| 353 | 8 | 158 |
| 下载次数 | 被引频次 | 阅读次数 |
为解决水利工程中常用水工钢闸门的锈蚀问题,针对粘钢加固技术存在的闸门加固部位更易锈蚀、加固部位易产生应力集中等问题,充分发挥纤维增强复合材料(FRP)比强度高、耐腐蚀性好、不改变母材特性等优点,提出采用CFRP修复的方法。首先采用与试验结果对比的方式验证数值方法分析CFRP修复的可行性和正确性,然后采用数值方法对某水工钢闸门在未锈蚀、锈蚀和CFRP修复三种状态下的强度和刚度进行分析。分别采用改变单元厚度法和共结点重单元法对锈蚀和CFRP修复的闸门模型进行数值模拟。结果表明:以未锈蚀闸门的计算结果为基值,主横梁腹板、支臂腹板和面板中下部发生2 mm锈蚀时,主梁、支臂、面板的强度和刚度分别降低25.95%和23.73%、25.52%和24.24%、24.43%和25.00%。采用单层厚0.167 mm的CFRP修复后,主梁、支臂、面板的强度和刚度分别提高30.28%和26.43%、29.46%和24.53%、28.47%和29.87%。采用CFRP修复加固水工钢闸门具有明显的效果,研究成果可为闸门规范的修订完善和实际工程中采用CFRP修复提供理论依据。
Abstract:In view of the problems existing in the reinforcement technology of glued steel, such as the gate reinforcement part is easy to rust, and the reinforcement part is easy to produce stress concentration, etc., aiming at solving the corrosion problem of hydraulic steel gates, CFRP repair method is proposed fully exerting the advantages of fiber reinforced composite(FRP) such as high specific strength, good corrosion resistance, and not changing the characteristics of the base metal. Firstly, the feasibility and correctness of CFRP repair are validated by comparing the numerical method with the experimental results. Then, the strength and stiffness of a hydraulic steel gate under three states of non-rust, rust and CFRP repair are analyzed by numerical method. The gate models of corrosion and CFRP repair were simulated by changing element thickness method and common node coincidence element method respectively. The results show that the strength and stiffness of the girder, the arm and the plate are reduced by 25.95%、23.73%, 25.52%、24.24%, 24.43%、25.00% respectively when the web of the main girder, the web of the gate arm and the middle and lower part of the plate are corroded by 2 mm based on the calculation results of the non-rusted gate. After repairing with CFRP with a single layer thickness of 0.167 mm, the strength and stiffness of the main girder, the gate arm and the plate increased by 30.28%、26.43%, 29.46%、24.53%, 28.47%、 29.87% respectively. It can be seen that CFRP has obvious effect in repairing and reinforcing hydraulic steel gates, which can provide theoretical basis for revising and perfecting gate codes and applying CFRP in practical projects.
[1] 安徽省水利局勘测设计院.水工钢闸门设计[M].北京:水利水电出版社,1980.
[2] 王正中,张雪才,刘计良.大型水工钢闸门的研究进展及发展趋势[J].水力发电学报,2017,36(10):1- 18.
[3] 任玉珊.水工金属结构检测与评定[M].长春:吉林人民出版社,2003.
[4] 郭建斌,郑圣义.钢闸门腐蚀安全研究[J].腐蚀科学与防护技术,2006,18(1):72- 75.
[5] 丁峰,关金良,刘月刚.弧形钢闸门改造设计要点浅论—以怀柔水库西溢洪道闸为例[J].水利规划与设计,2014,21(9):86- 89.
[6] 刘征辉.弧形钢闸门构件可靠性研究与结构优化设计[D].长春:长春工程学院,2015.
[7] 王德丽,周瀚.倒天河溢洪道弧门改造为底孔弧门设计[J].水利科技与经济,2014,20(5):13- 14.
[8] 费修渔.黄坛口水电站水工钢闸门更新改造[J].大坝与安全,2006,20(1):57- 60.
[9] 夏海江.浑河闸弧形钢闸门安全性检测与分析[J].中国农村水利水电,2005,33(3):62- 63.
[10] 刘宏斌.大伙房水库弧形钢闸门腐蚀状态检测分析[J].东北水利水电,2018,36(4):61- 62.
[11] GREIMAN L F,STECKER J H,MIKE N O P.Engineering Research Institute.REMR management systems-navigation structures,condition rating procedures for Roller dam gate[R].Washington,D.C:Technical Report REMR-OM-17,U.S Army Corps Engineers,1997.
[12] 董洪汉,庄宁,赵林章,等.淡水环境中水工钢闸门与碳纤维布黏结性能研究[J].中国港湾建设,2018,38(10):35- 40.
[13] 林拥军,钱永久.考虑抗力随时间变化的构件可靠度指标基准值分析[J].工业建筑,2005,36(2):50- 51.
[14] 承芳玮,张燎军,田宏吉,等.锈蚀对弧形钢闸门的强度及动力特性的影响[J].中国农村水利水电,2015,43(1):125- 128.
[15] 中华人民共和国水利部.水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程:SL101—2014 [S].北京:中国水利水电出版社,2014.
[16] 朱暾,邢贵碧,吴风昭,等.樊口大闸钢闸门粘钢补强试验研究与有限元分析[J].土木工程学报,1995,29(4):22- 32.
[17] 刘小明,高作平,甘良绪.鄂州市樊口大闸钢闸门粘钢加固有限元分析[J].水利水运科学研究,1998,26 (3):275- 280.
[18] 欧江源.粘钢加固技术在拉浪水电站钢闸门中的应用研究[D].南宁:广西大学,2006.
[19] 郑立平,刘俊义.樊口大闸加固工程主要技术措施研究[J].人民长江,2005,40(4):15- 16.
[20] 岳清瑞,张宁,彭福明,等.碳纤维增强复合材料(CFRP)加固修复钢结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[21] 彭福明,郝际平,岳清瑞,等.碳纤维增强复合材料(CFRP)加固修复损伤钢结构[J].工业建筑,2003,33(9):7- 10.
[22] 王新定,刘其伟,孙宝俊,等.CFRP布加固修复桥梁工程应用[J].桥梁建设,2002,32(6):77- 78.
[23] 王步,张诺亚,黄小霞,等.碳纤维增强复材环向围束加固柱受低速冲击损伤的研究[J].工业建筑,2019,49(5):177- 183.
[24] 中华人民共和国水利部.2017年全国水利发展统计公报[M].北京:水利水电出版社,2018.
[25] 陈笙,郑圣义,董继富,等.弧形钢闸门排水孔优化设计及有限元分析[J].水电能源科学,2018,36(1):165- 167.
[26] 中华人民共和国水利部.水利水电工程钢闸门设计规范:SL74—2013 [S].北京:中国水利水电出版社,2013.
[27] 国家能源局.水电工程钢闸门设计规范:NB35055—2015 [S].北京:中国电力出版社,2015.
[28] USACE.Design of hydraulic steel structures:CECW-CE Engineer Manual 1110- 2- 584 [S].Washington D.C:US Army Corps of Engineers (USACE),2014.
[29] USACE.Design of spillway tainter gates:CECW-ET Engineer Manual 1110- 2- 2702 [S].Washington D.C:US Army Corps of Engineers (USACE),2000.
[30] USACE.Vertical lift gates:CECW-ED Engineer Manual,1110- 2- 2701 [S].Washington D.C:U S Army Corps of Engineers (USACE),1997.
[31] 中华人民共和国水利部.水工金属结构防腐蚀规范:SL105—2007 [S].北京:中国水利水电出版社,2008.
[32] 赵林章,董洪汉,李频,等.淡水环境中水工钢闸门腐蚀机理及影响因素研究[J].江苏水利,2018,39 (3):6- 10.
[33] 李典庆,吴帅兵.现役水工钢闸门锈蚀速率的统计分析[J].武汉大学学报(工学版),2007,50(2):79- 83.
[34] 周建方,李典庆.水工钢闸门可靠性分析[M].北京:中国水利水电出版社,2008.
[35] 任玉珊.既有水工钢闸门构件剩余寿命估算方法研究[J].武汉大学学报(工学版),2005,41(6):62- 65.
[36] 朱雅仙,朱秀娟,葛燕,等.水利水电工程中钢结构的腐蚀[J].水利水运工程学报,2002,30(2):1- 6.
[37] 李文娟.弧形钢闸门三维有限元分析[D].南宁:广西大学,2002.
[38] 刘悦鑫,王鑫,王军林,等.弧形钢闸门三维非线性有限元分析[J].河北农业大学学报,2014,37(3):101- 105.
[39] 汪小军.弧式水工钢闸门锈蚀影响有限元模拟及分析[J].中国水能及电气化,2019,15(1):63- 65.
[40] 许冠绍.几种效能较好的钢丝网水泥闸门防锈、防渗保护层[J].江苏水利,1980,1(1):94- 101.
[41] 中华人民共和国水利部.水利建设项目经济评价规范:SL72—2013 [S].北京:中国水利水电出版社,2013.
[42] 水电部四局设计院,兰州大学数力系.弧形钢闸门应力分析的有限元法[J].兰州大学学报,1977(1):53- 74.
[43] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.机械产品结构有限元力学分析通用规则:GB/T 33582—2017 [S].北京:中国标准出版社,2017.
[44] GAO X Y,BALENDRA T,KOH C G.Buckling strength of slender circular tubular steel braces strengthened by CFRP[J].Engineering Structures,2013,46:547-556.
[45] 杜善义,王彪.复合材料细观力学[M].北京:科学出版社,1997.
[46] 完海鹰,周珉璐.考虑二次受力影响的CFRP加固轴压圆管柱有限元分析[J].安徽建筑大学学报,2015,23(4):7- 10.
[47] 中华人民共和国水利部.水利水电工程金属结构报废标准:SL226—98 [S].北京:中国水利水电出版社,1999.
基本信息:
DOI:10.13928/j.cnki.wrahe.2020.02.008
中图分类号:TV698.22
引用信息:
[1]张雪才,王正中,孙丹霞.CFRP在水工钢闸门修复中的应用研究[J],2020,51(02):77-85.DOI:10.13928/j.cnki.wrahe.2020.02.008.
基金信息:
国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项(2017YFC0405103);; 国家自然科学基金项目“大型水工弧门树状柱动力失稳机制及结构优化研究”(51179164);; 国家科技支撑计划“农村小水电新型水工结构和降损技术研究”(2012BAD10B02)