淺述鋼結構在水利工程中的應用

蔡育杰

（青海大學水利電力學院 青海西寧 810016）

引言

鋼結構在國內外各領域的應用極其廣泛。本文就鋼結構的特點、發(fā)展歷程、應用前景等方面來展開，基于水利工程中鋼結構的應用和技術來介紹，從鋼結構在水利工程領域的應用和發(fā)展角度展開，結合一些著名的水工鋼結構建設的實際情況淺述鋼結構在水利工程中的應用。

1 鋼結構的基本知識

用型鋼或鋼板制成基本構件，根據使用要求，通過焊接或螺栓連接等方法按照一定規(guī)律組成的承載結構叫做鋼結構[1]對于鋼結構的應用和分析。不僅僅是力學的分析和運算，因為要獲得一個質優(yōu)的結構，還必須了解清楚結構材料的特點及結構的使用要求，了解結構的工作狀況，掌握鋼材在各種因素影響下的工作性能以及構造方面的要求。借助于豐富的工程實踐知識，做出合理的總體結構布置和合理的結構選型，然后才能設計構件，進行構造處理，并確定必要的制造工藝要求和安裝方法等。鋼結構是一種受力性能良好的空間結構體系，是我國建筑工程中廣泛應用的一種重要結構形式，其主要結構特點為：

1.1 鋼結構自重較輕

雖然鋼的密度很大，但其強度也很高，故構件所需的截面面積較小，鋼材容重與其設計強度的比值也相對較小，所以自重較輕便于運輸和安裝。以鋼骨架作支撐的空間結構可廣泛應用于建筑開間、進深和跨度較大、高聳的結構。憑借這一特點可減輕建筑物重量，增加空間利用率，故可試用活動結構中減少驅動力，如水工中的各類鋼閘門。

1.2 具有良好的抗震性和抗沖擊性

鋼結構的塑性和韌性較為出眾，又因為其自重較輕，引起的振動慣性力也較小，故能有效的降低地震活動的震損強度。

1.3 裝配性及施工方便性良好

鋼結構自重較輕且其部件加工精細、尺寸準確，在現(xiàn)場裝配時十分簡易快捷省時省力，并且運輸也較為方便。故而在具體工程中的應用可縮短建筑工期，提高施工效率。

1.4 鋼結構易腐蝕

鋼結構建筑在歷經風雨的沖刷后會發(fā)生銹蝕，影響其承重能力，尤其是水工鋼結構容易腐蝕的缺點較為突出。故在初建時一般都對鋼結構采取防腐蝕措施，如：涂層、鍍鋅防銹等。建成后也要定期維護。

1.5 鋼結構不耐高溫

當溫度高于300℃時鋼結構的強度和彈性模量會顯著下降，達到500～600℃以上時，鋼材即失去承載能力，溫度達到150℃時，應在結構或構件外部包以石棉、混凝土、或含有蛭石的水泥漿層[1]。

2 鋼結構在水利工程中的應用

2.1 水利工程建設中鋼結構優(yōu)劣性分析

鋼結構在水利、水電、水運、海洋采油等工程中大致有六個方面的應用：活動式結構、裝拆式結構、板結構、高聳結構、大跨度結構、海工鋼結構。

（1）活動式結構

在水工建筑物中主要的活動式結構有：閘門、攔污柵、閥門、船閘閘門、升船機和引橋等。

在這類活動式的結構件來說，其建筑選材應主要考慮材料的密度因素，自重較輕的材質可降低啟閉設備的造價和運轉所耗費的動力。而上文鋼結構特點第一個突出的特點即是自重較輕，因此在水工結構中的活動式結構可充分發(fā)揮鋼結構自重較輕的優(yōu)勢。

（2）裝拆結構

水利工程施工建設中常會遇到構件的拆裝，結構的搬遷以及一些機動的結構，因而鋼結構的自重輕、良好的裝配性、運輸方便、靈活性強的特點相較于其他材料便顯得經濟性和合理性更勝一籌。

（3）板結構

鋼結構又一大特點即是其密封性好，易于用鋼結構做成密封結構，如一些管道和各種容器等。在水利工程中對密封的要求標準很高，例如壓力管道、貯液罐等結構均采用鋼材質來制造，以達到其密封性要求。

（4）高聳結構及大跨度結構

大壩是水利工程中的主體建筑物，通常為滿足水庫蓄量、防洪指標、電站出力等要求都會將壩體修建的很高、且跨度很大。壩高通常都是幾十米甚至上百米，且一般在河道斷面較寬的地方。除此之外，水利工程中還涉及一些線路塔、微波塔、電視轉播塔等高聳的建筑物，在上述這些構造中鋼結構更體現(xiàn)出了其抗振性、抗沖擊性好且自重較輕、易裝配的優(yōu)勢性，故而被廣泛應用于水利工程中。

（5）海工鋼結構

海洋工程中水利工程中的一個分支領域，主要涉及一些海洋的鉆井和采油工程。在海洋中作業(yè)首先應考慮的就是作業(yè)平臺搭建的問題。這類結構要承受平臺上各種裝置以及機械設備的荷載，還有風浪和冰等動力荷載作用，這就發(fā)揮了鋼材強度高、抗振性和抗沖擊性好且便于海上安裝等特點[1]。

2.2 鋼結構在水利工程中的應用實例分析

在水利水電工程中，金屬結構種類較多，大多采用鋼鐵材料制作加工而成，也被稱作水工鋼結構或水工機械設備。金屬結構主要包括5種鋼質設備：閘門、壓力鋼管、攔污柵、清理與啟閉機[4]。而充分考慮鋼結構的多重優(yōu)勢來看，這些水工建筑構件的首選必然是鋼結構。故筆者將在本節(jié)就這幾個模塊分別對鋼結構在這些構件中的應用實例作以分析。

2.2.1 鋼閘門

水工鋼閘門是水工鋼結構中極其關鍵的設備，其運行情況將會直接關系到整個水利工程系統(tǒng)的狀況。國內大多數(shù)水庫大壩均采用鋼結構來修筑閘門即水工鋼閘門。

（1）葛洲壩工程弧形閘門

葛洲壩水利樞紐二江泄水閘閘型為開敞式，采用雙層閘門布置，上扉為平板門，下扉為弧形門。其跨度為12m，高度為12m，水頭為27m。每扇閘門承受的總水壓力達4200kN。設計蓄水位66m時弧形門軸推力可達4100t。該應用即是鋼結構在水工鋼閘門應用中的典例，其設計采用預應力錨束錨固鋼筋混凝土錨塊支撐大型弧形閘門的方法，可以解決閘墩支鉸區(qū)鋼筋過多，布置困難的問題，并且避免了混凝土裂縫，是水利工程中較為有利的應用。

（2）長江三峽雙線五級船閘

三峽船閘是目前世界上規(guī)模最大、級數(shù)最多、總水頭最高、施工難度最大的船閘。船閘總長6442m，其中上游引航道213m，下游引航道2708m，船閘主體段1621m。每線船閘主體段由6個閘首和5個閘室組成，每個閘室長28m、寬34m，閘室砍上最小水深5m。閘門既要求有足夠的剛度，又要求能適應閘首的變形，巨大的門體自重加大了人字門底樞潤滑的難度。鋼結構強度高，剛度優(yōu)良且自重又輕，故在三峽水利樞紐南線第二級閘首的人字形閘門即采用鋼材結構。其船閘閘室寬34m、每扇門寬20.2m、門高38.5m，閘門承受的最水頭（上下游水位差）為36m，每扇門承受的總水壓力為130000kN，每扇門自重達8300kN。其規(guī)模已超過目前世界上大型的船閘，如美國的新威爾遜船閘、羅馬尼亞的鐵門船閘等[1]。

2.2.2 水工鋼焊接技術

鋼結構常用的連接方法有焊接連接，鉚釘連接和螺栓連接，其中焊接是現(xiàn)代鋼結構的主要連接方法，其優(yōu)點是：不削弱構件截面（不必鉆孔），可省去拼接板因而構造簡單、節(jié)約鋼材、制造加工方便。

在大、中型水電站焊接鋼結構主要有壓力鋼管（包括蝸殼）、鐵閘門、啟閉機結構件、水輪機焊接座環(huán)、發(fā)電機圓盤轉子支架、升船機承船廂主體以及其他大型鋼結構件。這些水工鋼結構大多是設計水頭高、容量大、構件龐大、結構受力復雜、焊接質量要求高的焊接結構，在水利工程領域涉獵甚廣。

2.2.3 水利行業(yè)中建筑設施

在水利工程行業(yè)中除了擋水建筑物大壩、池水建筑物溢洪道、輸水建筑物隧洞、引水渠以外，還涉及許多其他的保障水利工程正常運行的建筑物，如：水電站廠房、抽水泵和啟閉閘房等。這些建筑物往往很少選用鋼結構來修筑，從而導致這些其他建筑物的使用壽命很短、抗沖擊性、抗震性弱，經常發(fā)生損毀現(xiàn)象。而水利工程一般的設計使用年限都比較長，其配套房建設的使用期亦須跟工程相匹配，運用鋼結構實施建筑和改造是現(xiàn)如今水利工程施工建設的一大選擇。而且，目前水利工程中配套房建設施均選擇運用鋼結構，以解決其提前老化、失修的問題。

3 水工鋼的發(fā)展前景

水工鋼結構的施工期短，與混凝土相比，鋼結構的自重較輕，且現(xiàn)場施工安裝便利，而水利工程設施環(huán)境一般比較惡劣，故而水工鋼結構的運用必是水利行業(yè)的一大選擇。另外一方面，也可以有效緩解我國目前鋼鐵產能過剩的問題。在未來的發(fā)展中，水工鋼的發(fā)展方向將主要著眼于新型鋼的研制與運用，以用來解決和適應水利工程施工時的特殊應用環(huán)境。如：高強度低合金鋼、鍍鋁鋅薄板等的國產化、高性能鋼，如耐熱鋼，耐侯鋼等。

4 結語

本文主要就鋼結構的基本特點與屬性進行了簡單論述并結合其特點分析了鋼結構在水利工程中的優(yōu)勢性及其應用。通過對鋼結構在水利工程中的應用前景和綜合效益分析發(fā)現(xiàn)，鋼結構在水利行業(yè)的應用還有很大的空間可以拓展，希望通過筆者淺顯的論述能對讀者起到一定激發(fā)作用。

[1]范崇仁.水工鋼結構（第四版）[M].北京：中國水利水電出版社，2008，2016，7.

[2]燕強，張錦涌，彭方俊，潘菁，曾寶鋒.鋼結構基本知識及其著名建筑介紹[J].