中美水工钢闸门设计规范比较
金晓华 王靖坤
（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江杭州 311122）
摘 要：本文结合美国陆军工程兵团EM工程手册与我国钢闸门设计规范相关内容，从失效形式规定、结构设计方法、设计荷载组合和容许应力取值等方面对两国水电水利工程钢闸门设计进行了比较与简要分析。
关键词：钢闸门 结构设计 荷载组合 容许应力
1 概述
随着水电水利事业的蓬勃发展，我国水电水利建设成果在国际舞台上的地位日渐提升，水电水利项目的国际合作也得到了飞速的发展，需要我们一方面系统地学习国际机构及其他发达国家的设计理念，掌握其相关规范与标准，同时也要把我国的建坝技术和规程规范推向国外。找出中外规范与标准的差异所在，分析其对设计、施工和投资带来的影响，非常必要。我国水电水利的设计规范和技术标准体系源自于前苏联，并随着国内水电水利建设经验的积累，得到了进一步完善，也融入了部分西方国家和国际标准的设计理念，但与西方国家标准的差异仍然存在。本文就中美两国水工钢闸门设计规范和标准关键内容的比较进行了简要的总结归纳。
2 美国水电标准
美国政府的主要水电建设管理机构包括联邦能源监管委员会（Federal Energy Regulatory Commission，FERC）、美国陆军工程兵团（U.S.Army Corps of Engineers，USACE）、美国垦务局（United States Bureau of Reclamation，USBR）、田纳西河流域管理局（Tennessee Valley Authority，TVA）等。其中美国陆军工程兵团是美国最早的也是最主要的水利机构，属陆军部管辖，前身为西点军校工程班，后被国会授权承担民用土木工程建设，业务范围不断扩大。1824年开始担负全国河道整治及港口建设；1936年起负责防洪工程的建设，以后又管理内河航运规划并结合开发水电；1979年起承担全国水坝安全检查。陆军工程兵团主要负责水利工程的规划、设计、施工管理及运用维护，不直接承担施工任务；拥有及经营超过600座水坝，操作和维护12000英里内河航道，926个沿海、大湖和内河港口，拥有并运作75个水电站，占美国总水电装机容量的24%，电力容量的3%，运作383个主要防洪水库，建成8500英里防洪堤。
EM系列工程手册是美国陆军工程兵团水电工程标准的应用程序性标准。指导水工钢闸门设计的标准主要包括：
（1） 《水工钢结构设计导则》 （EM1110-2-2105，DESIGNOFHYDRAULIC STEELSTRUCTURES，31 March1993）。
（2）《垂直提升闸门》（EM1110-2-2701，VERTICALLIFTGATES，30Novem-ber1997）。
（3） 《溢洪道弧形闸门设计》 （EM 1110-2-2702，DESIGN OF SPILLWAY TAINTERGATES，1January2000）。
（4）《船闸闸门及启闭机械》（EM1110-2-2703，LOCKGATESANDOPERAT-INGEQUIPMENT，30June1994）。
（5） 《船闸和大坝闸门操作和控制系统》 （EM1110-2-2610，LOCK ANDDAM GATEOPERATINGANDCONTROLSYSTEMS，2April2004）。
（6） 《内陆防洪工程设施的结构设计》 （EM1110-2-2705，STRUCTURALDE-SIGN OFCLOSURESTRUCTURESFORLOCALFLOODPROTECTIONPROJECTS，31March1994）。
其中《水工钢结构设计导则》为闸门结构设计的纲领性标准，对水工钢结构的失效形式、设计方法、设计荷载、容许应力、连接设计等作出了原则性的规定，《垂直提升闸门》和《溢洪道弧形闸门设计》则针对不同的门型，从设计方法、设计荷载及组合、材料的选择、受力分析、布置设计、结构设计、连接设计、容许应力等进行了详尽的规定，可操作性非常强，类似我国的设计手册，其余标准主要针对船闸、大坝、防洪等不同水利设施，各种常用闸门的选型、布置等总体设计作出规定。为了叙述方便，以下通称为标准。可见美国标准与我国钢闸门设计规范相比，从内容到编排方式均有很大的区别，涉及范围也很广。本文主要以我国的《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL/T 5039—95）（以下简称《规范》）的内容为基础，从失效形式、设计方法、设计荷载、容许应力等方面搜索美国陆军工程师兵团设计标准中对应的内容，并进行分析比较。
3 失效形式
《水工钢结构设计导则》（EM1110-2-2105）认为，水工钢结构的失效形式有四种：一是强度和刚度不满足使用要求，二是细长杆的弯曲及构件的整体失稳，三是裂纹生长导致有效断面的减少 （疲劳），四是不稳定裂纹的扩展导致构件失效 （脆性破坏）。前两种失效可通过荷载和抗力系数法 （LRFD）或容许应力法 （ASD）进行分析处理；后两种失效形式可借助疲劳和断裂力学的原理进行处理，主要从构件材料的选择、制造工艺和质量控制等方面，如采用抗疲劳、高冲击韧性材料，减少初始缺陷和残余应力等。对承受变应力的焊接构件，要求进行疲劳复核。
我国《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL/T 5039—95）对强度、刚度和稳定性的复核作出了相应的规定，未明确提出疲劳和脆断的概念，但与《水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范》（DL/T 5018—2004）一起，在选材、结构设计和焊接工艺等具体措施上有部分的措施体现。《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）规定当应力的循环次数大于等于5万次时，应进行疲劳计算；在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳；疲劳计算采用应力幅法，应力按弹性状态计算。
4 强度、刚度和稳定性的设计方法
《水工钢结构设计导则》（EM 1110-2-2105）认为，尽管以往采用容许应力法设计的结构满足屈服强度要求，结构也是可靠的，但这一方法没有考虑不同荷载（活荷载、死荷载）的作用效果和抗力（抗弯、抗剪等）在不同情况下的差异性。荷载和抗力系数法（LRFD）与容许应力法相比，具有两个主要优点：一是采用极限状态分析，不必假定荷载和内力、内力和应力之间的线性关系；二是可以采用多个荷载系数反映不同工况时不同荷载的作用程度，同时，针对某个特定抗力可应用多个抗力系数反映其不同的结构形式、制造质量等情况。这两条优点使采用LRFD法设计的结构具有一致的可靠度，多数情况下，还可使设计的结果更经济。因此，《水工钢结构设计导则》（EM 1110-2-2105）规定水工钢结构优先采用荷载和抗力系数法（LRFD）设计，容许应力法（ASD）作为备用设计方法；当缺乏相关研究资料，不具备LRFD设计条件时，仍可采用容许应力法设计。《水工钢结构设计导则》（EM 1110-2-2105）介绍了人字门、内陆防洪工程闸门的荷载和抗力系数设计法；1997年颁布的《垂直提升闸门》（EM 1110-2-2701）对LRFD法中的荷载和分项系数做出了规定；2000年颁布的《溢洪道弧形闸门设计》（EM 1110-2-2702）对LRFD法中的荷载和分项系数作出了强制规定。至此，实际上美国的常用门型均按照LRFD法设计。但之前设计的闸门均根据《结构设计的工作应力》（EM 1110-1-2101）规定的容许应力法（ASD）进行设计。
《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL/T 5039—95）由于缺乏相关的技术资料，仍采用容许应力法设计。
5 设计荷载和容许应力
5.1 设计荷载
由于荷载和抗力系数法与容许应力法的设计思路不同，以下仅对《水工钢结构设计导则》（EM 1110-2-2105）中介绍的容许应力法中的荷载及容许应力规定与《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL/T 5039—95）作比较。
《水工钢结构设计导则》（EM 1110-2-2105）将荷载分成两组，组Ⅰ的荷载在相当长的时间周期内相对稳定，称之为基本荷载；组Ⅱ的荷载会随时间变化，称之为临时荷载。
组Ⅰ：自重载荷、浮托力荷载、动载荷（运行）、静水荷载、温度载荷、启闭操作荷载、冰荷载（冰重或静冰压力）。
组Ⅱ：冲击荷载（船、漂浮物、冰）、水锤作用、风荷载、冰荷载（瞬时）、波浪荷载、地震载荷（OBE）。
当采用临时荷载或临时荷载加基本荷载组合进行复核时，其容许应力可提高1/3，同时采用基本荷载进行复核的应力必须小于额定容许应力。
《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL/T 5039—95）则将荷载分为设计条件下的荷载和校核条件下的荷载，详见表1。
表1 荷载分类
通过比较可以看出，我国规范将美国标准中列入临时荷载的风荷载、波浪荷载、水锤荷载和地震荷载一并考虑在设计荷载中，此外还考虑了美国设计手册中没有的泥沙荷载，但未将美国设计手册中列为基本荷载的温度荷载和静冰压力列入设计荷载；设计荷载下的应力应不超过容许应力的5%。校核荷载则包括了美国设计手册中的所有荷载，外加泥沙荷载，同样未计入静冰压力；校核荷载下的容许应力可提高15%。
5.2 容许应力
5.2.1 水工钢结构容许应力的折算系数
《水工钢结构设计导则》（EM 1110-2-2105）考虑水工钢结构的承载环境比普通工民建更恶劣，以及其荷载组合的不确定性，设计安全系数比工民建取得更大。对不同类型的水工钢结构，其容许应力与美国钢结构协会（AISC）规定的容许应力的关系如下：
（1）类型A：用于事故关闭并承受剧烈动荷载的闸门；长期潜没于水中维护困难的闸门；撤除会影响工程进度的闸门。如：事故闸门、工作闸门、船闸输水阀门等。这类闸门的容许应力采用AISC（1989）规定的容许应力的0.75。
（2）类型B：只承受正常水荷载，动荷载不大，在一定条件下，可以进行检查和维护的闸门。如露顶式弧门、露顶式平板门、引水道进水口闸门、船闸闸门（人字门、下沉门、扇形门）和市政工程防洪工作闸门。这类闸门的容许应力采用AISC（1989）规定的容许应力的0.83。
（3）类型C：用于检修闸门、门槽和尾水管时挡水，不考虑事故关闭，通常在静水中启闭的闸门。如：叠梁门、封堵闸门和尾水检修闸门等。这类闸门的容许应力采用AISC（1989）规定的容许应力的1.1。
《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL/T 5039—95）规定的调整系数如下：
（1）大、中型工程的工作闸门及重要的事故闸门，0.9～0.95。
（2）在较高水头下经常局部开启的大型闸门，0.85～0.9。
（3）规模巨大且在高水头下操作而工作条件又特别复杂的工作闸门，0.8～0.85。
5.2.2 不同应力类型的容许应力
《水工钢结构设计导则》（EM 1110-2-2105）规定的容许应力是在AISC（1989）的基础上折减的。下面就《钢结构建筑规范》（AISC 360—10）的安全系数的取值规定与《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL/T 5039—95）的对比列表如表2所示。
表2 安全系数比较
需要指出的是，《钢结构建筑规范》（AISC 360—10）中对不同受力型式产生的应力的组合计算，针对不同断面的构件有不同的计算方法。这点与我国水工钢结构的计算有一定的区别。如平面事故闸门常采用的布置型式为上游面板、下游止水，其中间主梁的典型受力状态是横向弯曲与轴向受压的组合。按照《水利水电工程钢闸门设计规范》（DL/T 5039—95）进行复核时，结构断面同一点承受不同荷载产生的应力直接相加减，而《钢结构建筑规范》（AISC 360—10）考虑拉压产生的应力占容许应力比例的大小而有所不同。
当Pr/Pc≥0.2时
当Pr/Pc＜0.2时
式中 Pr——需要的轴向强度；
Pc——允许的轴向强度；
Mr——需要的弯曲强度；
Mc——允许的弯曲强度。
显然，我国的组合应力的计算方法更偏安全。
5.2.3 小结
从上述比较可以看出，从设计荷载、不同闸门的容许应力折减系数到结构材料容许应力的基本取值（基本安全系数）两个国家均不相同。对不同闸门的抗拉（压）、抗弯安全系数作一粗略比较，如表3所示。
表3 安全系数比较
续表
综合上表结果和荷载分类的不同，可以得出如下结论。
（1）无论是否存在临时荷载，按美国标准设计的局部开启的高水头工作闸门和高水头事故闸门的安全系数较高。
（2）对于大中型工程的露顶式工作闸门、电站引水隧洞进口事故闸门、船闸工作闸门、市政工程防洪工作闸门等，在不存在浮冰、漂浮物等的撞击力的情况下，两国规范的安全系数相当；否则按美国标准设计的闸门的安全系数较高。
（3）对于各类检修闸门，当不存在冲击荷载、水锤作用、风荷载、波浪荷载、地震载荷等临时荷载时，按美国标准设计的闸门的安全系数较高；但只要存在一项临时荷载，则按中国规范设计的闸门的安全系数要高得多。
（4）由于中国规范的设计和校核荷载中均不计入静冰压力，故对位于寒冷地区的露顶式闸门，应根据美国规范进行复核，或采取措施避免门前静冰压力传递到门叶上。
（5）对同时承受不同类型荷载的闸门结构，按中国规范规定的方法进行结构应力组合更安全。
（6）利用销轴进行铰连接的水工钢结构，其紧接承压的容许应力安全系数，中国规范也远高于美国标准。
6 其他
此外，美国标准要求结构设计时考虑防腐因素，如喷砂除锈的便利、搭接接头的密封、焊缝抛光、避免大面积的阴阳极接触或隔离等。我国在结构设计中对防腐的考虑不多，有欠缺。
7 结语
中美水工钢闸门设计规范除了上述差异外，闸门的结构存在一些细节上的区别，可以认为是设计习惯的不同，必要时也可以加以比较，取长补短。
参考文献
［1］ 陶洪辉.美国陆军工程兵团水电工程标准体系介绍［J］.红水河,2010,29(2):94-96.
［2］ US Army Corps of Engineering.Design of Hydraulic Steel Structures：EM 1110-2-2105［S］.Washington,DC:Department of the Army U.S.Army Corps of Engineers，1993.
［3］ 中华人民共和国电力工业部.水利水电工程钢闸门设计规范：DL/T 5039—95［S］.北京：中国电力出版社，1996.
［4］ 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范：GB 50017—2003［S］.北京：中国计划出版社，2003.
［5］ AISC Committee on Specifications.Specification for Structural Steel Buildings：ANSI/AISC 360—10［S］.Chicago:American Institute of Steel Construction,INC.