林蘭蘭

(營口奕東水利勘測設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 營口 115000)

0 前 言

水電站閘室鋼梁受荷載影響較大，荷載越大水電站閘室鋼梁擾動特征越明顯[1]。因此在進(jìn)行水電站閘室設(shè)計(jì)時，需要對鋼梁的擾動特征進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)最大能承受的荷載，保障水電站的安全運(yùn)行[2]。當(dāng)前，對于水電站閘室鋼梁擾動特征主要采用反復(fù)荷載的計(jì)算方法進(jìn)行探討[3-10],但該方法需要進(jìn)行鋼梁擾動參數(shù)的設(shè)置，其參數(shù)設(shè)置也是反復(fù)荷載計(jì)算的難點(diǎn)所在，有一些學(xué)者主要通過物理模型方式在一些鋼梁結(jié)構(gòu)擾動特征進(jìn)行分析，但在水利工程方面應(yīng)用還較少，為此文章基于物理模型對水電站閘室鋼梁擾動特征進(jìn)行分析，并探討該方式對其擾動參數(shù)的影響。研究成果對于水電站閘室穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

1 研究方法

采用物理模型方法對水電站閘室鋼梁梁擾屈服度進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算方程為：

(1)

式中：My為鋼梁擾動受力，kPa；H0為鋼梁擾動橫向荷載間距，m。剛體屈服度計(jì)算時，需對其變形位移進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算方程為：

△y,M=△fy+△sy+△vy

(2)

式中：△fy、△sy、△vy分別為不同受力情況下的屈服變形量，mm。

鋼梁擾動屈服時的變形量計(jì)算方程為：

(3)

鋼梁梁擾滑動變形位移的計(jì)算方程為：

(4)

水閘的剛體彈性變形量的計(jì)算方程為：

(5)

式中：Φ為鋼梁擾動屈服變形率，mm；fy為鋼梁滑變形程度；fc為水電站閘室剛體之間的軸心間距的抗荷載強(qiáng)度，kPa；db為鋼梁擾動變動直徑，mm；fy為屈服滑動變形程度；σ為鋼體之間的截面應(yīng)力，kPa；Ag為剛體截面面積，cm2；G為剛體剪切的彈性模量；My為鋼梁擾動受力，kPa。對水電站閘室剛體擾動的峰值荷載點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，其方程為：

(6)

式中：Tmax為水電站閘室剛體剪切面受到的荷載最大值，kPa；n為剛體軸向壓縮系數(shù)；λ為剪切程度比例系數(shù)；ρsh為水閘閘室剛體捆扎比例，g/cm3。水電站閘室鋼梁擾動的剪切度破壞特征點(diǎn)方程為：

(7)

3 水電閘室鋼梁擾動特征分析

3.1 鋼梁擾動試驗(yàn)指標(biāo)

基于物理模型試驗(yàn)方法，遼寧地區(qū)某水電站閘室為具體工程實(shí)例，對其閘室鋼梁擾動進(jìn)行試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析，水電站閘室鋼梁擾動試驗(yàn)指標(biāo)，見表1；水電站閘室鋼梁強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)，見表2。

表1 水電站閘室鋼梁擾動試驗(yàn)指標(biāo)

表2 水電站閘室鋼梁強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)

3.2 擾動特征值計(jì)算對比

對不同試驗(yàn)分組下水電站閘室的鋼梁擾動計(jì)算值進(jìn)行差異對比，不同試驗(yàn)分組下擾動試驗(yàn)測定值和理論計(jì)算值差異對比結(jié)果，見表3。

表3 不同試驗(yàn)分組下擾動試驗(yàn)測定值和理論計(jì)算值差異對比結(jié)果

從不同試驗(yàn)分組下擾動試驗(yàn)測定值和理論計(jì)算值差異對比結(jié)果可看出，水電站閘室擾動特征試驗(yàn)測定的屈服彎矩以及極限彎矩和理論計(jì)算值具有較好的吻合度，表明物理模型試驗(yàn)結(jié)果較為合理。在具體水電站閘室工程設(shè)計(jì)時，可綜合采用鋼梁擾動的理論方程和物理模型進(jìn)行綜合對比，確定其擾動的特征點(diǎn)。

3.3 鋼梁擾動孔隙特征試驗(yàn)分析

采用物理模型試驗(yàn)方法對不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動的孔隙特征進(jìn)行試驗(yàn)分析，不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動的孔隙特征試驗(yàn)結(jié)果，見表4。

表4 不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動的孔隙特征試驗(yàn)結(jié)果

從不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動的孔隙特征試驗(yàn)結(jié)果可看出，水電站閘室鋼梁擾動孔隙比隨著不同荷載的增加而逐步加大，這主要是因?yàn)殇摿簲_動梯度影響了其孔隙比的變化，鋼梁擾動梯度增加使得不同荷載條件下的孔隙比增幅較大。當(dāng)荷載從54kpa遞增到216kPa后，其不同荷載條件下的水電閘室鋼梁擾動孔隙不逐步提高，均勻荷載條件下的孔隙變化幅度低于反復(fù)荷載條件下的孔隙比變化幅度[11-13]。

3.4 不同荷載條件下鋼梁擾動強(qiáng)度試驗(yàn)

結(jié)合物理模型試驗(yàn)對各個組件的反復(fù)荷載下設(shè)計(jì)水閘閘室鋼梁擾動的特征點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)分析，不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，見表5。

表5 不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可看出，水電站閘室鋼梁屈度隨著荷載的增加而逐步提升，但遞增幅度有所下降，這主要是受到鋼梁擾動荷載反復(fù)影響所致，各試驗(yàn)荷載條件下水電站閘室的擾動變化范圍較為接近，鋼梁擾動效應(yīng)受反復(fù)荷載影響有所減小，鋼梁擾動變化幅度隨著荷載增加而有所下降。

3.5 不同荷載條件下鋼梁擾動抗剪切試驗(yàn)

對不同荷載條件下的水電站閘室擾動抗剪切特征進(jìn)行試驗(yàn)分析，不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗(yàn)結(jié)果，見表6。

表6 不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗(yàn)結(jié)果

從不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗(yàn)結(jié)果可看出，水電站閘室鋼梁擾動損傷系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)遞增而有所減小，這表明隨著荷載加載次數(shù)的提高，其不同荷載條件下的鋼梁擾動效應(yīng)降低。水電站閘室鋼梁擾動隨著荷載加大而抗剪切能力也相應(yīng)降低。

4 結(jié) 語

1)在具體水電站閘室工程設(shè)計(jì)時，可綜合采用鋼梁擾動的理論方程和物理模型進(jìn)行綜合對比，確定其擾動的特征點(diǎn)。

2)水電站閘室鋼梁擾動孔隙比隨著不同荷載的增加而逐步加大，這主要是因?yàn)殇摿簲_動梯度影響了其孔隙比的變化，鋼梁擾動梯度增加使得不同荷載條件下的孔隙比增幅較大。

3)水電站閘室鋼梁屈度隨著荷載的增加而逐步提升，但遞增幅度有所下降，這主要是受到鋼梁擾動荷載反復(fù)影響所致，各試驗(yàn)荷載條件下水電站閘室的擾動變化范圍較為接近，鋼梁擾動效應(yīng)受反復(fù)荷載影響有所減小，鋼梁擾動變化幅度隨著荷載增加而有所下降。