水電站檢修集水井承壓進人密封門剛強度計算

時天富，曹 靜，鄭翔鶴

（中國電建集團成都勘測設計院有限公司，四川 成都 610072）

水電站檢修集水井承壓進人密封門剛強度計算

時天富，曹 靜，鄭翔鶴

（中國電建集團成都勘測設計院有限公司，四川 成都 610072）

傳統常規水電站檢修集水井承壓進人密封門蓋板是按GB150鋼制壓力容器的法蘭蓋進行設計和計算的，設計時雖然簡化了計算，但考慮鋼板負偏差和腐蝕余量后檢修集水井承壓進人密封門蓋板十分笨重。以下是某水電站按傳統鋼制壓力容器計算的檢修集水井承壓進人密封門蓋板，重量高達205 kg（1020 mm伊1020 mm伊25 mm）。為了減輕該蓋板的重量，使蓋板及預埋邊框的形狀和結構滿足與檢修集水井承壓鋼筋混凝土頂板聯合受力的要求，該鋼結構部件宜按板梁結構設計。按此方法設計的集水井承壓進人密封門蓋板重量僅為120 kg左右。該檢修集水井承壓進人密封門蓋板設計方案既能滿足受力時的剛強度要求，減輕了部件重量，方便了檢修搬運，同時外觀又十分美觀，對其他水電站檢修集水井承壓進人密封門蓋板設計計算有較大的借鑒價值。

主梁；次梁；面板；區格；截面慣性矩I；截面抗彎模量；剛度和撓度

1 前言

某水電站檢修集水井承壓進人密封門水平布置

▽在 82.8 m高程、600 mm厚的集水井上方鋼筋混凝

土頂板上（具體布置詳見圖1），其最小進人尺寸為

0.8 m（長）×0.8 m（寬）。當機組檢修需放空蝸殼和尾水管時，水輪機流道內的積水可通過打開的尾水管排水盤形閥和排水廊道（或排水總管）排至檢修集水井內。承壓進人密封門設計時應考慮某些特殊工況，如水輪機流道內的積水排至集水井的速度遠遠大于檢修排水泵的抽排速度，或尾水管排水盤形閥關閉不嚴漏水，此時檢修集水井進人密封門需承受來自尾水的水壓。該電站尾水校核洪水位為111.68 m，該水位與檢修集水井承壓進人密封門安裝位置的高差間形成28.88 m水柱壓力（約0.289 MPa）。其設計壓力Pc按壓力容器進人門工作壓力1.1倍考慮，則Pc=1.1×0.289=0.32 MPa。

2 計算過程

圖1 檢修集水井承壓進人門橫剖面視圖

由于檢修集水井承壓進人密封門門框1已與集水井上方的600 mm厚鋼筋混凝土頂板埋設在一起，水工廠房專業已計算了它們的剛強度，因此本文著重介紹承壓進人密封門蓋板的強度與剛度的設計計算。承壓進人密封門由下部面板20、主梁17（14號工字鋼）和邊梁（14號槽鋼）等組成，上部5 mm厚的花紋鋼板用塞焊的方法與主梁17、邊梁槽鋼焊在一起，該板可方便行人走路，不參與剛強度計算。將進人密封門蓋板按平板鋼閘門考慮，計算引用NB/T 35055-2015《水電工程鋼閘門設計規范》，蓋板的局部彎曲應力按四邊固定的彈性薄板承受均布荷載計算。由于進人門為正方形，兩個方向梁的布置及間隔完全相同，因此其橫剖面圖可參見圖1。

（1）面板厚度啄按下式計算（面板在圖1的編號為20）。

式中：

a、b——面板計算區格的短邊和長邊長度，a=245 mm，b=245 mm；

k——彈性薄板支撐長邊中點彎應力系數，查NB/T35055-2015附錄H中表H.0.1-1取值。b/a=1.0，因此k=0.308；

琢——彈塑性調整系數，當b/a≤3時，琢為1.5；

q——面板計算區格中心點的水壓力強度，q計算取設計壓力0.32 MPa；

[滓]——Q235B鋼板的抗彎許用應力。DL/T 5039-95規范中第1組啄=0～16 mm，[滓]=160 MPa。

考慮腐蝕余量2.5 mm和1.5 mm的厚度負偏差，因此啄＝4.96+2.5+1.5=8.96 mm。另外，在主梁兩側一定范圍寬度（見有效寬度B的計算）的面板與主梁17一道發揮了受力和抗彎作用，為安全起見并留有適當裕度，啄＝12 mm。

（2）主梁計算

將長邊方向且位置居中的梁作為主梁（詳見圖2中部編號17的梁）。因為中間主梁的間距最大，且其彎矩最大，因此僅計算中間主梁。

圖2 蓋板橫剖視圖

其中：920 mm為螺栓孔間距，245 mm為主梁之間計算區格的邊長。

2）最中間主梁所受的載荷（簡化為線性載荷）：1）中間主梁的受力F（均布向上）：

3）內力計算

最中間主梁所受最大彎矩MMAX和最大剪力

4）截面特性

①面板參與主梁作用的有效寬度B的計算：

其中b1、b2分別為中間主梁與兩側相鄰主梁的間距，均為245 mm；啄為面板厚度，為12 mm；灼1為有效寬度系數，查NB/T35055-2015第71頁附錄H表H.0.2，灼1=0.89；b0為梁肋的寬度，即14號工字鋼翼緣板寬度（70 mm）。根據《水電工程鋼閘門設計規范》NB/T35055-2015可知：

面板參與主梁作用的有效寬度：

且 滿足 B≤60啄+b0=60×12+70=790 mm （Q235B），因此面板參與主梁作用的有效寬度B=218.1 mm是正確的（詳見圖3）。；

圖3

②主梁橫截面積A：

A=218.1×12+2 151.6=4 768.8 mm2

（其中14號工字鋼的橫截面積為2 151.6 mm2）

③對面板外緣的面積矩S0-0：

S0-0=218.1×12×6+2 151.6×82=192 134.4 mm3

④中和軸距面板外緣和后緣距離y1和y2：

中和軸距面板外緣和后緣距離y1：

中和軸距后緣的距離y2：

⑤截面慣性矩I：

⑥截面抗彎模量W1和W2：

⑦主梁面積矩S：

5）強度計算

①彎曲正應力強度計算：

主梁面板外緣壓應力和后翼緣板拉應力均小于Q235第1組的許用應力為160 MPa，因此拉壓應力滿足強度要求。

②剪應力計算：

式中，子為主梁剪應力，Q為主梁支座處剪力（N），S為主梁面積矩（mm3），I為主梁截面慣性矩（mm4），啄為主梁腹板厚度（mm）。

③綜合應力復核計算：

因為面板的邊長b/a=1<1.5，

綜合應力：

式中：滓mx為垂直于主梁軸線方向面板支撐長邊中點的局部彎曲應力，滓my為面板沿主梁軸線方向的局部彎曲應力，滓my=滋滓mx=0.3×41.01=12.30（N/mm2）；

滓ox為對應于面板驗算點的主梁上翼緣的整體彎曲應力，上面計算得出，為23.91（N/mm2）；

a=245 mm，b=245 mm，b/a=1.0，因此查表內插取值K=0.308；q=0.32 MPa，啄=12 mm。

由于綜合應力滓zh=59.82＜264（N/mm2），而其它主梁所受的水壓力比最中間主梁所受水壓力小，因此主梁的強度（即應力）均能滿足要求。

6）主梁剛度計算（即撓度fmax計算）

其中：q為主梁均布載荷（N/mm）；l為主梁支撐跨度（mm），取920 mm；

E為鋼材彈性模量（N/mm2）；I為主梁截面慣性矩（mm4）。

3 結論

經過上述計算，表明承壓進人密封門蓋板的受力（包括彎矩）最大的主梁的正應力（拉、壓應力）、剪切應力和綜合應力均小于其許用應力。另外，通過對受彎矩最大的主梁撓度值計算，表明主梁的撓度遠遠小于規范規定允許撓度。因此承壓進人密封門蓋板的剛強度滿足規范要求。

[1]NB/T 35055-2015水電工程鋼閘門設計規范[S].

[2]水電站機電設計手冊：金屬結構[M].北京：中國水利水電出版社，1988.

[3]GB50017-2003鋼結構設計規范[S].

TV738

：A

：1672-5387（2017）03-0030-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.009

2016-12-23

時天富（1965-），男，高級工程師，從事水電站機電設計工作。