水電站檢修集水井承壓進(jìn)人密封門剛強(qiáng)度計(jì)算

時(shí)天富，曹 靜，鄭翔鶴

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610072）

水電站檢修集水井承壓進(jìn)人密封門剛強(qiáng)度計(jì)算

時(shí)天富，曹 靜，鄭翔鶴

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610072）

傳統(tǒng)常規(guī)水電站檢修集水井承壓進(jìn)人密封門蓋板是按GB150鋼制壓力容器的法蘭蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算的，設(shè)計(jì)時(shí)雖然簡(jiǎn)化了計(jì)算，但考慮鋼板負(fù)偏差和腐蝕余量后檢修集水井承壓進(jìn)人密封門蓋板十分笨重。以下是某水電站按傳統(tǒng)鋼制壓力容器計(jì)算的檢修集水井承壓進(jìn)人密封門蓋板，重量高達(dá)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(yù)埋邊框的形狀和結(jié)構(gòu)滿足與檢修集水井承壓鋼筋混凝土頂板聯(lián)合受力的要求，該鋼結(jié)構(gòu)部件宜按板梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按此方法設(shè)計(jì)的集水井承壓進(jìn)人密封門蓋板重量?jī)H為120 kg左右。該檢修集水井承壓進(jìn)人密封門蓋板設(shè)計(jì)方案既能滿足受力時(shí)的剛強(qiáng)度要求，減輕了部件重量，方便了檢修搬運(yùn)，同時(shí)外觀又十分美觀，對(duì)其他水電站檢修集水井承壓進(jìn)人密封門蓋板設(shè)計(jì)計(jì)算有較大的借鑒價(jià)值。

主梁；次梁；面板；區(qū)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(jìn)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(jìn)人尺寸為

0.8 m（長(zhǎng)）×0.8 m（寬）。當(dāng)機(jī)組檢修需放空蝸殼和尾水管時(shí)，水輪機(jī)流道內(nèi)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(nèi)。承壓進(jìn)人密封門設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮某些特殊工況，如水輪機(jī)流道內(nèi)的積水排至集水井的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢修排水泵的抽排速度，或尾水管排水盤形閥關(guān)閉不嚴(yán)漏水，此時(shí)檢修集水井進(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)壓力Pc按壓力容器進(jìn)人門工作壓力1.1倍考慮，則Pc=1.1×0.289=0.32 MPa。

2 計(jì)算過程

圖1 檢修集水井承壓進(jìn)人門橫剖面視圖

由于檢修集水井承壓進(jìn)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(shè)在一起，水工廠房專業(yè)已計(jì)算了它們的剛強(qiáng)度，因此本文著重介紹承壓進(jìn)人密封門蓋板的強(qiáng)度與剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算。承壓進(jìn)人密封門由下部面板20、主梁17（14號(hào)工字鋼）和邊梁（14號(hào)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(qiáng)度計(jì)算。將進(jìn)人密封門蓋板按平板鋼閘門考慮，計(jì)算引用NB/T 35055-2015《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》，蓋板的局部彎曲應(yīng)力按四邊固定的彈性薄板承受均布荷載計(jì)算。由于進(jìn)人門為正方形，兩個(gè)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(jì)算（面板在圖1的編號(hào)為20）。

式中：

a、b——面板計(jì)算區(qū)格的短邊和長(zhǎng)邊長(zhǎng)度，a=245 mm，b=245 mm；

k——彈性薄板支撐長(zhǎng)邊中點(diǎn)彎應(yīng)力系數(shù)，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(diào)整系數(shù)，當(dāng)b/a≤3時(shí)，琢為1.5；

q——面板計(jì)算區(qū)格中心點(diǎn)的水壓力強(qiáng)度，q計(jì)算取設(shè)計(jì)壓力0.32 MPa；

[滓]——Q235B鋼板的抗彎許用應(yīng)力。DL/T 5039-95規(guī)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(fù)偏差，因此啄＝4.96+2.5+1.5=8.96 mm。另外，在主梁兩側(cè)一定范圍寬度（見有效寬度B的計(jì)算）的面板與主梁17一道發(fā)揮了受力和抗彎作用，為安全起見并留有適當(dāng)裕度，啄＝12 mm。

（2）主梁計(jì)算

將長(zhǎng)邊方向且位置居中的梁作為主梁（詳見圖2中部編號(hào)17的梁）。因?yàn)橹虚g主梁的間距最大，且其彎矩最大，因此僅計(jì)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(jì)算區(qū)格的邊長(zhǎng)。

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

3）內(nèi)力計(jì)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(jì)算：

其中b1、b2分別為中間主梁與兩側(cè)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(shù)，查NB/T35055-2015第71頁(yè)附錄H表H.0.2，灼1=0.89；b0為梁肋的寬度，即14號(hào)工字鋼翼緣板寬度（70 mm）。根據(jù)《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)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(hào)工字鋼的橫截面積為2 151.6 mm2）

③對(duì)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(qiáng)度計(jì)算

①?gòu)澢龖?yīng)力強(qiáng)度計(jì)算：

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

②剪應(yīng)力計(jì)算：

式中，子為主梁剪應(yīng)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(yīng)力復(fù)核計(jì)算：

因?yàn)槊姘宓倪呴L(zhǎng)b/a=1<1.5，

綜合應(yīng)力：

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

滓ox為對(duì)應(yīng)于面板驗(yàn)算點(diǎn)的主梁上翼緣的整體彎曲應(yīng)力，上面計(jì)算得出，為23.91（N/mm2）；

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

由于綜合應(yīng)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(qiáng)度（即應(yīng)力）均能滿足要求。

6）主梁剛度計(jì)算（即撓度fmax計(jì)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(jié)論

經(jīng)過上述計(jì)算，表明承壓進(jìn)人密封門蓋板的受力（包括彎矩）最大的主梁的正應(yīng)力（拉、壓應(yīng)力）、剪切應(yīng)力和綜合應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力。另外，通過對(duì)受彎矩最大的主梁撓度值計(jì)算，表明主梁的撓度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定允許撓度。因此承壓進(jìn)人密封門蓋板的剛強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

[1]NB/T 35055-2015水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)：金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1988.

[3]GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

TV738

：A

：1672-5387（2017）03-0030-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.009

2016-12-23

時(shí)天富（1965-），男，高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)電設(shè)計(jì)工作。