弧形鋼閘門構(gòu)件可靠性研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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1、弧形鋼閘門構(gòu)件可靠性研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)第1章緒論1.1研究背景弧形鋼閘門由于具有啟閉力小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行方便、無門槽等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在水利工程領(lǐng)域。在工程建設(shè)中，對(duì)各種荷載和作用估計(jì)不足、對(duì)結(jié)構(gòu)性能缺乏充分的理解、過低的強(qiáng)度儲(chǔ)備、材料性能的腐蝕劣化、施工質(zhì)量控制水平低劣等諸多因素，是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要原因，人類為此付出了慘痛代價(jià)[1]，對(duì)于水工鋼閘門結(jié)構(gòu)，水環(huán)境作用的影響是最重要的，因?yàn)殇P蝕已成為其結(jié)構(gòu)破壞的主要因素[2]，直接引起構(gòu)件斷面面積減少、截面應(yīng)力提高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降，并伴有剛度和穩(wěn)定性的降低，甚至造成災(zāi)難性事故。如

2、GreimanLF[3]統(tǒng)計(jì)近百個(gè)鋼閘門實(shí)例，93%存在腐蝕且有50%以上的閘門腐蝕嚴(yán)重。其中較典型的是美國(guó)加利福尼亞Folson壩溢洪道弧形閘門關(guān)閉中發(fā)生垮塌，原因就是銹蝕導(dǎo)致支臂不能承載扭曲彎矩而失穩(wěn)；在中國(guó)，某工程中的鋼閘門建成后使用了15年，因受腐蝕其構(gòu)件承載力降低1/3至2/3，而另一工程的鋼閘門建成后使用了10年，就因嚴(yán)重銹蝕而報(bào)廢[4]；事實(shí)上，許多腐蝕嚴(yán)重的鋼閘門已經(jīng)達(dá)到或超過了規(guī)定的20年或30年的折舊年限，有些甚至達(dá)到或超過使用年限仍在超役運(yùn)行，存在很大安全隱患和失效風(fēng)險(xiǎn)。在調(diào)查的131座大壩中，80余座水電站水

3、工鋼閘門使用20年以上，超過了62%，40年以上的有25座，接近20%，而且閘門構(gòu)件普遍存在銹蝕現(xiàn)象，相當(dāng)部分構(gòu)件銹蝕3mm以上，局部達(dá)到5～6mm，嚴(yán)重部位板厚度平均消弱10mm以上[5]；而國(guó)內(nèi)另一項(xiàng)127扇既有鋼閘門銹蝕狀況調(diào)查表明：涉及構(gòu)件銹蝕受損導(dǎo)致安全性惡化而進(jìn)行更新改造的閘門比例高達(dá)90%以上。所有銹蝕的閘門構(gòu)件，銹皮泛起、局部銹坑密布，嚴(yán)重影響水工鋼閘門的可靠性運(yùn)行，威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全[6]。因此，開展既有鋼閘門銹蝕及其導(dǎo)致構(gòu)件承載性能退化的機(jī)理研究對(duì)鋼閘門改造更新十分必要。實(shí)際工作中，人們往往關(guān)注鋼閘門設(shè)計(jì)理論與

4、方法的研究，忽略了鋼閘門在使用過程中的銹蝕損傷機(jī)理和結(jié)構(gòu)性能演變規(guī)律的研究，注重鋼閘門安全性方面的研究，忽略了耐久性研究，造成鋼閘門使用階段結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理、性能演變規(guī)律的研究相對(duì)滯后，因此，開展水工鋼閘門結(jié)構(gòu)的銹蝕機(jī)理和抗力的退化規(guī)律的研究勢(shì)在必行，為水工鋼閘門的安全運(yùn)行和維護(hù)提供合理的科學(xué)依據(jù)。1.2研究的目的及意義目前國(guó)內(nèi)在水工鋼閘門可靠度的研究方面相對(duì)較少，對(duì)于鋼閘門的單個(gè)構(gòu)件的研究較為深入，但是環(huán)境對(duì)鋼閘門結(jié)構(gòu)可靠度的影響研究并不成熟，環(huán)境對(duì)閘門的影響主要表現(xiàn)為金屬的銹蝕行為，銹蝕的發(fā)生對(duì)閘門結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的影響并不明確，單純將

5、結(jié)構(gòu)的抗力衰減歸結(jié)為銹蝕引起截面尺寸減小不具有一定的說服力。因此，銹蝕材料的實(shí)驗(yàn)分析是闡述鋼閘門構(gòu)件抗力退化真實(shí)原因的有效方法，也是支持鋼閘門可靠度研究強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)；而銹蝕行為的研究，大部分的學(xué)者通過統(tǒng)計(jì)分析并用年平均銹蝕速率代替閘門的銹蝕速率來描述的，而對(duì)銹蝕過程并沒有具體的描述，本文通過對(duì)既有的國(guó)內(nèi)外銹蝕函數(shù)的對(duì)比分析，改進(jìn)并提出了新的銹蝕函數(shù)，指導(dǎo)實(shí)際工程閘門安全的運(yùn)行和維護(hù)；在維護(hù)方面，多數(shù)的鋼閘門采用先進(jìn)的防腐技術(shù)對(duì)既有的鋼閘門進(jìn)行防腐維護(hù)，對(duì)于銹蝕相對(duì)嚴(yán)重的閘門采用更換部分構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)，因此了解結(jié)構(gòu)對(duì)構(gòu)件敏感性程度

6、顯得尤為重要；在更換過程中，設(shè)計(jì)的方案選擇一般按照原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，并沒有對(duì)特定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此開展閘門更換方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際工程的更新改造有一定的借鑒意義。..第2章既有水工鋼閘門改造分析2.1水工鋼閘門改造現(xiàn)狀水工鋼閘門作為水利工程中的重要組成部分，其安全的運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)水利工程的安全。目前我國(guó)的水利工程建設(shè)趨于飽和狀態(tài)（除西南諸河外），而其中大多數(shù)的工程建設(shè)是在上世紀(jì)70、80年代，如今面臨著運(yùn)行的安全性問題。對(duì)于水工鋼閘門而言，由于多年的運(yùn)行，勢(shì)必造成鋼閘門結(jié)構(gòu)有一定的損傷或破壞，即使有些工程建設(shè)單位對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了及時(shí)

7、的維護(hù)和保養(yǎng)，但是由于人們的需求，抬高水位或增加發(fā)電量等因素，改變了原有閘門的運(yùn)行方式，不得不對(duì)既有的鋼閘門進(jìn)行更換并重新設(shè)計(jì)。如懷柔水庫西溢洪道閘門，由于其閘門支臂、面板、主梁、次梁等構(gòu)件銹蝕嚴(yán)重且結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多處裂紋以及結(jié)構(gòu)材料S含量超標(biāo)等因素，進(jìn)行了閘門重新改造設(shè)計(jì)[17]；東北地區(qū)的豐滿水電站建設(shè)與偽滿時(shí)期，泄洪洞事故閘門由于組成構(gòu)件布置不合理，閘門主輪轉(zhuǎn)動(dòng)不暢等因素，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新的改造設(shè)計(jì)，且對(duì)結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件形式及運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使閘門的結(jié)構(gòu)更加合理，運(yùn)行方式更加靈活[18]。而有些閘門在更換過程中，設(shè)計(jì)方案的選擇

8、也多種多樣，如倒天河溢洪道的弧形閘門在改造過程中，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，閘門面板兩側(cè)割除了46mm及更新了其他的閘門配件，并沒有對(duì)結(jié)構(gòu)從新的設(shè)計(jì)，不僅充分的利用了現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，而且在滿足要求的基礎(chǔ)上，降低了工程的投資[19]。..2.2閘門