反復(fù)荷載下水電站閘室鋼梁擾動特征點的物理模型試驗研究

王 偉，杜艷艷

(遼寧天陽工程技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 1100001)

水電站閘室鋼梁擾動變化是影響閘室穩(wěn)定性的主要因素，在水電站閘室工程設(shè)計中需要對反復(fù)荷載下的水電站鋼梁擾動的變化特征點進行分析和計算。當(dāng)前，國內(nèi)許多學(xué)者主要采用理論計算方程對水電站鋼梁擾動的變化特征進行設(shè)計計算[1- 6]，但是理論計算值與實際值之間的差距分析較少且缺乏系統(tǒng)性，近些年來，物理模型試驗的方式用來測定水工建筑物鋼梁穩(wěn)定性的特征變化[7- 9]，試驗結(jié)果被用來同理論計算值進行對比，這種方式可以有效解決理論計算值帶來的誤差，從而對理論計算方程進行相應(yīng)的調(diào)整和修改。為此本文以某設(shè)計水電站閘室為分析實例，結(jié)合物理模型試驗的方式分析反復(fù)荷載下水電站閘室鋼梁擾動的特征點變化。研究成果對于水電站閘室鋼梁穩(wěn)定性設(shè)計提供參考。

1 閘室鋼梁擾動特征點理論計算方程

反復(fù)荷載下水電站閘室鋼梁擾動需要對以下幾個特征點進行計算，首先需要對鋼梁梁擾屈服度進行計算，計算方程為：

(1)

式中，My—單位長度下鋼體柱面彎矩受力，kPa;H0—鋼體柱面受到的橫向荷載到底部根柱的距離，m。

鋼體屈服度計算時，需要對其變形位移進行確定，計算方程為：

Δy，M=Δfy+Δsy+Δvy

(2)

式中，Δfy、Δsy、Δvy—不同受力程度下的屈服變形量，mm。

鋼梁擾動屈服時的變形量計算方程為：

(3)

式中，Φy—鋼梁擾動屈服變形率。

鋼梁梁擾滑動變形位移計算方程為：

(4)

式中，db—鋼梁擾動變動直徑，mm；fy—屈服滑動變形程度；σ—鋼體之間的截面應(yīng)力，kPa；fc—鋼體之間的軸心間距的抗荷載強度，kPa。

計水閘的鋼體彈性變形量的計算方程為：

(5)

式中，Ag—鋼體截面的面積，cm2；G—鋼體剪切的彈性模量。My同方程(1)中變量含義。

此外還需要對設(shè)計水閘閘室鋼體擾動的荷載峰值點進行計算，計算方程為：

(6)

式中，Tmax—鋼體剪切面受到的最大荷載，kPa；n—鋼體軸向壓縮系數(shù)；λ—剪切程度比例系數(shù)；ρsh—設(shè)計水閘閘室鋼體捆扎比例；其他變量同上述方程中的變量含義。

設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動的剪切度破壞特征點的計算方程為：

(7)

式中各變量均同上述方程中的變量含義。

2 反復(fù)荷載下水電站閘室鋼梁擾動的物理模型試驗分析

2.1 試驗鋼梁基本特征值

本文以遼寧中部某設(shè)計水電站閘室為研究工程實例，并將該設(shè)計閘室鋼梁分組6個試驗組件，各組件的基本特征值和主要的性能指標見表1和表2。結(jié)合各個組件鋼梁基本特征值和性能指標參數(shù)，對反復(fù)荷載下各個組件的鋼梁擾動特征點進行試驗分析。

表1 試驗鋼梁基本特征值

表2 試驗鋼梁的主要性能指標 單位：kPa

2.2 試驗鋼梁基本特征值試驗值與計算值結(jié)果對比

為對比分析設(shè)計鋼梁擾動特征試驗值與理論計算值之間的差異，分別對各個組件的屈服彎矩和極限彎矩進行了試驗測定和理論計算，對比結(jié)果見表3。

表3 不同組件設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動試驗值與理論計算值對比 單位：kN·m

注：My表示為試驗測定屈服彎矩；Mu表示為試驗測定極限彎矩；My*和Mu*表示為理論計算值。

從表3中可以看出，試驗測定的屈服和極限彎矩和理論計算值之間的對比率在0.935～1.044之間，理論計算值和試驗測定值的吻合度較高?？梢?，理論計算方程在設(shè)計水閘屈服彎矩和極限彎矩具有較好的適用性，在水閘工程設(shè)計時，可以應(yīng)用鋼梁擾動特征點計算方程來分析和計算鋼梁擾動的特征點。

2.3 反復(fù)加載設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動孔隙比試驗分析

考慮到設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動對孔隙比的影響，結(jié)合孔隙比試驗，分析不同荷載強度下水閘閘室鋼梁動對孔隙比變化程度，試驗分析結(jié)果見表4和圖1。

從表4中可以看出，隨著荷載程度的增加，其均勻荷載和反復(fù)荷載下的孔隙比變化幅度逐步增加，這主要是因為在反復(fù)荷載下設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動的梯度變化所致，隨著荷載的增加，設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動的梯度變化增加，使得不同荷載程度下，相比于均勻荷載，反復(fù)荷載下設(shè)計水閘閘室鋼梁孔隙比隨時間變幅度逐步增大。從圖1中也可看出，當(dāng)荷載從50kPa增加到200kPa，反復(fù)荷載和均勻荷載下的孔隙比都逐漸增加的趨勢，且反復(fù)荷載下的孔隙比變幅大于均勻荷載下的孔隙比變幅。

2.4 反復(fù)荷載下計水閘閘室鋼梁擾動特征點試驗分析

結(jié)合物理模型試驗對各個組件的反復(fù)荷載下設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動的特征點進行試驗分析，分析結(jié)果見表5。

圖1 不同荷載下的水閘室鋼梁擾動孔隙比隨時間變化過程

表5 水閘閘室鋼梁擾動特征點試驗結(jié)果

從表5中可以看出，隨著反復(fù)荷載程度的增加，鋼梁屈服度和不同方向的剪切位移也逐步增加，但增加幅度較小，這主要是因為隨著設(shè)計水閘閘室鋼梁反復(fù)荷載的增加，不同試驗組件下各鋼梁擾動的特征點變動范圍較為一致，反復(fù)加載下各組件的擾動效應(yīng)有所弱化，使得隨著荷載程度的增加，其鋼梁擾動變化影響較小。

2.5 反復(fù)荷載下設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動抗剪破壞試驗分析

結(jié)合抗剪破壞試驗，分析了反復(fù)荷載下設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動的抗剪破壞試驗，試驗分析結(jié)果見表6。

表6 反復(fù)荷載下設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動抗剪破壞試驗結(jié)果

從表6中可以看出，設(shè)計水閘鋼梁擾動循環(huán)次數(shù)增加，鋼梁擾動受損影響逐漸變小，這表明隨著反復(fù)荷載次數(shù)的增加，在不同荷載強度下，鋼梁擾動破壞效應(yīng)有所弱化。鋼梁反復(fù)荷載程度越大，設(shè)計水閘鋼梁擾動破壞效應(yīng)弱化越為明顯。

3 結(jié)論

本文結(jié)合物理模型試驗分析反復(fù)荷載下水電站水閘閘室擾動特征點的變化，試驗分析取得以下結(jié)論：

(1)不同反復(fù)荷載強度對鋼梁擾動變化影響較為明顯，相比于均勻荷載，反復(fù)荷載下鋼體擾動變化的抗剪破壞程度有所弱化。

(2)鋼梁擾動的的理論計算值與試驗測定值較為吻合，可在工程設(shè)計時結(jié)合理論計算方程對設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動的特征點進行分析和計算。

(3)反復(fù)荷載下，隨著荷載強度增加，設(shè)計水閘閘室鋼梁擾動孔隙比變幅逐步增加，工程設(shè)計中應(yīng)合理設(shè)置反復(fù)荷載強度，減小水閘閘室的鋼梁孔隙比。

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