水电站检修集水井承压进人密封门刚强度计算

时天富，曹 静，郑翔鹤

（中国电建集团成都勘测设计院有限公司，四川 成都 610072）

水电站检修集水井承压进人密封门刚强度计算

时天富，曹 静，郑翔鹤

（中国电建集团成都勘测设计院有限公司，四川 成都 610072）

传统常规水电站检修集水井承压进人密封门盖板是按GB150钢制压力容器的法兰盖进行设计和计算的，设计时虽然简化了计算，但考虑钢板负偏差和腐蚀余量后检修集水井承压进人密封门盖板十分笨重。以下是某水电站按传统钢制压力容器计算的检修集水井承压进人密封门盖板，重量高达205 kg（1020 mm伊1020 mm伊25 mm）。为了减轻该盖板的重量，使盖板及预埋边框的形状和结构满足与检修集水井承压钢筋混凝土顶板联合受力的要求，该钢结构部件宜按板梁结构设计。按此方法设计的集水井承压进人密封门盖板重量仅为120 kg左右。该检修集水井承压进人密封门盖板设计方案既能满足受力时的刚强度要求，减轻了部件重量，方便了检修搬运，同时外观又十分美观，对其他水电站检修集水井承压进人密封门盖板设计计算有较大的借鉴价值。

主梁；次梁；面板；区格；截面惯性矩I；截面抗弯模量；刚度和挠度

1 前言

某水电站检修集水井承压进人密封门水平布置

▽在 82.8 m高程、600 mm厚的集水井上方钢筋混凝

土顶板上（具体布置详见图1），其最小进人尺寸为

0.8 m（长）×0.8 m（宽）。当机组检修需放空蜗壳和尾水管时，水轮机流道内的积水可通过打开的尾水管排水盘形阀和排水廊道（或排水总管）排至检修集水井内。承压进人密封门设计时应考虑某些特殊工况，如水轮机流道内的积水排至集水井的速度远远大于检修排水泵的抽排速度，或尾水管排水盘形阀关闭不严漏水，此时检修集水井进人密封门需承受来自尾水的水压。该电站尾水校核洪水位为111.68 m，该水位与检修集水井承压进人密封门安装位置的高差间形成28.88 m水柱压力（约0.289 MPa）。其设计压力Pc按压力容器进人门工作压力1.1倍考虑，则Pc=1.1×0.289=0.32 MPa。

2 计算过程

图1 检修集水井承压进人门横剖面视图

由于检修集水井承压进人密封门门框1已与集水井上方的600 mm厚钢筋混凝土顶板埋设在一起，水工厂房专业已计算了它们的刚强度，因此本文着重介绍承压进人密封门盖板的强度与刚度的设计计算。承压进人密封门由下部面板20、主梁17（14号工字钢）和边梁（14号槽钢）等组成，上部5 mm厚的花纹钢板用塞焊的方法与主梁17、边梁槽钢焊在一起，该板可方便行人走路，不参与刚强度计算。将进人密封门盖板按平板钢闸门考虑，计算引用NB/T 35055-2015《水电工程钢闸门设计规范》，盖板的局部弯曲应力按四边固定的弹性薄板承受均布荷载计算。由于进人门为正方形，两个方向梁的布置及间隔完全相同，因此其横剖面图可参见图1。

（1）面板厚度啄按下式计算（面板在图1的编号为20）。

式中：

a、b——面板计算区格的短边和长边长度，a=245 mm，b=245 mm；

k——弹性薄板支撑长边中点弯应力系数，查NB/T35055-2015附录H中表H.0.1-1取值。b/a=1.0，因此k=0.308；

琢——弹塑性调整系数，当b/a≤3时，琢为1.5；

q——面板计算区格中心点的水压力强度，q计算取设计压力0.32 MPa；

[滓]——Q235B钢板的抗弯许用应力。DL/T 5039-95规范中第1组啄=0～16 mm，[滓]=160 MPa。

考虑腐蚀余量2.5 mm和1.5 mm的厚度负偏差，因此啄＝4.96+2.5+1.5=8.96 mm。另外，在主梁两侧一定范围宽度（见有效宽度B的计算）的面板与主梁17一道发挥了受力和抗弯作用，为安全起见并留有适当裕度，啄＝12 mm。

（2）主梁计算

将长边方向且位置居中的梁作为主梁（详见图2中部编号17的梁）。因为中间主梁的间距最大，且其弯矩最大，因此仅计算中间主梁。

图2 盖板横剖视图

其中：920 mm为螺栓孔间距，245 mm为主梁之间计算区格的边长。

2）最中间主梁所受的载荷（简化为线性载荷）：1）中间主梁的受力F（均布向上）：

3）内力计算

最中间主梁所受最大弯矩MMAX和最大剪力

4）截面特性

①面板参与主梁作用的有效宽度B的计算：

其中b1、b2分别为中间主梁与两侧相邻主梁的间距，均为245 mm；啄为面板厚度，为12 mm；灼1为有效宽度系数，查NB/T35055-2015第71页附录H表H.0.2，灼1=0.89；b0为梁肋的宽度，即14号工字钢翼缘板宽度（70 mm）。根据《水电工程钢闸门设计规范》NB/T35055-2015可知：

面板参与主梁作用的有效宽度：

且 满足 B≤60啄+b0=60×12+70=790 mm （Q235B），因此面板参与主梁作用的有效宽度B=218.1 mm是正确的（详见图3）。；

图3

②主梁横截面积A：

A=218.1×12+2 151.6=4 768.8 mm2

（其中14号工字钢的横截面积为2 151.6 mm2）

③对面板外缘的面积矩S0-0：

S0-0=218.1×12×6+2 151.6×82=192 134.4 mm3

④中和轴距面板外缘和后缘距离y1和y2：

中和轴距面板外缘和后缘距离y1：

中和轴距后缘的距离y2：

⑤截面惯性矩I：

⑥截面抗弯模量W1和W2：

⑦主梁面积矩S：

5）强度计算

①弯曲正应力强度计算：

主梁面板外缘压应力和后翼缘板拉应力均小于Q235第1组的许用应力为160 MPa，因此拉压应力满足强度要求。

②剪应力计算：

式中，子为主梁剪应力，Q为主梁支座处剪力（N），S为主梁面积矩（mm3），I为主梁截面惯性矩（mm4），啄为主梁腹板厚度（mm）。

③综合应力复核计算：

因为面板的边长b/a=1<1.5，

综合应力：

式中：滓mx为垂直于主梁轴线方向面板支撑长边中点的局部弯曲应力，滓my为面板沿主梁轴线方向的局部弯曲应力，滓my=滋滓mx=0.3×41.01=12.30（N/mm2）；

滓ox为对应于面板验算点的主梁上翼缘的整体弯曲应力，上面计算得出，为23.91（N/mm2）；

a=245 mm，b=245 mm，b/a=1.0，因此查表内插取值K=0.308；q=0.32 MPa，啄=12 mm。

由于综合应力滓zh=59.82＜264（N/mm2），而其它主梁所受的水压力比最中间主梁所受水压力小，因此主梁的强度（即应力）均能满足要求。

6）主梁刚度计算（即挠度fmax计算）

其中：q为主梁均布载荷（N/mm）；l为主梁支撑跨度（mm），取920 mm；

E为钢材弹性模量（N/mm2）；I为主梁截面惯性矩（mm4）。

3 结论

经过上述计算，表明承压进人密封门盖板的受力（包括弯矩）最大的主梁的正应力（拉、压应力）、剪切应力和综合应力均小于其许用应力。另外，通过对受弯矩最大的主梁挠度值计算，表明主梁的挠度远远小于规范规定允许挠度。因此承压进人密封门盖板的刚强度满足规范要求。

[1]NB/T 35055-2015水电工程钢闸门设计规范[S].

[2]水电站机电设计手册：金属结构[M].北京：中国水利水电出版社，1988.

[3]GB50017-2003钢结构设计规范[S].

TV738

：A

：1672-5387（2017）03-0030-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.009

2016-12-23

时天富（1965-），男，高级工程师，从事水电站机电设计工作。