壩上水文站測流纜道主索受力計算與分析

摘 要：水文測流纜道主索受力計算是水文纜道設計的主要工作，是后續建筑結構設計的前提。文章以壩上水文站纜道改建工程為例，對纜道主索受力進行了詳細分析，具有一定的工程參考價值。

關鍵詞：水文纜道；主索受力；計算分析

江西省壩上水文站位于贛州市章貢區水南鎮臘長村，地理位置：東經114°57′、北緯25°49′，系長江流域贛江水系章水控制站，控制流域面積7657km2，屬大河一般控制站，是國家重要水文站。壩上水文站改建工程旨在提高防洪和測洪標準，為當地防汛抗旱和水資源管理提供強有力的技術支撐。

1 設計依據

1.1 實測歷年最高水位：103.83m，50年一遇洪水位Hp=2%=103.90m，河底高程Hmin設=90.5m，偏安全。

1.2 最大實測流量：3.35m/s，Vmax設=4.0m/s，偏安全。

1.3 跨度L=245.0m，左邊跨La=0m（垂直下地）， 右邊跨Lb=27m。

1.4 循環索（牽引索、懸索）直徑da=4mm；拉偏索直徑db=4mm。

1.5 單位長度循環索（da=4mm）近似自重：qx=0.53N/m。

2 架設高程

2.1 設計架頂高程按不通航河流考慮

架頂高=103.90+2.50+2.50+fv=108.90+8.17=117.07m，其中加載垂度取上限，按L/30設計即fv=245.0/30=8.17m。

2.2 左岸支架高度：H左=117.07-105.13=11.94m，取支架高12m。

2.3 右岸支架高度：H右=117.07-103.50=13.57m，取支架高13.5m。

3 主索（承載索）設計

3.1 設計參數

常用符號：

f0：空索垂度（m） H0：空索拉力（N）

fv：加載垂度（m） H：加載拉力（N）

Pv：垂直集中荷載（N） Pz：水平集中荷載（N）

ω：承載索單位長度風荷載（N/m） Ek：承載索彈量模數（N/cm2）

Fk：承載索鋼絲橫截面積（cm2）d：主索直徑（mm），本例取d=18mm。

3.2 設計驗算

主索規格：6×19+FC-18合成纖維芯鋼絲繩（GB/T 8918-1996）

公稱抗拉強度：1670Mpa 最小破斷拉力：Tj=166kN

單位長度鋼絲繩近似自重：q=10.68N/m 鋼絲橫截面積：Fk=2.54cm2

參數：Ek=1.3×107N/cm2，計算最大垂度時，Ek=0.7×107N/cm2。

3.2.1 荷載計算

（1）集中荷載

a.垂直集中荷載Pv包括行車重、鉛魚重和牽引索重量：拉偏條件下的鉛魚重量可按下式計算：

P=（2.58qa+0.5qb）hm

其中 qa=0.5kaρdavm2；qb=kbρdbvm2

以上式中：P-鉛魚重量，kg；qa-懸索上單位長度的水流沖（阻）力，kgf/m；qb-拉偏索上單位長度的水流沖（阻）力，kgf/m；ka-懸索阻水體型系數，取0.8；kb-拉偏索阻水體型系數，取0.4；vm-垂線平均流速，m/s，本例取4.0；ρ-清水密度，kg/m3；hm-最大水深，m，本例取hm=103.9-90.5=13.4，偏安全；經計算P=99.06Kg，綜合考慮摩擦力等因素，取P =150Kg，鉛魚重P=150×9.8=1470 N，行車重G=30×9.8=294 N ，牽引索重量Q=0.5qxL=64.93N；Pv=P+G+Q=1828.93N

b.水平集中荷載Pz包括作用在循環索上的風荷載、起重索水面以上風荷載、水面以下動水壓力。

∑PA=KAρAFAVA2/2=3200.19N，∑PB=KBρBFBVB2/2=（ΣFc1+ΣFc2）·ωk=244.9N

則Pz=0.5∑PA+∑PB=1845N

式中：∑PA-為入水懸索（懸桿）、儀器（鉛魚或采樣器）等項的水流沖力（N）。

∑PB-為水上懸索（懸桿）、行車上牽引索（開口牽引按0.5L長度計算）、測沙盛樣架、行車本身等項的風阻力（N）。

VA、VB分別為水的流速和風速（m/s），VA按設計最大流速4.00m/s，偏安全。

FA、FB分別為阻水、擋風面積（m2），本工程中取FA=0.5m2。

ρA為渾水的密度（kg/m3）。

查相關資料：斷面多年平均含沙量Cs=0.158kg/m3，ρ沙=1600kg/m3；

ρA=Cs+1000（1-Cs/1600）=1000.058kg/m3；

ρB空氣的密度（kg/m3），ρB=1.225；KA、KB分別為與物體體形有關的阻水、阻風體形系數，本工程中取KA=0.8。

ΣFc1為行車架受風面積，約為0.29m2（統計數）。

ΣFc2為鉛魚及附著物的受風面積，約為0.50m2（統計數）。

作用在單位面積上的風載荷ωk=？茁zμsμzω0=0.31KN/m2

其中：？茁z-高度z處的風振系數，取1.14； ω0-壩上當地50年一遇風壓，0.30kN/m2；μs-風荷載體型系數，取0.9；μz-風壓高度變化系數，取1.0。

（2）均布荷載

a.單位長度風荷載ω計算：

ω=ωk·d·1=5.58N/m。

b.承載索單位長度自重荷載：q=10.68N/m。

3.2.2 主索拉力與垂度

方法一：先定加載垂度法，計算順序fv→H→H0→f0

（1）擬訂所選主索跨度中央處的加載垂度fv，取用的fv在（■ ～■）L之間； （2）按式（1）計算加載拉力H；（3）根據安全系數K驗算是否滿足KH

方法二（檢驗）：先定空載垂度法，計算順序f0→H0→H→fv

（1）擬訂所選主索跨度中央處的空載垂度f0，取用的f0在（■～■）之間；（2）按式（3）計算空載拉力H0；（3）把H0帶入式（4）計算出H；（4）根據安全系數K驗算是否滿足KH

（1）

（2）

（3）

（4）

式中A、B、C含義同公式（2）

4 結束語

從表1看出，壩上水文站纜道主索選用18mm纖維芯鋼絲繩，主索拉力為39.2KN，主索安全系數為4.23，設計合理。從表1中可以看出，先定加載垂度法相對合理取值范圍為fv∈〔1/35～1/50〕L ，先定空載垂度法相對合理取值范圍為f0∈〔1/30～1/60〕L；可以看出fv？坭，■？坭，■∈〔1.978～2.52〕；通過A1與B6的對比，可知兩種方法算得的H偏差0.0485%，從而驗證了先定垂度法的合理性。以上合理取值范圍的總結，必將為類似工程實踐提供參考。

參考文獻

[1]水文纜道[M].北京：水利電力出版社，1978.

[2]SL443-2009水文纜道測驗規范[S].

[3]GB50009-2012.建筑結構荷載規范[S].

作者簡介：邵艷華（1982-），女，河南太康，本科，助工，主要從事水文水資源監測分析工作。