弧形钢闸门构件可靠性研究与结构优化设计

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1、弧形钢闸门构件可靠性研究与结构优化设计第1章绪论1.1研究背景弧形钢闸门由于具有启闭力小、构造简单、运行方便、无门槽等优点被广泛应用在水利工程领域。在工程建设中，对各种荷载和作用估计不足、对结构性能缺乏充分的理解、过低的强度储备、材料性能的腐蚀劣化、施工质量控制水平低劣等诸多因素，是导致结构失效的主要原因，人类为此付出了惨痛代价[1]，对于水工钢闸门结构，水环境作用的影响是最重要的，因为锈蚀已成为其结构破坏的主要因素[2]，直接引起构件断面面积减少、截面应力提高，导致结构承载能力下降，并伴有刚度和稳定性的降低，甚至造成灾难性事故。如

2、GreimanLF[3]统计近百个钢闸门实例，93%存在腐蚀且有50%以上的闸门腐蚀严重。其中较典型的是美国加利福尼亚Folson坝溢洪道弧形闸门关闭中发生垮塌，原因就是锈蚀导致支臂不能承载扭曲弯矩而失稳；在中国，某工程中的钢闸门建成后使用了15年，因受腐蚀其构件承载力降低1/3至2/3，而另一工程的钢闸门建成后使用了10年，就因严重锈蚀而报废[4]；事实上，许多腐蚀严重的钢闸门已经达到或超过了规定的20年或30年的折旧年限，有些甚至达到或超过使用年限仍在超役运行，存在很大安全隐患和失效风险。在调查的131座大坝中，80余座水电站水

3、工钢闸门使用20年以上，超过了62%，40年以上的有25座，接近20%，而且闸门构件普遍存在锈蚀现象，相当部分构件锈蚀3mm以上，局部达到5～6mm，严重部位板厚度平均消弱10mm以上[5]；而国内另一项127扇既有钢闸门锈蚀状况调查表明：涉及构件锈蚀受损导致安全性恶化而进行更新改造的闸门比例高达90%以上。所有锈蚀的闸门构件，锈皮泛起、局部锈坑密布，严重影响水工钢闸门的可靠性运行，威胁人民生命财产安全[6]。因此，开展既有钢闸门锈蚀及其导致构件承载性能退化的机理研究对钢闸门改造更新十分必要。实际工作中，人们往往关注钢闸门设计理论与

4、方法的研究，忽略了钢闸门在使用过程中的锈蚀损伤机理和结构性能演变规律的研究，注重钢闸门安全性方面的研究，忽略了耐久性研究，造成钢闸门使用阶段结构损伤机理、性能演变规律的研究相对滞后，因此，开展水工钢闸门结构的锈蚀机理和抗力的退化规律的研究势在必行，为水工钢闸门的安全运行和维护提供合理的科学依据。1.2研究的目的及意义目前国内在水工钢闸门可靠度的研究方面相对较少，对于钢闸门的单个构件的研究较为深入，但是环境对钢闸门结构可靠度的影响研究并不成熟，环境对闸门的影响主要表现为金属的锈蚀行为，锈蚀的发生对闸门结构材料内部的影响并不明确，单纯将

5、结构的抗力衰减归结为锈蚀引起截面尺寸减小不具有一定的说服力。因此，锈蚀材料的实验分析是阐述钢闸门构件抗力退化真实原因的有效方法，也是支持钢闸门可靠度研究强有力的科学依据；而锈蚀行为的研究，大部分的学者通过统计分析并用年平均锈蚀速率代替闸门的锈蚀速率来描述的，而对锈蚀过程并没有具体的描述，本文通过对既有的国内外锈蚀函数的对比分析，改进并提出了新的锈蚀函数，指导实际工程闸门安全的运行和维护；在维护方面，多数的钢闸门采用先进的防腐技术对既有的钢闸门进行防腐维护，对于锈蚀相对严重的闸门采用更换部分构件或整体结构，因此了解结构对构件敏感性程度

6、显得尤为重要；在更换过程中，设计的方案选择一般按照原设计方案进行，并没有对特定的结构进行优化设计，因此开展闸门更换方案的优化设计对实际工程的更新改造有一定的借鉴意义。..第2章既有水工钢闸门改造分析2.1水工钢闸门改造现状水工钢闸门作为水利工程中的重要组成部分，其安全的运行关系到整个水利工程的安全。目前我国的水利工程建设趋于饱和状态（除西南诸河外），而其中大多数的工程建设是在上世纪70、80年代，如今面临着运行的安全性问题。对于水工钢闸门而言，由于多年的运行，势必造成钢闸门结构有一定的损伤或破坏，即使有些工程建设单位对结构进行了及时

7、的维护和保养，但是由于人们的需求，抬高水位或增加发电量等因素，改变了原有闸门的运行方式，不得不对既有的钢闸门进行更换并重新设计。如怀柔水库西溢洪道闸门，由于其闸门支臂、面板、主梁、次梁等构件锈蚀严重且结构出现多处裂纹以及结构材料S含量超标等因素，进行了闸门重新改造设计[17]；东北地区的丰满水电站建设与伪满时期，泄洪洞事故闸门由于组成构件布置不合理，闸门主轮转动不畅等因素，对该结构进行了重新的改造设计，且对结构形式、构件形式及运行方式进行优化设计，使闸门的结构更加合理，运行方式更加灵活[18]。而有些闸门在更换过程中，设计方案的选择

8、也多种多样，如倒天河溢洪道的弧形闸门在改造过程中，在原结构的基础上，闸门面板两侧割除了46mm及更新了其他的闸门配件，并没有对结构从新的设计，不仅充分的利用了现有的结构，而且在满足要求的基础上，降低了工程的投资[19]。..2.2闸门