闸门可靠度鉴定的基础知识

11.1　闸门可靠度鉴定的基础知识

11.1.1　概率极限状态

11.1.1.1　极限状态的定义

闸门整体或闸门某一关键重要部分，超过某一特定状态时就不能满足规定的某一功能(安全性、适用性或耐久性)要求时，此特定状态就称之为功能的极限状态。

11.1.1.2　极限状态的分类

一般情况下，极限状态可分为两类。

1.承载能力极限状态

闸门整体或其中某一关键部分(或重要部件)达到最大承载能力或不能再承载的变形状态，称为承载能力极限状态。

当闸门整体或其中某一关键部分(或重要部件)出现下列情况之一时，即认为超过了承载能力极限状态:

(1)闸门整体或某一关键部分作为刚体失去平衡(如倾倒等)。

(2)闸门中某一关键部分(或重要部件)或连接件因材料强度不足而破坏(含疲劳破坏、过度塑性变形影响了其使用功能等)。

(3)闸门整体变成了几何可变体系。

(4)闸门中某一关键部分(或重要部件)丧失了稳定(如压屈等)。

2.正常使用极限状态

闸门整体或其中某一关键部分(或重要部件)达到正常使用或耐久性能的某项规定极值的状态，称为正常使用极限状态。

当闸门整体或其中某一关键部分(或重要部件)出现下列情况之一时，即认为超过了正常使用极限状态，而丧失了正常使用和耐久性功能:

(1)影响正常使用或外观的闸门整体或其中某一关键部分(含主要部件)变形(如弧门的支臂严重弯曲变形)。

(2)影响正常使用或耐久性能的局部破坏(如止水元件严重老化、磨损或脱落，出现大量漏水;面板严重锈穿;梁隔板严重损伤等)。

(3)影响正常启闭或使用的振动(启闭时由动水压力引起的严重振动)。

(4)影响正常使用的其他特定状态。

11.1.1.3极限状态的计算与验算内容

闸门整体或各部分设计时，一要保证它们不超过其承载能力极限状态，二要保证它们不超过其正常使用极限状态。需要计算和验算的内容有:

(1)闸门整体结构的所有构件都必须进行承载力(含压屈失稳)计算。

处于地震区的水库、水电站工程，尚须进行闸门整体结构及其所有构件的抗震承载力计算。

(2)启闭频繁的闸门吊装构件应进行疲劳强度验算。

(3)对闸门整体及其某些需要控制变形的构件，应进行变形验算。

11.1.1.4按承载能力极限状态的计算方法

参照工民建和水利水电工程的有关规范，一般采用以概率理论(又称为可靠度理论)为基础的极限状态设计法和用多个分项系数表达的计算式进行设计。闸门整体及其各构件的承载能力设计应根据荷载效应(内力)的基本组合和偶然组合进行，其一般表达式为:

式中:γ₀——闸门整体及其各构件的重要性系数，根据闸门的重要程度、使用年限、安全等级等确定;

S——内力组合设计值;

R——闸门整体及其各构件的承载能力设计值(亦称为抗力)。

满足式(11-1)的闸门整体及其各构件就是安全可靠的，就能保证闸门的正常使用功能。

1.关于闸门及其构件的重要性系数γ₀

根据水电工程的重要程度，闸门的大小、设计水头的高低、闸门位置等，亦即依闸门破坏后果的严重程度，我们建议将闸门划分为三个安全等级:水库容量在1亿m³以上、水电站装机容量在30万kW以上，或设计水头在30m以上的大孔口闸门的安全等级可定为一级;水库容量在1000万～1亿m³、水电站装机容量为5～30万kW，或设计水头为10～30m的中孔口闸门的安全等级可定为二级;水库容量在1000万m³以下、水电站装机容量为5万kW以下，或设计水头为10m以下的闸门的安全等级可定为三级。同一闸门的各种构件及其相关设备，其等级与闸门整体的等级相同。

对安全等级为一级或设计使用年限50年及以上的闸门构件，取γ₀≥1.1;

对安全等级为二级或设计使用年限20年及以上的闸门构件，取γ₀≥1.0;

对安全等级为三级或设计使用年限5年及以上的闸门构件，取γ₀≥0.9。

随着科学技术发展，设计施工技术更先进，管理监测水平更高，上述等级标准及系数还可作些调整。

2.关于内力组合设计值S(荷载响应值)

通常采用结构力学方法计算构件截面在荷载作用下产生的内力。作用在构件上的不同荷载会引起不同的荷载响应，所以荷载响应组合可分为基本和特殊(非常)组合。对于基本组合，其计算公式一般可表述为:

式中:S_GK——恒荷载的标准值在计算截面上产生的内力;

S_Q1K、S_QiK——活荷载的标准值在计算截面上产生的内力(其中:S_Q1K为主要活荷载在计算截面上产生的内力，S_QiK为主要活荷载以外的其他活荷载在计算截面上产生的内力);

γ_G——恒荷载分项系数;

γ_Qi——第i个活荷载分项系数;

ψ_ci——第i个活荷载组合系数。

同理，对于特殊组合，其内力的组合设计值可按下面规定:特殊荷载(为地震)的计算值不乘分项系数;与特殊荷载同时出现的活荷载，可依观测资料和工程经验采用适当的设计值。

3.关于闸门构件承载力设计值R

闸门构件承载力设计值的大小，与构件截面的几何尺寸、截面材料等因素有关，它的一般形式为:

式中:f_s——钢材的强度设计值;

a_k——几何参数的标准值。

关于闸门构件承载力极限状态的计算公式，是以荷载标准值和材料强度标准值作为基本指标的，并且用闸门构件重要性系数、荷载分项系数、材料分项系数以及内力组合系数等多个系数参与表达。

11.1.1.5　按正常使用极限状态的验算方法

对于需要控制变形的闸门构件，除了要进行极限承载力计算以外，还要进行正常使用情况下的变形极限状态验算。

正常使用极限状态和承载能力极限状态对应于闸门的两个不同的工作阶段，因而要采用不同的荷载效(响)应代表值和荷载响(效)应组合进行验算和计算。因此，在讨论变形的荷载响(效)应组合时，应该区分荷载效应的标准值和准永久组合。对于闸门构件进行正常使用极限状态的验算时，应该根据不同要求，分别按荷载效(响)应的标准组合、频遇组合或准永久组合并考虑荷载长期作用的影响进行验算，以保证其变形计算值在相应的容许值范围之内。

1.荷载的标准组合和准永久组合

(1)荷载的标准组合

荷载的标准组合计算式为

(2)荷载的频遇组合

荷载的频遇组合计算式为

(3)荷载的准永久组合

荷载的准永久组合计算式为

式中:ψ_qi——第i个可变荷载的准永久值系数。可参考我国《建筑结构荷载规范》中有关结构的系数选取。

2.变形的验算

闸门中受弯构件的挠度验算公式为

式中:f _max——闸门中受弯构件按荷载的标准值组合，并考虑长期作用影响的计算最大挠度;

［f］——规范规定的容许挠度。

11.1.2　荷载

11.1.2.1　荷载的代表值

作用在闸门上的荷载有闸门结构自重、静水压力、动水压力(水柱压力、上托力、下吸力)、波浪压力、泥沙压力、漂浮物撞击力、地震力和风荷载等。这些荷载中有的是永久荷载，有的是可变荷载(含随机性)。

对永久荷载采用标准值作为代表值。永久荷载的标准值可分为两种情况:一是设计时按规范或生产单位所提供的标准值计算，如钢闸门构件自重，可由《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001)附录一查得，钢材自重为78.5kN/m³;二是在校核鉴审时，按实际测试结果进行计算。

对于可变荷载，应根据设计要求或鉴审需要，分别取不同的荷载值作为其代表值。

1.标准值

可变荷载的标准值是可变荷载的基本代表值。一般按规范或实测结果作为代表值。对于上述除结构自重之外的荷载，其标准值都应根据我国《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74-95或DL/ T5039-95)中附录D的要求与公式确定，风荷载按现行《工业与民用建筑结构荷载规范》有关规定采用。

2.组合值

若闸门承受两种以上(如波浪压力、漂浮物撞击力或地震力等)的可变荷载，这两种以上的可变荷载同时达到最大的可能性较小，因此，可以将它们的标准值乘以一个小于1或等于1的荷载组合系数。这种将两种以上的可变荷载标准值乘以荷载组合系数以后的数值，称为可变荷载的组合值。

3.准永久值

可变荷载虽然在设计基准期内其值会随时间而发生变化，但是，不同的可变荷载在闸门上的变化情况不一样。如地震力的作用时间较短，而波浪压力作用的时间较长(主要是对露顶式或称为非淹没式闸门)，则可变荷载在整个设计基准期内，超越的总时间约为设计基准期一半的那部分荷载值，称为该可变荷载的准永久值。该值的大小为可变荷载的标准值乘以荷载准永久值系数。荷载准永久值系数可由有关规范查得。

对于特殊荷载(地震力、波浪力等)应根据试验资料和工程经验综合考虑确定其代表值。

11.1.2.2　荷载分项系数、荷载设计值

1.荷载分项系数

在闸门设计中，一般以材料性能标准值、几何参数标准值以及荷载代表值为基本参量。但是，对应于不同的极限状态和不同的设计与使用要求，对闸门可靠度的要求也不相同。在各类极限状态的表达式中，引入材料性能分项系数和荷载分项系数等多个分项系数来反映不同情况下的可靠度。因此，分项系数是当按极限状态设计时，为了保证所设计的(或现存的)闸门或闸门构件具有规定的可靠度而在计算模式中采用的系数。

荷载分项系数是设计或鉴定审查计算中反映荷载不定性并与闸门可靠度相关联的分项系数。下列为我们建议的一些分项系数参考值。

(1)永久性荷载的分项系数γ_G

若其响(效)应对闸门不利且由可变荷载效应控制的组合，取1.2;

若其效应对闸门不利且由永久荷载效应控制的组合，取1.35;

若其效应对闸门有利，取1.0;

对某些特殊情况，应按有关规范的规定确定。

(2)可变荷载的分项系数γ_Q

一般情况下，可变荷载的分项系数取γ_Q= 1.4。

2.荷载设计值

荷载设计值等于荷载代表值乘以荷载分项系数后的值。只有在按承载力(容许应力)状态设计时才需要考虑荷载分项系数和荷载设计值。在按正常使用极限状态设计中，当按荷载标准值组合时，恒荷载和活荷载都用标准值;当按荷载准永久组合时，恒荷载用标准值，活荷载用准永久值。

11.1.3　材料设计指标取值

11.1.3.1　强度标准值

水工钢闸门在可靠度设计上尚未制定“可靠度设计统一标准”，因此，其材料性能的标准值在《闸门设计可靠度统一标准》制定前，可以参考借用《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001)的规定，把材料性能的标准值f_K作为闸门设计时采用的材料性能的基本代表值。材料强度的概率分布宜采用正态分布或对数正态分布，材料强度的标准值可取其概率分布的0.05分位数确定，即取μ^－1.654σ的值(即保证率为95%)。当测试数据不足时，材料性能标准值可采用有关标准的规定值，也可结合工程经验、分析判断后确定。

11.1.3.2　强度分项系数

闸门验算应以钢材性能标准值、几何参数标准值和荷载代表值为基本参量。但是，对不同的极限状态和不同的设计、鉴审标准，要求的闸门可靠度也不相同。在计算表达式中，引入了钢材性能分项系数和荷载分项系数来体现不同情况下的可靠度要求。因此，钢材性能分项系数和荷载分项系数，是计算时为了保证所设计的闸门或其构件具有规定的可靠度而在计算模式中采用的参数。

我国建筑规范根据可靠度指标和材料、几何参数、荷载基本参数，给出了钢材的强度分项系数为γ_s= 1.10。1

11.1.3.3　强度设计值

钢材强度设计值可以定义为:

在按承载能力极限状态进行设计或鉴审时，可按钢材强度设计值进行计算。

11.1.3.4　弹性模量(E)和泊松比(υ)

钢材的弹性模量及泊松比也是进行钢闸门设计计算时常要用到的材料性能参数。在《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001)中，规定钢材的弹性模量和泊松比的标准值可根据其概率分布的0.5分位数确定，即取其平均值作为标准值。如E= 2.0×10⁵ N/mm²，G= 0.38E，υ= 0.3，线膨胀系数γ= 1.2×10^－5/℃。