應力檢測法在麒麟寺水電站2×2 500 kN門式啟閉機荷載試驗中的應用

向 穎， 駱 紅 兵

(中國水利水電第五工程局有限公司 第三分局，四川 成都 610225)

1 概 述

麒麟寺水電站壩頂615 m高程的2×2 500/250 kN雙向門式啟閉機主起升機構設計啟閉能力為2×2 500 kN，起升總高度為55 m，壩頂軌距10 m；回轉吊設計啟閉能力為250 kN，最大回轉半徑R=16 m，起升總高度為36.6 m，整機工作級別為A2，主要用于啟閉電站廠房進水口事故檢修閘門與工作閘門排沙孔進口工作門及泄洪閘壩段檢修事故門，最大起重件為機組進水口事故閘門，總重量為1 590.6 kN，其中門葉重890.6 kN、配重700 kN。機組進水口事故閘門為潛孔式平板閘門，(寬)6 m×(長)13.5 m，設計水頭35 m，操作方式為動水閉、靜水啟。

通常，國內水電站啟閉機驗收時的試重一般采用專用試塊。而本工程壩頂門機試驗荷載選擇為稱重鋼筋。確定采用結構應力檢測的方法，對門式啟閉機進行主要受力結構靜應力測試，依此做出設備安全評價。

2 試驗方案

試驗依據：

① GB3811-2008《起重機設計規范》；

② GB5905-2011《起重機試驗規范與程序》；

③ GB6067.1-2010《起重機械安全規程 第一部分：總則》；

④ DL/T5019-94《水利水電工程啟閉機制造、安裝及驗收規范》；

⑤ DL/T5167-2002《水利水電工程啟閉機設計規范》；

⑥ GB50205-2001《鋼結構工程施工及驗收規范》；

⑦ TSG Q7003-2007《門式起重機型式試驗細則》；

⑧ SL381-2007《啟閉機制造與驗收規范》；

⑨ 其他現行標準等。

根據《水利水電工程啟閉機制造安裝及驗收規范》(DT/L5019—94)7.3.5款：荷載試驗用的試塊一般采用專用試塊，當起升額定荷載超過2 000 kN、采用專用試塊有困難時，可用液壓測力器只做靜荷載試驗。按照特種設備安全技術規范TSG Q7003-2007《門式起重機型式試驗細則》要求，采用結構靜載應力測試時，小車應位于跨中起吊額定荷載，測定啟閉機主要受力構件的最大應力值不得超過其許用應力值。

本工程壩頂門式啟閉機荷載試驗按照常規方法采用專用試塊或液壓測力器均有困難，故采用結構靜應力測試法，根據各測點應力片在測試工況下的應力值，通過鋼的力學性能σ-ε曲線關系，求出各測試點在門機跨中起吊試驗載荷時的計算應力值。

所設定的測試工況見表1。

表1 測試工況及荷載表

3 測點布置

本次結構靜應力測試設備為3臺靜態應變采集儀(DH3815N振弦應變測試分析系統)，在啟閉機主要受力構件的典型截面上共布置高精密電阻應變片30片，分布位置見表2，門機工作狀態見圖1，門機輪壓值見表3。

4 試驗程序

(1)小車位于主梁跨中位置，空載時各測點應變儀讀數調零。

表2 測試布置及應變計數量表

圖1 工作狀態圖(單位：m)

圖2 門機輪壓分布圖

(2)逐漸起升鋼筋進行荷載試驗，離地面100～200 mm，懸停不少于10 min。起升過程中觀察主要受力部位的變形情況。記錄三種試驗工況時各測點的應變值。

(3)記錄試驗讀數后，卸去荷載，檢查門架是否有永久變形、門機主梁跨中實際撓度值。上述靜荷載試驗結束后，門機各部位不能有破裂、連接松動或損壞等影響啟閉機安全和使用性能的現象存在。

5 試驗結果分析

根據各點實測靜應力結果分析，起重機在大車行走及小車行走橫梁的應力最大。Q345為低合金結構鋼，彈性模量E=2.03×105MPa，σ=Eε，其應力—應變曲線見圖3。當拉伸到超過比例極限σs( 習慣上采用殘余應變為 0.01% 時的應力 )后，σ-ε關系呈非線性變化，沒有明顯的屈服點。當拉伸超過σ0.2( 產生塑性變形為 0.2%) 后，應變ε增加較快；當拉伸至最大應力σb時，應變ε繼續發展，在σ-ε曲線上呈現為一水平段，然后斷裂。最大應力實測值及推測值見表4。

圖3 Q345Bσ-ε曲線圖

表4 實測及推測最大應力值表

注：表中“-”為壓應力，“+” 為拉應力。

選擇工況3跨中吊載257 t(其他工況與此相同)為例，根據GB3811-2008《起重機設計規范》5.3.1.2，對于σs/σb≥0.7，主要受力構件使用Q345B高強度鋼材，基本許用應力[σ]即包括拉伸、壓縮、彎曲的許用應力。

當σs/σb≥0.7時，[σ]=(0.5σs+0.35σb)/n

當σs/σb<0.7時，[σ]=σs/n

式中σb為材料抗拉強度，取值為490 N/m2；鋼板厚50 mm，σs取值為325 N/m2；n為與荷載組合相應的強度安全系數，對于荷載組合A(考慮自重、起重量、水平慣性載荷及沖擊系數)，強度安全系數為1.48；對于荷載組合B(考慮自重、起重量、水平慣性載荷及沖擊系數、風力、側向力等)，其強度安全系數為1.34。

故門機采用Q345B時的基本許用應力[σ]：

∵σs/σb=325/490=0.66<0.7

∴[σ]=σs/n=325/1.48=219.6(MPa)

小車行走橫梁：小車行走橫梁根據應力應變曲線直線比例推測得推算應力值為-78.2 MPa，小于許用應力-219.6 MPa，此梁在工況3荷載下，應力滿足設計要求。

大車行走橫梁：大車行走橫梁根據應力應變曲線直線比例推測得推算應力值為69.4 MPa，小于許用應力219.6 MPa，此梁在工況3荷載下，應力滿足設計要求。

6 結 語

在門式起重機荷載試驗中，采用結構應力檢測方法，通過模型或實物的應力測定與分析，其計算結果滿足規范規定的強度要求，以此對關鍵構件的強度是否滿足工程要求作出結論，為麒麟寺水電站壩頂門式起閉機安全運行提供了科學依據。

在水利水電工程中，對于結構型式和支承條件均較復雜、承受載荷又較大的機械零件和構件，應用有限元法或其他數值方法計算應力后，常用結構應力檢測實驗的方法來驗證計算時所作的假設和假定的有效性，并分析校核計算所得到的結果。結構應力檢測的電阻應變測量方法具有測量精度高、測量范圍廣、應變計頻率響應好等優點，因此，結構應力檢測的方法在水利水電工程金屬結構施工中值得推廣應用。

參考文獻：

[1] 水利水電工程啟閉機制造安裝及驗收規范，DT/L5019—94[S].

[2] 張如一，陸耀楨，主編.實驗應力分析[M].北京：機械工業出版社，1981.