復核計算在某電站壩頂門機安全評估中的作用

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(水利部產品質量標準研究所， 杭州 310012)

復核計算在某電站壩頂門機安全評估中的作用

梅華鋒，李勤，黃迅雷

(水利部產品質量標準研究所， 杭州 310012)

復核計算是閘門和啟閉機安全檢測的重要內容和有效評估手段。本文對某電站壩頂門機進行了應力有限元和抗傾覆穩定性計算，復核計算結果為該門機的安全評估提供了客觀依據，對消除門機運行安全隱患起到了重要作用。

壩頂門機；安全評估；復核計算

壩頂門式起重機擔負著表孔檢修門、中孔事故門等各種工作閘門的啟閉、攔污柵的起吊和其他壩頂設備的安裝檢修工作，是水電站重要的水工設備，對整個大壩的安全運行有著直接影響[1]。該類起重機雖然不是經常吊運，但一旦使用時工作任務卻十分繁重，有著較高的安全級別要求。

由于長期處于露天作業工況，壩頂門機在使用過程中不可避免地會出現不同程度的損傷，定期對其進行安全檢測和評估，可及時發現問題，制定出相應措施，避免事故發生。復核計算因其快捷、安全、經濟、不受現場條件影響、可模擬多種極限工況，已成為閘門和啟閉機安全檢測的一種重要手段。本文就復核計算在某水電站溢流壩壩頂門機安全檢測與評估中發揮的作用進行闡述。

1 壩頂門機主要技術參數

某電站溢流壩安設QM 2×630/300kN單向門式啟閉機一臺，如下頁圖1所示。該壩頂門機由門架、起升機構、軌道、回轉吊、液壓自動掛鉤梁以及電氣設備和其他安全設施等組成。其中，門架高10.06m，軌距6m，大車輪距9m，主起升高度軌上揚程6m，回轉起升高度軌上揚程2m，回轉角度180°，回轉半徑6m。在安全檢測中，對該門機進行了應力有限元和抗傾覆穩定性復核計算。

2 應力有限元計算

2.1 計算模型及參數

2.1.1 單元剖分

以整個門機門架為分析對象，建立計算模型，并通用有限元進行計算分析。結構有限元計算采用線彈性有限元法，把機架離散為由板單元和梁單元組成的彈性結構。所有的鋼板構件采用板單元模擬。

計算模型劃分的單元總數為58824個，節點總數為71548個，有限元模型如圖2所示。在建立三維有限元模型時，Z方向取為沿大車軌道方向，X方向取為水流方向，Y方向為門機的高度方向。計算受力簡圖如圖3所示。

圖2 有限元計算模型簡圖

圖3 計算受力簡圖

2.1.2 約束處理

壩頂門機上、下游下橫梁兩端與行走機構連接處鉛垂方向(Y向)和垂直于軌道方向(X向)受約束；上游下橫梁左端及下游下橫梁右端與行走機構連接處受到沿軌道方向(Z向)約束；除此以外，所有的節點均為自由節點。

2.1.3 計算荷載

計算荷載主要考慮作用在壩頂門機上的結構自重、起吊載荷及其動載效應、大車的制動力以及風荷載四個部分。根據《起重機設計規范》(GB/T 3811—2008)[2]，按照壩頂門機的實際工作情況，綜合考慮各種荷載的不利組合，主要計算分析了以下兩種工況條件下壩頂門機的應力分布和變形情況，如表1所示。

表1 計算分析的工況及其荷載

注1.大車的自重荷載和制動荷載按照重力加速度和制動加速度的方式施加。

2. 基本風荷載按照均布力的方式施加。

2.1.4 結構尺寸與材料特性

結構的外形尺寸按設計圖紙取用，所有構件的尺寸都按照實測尺寸取用；壩頂門機結構材料為Q345鋼。根據《水電水利工程啟閉機設計規范》(DL/T 5167—2002)[3]，其許用應力為230MPa(δ≤16)、220 MPa(16<δ≤25)、205 MPa(25<δ≤36)；許用剛度為L/2000。計算時取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比取μ=0.3。

2.2 計算結果及分析

兩種工況下壩頂門機結構的應力分布和變形見圖4、圖5、圖6和圖7，圖中均采用國際單位制單位，表2為兩種工況下的有限元計算結果。

圖4 組合Ⅰ等效應力

圖5 組合Ⅰ位移

圖6 組合Ⅱ等效應力

表2計算分析工況下的有限元計算結果

參數位置 等效應力(MPa)組合Ⅰ組合Ⅱ許 用 值主 梁6085端 梁3956支 腿65108中橫梁912下橫梁端部1624207MPa主梁撓度y(mm)2.22.83.0mm(L/2000)

計算結果表明：在兩種工況條件下，壩頂門機各主要構件(包括主梁、支腿、橫梁)的大部分板件的等效應力均小于材料許用應力。

由計算結果可以看出：在豎向荷載和自重作用下，各工況下主梁跨中的豎直方向位移量一般為1.0～2.8mm，均小于許用值。

3 抗傾覆穩定性計算

依據《水電水利工程啟閉機設計規范》(DL/T 5167—2002)[3]中所規定的三種驗算工況，在最不利的載荷組合條件下，采用穩定力矩ΣM≥0的力矩法原則，對壩頂門機平行軌道和垂直軌道兩個方向分別進行抗傾覆穩定性校核，三種工況下選取的荷載系數φij如表3所示。總力矩為：

ΣMi=M1φi1+M2φi2+M3φi3+M4φi4

式中M1——門架、大車及小車自重等產生的力矩，對門機起穩定作用，符號為正；

M2——回轉吊自重及額定起升載荷產生的力矩，對門機起傾覆作用，符號為負；

Me——水平慣性力產生的力矩，對門機起傾覆作用，符號為負；

M4——風力產生的力矩，對門機起傾覆作用，符號為負。

表3 荷載系數φij

三種工況下該QM 2×630/300kN壩頂門機抗傾覆穩定性計算結果如表4所示，相關計算數據按設計圖紙取用，并均經現場復核。由表4可以看出，在無風靜載和有風動載兩種工況下，壩頂門機在平行軌道和垂直軌道方向上的抗傾覆穩定力矩ΣM小于零，存在發生傾覆的安全隱患。

表4 壩頂門機抗傾覆穩定性計算結果ΣMi

4 結 語

a.對水利水電工程在役閘門和啟閉機的定期安全檢測評估是保障工程安全運行的重要措施。復核計算是一種有效的安全評估手段，能快速準確、經濟安全地為閘門和啟閉機結構評估提供客觀依據，《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》(SL 101—2014)[4]已將其列為閘門和啟閉機安全檢測的三項內容之一。

b.某水電站溢流壩壩頂門機的復核計算結果表明：該門機結構強度符合設計要求，但在無風靜載和有風動載工況下存在傾覆不穩定的風險。電站運行管理單位及時采納了安全評估結論及建議，在該門機上增加了配重，消除了運行安全隱患。

[1] 盧云祥，孟璐新，吳浩. 壩頂門機原型測試機有限元分析[J]. 中國水運(下半月)，2009，7(9):141-142.

[2] GB/T 3811—2008 起重機設計規范[S].

[3] DL/T 5167—2002 水電水利工程啟閉機設計規范[S].

[4] SL 101—2014 水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程[S].

FunctionofReviewCalculationinDamTopGantrySafetyAssessmentofOnePowerStation

MEI Hua-feng, LI Qin, HUANG Xun-lei

(MWR Product Quality Standard Institute, Hangzhou 310012, China)

Review calculation is important content and effective assessment means for safety test of gate and hoist. In the paper, stress finite element and overturning-proof stability calculation are conducted on dam crest gantry crane in one power station. Review calculation results provide objective basis for gantry crane safety assessment, which plays an important role in eliminating safety hidden danger in gantry crane operation.

dam crest gantry crane; safety assessment; review calculation

TV72

A

1005-4774(2014)11-0022-04