反复荷载下水电站闸室钢梁扰动特征点的物理模型试验研究

王 伟，杜艳艳

(辽宁天阳工程技术咨询服务有限公司，辽宁 沈阳 1100001)

水电站闸室钢梁扰动变化是影响闸室稳定性的主要因素，在水电站闸室工程设计中需要对反复荷载下的水电站钢梁扰动的变化特征点进行分析和计算。当前，国内许多学者主要采用理论计算方程对水电站钢梁扰动的变化特征进行设计计算[1- 6]，但是理论计算值与实际值之间的差距分析较少且缺乏系统性，近些年来，物理模型试验的方式用来测定水工建筑物钢梁稳定性的特征变化[7- 9]，试验结果被用来同理论计算值进行对比，这种方式可以有效解决理论计算值带来的误差，从而对理论计算方程进行相应的调整和修改。为此本文以某设计水电站闸室为分析实例，结合物理模型试验的方式分析反复荷载下水电站闸室钢梁扰动的特征点变化。研究成果对于水电站闸室钢梁稳定性设计提供参考。

1 闸室钢梁扰动特征点理论计算方程

反复荷载下水电站闸室钢梁扰动需要对以下几个特征点进行计算，首先需要对钢梁梁扰屈服度进行计算，计算方程为：

(1)

式中，My—单位长度下钢体柱面弯矩受力，kPa;H0—钢体柱面受到的横向荷载到底部根柱的距离，m。

钢体屈服度计算时，需要对其变形位移进行确定，计算方程为：

Δy，M=Δfy+Δsy+Δvy

(2)

式中，Δfy、Δsy、Δvy—不同受力程度下的屈服变形量，mm。

钢梁扰动屈服时的变形量计算方程为：

(3)

式中，Φy—钢梁扰动屈服变形率。

钢梁梁扰滑动变形位移计算方程为：

(4)

式中，db—钢梁扰动变动直径，mm；fy—屈服滑动变形程度；σ—钢体之间的截面应力，kPa；fc—钢体之间的轴心间距的抗荷载强度，kPa。

计水闸的钢体弹性变形量的计算方程为：

(5)

式中，Ag—钢体截面的面积，cm2；G—钢体剪切的弹性模量。My同方程(1)中变量含义。

此外还需要对设计水闸闸室钢体扰动的荷载峰值点进行计算，计算方程为：

(6)

式中，Tmax—钢体剪切面受到的最大荷载，kPa；n—钢体轴向压缩系数；λ—剪切程度比例系数；ρsh—设计水闸闸室钢体捆扎比例；其他变量同上述方程中的变量含义。

设计水闸闸室钢梁扰动的剪切度破坏特征点的计算方程为：

(7)

式中各变量均同上述方程中的变量含义。

2 反复荷载下水电站闸室钢梁扰动的物理模型试验分析

2.1 试验钢梁基本特征值

本文以辽宁中部某设计水电站闸室为研究工程实例，并将该设计闸室钢梁分组6个试验组件，各组件的基本特征值和主要的性能指标见表1和表2。结合各个组件钢梁基本特征值和性能指标参数，对反复荷载下各个组件的钢梁扰动特征点进行试验分析。

表1 试验钢梁基本特征值

表2 试验钢梁的主要性能指标 单位：kPa

2.2 试验钢梁基本特征值试验值与计算值结果对比

为对比分析设计钢梁扰动特征试验值与理论计算值之间的差异，分别对各个组件的屈服弯矩和极限弯矩进行了试验测定和理论计算，对比结果见表3。

表3 不同组件设计水闸闸室钢梁扰动试验值与理论计算值对比 单位：kN·m

注：My表示为试验测定屈服弯矩；Mu表示为试验测定极限弯矩；My*和Mu*表示为理论计算值。

从表3中可以看出，试验测定的屈服和极限弯矩和理论计算值之间的对比率在0.935～1.044之间，理论计算值和试验测定值的吻合度较高。可见，理论计算方程在设计水闸屈服弯矩和极限弯矩具有较好的适用性，在水闸工程设计时，可以应用钢梁扰动特征点计算方程来分析和计算钢梁扰动的特征点。

2.3 反复加载设计水闸闸室钢梁扰动孔隙比试验分析

考虑到设计水闸闸室钢梁扰动对孔隙比的影响，结合孔隙比试验，分析不同荷载强度下水闸闸室钢梁动对孔隙比变化程度，试验分析结果见表4和图1。

从表4中可以看出，随着荷载程度的增加，其均匀荷载和反复荷载下的孔隙比变化幅度逐步增加，这主要是因为在反复荷载下设计水闸闸室钢梁扰动的梯度变化所致，随着荷载的增加，设计水闸闸室钢梁扰动的梯度变化增加，使得不同荷载程度下，相比于均匀荷载，反复荷载下设计水闸闸室钢梁孔隙比随时间变幅度逐步增大。从图1中也可看出，当荷载从50kPa增加到200kPa，反复荷载和均匀荷载下的孔隙比都逐渐增加的趋势，且反复荷载下的孔隙比变幅大于均匀荷载下的孔隙比变幅。

2.4 反复荷载下计水闸闸室钢梁扰动特征点试验分析

结合物理模型试验对各个组件的反复荷载下设计水闸闸室钢梁扰动的特征点进行试验分析，分析结果见表5。

图1 不同荷载下的水闸室钢梁扰动孔隙比随时间变化过程

表5 水闸闸室钢梁扰动特征点试验结果

从表5中可以看出，随着反复荷载程度的增加，钢梁屈服度和不同方向的剪切位移也逐步增加，但增加幅度较小，这主要是因为随着设计水闸闸室钢梁反复荷载的增加，不同试验组件下各钢梁扰动的特征点变动范围较为一致，反复加载下各组件的扰动效应有所弱化，使得随着荷载程度的增加，其钢梁扰动变化影响较小。

2.5 反复荷载下设计水闸闸室钢梁扰动抗剪破坏试验分析

结合抗剪破坏试验，分析了反复荷载下设计水闸闸室钢梁扰动的抗剪破坏试验，试验分析结果见表6。

表6 反复荷载下设计水闸闸室钢梁扰动抗剪破坏试验结果

从表6中可以看出，设计水闸钢梁扰动循环次数增加，钢梁扰动受损影响逐渐变小，这表明随着反复荷载次数的增加，在不同荷载强度下，钢梁扰动破坏效应有所弱化。钢梁反复荷载程度越大，设计水闸钢梁扰动破坏效应弱化越为明显。

3 结论

本文结合物理模型试验分析反复荷载下水电站水闸闸室扰动特征点的变化，试验分析取得以下结论：

(1)不同反复荷载强度对钢梁扰动变化影响较为明显，相比于均匀荷载，反复荷载下钢体扰动变化的抗剪破坏程度有所弱化。

(2)钢梁扰动的的理论计算值与试验测定值较为吻合，可在工程设计时结合理论计算方程对设计水闸闸室钢梁扰动的特征点进行分析和计算。

(3)反复荷载下，随着荷载强度增加，设计水闸闸室钢梁扰动孔隙比变幅逐步增加，工程设计中应合理设置反复荷载强度，减小水闸闸室的钢梁孔隙比。

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