构皮滩水电站升船机重力式闸门锁定装置受力分析及加固处理

宋金育，耿克普，李航宇

(1.构皮滩水电站，贵州 遵义 550000;2.杭州国电机械设计研究院有限公司，杭州 310030)

1 工程概况

构皮滩水电站通航建筑物工程由3座钢丝绳卷扬提升式垂直升船机和2级渠道组成，垂直升船机结构形式与我国多数升船机类似［1－4］，但其通航水头为199 m，通航线路总长2 306 m，设计代表船型为500t级机动驳，是目前国内提升高度最高、通航线路最长的升船机工程。该工程第2级升船机提升高度为127 m，布置于2级渠道中间，渠道内水位恒定不变，为固定水头，因此第2级升船机上下游闸首设计为固定式，即闸首安装高程固定不变，并通过埋件将其固定于混凝土建筑物［5－6］。

第2级升船机上下游闸首设备包括钢闸首、工作闸门及其固定卷扬式启闭机、检修闸门及其固定式卷扬式启闭机、工作闸门导向架及锁定装置、检修闸门导向架及锁定装置。工作闸门和检修闸门采用了构造简单的重力式闸门，摒弃了传统液压推杆形式的闸门，具有结构形式简单、受力明确、易安装、便于检修维护的特点，具有较强的实用性。

因工作闸门和检修闸门为重力式结构，故闸门锁定装置的机械锁采用了单自由度无约束形式，即重力作用下闸门可自锁，提升闸门后手动可解除锁定，构造简单、易操作。

2 受力分析

构皮滩水电站第2级升船机下闸首整体结构如图1所示。船只通行时工作闸门处于最高位即锁定状态，此时锁定装置机械锁头被提升力顶开，当锁头凸台高于机械锁时，进入锁定状态，工作闸门与锁定装置装配关系如图2所示。

本文仅分析锁定装置结构自身的受力特性。工作闸门及锁定装置材质均为Q235钢，强度设计指标均采用 GB 50017—2003《钢结构设计规范》［7］(以下简称GB 50017—2003)3.4节中的指标。

图1 第2级升船机下闸首整体结构Fig.1 Overall structure of the lower lock head of the second-stage ship lift

图2 工作闸门与锁定装置装配关系Fig.2 Assembly relationship of the main gate and the locking device

2.1 机械锁受力分析

锁定装置工作时，假定除机械锁以外的所有部件均为刚性体且仅考虑平面内的变形情况，仅计算分析机械锁及销轴的承载力及安全系数。

由图3可知，锁定工作状态时机械锁的破坏形式为受压破坏，销轴的破坏形式为剪切破坏。

根据受压破坏的形式，依照GB 50017—2003式5.1.1 计算正应力。

式中：σ为正应力;N为轴心压力;An为正截面有效面积。

代入数据可得 σ=14.77 MPa，小于设计值215.00 MPa，机械锁安全且安全系数较高。

根据销轴剪切破坏形式，依照GB 50017—2003式4.1.2计算剪应力。

式中：τ为剪应力;V为剪力;s为毛截面对中和轴面积矩;I为毛截面惯性矩;tw为腹板厚度。

代入数据可得 τ=15.46 MPa，小于设计值110.00 MPa，销轴安全且安全系数较高。

图3 锁定工作状态Fig.3 Locking condition

通过计算可知，机械锁自身强度高，安全系数大，不会发生破坏。锁定自由状态受力较小，此处不做计算。

2.2 连接架受力分析

锁定装置通过连接架向混凝土基础传力，因此，工作闸门的自重通过机械锁全部传递至连接架;同时，由于机械锁万向转动，连接架侧板底部整体性被破坏(如图4所示)，局部受力不均匀，将直接引起连接失效而导致底部开口扩大，使得机械锁无法正常工作，出现工作闸门脱落的危险情况。因此，连接架的受力分析非常重要，要提前预判安全薄弱点并采取加固措施。

图4 连接架结构Fig.4 Connecting frame structure

对连接架底部支座局部受力和侧板与横板焊缝受力进行分析，将理论计算值与许用应力进行比较，为加固方案提供理论计算依据。

由于机械锁的安全系数较高，因此假定机械锁为刚性体，即闸门重力全部由连接架承担并传递。

(1)由图3、图4可知，底部支座局部受力破坏形式为受弯破坏，破坏断裂面判断在支座顶面处。根据 GB 50017—2003式4.1.1(仅考虑平面内受力)进行计算。

式中：Mx为截面弯矩;γx为截面塑性发展系数，取1.05;Wnx为截面模量;f为钢材抗弯强度设计值。

(2)由图4可知，侧板与横板连接焊缝在水平力作用下的破坏形式为正截面受拉破坏，连接焊缝长度方向垂直于受力方向，根据GB 50017—2003式7.1.3－1可知，焊缝计算长度取值将直接影响焊缝受力大小。

式中;σf为焊缝截面正应力;N为轴心拉力;he为焊脚计算高度;lw为焊缝影响区域长度;βf为强度增大系数，取 1.0;fwf为焊缝抗拉强度设计值。

不同焊缝影响区域长度下的焊缝应力计算结果见表1，由表1可知，焊缝影响区域长度较短时(0～30 mm)，焊缝应力超过许用应力，为最危险点，应重点关注。当焊缝影响区域长度大于50 mm时，整条焊缝受力偏于安全。计算结果与工程实际中出现的问题相吻合。

表1 焊缝应力计算结果Tab.1 Weld stress calculation results MPa

3 数值模拟分析

为进一步验证理论分析的准确性，对连接架进行有限元建模，运用Abaqus有限元软件对焊缝处进行受力分析。Abaqus连接架建模如图5所示(为重点考虑连接架底部侧板与横板连接焊缝受力情况，对图4所示结构进行了简化)。

在Abaqus中依次通过实体建模—输入本构关系—网格划分—施加荷载等步骤进行模拟分析，应力计算云图如图6所示。

图5 连接架建模图Fig.5 Connecting frame modeling

图6 连接架计算应力云图Fig.6 Calculated stress cloud of the connection frame

通过数值模拟分析可知：有限元输出结果与表1中手动理论计算结果接近，即焊缝影响区域长度越短应力值越大;同时，在闸门自重作用下，侧板开口呈现逐渐增大趋势，将导致机械锁与锁头脱钩，使结构处于不安全状态。

4 补强措施

通过数值模拟分析可知，连接架在闸门自重作用下存在2处安全隐患点，即底部支座处和侧板与横板连接焊缝处。根据计算结果及工程实际经验，对上述2处危险点提出如下补强措施。

(1)提高底部支座截面抵抗矩。1)在侧板背面贴一块约20 mm厚的钢板(如图7所示)，应力可降至原状态下的1/4，能够满足强度要求。2)考虑到机械锁单自由度万向转动工艺要求，在2块侧板(即图5所示侧板完整度被破坏部位)之间通长设置加强板，以连接2块侧板，提高整体性，避免开口增大，此时可在外侧手动调节机械锁的转动。

图7 侧面设置加强板补强方案Fig.7 Repairing scheme by adding reinforcement ribs on the side

(2)在侧板与横板连接焊缝处设置加强筋板，在横板下表面处开始设置第1组，考虑焊接操作空间，第2组加强筋板应尽量靠近第1组(如图8所示)，焊缝长度大于50 mm时可不设置加强筋板。

图8 设置加强筋板补强方案Fig.8 Repairing scheme by adding reinforcement ribs

5 效果分析及建议

本文通过对重力式闸门锁定装置的受力分析，找出了薄弱危险点，根据结算结果提出了加固补强方案并应用到工程实践中。结果表明，本文提出的加固补强方案可操作性强，提高了锁定装置的安全性。

针对本工程出现的问题，结合工程安装经验，在升船机闸首锁定装置设计时提出以下建议，供类似工程参考。

(1)对于重力式闸门锁定装置，设计时应优先考虑锁定装置为单钩形式，让其主要受垂直重力，避免出现水平分力而导致开口增大。

(2)本文工程中机械锁安全系数较高，机械锁质量大，手动转动较吃力，今后设计时可减小机械锁尺寸并采用电动轴承抓梁形式，以提高运转的灵活性。