唐松智 陈  霞 杨丽娟
(设计三处)

(摘要)  小浪底工程4000 KN门机轨道横跨十座进水塔，由于塔体之间设有200mm宽的伸缩缝，且其分缝位置不一，给轨道的布置和轨道的伸缩接头设计带来困难。本文详细介绍了小浪底工程进水塔门机轨道的设计和布置特点，重点介绍了在设有较宽混凝土伸缩缝的情况下，轨道的伸缩接头的设计方法和加固处理措施。

(主题词)  小浪底工程 门机 轨道 混凝土伸缩缝 轨道伸缩接头

1 概述

    小浪底工程的泄洪、排沙和引水建筑物的引水口共有十座进水塔，集中布置，呈一字排列，其中包括3个发电塔，3个孔板塔，3个明流塔和1个灌溉塔。在进水塔的塔顶设置了2台4000KN门式启闭机，2台门式启闭机共用一条轨道，轨道的跨度20m，总长度为270m。

2 轨道的选择计算

2.1 接触强度计算
    由于轨道的表面硬度较高，当计算接触强度时，仅需计算大车车轮的接触强度。门机大车车轮选用园柱形车轮，轨道选用起重机钢轨。其接触可能是线接触，也可能是点接触，线接触的受力情况较好，但由于机架变形和安装偏差等因素，使线接触应力分布不尽人意，偏于安全考虑，小浪底工程的门机轨道、车轮的接触强度按点接触计算。
2.1.1 计算载荷。按GB3811-83《起重机设计轨范》规定

式中：P_max---起重机正常工作时最大轮压(N)
     P_min---起重机正常工作时最小轮压(N)
    在确定P_max和P_min时，动载系数和冲击系数都取为1。
2.1.2 车轮踏面接触强度计算。按赫兹公式计算接触疲劳强度，点接触的允许轮压：

式中：K₂---与材料有关的许用点接触应力常数(N/mm²)
      R---曲率半径，取车轮曲率半径与轨面曲率半径中之大值(mm) 
      m---由轨道顶面与车轮的曲率半径之比r/R所确定的系数
      C₁---转速系数
      C₂---工作级别系数
2.2 伸缩缝处轨道的强度计算
    假设门机其中一车轮正位于伸缩缝的中心，此时轮压为Pmax。同时假设伸缩缝的两支点中心间距为？。
2.2.1 正应力
    则有

式中  σ_b---为轨道的抗拉强度。 
      n--- 为安全系数。
      w--- 抗弯模数
2.2.2 剪应力

式中  Q--- 计算截面上的计算剪力。
      I--- 截面惯性矩。
      S--- 计算剪应力处以上的截面对中和轴的面积矩。
      δ--- 腹板厚度。
      [τ] --- 抗剪许用应力。
2.2.3 折算应力

2.3 轨道技术参数
    轨道型号 QU120 轨道高度 170mm
    轨道宽度 170mm 断面系数 W₁=584.08 cm³
    轨 距 20m 抗拉强度 9000Kg/cm²
    材料 U71Mn 轨道总重 83t

3 设计特点

    小浪底工程的十座进水塔宽度不一，1号、2号、3号发电塔塔宽均为48.3m；1号明流塔塔宽为20m，2号、3号明流塔塔宽为16m；1号、2号、3号孔板塔塔宽均为20m；灌溉塔塔宽为15.5m。塔与塔之间在230m高程以下相互靠紧，以保持地震时塔体的横向稳定性。在230m高程以上，塔与塔之间留有200mm的缝隙，以保持地震时塔体上既能自由变形，又不致互相碰撞。由于众多宽大且分布无规律的伸缩缝的存在，给门机轨道的设计布置带来不少困难。这是因为水电工程的门机轨道布置必须同时满足以下几个条件：
    ⑴ 同一轨道上两接头的距离不得等于车轮的轮距，以避免门机运行时前后车轮同时通过轨道接头，造成门机运行不平稳。
    ⑵ 两条轨道上的所有接头必须错开，不得沿门机行走中心对称布置。以避免左右两边的车轮同时通过轨道接头时，引起门机较大的振动。
    ⑶ 当门机提升任何一孔闸门时，车轮不应处于轨道的接缝上。因为此时车轮轮压最大，若作用于轨道接缝，车轮的局部接触应力过大，极易造成车轮踏面的破坏。
    ⑷ 在满足以上条件的情况下，还必须考虑在轨道基础伸缩缝附近设置相应的轨道伸缩接头，以使轨道能够适应基础沿轨道方向的伸缩变化。
    ⑸ 轨道接头的布置应符合轨道的长度标准，目前市场上出售的轨道长度系列有：9m、9.5m、10m、10.5m、11m、11.5m、12m、12.5m等。
    由此可见，要同时满足上述条件，轨道的布置不是简单的排列，通常要经过多次的试凑，必要时，还须将标准的轨道截短才能解决问题。

1. 大垫板 2.压板一 3.沥青砂浆 4. 压板二 5. 伸缩缝 6.小垫板
7.压板三 8.压紧螺母 9.调整螺母 10.槽钢　11.轨道　12.预埋螺栓

图一  砼伸缩缝轨道伸缩接头

3.1 轨道伸缩接头 
    小浪底工程门机轨道伸缩接头分两种形式，45°斜接头和平接头。45°斜接头优点是轨道与轨道之间过渡比较平稳，能有效的减少门机运行阻力及振动，缺点是加工制造较为困难。该形式多设于混凝土伸缩缝处(如图一)。平接头布置较为简单，加工制造容易，多设于无混凝土伸缩缝处(如图二)。

1.大垫板 2.压板 3.轨道 4.压紧螺母5.调整螺母 6.调整螺栓 7.角钢
图二  无砼伸缩缝轨道伸缩接头图

3.2 轨道垫板
    小浪底工程门机轨道垫板分两种形式，大垫板和小垫板。大垫板厚30mm，在其中间开一凹槽，槽宽172mm，以适应宽170mm的轨道，大垫板的作用除调整轨道高低差外，还具有固定轨道，防止轨道在顺水流方向移动的功能。小垫板则仅用于调整轨道高低差。 
3.3 地脚螺栓
    小浪底工程门机轨道地脚螺栓分两种形式，一期混凝土预埋地脚螺栓和调整螺栓。考虑到轨道的安装精度，轨道采用二期混凝土安装，二期混凝土横剖面的结构形式采用上大下小的梯形，在一期混凝土内间隔一定距离预埋地脚螺栓，规格M24？800，埋入深度520mm。调整螺栓仅埋设在二期混凝土中，为提高抗拔力，用两根L100？63的角钢沿轨道轴线方向分别与两排调整螺栓焊接成一体，然后再将角钢与相邻的一期混凝土预埋地脚螺栓相焊接。
    每个固定螺栓均设有２个压紧螺母和１个调整螺母，调整螺母布置在垫板的下方，用于调整轨道的水平度，压紧螺母则布置在垫板的上方，用于压紧压板，固定轨道。轨道固定好后，在塔缝处轨道的下方浇筑二期混凝土，然后再在其上方填沥青砂浆；其余均浇筑二期混凝土。为防止雨水淤积，轨道处的沥青砂浆或二期混凝土的高程为283.01m，比塔顶高10mm，行成一斜坡，以利排水。
3.4 伸缩缝处混凝土支撑结构的加固
    门机轨道在横跨伸缩缝的部位，由于基础仅是一层沥青砂浆，轨道实际在这段处于悬空状态，当门机车轮经过此处时，轨道会有较大变形，且伸缩缝两边的二期混凝土边沿受力较大，特在此处设一槽钢预以保护，槽钢同塔体内的预埋钢筋焊接固定。

4 安装中出现的问题与处理意见

4.1 安装中出现的问题
    小浪底门机轨道安装后经过多次运行，整体效果良好，满足了工程施工大量金属结构安装的要求。但在2000年1月发现3号孔板塔和2号明流塔分缝处下游轨道发生断裂。据了解，轨道安装施工时，2号明流塔与3号孔板塔接缝部位的下游侧钢轨已发生扭曲变形，而且在接缝段尚未浇筑二期混凝土的情况下，安装单位即开动门机通过接缝段，使接缝段的轨道在一端悬空的条件下，承受前后共8个车轮的反复作用，进一步加大了轨道变形，最终导致下游侧轨道的断裂。
4.2 处理意见
    对断裂轨道的底部加以支撑固定，保证门机运行到此处时，轨道不产生大的变形，车轮踏面不受损伤。
    注意观察变形情况。如有必要也可将断裂轨道整根换掉。

5 结束语

    小浪底工程十个进水塔一字排开，塔体分缝较多且宽，对门机的轨道布置非常不利。但塔与塔之间存在相对位移趋势，轨道不可能同时适应进水塔塔体之间在顺水流和垂直水流方向以及铅垂方向过大的相对移动。小浪底工程从第一台机组发电至今已运行二年多，目前还没有发现塔体之间有较大的相对位移，我们将进一步观测其对门机轨道的影响，为水利工程塔架上布置门机轨道提供更多的经验。

主要参考文献：
1  张质文《起重机设计手册》中国铁道出版社？ 1998年3月。
2  《水电站机电设计手册》水利电力出版社？ 1988年12月。

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