中間，渠道內水位恒定不變，為固定水頭，因此第2級升船機上下游閘首設計為固定式，即閘首安裝高程固定不變，并通過埋件將其固定于混凝土建筑物［5－6］。

第2級升船機上下游閘首設備包括鋼閘首、工作閘門及其固定卷揚式啟閉機、檢修閘門及其固定式卷揚式啟閉機、工作閘門導向架及鎖定裝置、檢修閘門導向架及鎖定裝置。工作閘門和檢修閘門采用了構造簡單的重力式閘門，摒棄了傳統(tǒng)液壓推桿形式的閘門，具有結構形式簡單、受力明確、易安裝、便于檢修維護的特點，具有較強的實用性。

因工作閘門和檢修閘門為重力式結構，故閘門鎖定裝置的機械鎖采用了單自由度無約束形式，即重力作用下閘門可自鎖，提升閘門后手動可解除鎖定，構造簡單、易操作。

2 受力分析

構皮灘水電站第2級升船機下閘首整體結構如圖1所示。船只通行時工作閘門處于最高位即鎖定狀態(tài)，此時鎖定裝置機械鎖頭被提升力頂開，當鎖頭凸臺高于機械鎖時，進入鎖定狀態(tài)，工作閘門與鎖定裝置裝配關系如圖2所示。

本文僅分析鎖定裝置結構自身的受力特性。工作閘門及鎖定裝置材質均為Q235鋼，強度設計指標均采用 GB 50017—2003《鋼結構設計規(guī)范》［7］(以下簡稱GB 50017—2003)3.4節(jié)中的指標。

圖1 第2級升船機下閘首整體結構Fig.1 Overall structure of the lower lock head of the second-stage ship lift

圖2 工作閘門與鎖定裝置裝配關系Fig.2 Assembly relationship of the main gate and the locking device

2.1 機械鎖受力分析

鎖定裝置工作時，假定除機械鎖以外的所有部件均為剛性體且僅考慮平面內的變形情況，僅計算分析機械鎖及銷軸的承載力及安全系數(shù)。

由圖3可知，鎖定工作狀態(tài)時機械鎖的破壞形式為受壓破壞，銷軸的破壞形式為剪切破壞。

根據(jù)受壓破壞的形式，依照GB 50017—2003式5.1.1 計算正應力。

式中：σ為正應力;N為軸心壓力;An為正截面有效面積。

代入數(shù)據(jù)可得 σ=14.77 MPa，小于設計值215.00 MPa，機械鎖安全且安全系數(shù)較高。

根據(jù)銷軸剪切破壞形式，依照GB 50017—2003式4.1.2計算剪應力。

式中：τ為剪應力;V為剪力;s為毛截面對中和軸面積矩;I為毛截面慣性矩;tw為腹板厚度。

代入數(shù)據(jù)可得 τ=15.46 MPa，小于設計值110.00 MPa，銷軸安全且安全系數(shù)較高。

圖3 鎖定工作狀態(tài)Fig.3 Locking condition

通過計算可知，機械鎖自身強度高，安全系數(shù)大，不會發(fā)生破壞。鎖定自由狀態(tài)受力較小，此處不做計算。

2.2 連接架受力分析

鎖定裝置通過連接架向混凝土基礎傳力，因此，工作閘門的自重通過機械鎖全部傳遞至連接架;同時，由于機械鎖萬向轉動，連接架側板底部整體性被破壞(如圖4所示)，局部受力不均勻，將直接引起連接失效而導致底部開口擴大，使得機械鎖無法正常工作，出現(xiàn)工作閘門脫落的危險情況。因此，連接架的受力分析非常重要，要提前預判安全薄弱點并采取加固措施。

圖4 連接架結構Fig.4 Connecting frame structure

對連接架底部支座局部受力和側板與橫板焊縫受力進行分析，將理論計算值與許用應力進行比較，為加固方案提供理論計算依據(jù)。

由于機械鎖的安全系數(shù)較高，因此假定機械鎖為剛性體，即閘門重力全部由連接架承擔并傳遞。

(1)由圖3、圖4可知，底部支座局部受力破壞形式為受彎破壞，破壞斷裂面判斷在支座頂面處。根據(jù) GB 50017—2003式4.1.1(僅考慮平面內受力)進行計算。

式中：Mx為截面彎矩;γx為截面塑性發(fā)展系數(shù)，取1.05;Wnx為截面模量;f為鋼材抗彎強度設計值。

(2)由圖4可知，側板與橫板連接焊縫在水平力作用下的破壞形式為正截面受拉破壞，連接焊縫長度方向垂直于受力方向，根據(jù)GB 50017—2003式7.1.3－1可知，焊縫計算長度取值將直接影響焊縫受力大小。

式中;σf為焊縫截面正應力;N為軸心拉力;he為焊腳計算高度;lw為焊縫影響區(qū)域長度;βf為強度增大系數(shù)，取 1.0;fwf為焊縫抗拉強度設計值。

不同焊縫影響區(qū)域長度下的焊縫應力計算結果見表1，由表1可知，焊縫影響區(qū)域長度較短時(0～30 mm)，焊縫應力超過許用應力，為最危險點，應重點關注。當焊縫影響區(qū)域長度大于50 mm時，整條焊縫受力偏于安全。計算結果與工程實際中出現(xiàn)的問題相吻合。

表1 焊縫應力計算結果Tab.1 Weld stress calculation results MPa

3 數(shù)值模擬分析

為進一步驗證理論分析的準確性，對連接架進行有限元建模，運用Abaqus有限元軟件對焊縫處進行受力分析。Abaqus連接架建模如圖5所示(為重點考慮連接架底部側板與橫板連接焊縫受力情況，對圖4所示結構進行了簡化)。

在Abaqus中依次通過實體建?！斎氡緲嬯P系—網格劃分—施加荷載等步驟進行模擬分析，應力計算云圖如圖6所示。

圖5 連接架建模圖Fig.5 Connecting frame modeling

圖6 連接架計算應力云圖Fig.6 Calculated stress cloud of the connection frame

通過數(shù)值模擬分析可知：有限元輸出結果與表1中手動理論計算結果接近，即焊縫影響區(qū)域長度越短應力值越大;同時，在閘門自重作用下，側板開口呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，將導致機械鎖與鎖頭脫鉤，使結構處于不安全狀態(tài)。

4 補強措施

通過數(shù)值模擬分析可知，連接架在閘門自重作用下存在2處安全隱患點，即底部支座處和側板與橫板連接焊縫處。根據(jù)計算結果及工程實際經驗，對上述2處危險點提出如下補強措施。

(1)提高底部支座截面抵抗矩。1)在側板背面貼一塊約20 mm厚的鋼板(如圖7所示)，應力可降至原狀態(tài)下的1/4，能夠滿足強度要求。2)考慮到機械鎖單自由度萬向轉動工藝要求，在2塊側板(即圖5所示側板完整度被破壞部位)之間通長設置加強板，以連接2塊側板，提高整體性，避免開口增大，此時可在外側手動調節(jié)機械鎖的轉動。

圖7 側面設置加強板補強方案Fig.7 Repairing scheme by adding reinforcement ribs on the side

(2)在側板與橫板連接焊縫處設置加強筋板，在橫板下表面處開始設置第1組，考慮焊接操作空間，第2組加強筋板應盡量靠近第1組(如圖8所示)，焊縫長度大于50 mm時可不設置加強筋板。

圖8 設置加強筋板補強方案Fig.8 Repairing scheme by adding reinforcement ribs

5 效果分析及建議

本文通過對重力式閘門鎖定裝置的受力分析，找出了薄弱危險點，根據(jù)結算結果提出了加固補強方案并應用到工程實踐中。結果表明，本文提出的加固補強方案可操作性強，提高了鎖定裝置的安全性。

針對本工程出現(xiàn)的問題，結合工程安裝經驗，在升船機閘首鎖定裝置設計時提出以下建議，供類似工程參考。

(1)對于重力式閘門鎖定裝置，設計時應優(yōu)先考慮鎖定裝置為單鉤形式，讓其主要受垂直重力，避免出現(xiàn)水平分力而導致開口增大。

(2)本文工程中機械鎖安全系數(shù)較高，機械鎖質量大，手動轉動較吃力，今后設計時可減小機械鎖尺寸并采用電動軸承抓梁形式，以提高運轉的靈活性。