基于水電站閘室不同試驗分組下擾動試驗測定值對比探析

林蘭蘭

(營口奕東水利勘測設計有限公司，遼寧 營口 115000)

0 前 言

水電站閘室鋼梁受荷載影響較大，荷載越大水電站閘室鋼梁擾動特征越明顯[1]。因此在進行水電站閘室設計時，需要對鋼梁的擾動特征進行分析，從而設計最大能承受的荷載，保障水電站的安全運行[2]。當前，對于水電站閘室鋼梁擾動特征主要采用反復荷載的計算方法進行探討[3-10],但該方法需要進行鋼梁擾動參數的設置，其參數設置也是反復荷載計算的難點所在，有一些學者主要通過物理模型方式在一些鋼梁結構擾動特征進行分析，但在水利工程方面應用還較少，為此文章基于物理模型對水電站閘室鋼梁擾動特征進行分析，并探討該方式對其擾動參數的影響。研究成果對于水電站閘室穩定性設計具有重要參考意義。

1 研究方法

采用物理模型方法對水電站閘室鋼梁梁擾屈服度進行計算，其計算方程為：

(1)

式中：My為鋼梁擾動受力，kPa；H0為鋼梁擾動橫向荷載間距，m。剛體屈服度計算時，需對其變形位移進行計算，其計算方程為：

△y,M=△fy+△sy+△vy

(2)

式中：△fy、△sy、△vy分別為不同受力情況下的屈服變形量，mm。

鋼梁擾動屈服時的變形量計算方程為：

(3)

鋼梁梁擾滑動變形位移的計算方程為：

(4)

水閘的剛體彈性變形量的計算方程為：

(5)

式中：Φ為鋼梁擾動屈服變形率，mm；fy為鋼梁滑變形程度；fc為水電站閘室剛體之間的軸心間距的抗荷載強度，kPa；db為鋼梁擾動變動直徑，mm；fy為屈服滑動變形程度；σ為鋼體之間的截面應力，kPa；Ag為剛體截面面積，cm2；G為剛體剪切的彈性模量；My為鋼梁擾動受力，kPa。對水電站閘室剛體擾動的峰值荷載點進行計算，其方程為：

(6)

式中：Tmax為水電站閘室剛體剪切面受到的荷載最大值，kPa；n為剛體軸向壓縮系數；λ為剪切程度比例系數；ρsh為水閘閘室剛體捆扎比例，g/cm3。水電站閘室鋼梁擾動的剪切度破壞特征點方程為：

(7)

3 水電閘室鋼梁擾動特征分析

3.1 鋼梁擾動試驗指標

基于物理模型試驗方法，遼寧地區某水電站閘室為具體工程實例，對其閘室鋼梁擾動進行試驗指標進行分析，水電站閘室鋼梁擾動試驗指標，見表1；水電站閘室鋼梁強度試驗指標，見表2。

表1 水電站閘室鋼梁擾動試驗指標

表2 水電站閘室鋼梁強度試驗指標

3.2 擾動特征值計算對比

對不同試驗分組下水電站閘室的鋼梁擾動計算值進行差異對比，不同試驗分組下擾動試驗測定值和理論計算值差異對比結果，見表3。

表3 不同試驗分組下擾動試驗測定值和理論計算值差異對比結果

從不同試驗分組下擾動試驗測定值和理論計算值差異對比結果可看出，水電站閘室擾動特征試驗測定的屈服彎矩以及極限彎矩和理論計算值具有較好的吻合度，表明物理模型試驗結果較為合理。在具體水電站閘室工程設計時，可綜合采用鋼梁擾動的理論方程和物理模型進行綜合對比，確定其擾動的特征點。

3.3 鋼梁擾動孔隙特征試驗分析

采用物理模型試驗方法對不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動的孔隙特征進行試驗分析，不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動的孔隙特征試驗結果，見表4。

表4 不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動的孔隙特征試驗結果

從不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動的孔隙特征試驗結果可看出，水電站閘室鋼梁擾動孔隙比隨著不同荷載的增加而逐步加大，這主要是因為鋼梁擾動梯度影響了其孔隙比的變化，鋼梁擾動梯度增加使得不同荷載條件下的孔隙比增幅較大。當荷載從54kpa遞增到216kPa后，其不同荷載條件下的水電閘室鋼梁擾動孔隙不逐步提高，均勻荷載條件下的孔隙變化幅度低于反復荷載條件下的孔隙比變化幅度[11-13]。

3.4 不同荷載條件下鋼梁擾動強度試驗

結合物理模型試驗對各個組件的反復荷載下設計水閘閘室鋼梁擾動的特征點進行試驗分析，不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動強度試驗結果，見表5。

表5 不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動強度試驗結果

從不同荷載條件下水電站閘室鋼梁擾動強度試驗結果可看出，水電站閘室鋼梁屈度隨著荷載的增加而逐步提升，但遞增幅度有所下降，這主要是受到鋼梁擾動荷載反復影響所致，各試驗荷載條件下水電站閘室的擾動變化范圍較為接近，鋼梁擾動效應受反復荷載影響有所減小，鋼梁擾動變化幅度隨著荷載增加而有所下降。

3.5 不同荷載條件下鋼梁擾動抗剪切試驗

對不同荷載條件下的水電站閘室擾動抗剪切特征進行試驗分析，不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗結果，見表6。

表6 不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗結果

從不同荷載條件下水電站閘室抗剪試驗結果可看出，水電站閘室鋼梁擾動損傷系數隨著循環次數遞增而有所減小，這表明隨著荷載加載次數的提高，其不同荷載條件下的鋼梁擾動效應降低。水電站閘室鋼梁擾動隨著荷載加大而抗剪切能力也相應降低。

4 結 語

1)在具體水電站閘室工程設計時，可綜合采用鋼梁擾動的理論方程和物理模型進行綜合對比，確定其擾動的特征點。

2)水電站閘室鋼梁擾動孔隙比隨著不同荷載的增加而逐步加大，這主要是因為鋼梁擾動梯度影響了其孔隙比的變化，鋼梁擾動梯度增加使得不同荷載條件下的孔隙比增幅較大。

3)水電站閘室鋼梁屈度隨著荷載的增加而逐步提升，但遞增幅度有所下降，這主要是受到鋼梁擾動荷載反復影響所致，各試驗荷載條件下水電站閘室的擾動變化范圍較為接近，鋼梁擾動效應受反復荷載影響有所減小，鋼梁擾動變化幅度隨著荷載增加而有所下降。