基于反復(fù)荷載方法的水電站閘室鋼梁擾動(dòng)特征計(jì)算

張 鵬

(遼寧省朝陽(yáng)縣凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 概 述

水電站閘室鋼梁擾動(dòng)特征計(jì)算是水電站閘室穩(wěn)定性主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，其鋼梁擾動(dòng)強(qiáng)度對(duì)閘室穩(wěn)定性影響較為顯著[1]。通過(guò)對(duì)閘室鋼梁擾動(dòng)特征的計(jì)算，確定鋼梁保持穩(wěn)定性所能承受的最大荷載以及抗剪切能力[2]。近些年來(lái)，對(duì)于水電站閘室鋼梁擾動(dòng)特征主要通過(guò)室內(nèi)力學(xué)測(cè)定的方式進(jìn)行[3-9]，這種方法優(yōu)點(diǎn)在于和實(shí)際情況吻合度較高，但是缺點(diǎn)在于需要不能對(duì)閘室整體鋼梁擾動(dòng)特征進(jìn)行全面分析。當(dāng)前，反復(fù)荷載方法在一些鋼結(jié)構(gòu)擾動(dòng)特征計(jì)算中得到應(yīng)用，但是在水電站等工程鋼梁穩(wěn)定性計(jì)算中應(yīng)用還較少。為提高水電站閘室穩(wěn)定性，文章采用反復(fù)荷載方法，以某水電站閘室設(shè)計(jì)為具體實(shí)例，探討該方法對(duì)于水電站閘室穩(wěn)定性計(jì)算的適用性，從而為水電站閘室鋼梁穩(wěn)定指標(biāo)設(shè)計(jì)提供方法參考。

2 反復(fù)荷載方法原理

首先需要對(duì)水電站閘室鋼梁擾動(dòng)屈服度(kPa/mm)Py,M進(jìn)行確定，其計(jì)算方程為：

(1)

式中：My為擾動(dòng)荷載，kPa；H0為擾動(dòng)荷載橫向距離，mm。在鋼梁擾動(dòng)屈服度確定基礎(chǔ)上，對(duì)其不同方向荷載下的擾動(dòng)量△y,M(mm)進(jìn)行計(jì)算：

△y,M=△fy+△sy+△vy

(2)

式中：△fy、△sy、△vy分別為鋼梁不同方向受力荷載擾動(dòng)位移量，mm，計(jì)算方程分別為：

(3)

(4)

式中：Φv為擾動(dòng)直徑，mm；fv為鋼梁滑動(dòng)荷載，kPa；σ為不同鋼梁剪切應(yīng)力，kPa；db為鋼梁擾動(dòng)變動(dòng)直徑，mm；σ為鋼體之間的截面應(yīng)力，kPa；Ag為應(yīng)力面積，cm2；G為彈性模量荷載。對(duì)水電站閘室的峰值荷載kPa進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：Tmax為水電站閘室荷載最大值，kPa；fc為水電站閘室鋼梁靜載，kPa；n為壓縮比；λ為剪切比；ρsh為鋼體密度，g/cm3。水電站閘室設(shè)計(jì)剪切應(yīng)力，kPa方程為：

(6)

3 水電閘室鋼梁擾動(dòng)特征分析

3.1 計(jì)算參數(shù)的設(shè)定

結(jié)合水電站設(shè)計(jì)閘室鋼梁實(shí)際情況，分別設(shè)置6組計(jì)算參數(shù)，參數(shù)主要包括擾動(dòng)特征參數(shù)、以及強(qiáng)度和抗剪應(yīng)力計(jì)算參數(shù)。鋼梁擾動(dòng)屈服度計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表1；鋼梁強(qiáng)度及抗剪應(yīng)力計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表2所示。

表1 鋼梁擾動(dòng)屈服度計(jì)算參數(shù)

表2 鋼梁強(qiáng)度及抗剪應(yīng)力計(jì)算參數(shù)

3.2 擾動(dòng)屈度計(jì)算對(duì)比

為分析反復(fù)荷載計(jì)算方法的適用性，分別采用室內(nèi)力學(xué)測(cè)定方式對(duì)比分析反復(fù)荷載方法鋼梁擾動(dòng)屈服度計(jì)算的精度。反復(fù)荷載計(jì)算值和測(cè)定值對(duì)比結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 反復(fù)荷載計(jì)算值和測(cè)定值對(duì)比結(jié)果

采用室內(nèi)力學(xué)測(cè)定的方式按照6組鋼梁擾動(dòng)屈服度參數(shù)對(duì)其進(jìn)行了鋼梁屈服度和極限屈服度的測(cè)定，并結(jié)合反復(fù)荷載擾動(dòng)屈服度計(jì)算方法及滑動(dòng)荷載和極限荷載對(duì)其屈服度和極限屈服度分別進(jìn)行計(jì)算，從各組參數(shù)測(cè)定值和理論值對(duì)比結(jié)果可看出，各組參數(shù)下測(cè)定值和理論值差均≤±30kPa/mm，按照鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在允許誤差范圍內(nèi)，表明反復(fù)荷載計(jì)算方法可用于水電站閘室擾動(dòng)特征的計(jì)算。在適用性分析的基礎(chǔ)上，可以用來(lái)對(duì)水電站閘室鋼梁強(qiáng)度和抗剪能力進(jìn)行計(jì)算和分析。

3.3 不同荷載強(qiáng)度下鋼梁擾位移量分析

采用反復(fù)荷載方法對(duì)不同荷載強(qiáng)度下閘室鋼梁擾動(dòng)位移量進(jìn)行計(jì)算，不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動(dòng)位移量計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動(dòng)位移量計(jì)算結(jié)果

分別設(shè)置了4組荷載條件，對(duì)恒定荷載和反復(fù)荷載兩種方式下的擾動(dòng)位移量進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果可看出，隨著荷載的增加水電站閘室鋼梁擾動(dòng)的位移量逐步遞增，這主要是荷載量的增加使得閘室鋼梁壓縮比以及荷載橫向間距減小，從而增加其擾動(dòng)位移量。隨著時(shí)間的推移，不同荷載條件下的位移量變化有所差異，總體呈現(xiàn)先遞增后逐步趨于穩(wěn)定的變化。相比而言，受鋼梁擾動(dòng)屈度影響采用反復(fù)荷載計(jì)算方法下的鋼梁擾動(dòng)位移量變幅要高于恒定荷載條件下的擾動(dòng)位移量變化的幅度。

3.4 不同荷載條件下鋼梁擾動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)

在反復(fù)荷載計(jì)算適用性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合該方法中對(duì)不同荷載條件下的鋼梁擾動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表5。

表5 不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

從各組參數(shù)下不同荷載條件下的鋼梁擾動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果可看出，不同計(jì)算參數(shù)下隨著荷載量的增加水電站閘室鋼梁屈服度逐步增加，但增加變幅隨著荷載量的增加有所減小。這主要因?yàn)殡S著反復(fù)荷載量的增加，使得鋼梁擾動(dòng)屈服度增加幅度加大，但降低其擾動(dòng)位移的變化量，使得不同荷載條件下的水電站閘室擾動(dòng)量變幅有所降低。

3.5 不同荷載條件下鋼梁擾動(dòng)抗剪切試驗(yàn)

分別設(shè)置6組荷載條件，對(duì)不同荷載條件下的水電閘室擾動(dòng)抗剪切特征進(jìn)行計(jì)算，不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表6。

表6 不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗(yàn)結(jié)果

從各組荷載條件下的閘室鋼梁抗剪破壞特征值分析結(jié)果可看出，隨著反復(fù)荷載方法下鋼梁抗剪荷載逐步增加，這主要是因?yàn)殇摿簲_動(dòng)屈服度隨著荷載量的增加而有所提高，增加了鋼梁擾動(dòng)的抗剪荷載。隨著荷載量的增加，鋼梁擾動(dòng)破壞有效次數(shù)呈現(xiàn)遞減變化，但遞減幅度有所減小，遞減的原因在于鋼梁擾動(dòng)抗剪荷載量的增加，此外由于鋼梁擾動(dòng)抗剪荷載的增加，使得水電站閘室鋼梁不同荷載條件下的損傷系數(shù)有所減小，總體呈現(xiàn)遞減變化。

4 試驗(yàn)結(jié)論

1)采用反復(fù)荷載方法下計(jì)算的水電站閘室鋼梁擾動(dòng)屈服度和試驗(yàn)測(cè)定值之間的誤差總體于±30kPa/mm，按照鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在允許誤差范圍內(nèi)，表明反復(fù)荷載計(jì)算方法可用于水電站閘室擾動(dòng)特征的計(jì)算。

2)隨著時(shí)間的推移，不同荷載條件下的位移量變化有所差異，總體呈現(xiàn)先遞增后逐步趨于穩(wěn)定的變化。相比而言，受鋼梁擾動(dòng)屈度影響采用反復(fù)荷載計(jì)算方法下的鋼梁擾動(dòng)位移量變幅要高于恒定荷載條件下的擾動(dòng)位移量變化的幅度。

3)隨著荷載量的增加，鋼梁擾動(dòng)破壞有效次數(shù)呈現(xiàn)遞減變化，但遞減幅度有所減小，遞減的原因在于鋼梁擾動(dòng)抗剪荷載量的增加，此外由于鋼梁擾動(dòng)抗剪荷載的增加，使得水電站閘室鋼梁不同荷載條件下的損傷系數(shù)有所減小，總體呈現(xiàn)遞減變化。