三峡升船机塔柱结构变形及其机构适应性研究

水利水电技术第51卷2020年第6期
田清伟，刘毅，张国新，等•三峡升船机塔柱结构变形及其机构适应性研究[J].水利水电技术，2020,51(6)：49-57.
TIAN Qingwei,LIU Yi,ZHANG Guoxin,et al.Study on tower structure deformation of Three Gorges Ship-lift and adaptabilities of its mech­anisms[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51(6):49-57.
三央升船机塔柱结构变形及其机构适应性研堯
田清伟-刘毅邛，张国新Z,李智I,杨波j黄涛3,周秋景彳
(1-中国长江三峡集团公司，北京100038；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038； 3.中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京100038)
摘要：三峡升船机作为世界上规模和技术难度最大的垂直升船机，也是我国第一座齿轮齿条爬升、长螺母-短螺杆安全机构、平衡重式垂直升船机，其塔柱结构变形与承船厢相关机构的适应性是三峡升船机能否正常可靠运行的关键问题。

在三峡升船机的设计阶段，基于设计荷载及其组合开展了塔柱结构变形的计算分析，研究提出了重点部位最大可能变形预测值，并对这些重点部位的机构适应性进行了评估；在调试运行阶段，基于变形监测资料对塔柱结构的变形进行了反演分析，反演分析结果表明，设计阶段的变形预测值及其规律与实测值基本相符，重点部位的实际变形值小于按照极端情况提出的最大可能变形预测值，也小于相应机构的适应值，升船机运行状态良好。

文中采用的塔柱结构荷载组合及变形预测方法，以及通过最大可能变形预测值评估机构适应性的方法是合适的，该方法也可用于200m级同类型升船机的设计分析。

关键词：平衡重式升船机；塔柱结构；长螺母-短螺杆安全机构；机构变形适应性doi：10.13928/ki.wrahe.2020.06.006开放科学(资源服务)标识码(OSID):中图分类号：TV431文献标识码：A文章编号：1000-0860(2020)06-0049-09
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八
Study on tower structure deformation of Three Gorges Ship-lift and adaptabilities of its mechanisms TIAN Qingwei',LIU Yi23,ZHANG Guoxin2'3,LI Zhi1,YANG Bo3,HUANG Tao3,ZHOU Qiujing3
(1.China Three Gorges Corporation,Beijing,100038,China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle
in River Basin,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing,IOOO38,China；3.Department of Structures and Materials,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing,100038,China)
Abstract:Known as the world's largest vertical ship-lift with the greatest technical difficulty,Three Gorges Ship-lift is the first counterweight vertical ship-lift with the gear-rack climbing mechanical device and the safety mechanism of short screw-stem with long nut in China；for which the adaptabilities of the relevant mechanisms of the ship reception chamber to the deformation of the tower structure are the keys to ensure whether the ship-lift can normally and reliably operate or not.During the design of Three Gorges Ship-lift,the tower structure deformation is calculated and analyzed according to the design loads and their combinations, and then the prediction values of the maximum deformations of the key parts are studied and put forward,while the adaptabilities of the mechanisms at these key parts are assessed as well.During the commissioning-operation,the deformation of the tower struc・ture is inversely analyzed in accordance with the relevant deformation monitoring data,of which the result shows that the defbrma-
收稿日期：2019-11-26
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0402002,2016YFB0201003)；中国水科院科研专项(SS0145B392016)
作者简介：田清伟(1964—),男，教授级高级工程师，学士，研究方向为升船机施工等。

E-mail：********************.cn
通信作者：刘毅(1979-),男，教授级高级工程师，水电中心主任，结构材料所所长，博士，研究方向为复杂水工结构仿真分析、高坝真实性态分析、混凝土温控防裂等。

E-mail:**************
Water Resources and Hydropower Engineering Vol.51No.649
田清伟，等〃三峡升船机塔柱结构变形及其机构适应性研究
tion prediction values made during the design and their laws are basically consistent with the measured ones,while the actual de­formation values of the key parts are not only less than the predicted values of the maximum possible deformations put forward ac­cording to the relevant extreme situation,but are also less than the values of the adaptabilities of the corresponding mechanisms, thus the operation status of the ship-lift is better.The load combinations and deformation prediction method taken herein as well as the method for assessing the adaptabilities of the relevant mechanisms through the predicted values of the maximum possible de­formation are appropriate,which can be applied to the design analysis made for the similar type of ship-lift of the grade of200m.
Keywords:counterweight ship-lift；tower structure；safety mechanism of short screw-stem with long nut；deformation adaptability of mechanism
0引言
三峡垂直升船机是三峡工程船舶过坝的一条快速通道⑴。

根据航运要求，三峡垂直升船机需满足3000t客轮过坝需求，最大提升高度113m,最大提升重量15500t,是世界上规模和技术难度最大的垂直升船机⑵。

在三峡升船机建成之前，世界上规模最大的垂直升船机是2001年建成的比利时斯特勒比升船机，其最大提升重量8800t,最大提升高度73m。

我国在升船机技术上起步较晚，1965年建成的湖北省白莲河升船机，是我国在水利枢纽上建成的第一座升船机。

之后，我国陆续在广西岩滩、福建水口、湖南五强溪、湖北隔河岩和高坝洲等水利枢纽上建设了一批垂直升船机，其中水口升船机最大提升高度59m,总提升重量5500t,隔河岩升船机总提升高度122m,提升重量1374t,均为钢丝绳卷扬提升、盘式安全制动平衡重式垂直升船机。

三峡垂直升船机是我国第一座齿轮齿条爬升、长螺母-短螺杆安全机构、平衡重式垂直升船机。

鉴于齿轮齿条爬升、螺母柱安全保障系统的升船机在国内没有先例，虽然在德国升船机中己有应用，但其建设在水位变幅很小的运河上，提升高度、提升总重与三峡升船机相比都有较大差距。

为此，三峡公司组织国内科研单位就三峡升船机的关键技术问题开展了攻关研究⑶。

钮新强、郭彬、邓杰等UY〕阐述了三峡升船机的设计原理，陕亮等®6采用三维有限元分析了三峡升船机塔柱结构施工期和运行期的变形与应力，张莉⑺从机械传动的角度分析了三峡升船机安全机构的布置与工作原理，梁仁强、周建华等&91研究了三峡升船机塔柱施工技术，魏兰花等研究了三峡升船机齿条和螺母柱一期埋件PVC套管安装测量方法，邱章云等开展了三峡升船机塔柱施工期变形监测。

上述研究均表明，三峡升船机塔柱变形与升船机承船厢结构与机构的适应性关系到升船机的安全可靠运行，目前对这一问题的研究仍缺乏系统成果。

笔者所在的中国水利水电科学研究院研究团队自2005年起在三峡升船机设计、施工和调试运行阶段开展了第三方独立评估，为三峡升船机的设计、建设与运行提供技术支撑。

本文分析了齿轮齿条爬升、长螺母-短螺杆安全机构、平衡重式垂直升船机的技术原理及特点，阐明了塔柱结构变形与升船机运行可靠性的关系，根据设计荷载及其组合开展了塔柱结构变形的计算分析，提出了塔柱结构重点部位最大可能变形的预测值，为升船机承船厢相关机构的适应性设计提供了参考；基于调试运行期间的变形监测资料对塔柱结构的变形进行了反演分析，对承船厢相关结构和机构的适应性以及升船机运行可靠性进行了评估。

1三峡升船机工作原理及塔柱结构变形与机构适应性
1.1升船机工作原理简述
三峡升船机由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道组成。

船只上行时，经过下游引航道、下闸首，进入承船厢，承船厢在船厢室段整体提升113m,经上闸首、上游引航道驶入库区。

船只下行时与上行时步骤相反。

如图1所示，船厢室段由承船厢及设备、塔柱结构、平衡重系统组成，承船厢及设备连同厢内水总重约15500t,由钢丝绳经平衡滑轮与相同重量的平衡重完全平衡，平衡滑轮置于塔柱结构顶部，将承船厢及设备与平衡重的自重荷载传递至塔柱结构上。

如图2(a)所示，承船厢为盛水结构与承载结构焊接为一体的自承载式钢结构，驱动机构、安全机构、横向导向机构等设备对称布置在承船厢两侧的4个侧翼上。

塔柱采用对称结构，在承船厢室的左右两侧各布置上下游2个钢筋混凝土塔柱结构，每个塔柱由2个平衡竖井和一个交通竖井构成，呈U形配置，并与
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田清伟，等〃三峡升船机塔柱结构变形及其机构适应性研究
船厢驱动室形成凹槽；左右、上下游四个塔柱结构通 过横向、纵向联系梁连接成一个整体；塔柱总体为薄 壁结构，墙体厚1 m 。

平衡重系统由钢丝绳、平衡滑 轮、平衡重组、平衡链等组成，对称布置在船厢两侧。

图1升船机船厢下行半开视图
如图2(b)所示为驱动机构、安全锁定机构、纵
横向导向机构。

驱动机构由4个驱动单元组成，设备
安装在承船厢上，对称分布在船厢两侧，4个齿轮沿
着安装在塔柱上的4条齿条爬行，齿轮与齿条相啮
合，驱动船厢升降运行。

安全机构由旋转螺杆、螺母
柱及其联结装置等部件组成，螺杆与螺母柱牙间保持 预留间隙60 mm ；正常工作时，4个安装在承船厢上
的短螺杆，在安装在塔柱上的4套螺母柱内转动上 升，螺杆和螺母不接触；当遇事故时，螺杆和螺母直
接接触，并靠螺杆螺母自锁性能将螺杆和船厢锁定到
螺母柱和塔柱上。

在塔柱结构上还设置纵向导向和横
向导向装置，承船厢相应部位有相应的顶紧机构，安
装在船厢上的顶紧机构沿着安装在塔柱上的导轨运 行，保证承船厢上行、下行正常行驶时前后与左右方
(a)承船厢
图2三峡升船机安全锁定机构
(b)安全锁定机构、驱动机构、横向导向机构局部构成
向不摆动。

1.2塔柱结构变形与机构适应性要求
升船机采用齿轮齿条爬升驱动机构、长螺母-短螺
杆安全机构、纵横向导向机构，整个升船机是一个规
模巨大、结构复杂、各系统精密配合、协调运行的机 械传导系统⑶。

塔柱是混凝土薄壁结构，由于受混凝
土温升、干缩、徐变、年温度变化、风荷载、船厢和
平衡重等工作荷载以及太阳偏照等因素的影响，塔柱
在纵向、横向和垂直向会产生变形。

只有各机构和塔
柱上的埋件安装精确，且各相关机构能适应塔柱的变
形，整个系统才能正常运行，否则将出现齿轮和齿条
不啮合、螺杆和螺母卡阻、导向机构卡阻等问题。

为此，在机构设计时，机构适应的变形需要考虑
以下几个因素：①施工完成后，年温度变化、日照温 差、混凝土徐变等因素产生的变形；②施工过程中累
积的在埋件安装过程中无法消除的各种变形；③施工
控制与测量误差。

在设计阶段，很难准确预测各种荷
载和因素产生的变形，本文建议在设计阶段采用最大
包络的方式提出塔柱结构最大可能变形的预测值，并
依据该预测值进行相关机构适应性的设定。

2塔柱结构最大可能变形预测及相关机构适
应值设定
2. 1塔柱结构计算模型
塔柱结构如图3所示，为方便描述，纵剖面设置
7 0-13条轴线，横剖面设置了 A-L 条轴线，4条齿
条分别在轴线B/4、B/10, K/4、K/10附近，4条螺
母柱在轴线B/3、B/ll, K/3、K/11附近。

底板高程 50 m,顶部平台高程196 m 。

分析中采用的有限元模型如图4所示。

模型采用
8节点六面体等参单元，共有单元208 465个，节点
297 338 个。

模
型中模拟了塔 柱底板、地
基、薄壁墙体
结构、联系梁
等。

196 m 高
程以上的厂
房、起重机， 螺母柱、齿
条，塔柱内的
楼梯、板墙等 建筑结构未在
模型中模拟，
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(a)水平剖面
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图3t t - E E B D f l B B S
图4计算模型与网格
等效为相应荷载加载在相应位置。

计算中采用线弹性
本构模型，混凝土参数取试验值，线膨胀系数取
8.4x10"/%,其他参数略。

2. 2塔柱结构荷载与荷载组合及其合理性分析
塔柱结构采用的荷载包括：①死荷载、②活荷
载、③风荷载、④温度荷载、⑤事故荷载，分别如表 1 ~表5所列。

上述死荷载、活荷载均按照实际可能发生的最大
荷载来考虑，风荷载参照相关规范选取，温度荷载能
包络三峡地区最大温升、温降值，事故荷载能包络可
能的事故工况，荷载选取是合理的。

比较德国相关规范DIN 1045—1和DIN 1055—
100中与我国《水工混凝土结构设计规范》(SI7
(b)纵剖面
(c)横剖面
塔柱结构(单位：m)
T 191—96)[121关于荷载组合的阐述可知，德国规范
规定的结构自重、机械设备自重、船厢重、平衡重块
重、楼面屋面活载的荷载安全系数均大于中国规范, 风载和温度荷载的荷载安全系数小于中国规范。

分析
评估时，荷载组合的安全系数取德国规范和中国规范
的大值(见表6)。

2.3塔柱结构整体变形分析
采用线弹性有限元按照上述计算荷载与组合, 计算塔柱结构变形。

各组合工况条件下塔柱整体最
大位移及其位置如表7所列。

塔柱结构的纵向最大
位移为20. 10 mm,在193. 5 m 高程D-13轴纵梁部 位(ZH4),塔柱结构的横向最大位移为77.8 mm,
在196 m 高程D-1轴横墙部位(ZH6),塔柱结构的
竖向最大位移为-57.2 mm,在观光平台中部部位
(ZH5)O
2.4塔柱与承船厢重点部位变形及相关机构适应值
设定
一般而言，塔柱结构的整体变形不会对升船机正
常运行产生太大影响，主要关注重点部位的相对变
形。

主要关注的变形以及预测值如下：①左右两侧塔 柱螺母柱部位最大横向变形差值，预测值为
33.4 mm,工况ZH7；②上下游塔柱螺母柱部位最大
纵向变形差值，预测值为21.4 mm,工况ZH4；③左 右两侧塔柱螺母柱部位最大竖向变形差值，预测值为
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水利水电技术 第51卷2020年第6
期
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表1死荷载
内容荷载值
塔柱结构的自重荷载(LC1)容重25kN/m3
承船厢、绳索、平衡重自重荷载及承船厢内水的重量(LC2)考虑船厢及水重155001,平衡重和平衡链与船厢及水同等重量，两者相加作用在平衡重滑轮位置
螺母柱、齿条自重荷载(LC3)起重机、厂房自重荷载(LC4)楼梯自重荷载(LC5)
板和墙的自重荷载(LC6)
螺母柱100kN/m；齿条65kN/m
建模时省略，等效为荷载作用在相应位置
建模时省略，等效为荷载作用在相应位置
建模时省略，等效为荷载作用在相应位置
表2活荷载
内容荷载值
202.5m高程机房内的人员、设备等可变荷载(LC8)等效为荷载作用在196m平台
84m高程外引桥考虑100t卡车可变荷载，112.0m、140.0m、168.0m、175.0叭
189m高程相应房间内的人员、设备可变荷载(LC9)
等效为荷载作用在相应位置
196m高程上滑轮室、参观平台、中控室等相应房间内的人员、设备等可变荷载(LC10)起重机荷载(LC11)等效为q=15kN/m2,作用在196m高程的平台上转化为作用在196m高程塔柱上的荷载
考虑洪水时塔柱结构外部10m水头(LC19)在塔柱外墙和基础底板上作用10m的水压
表3风荷载
内容荷载值
横向风荷载(LC12)风压W=0.88kN/m2,风吸W=0.55kN/m2
横向风荷载(LC13)与LC12大小相等，方向相反
纵向风荷载(LC14)风压W=0.88kN/m2,风吸W=0.55kN/m2
纵向风荷载(LC15)与LC14大小相等，方向相反
竖向风荷载(LC16)0=168kN/齿条
表4温度荷载
荷载工况编号内容
塔柱结构整体温升(LC30)以年均温17七为基数，考虑最高温度40r,塔柱结构整体均匀升温23壬
塔柱结构整体温升(LC31)以年均温17乜为基数，考虑最低温度0乞，塔柱结构整体均匀降温17乞
右侧塔柱非均匀温升(LC32)考虑右侧塔柱日照等因素，右侧塔柱L轴升温20%、G轴升温0%,L・G轴之间线性插值
左侧塔柱非均匀温升(LC33)考虑左侧塔柱日照等因素，左侧塔柱A轴升温20七、E轴升温0弋，A・E轴之间线性插值
塔柱内外非均匀温升(LC34)左侧塔柱A轴升温10丫、E轴升温0弋，A-E轴之间线性插值；右侧塔柱L轴升温10G轴升温or,L-G轴之间线性插值
塔柱横向联系梁非均匀温升(LC35)196m高程升温20X,189m髙程升温0尤，196~189m高程间线性插值
塔柱横向联系梁均匀温升(LC36)塔柱顶部的横向联系梁均匀升温15r
右侧塔柱均匀温升(LC37)右侧塔柱L-G轴之间均匀温升15t
左侧塔柱均匀温升(LC38)右侧塔柱A-E轴之间均匀温升15t
温度荷载组合(LC40)LC40=0.13LC30+1.0LC32
温度荷载组合(LC41)LC41=0.13LC30+1.0LC33
温度荷载组合(LC42)LC42=0.56LC30+1.0LC34
温度荷载组合(LC43)LC43=0.13LC30+1.0LC35
温度荷载组合(LC44)LC44=0.13LC3O+1.0LC32+1.0LC36
温度荷载组合(LC45)LC45=0.13LC30+1.0LC33+1.0LC36
温度荷载组合(LC46)LC46=0.35LC30+1.0LC37
温度荷载组合(LC47)LC47=0.35LC3O+1.0LC38
温度荷载组合(LC48)LC48=0.35LC3O+1.0LC36+1.0LC37
温度荷载组合(LC49)LC49=0.35LC30+1.0LC36+1.0LC38
温度荷载组合(LC50)LC50=0.41LC31-1.0LC34
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田清伟，等〃三峡升船机塔柱结构变形及其机构适应性研究
表5事故荷载
荷载T.况编号
内容
承船厢空载(LC60)承船厢空载时，平衡重重量大于承船厢重量，安全机构锁定，6 = 90 000 kN, 4个螺母柱，8个螺母柱片， 每个螺母柱片作用力为11 250 kN,作用于180 m 高程的螺母柱片，方向向上
承船厢满载(LC61)承船厢满载至顶部，承船厢重量大于平衡重重量，安全机构锁定，G= 19 520 kN,每个螺母柱片作用力为 2 240 kN,作用于90 m 高程的螺母柱片上，方向向下。

承船厢受浮力作用(LC62)
塔柱内部进水，承船厢受浮力作用，平衡重重量大于承船厢重量，安全机构锁定，6= 123 500 kN,每个螺 母柱片作用力为15 438 kN,作用于65 m 高程的螺母柱片，方向向上。

承船厢中有沉船(LC63)
承船厢中沉船，承船厢重量大于平衡重重量，安全机构锁定，G = 40 000 kN,每个螺母柱片作用力为 10 000 kN,作用于65 m 高程的螺母柱片上，方向向下。

表6组合工况
工况名组合公式备注ZH1Ed=l.35(LC1~LC6) + 1.5(LC8〜LC11)+LC19
基本组合ZH2
EdA =1.35(LC1~LC6) + 1.32(LC8~LC11+LC19) + 1.36(LC16+LC12)风荷载组合ZH3
EdA =1. 35(LC1~LC6) + 1. 32( LC8~ LC11+LC19) +1.36( LC16+LC14)
风荷载组合
ZH4EdA =1.35(LC1~LC6) + 1.32( LC8~LC11+LC19) +1. 15LC3O 温度荷载组合
ZH5
EdA =1.35(LC1~LC6) + 1.32(LC8~LC11+LC19) + 1. 15LC31温度荷载组合ZH6EdA =1.35(LC1~LC6) + 1・ 32(LC8~LC11+LC19) + 1. 15LC40温度荷载组合ZH7EdA =1.35(LC1~LC6) + 1.32(LC8~LC11+LC19) + 1. 15LC42温度荷载组合ZH8EdA =1. 35( LC1 -LC6) +1. 32( LC8~LC11+LC19) +1. 15LC48
温度荷载组合ZH9EdA =1. 35(LC1~LC6) + 1. 32(LC8~LC11+LC19) + 1. 15LC50温度荷载组合ZH10EdA =1.35(LC1~LC6) + 1.32(LC8〜LC11+LC19) + 1. 15LC51温度荷载组合
ZH11
EdA =1. 35(LC1~LC6) + 1. l(LC8~LCll+LC19)+LC16+LC12+LC60风+事故荷载组合ZH12
EdA =1. 35(LC1~LC6) + 1. 1(LC8~LC11+LC19)+LC16+LC12+LC61风+事故荷载组合ZH13EdA =1.35(LC1~LC6) + 1. 1(LC8~LC11+LC19)+LC16+LC12+LC62风+事故荷载组合ZH14
EdA =1. 35(LC1~LC6) + 1. 1(LC8~LC11+LC19)+LC16+LC12+LC63风+事故荷载组合ZH15EdA =1. 1(LC1~LC6+LC8~LC11+LC19)+LC16+LC12+O. 5LC30风+温度1ZH16EdA =1. 1(LC1~ LC6+LC8 ~ LC 11+LC 19) +LC16+LC 12+0. 5LC31风+温度2
ZH17EdA =1. 1(LC1~LC6+LC8~LC11+LC19)+LC16+LC12+O. 5LC40风+温度3ZH18
EdA =1. 1(LC1~LC6+LC8〜LC 11+LC 19) +LC16+LC 12+0. 5LC42
风+温度4
表7组合工况塔柱整体最大位移及其位置
注：部位一栏中**189 m-D-10横墙”表示189 m 高程D 轴和10轴交叉的横向墙体部位
组合工况纵向最大位移
横向最大位移
竖向最大位移
位移值/mm
部位位移值/mm
部位位移值/mm
部位
ZH1
5.5196 m 高程平台中部12. 1
189 m-D-10 横墙-29. 1196 m 高程平台中部ZH2 4.9196 m 高程平台中部54.7189 m-D-10 横墙
-28.4196 m 高程平台中部ZH37.2
196 m 高程平台中部
11.4189 m-D-10 横墙-28.0196 m 高程平台中部ZH420. 1193.5 m-D-13 纵梁
16.9
152 m-A-11 横墙
2& 7
196 m 丄-8横墙ZH5
15.0196 m-L-1 横墙9. 8144 m-D-13 纵墙-57.2
196 m 高程平台中部ZH617.3196 m-A-13 横墙-77. 8196 m-D-1 横墙25.5
196 m-A-8 横墙ZH7
1& 1
196 m-A-13 横墙
20.5150 m-A-10 横墙
24.5LV196-L-8 横墙
ZH819.9196 m-A-13 横墙-17.5
167 m-L-13 横墙31.5LV196-A-8 横墙ZH913.4196 m-L-1 横墙9.3189 m-D-10 横墙
-45.6
196 m 高程平台中部ZH10
13.4196 m-L-1 横墙8.6189 m-D-10 横墙-46.0196 m 高程平台中部ZH11
4.3
196 m 高程平台中部42.3189 m-D-10 横墙-26.2
196 m 高程平台中部ZH12 4.2196 m 高程平台中部42.3
189 m-D-10 横墙-27. 1
196 m 高程平台中部ZH13 4.3196 m 高程平台中部42.3189 m-D-10 横墙
-25.9196 n 】高程平台中部ZH14
4.8196 m 高程平台中部
42.3189 m-D-10 横墙-27.5
196 m 高程平台中部ZH1510.6
186 m-H-13 横墙42.7
189 m-D-10 横墙11.7196 m 高程平台中部ZH16
7. 8196 m-L-1 横墙40.2189 m-D-10 横墙-35.9
196 m 高程平台中部
ZH179.0196 m-A-13 横墙15.6
149 m-A-10 横墙
-18.6196 m 高程平台中部ZH18
9.3
196 m-A-13 横墙
42.5189 m-D-10 横墙
-11.8
196 m 高程平台中部MAX 20. 1193.5 m-D-13 纵梁-77.8
196 m-D-1 横墙-57.2
196 m 高程平台中部
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水利水电技术 第51卷2020年第6期
田清伟，等〃三峡升船机塔柱结构变形及其机构适应性研究
25.3mm,工况ZH8；④左右两侧塔柱齿条部位最大横向变形差值，预测值为32.1mm,工况ZH7；⑤上下游塔柱齿条部位最大纵向变形差值，预测值为16.6mm,工况ZH4；⑥左右两侧塔柱齿条部位最大竖向变形差值，预测值为25.4mm,工况ZH8；⑦左右两侧塔柱纵向导向部位最大横向变形差值，预测值 为24.5mm,工况ZH7；⑧齿条与纵向导向相对纵向位移最大值，预测值为9.8mm,工况ZH4；⑨螺母柱与纵向导向相对纵向位移最大值，预测值为11.7mm,工况ZH4；⑩同高程螺母柱部位与齿条部位相对竖向位移最大值，预测值为2mm。

上述10类需要关注的变形中，—⑦类变形通过承船厢上安全机构、驱动机构以及纵向导向机构中相关机构来适应，这些变形预测值为相关机构的适应值设定提供条件。

纵向导向是升船机运行过程中的纵向约束点，齿条与纵向导向相对纵向变形过大，就可能导致承船厢上的齿轮与塔柱上的齿条啮合出现偏差;螺母柱与纵向导向相对纵向变形过大，就可能导致承船厢上的螺杆在旋转上升过程中与塔柱上的螺母发生接触。

齿条是承船厢在上下运行过程中竖向定位点,同高程螺母柱与齿条相对竖向位移过大，也会导致正常运行过程中螺杆与螺母发生接触。

考虑较大的富裕度，依据变形预测值设定相关机构适应值如表8所列。

此外，同一高程左右两侧塔柱齿条存在竖向相对位移，可能会引起承船厢轻微的倾斜。

经测算, 25.4mm的相对竖向变形导致承船厢最大倾斜度为0.036°,所产生的水平向分力为102kN,不会对船厢的正常运行产生影响。

3运行调试阶段塔柱结构变形反演分析与机构适应性后评估
3.1塔柱结构变形监测资料分析
监测结果如图5、图6、图7、图8所示。

日期
表8螺母柱、齿条、纵向导向等关键部位变形对比mm
部位变形量反演计算值
（与监测值
相当）
设计预测
最大值
机构
适应值
最大横向变形 6.470.7/最大纵向变形&2414.0/
螺母柱最大竖向变形24.323&3/左右塔柱横向最大变形差9.9433.4150上下游塔柱纵向最大变形差13.0921.4110左右塔柱垂直向最大变形差21.5325.360最大横向变形 6.1270.1/最大纵向变形 6.4711.6/
齿条最大竖向变形24.483&7/左右塔柱横向最大变形差9.1632.1150上下游塔柱纵向最大变形差11.0716.6110左右塔柱垂直向最大变形差24.3925.460最大横向变形 5.2566.4/
纵向导向最大纵向变形0.42 6.53/
最大竖向变形19.1342.9/
左右塔柱横向最大变形差7.6524.5100(95)左右塔柱垂直向最大变形差20.222.6/
齿条与纵向导向相对纵向位移最大值 6.289.815螺母柱与纵向导向相对纵向位移
最大值
5.7111.715
同高程螺母柱部位与齿条部位相对竖向位移最大值0.73260
E
E
/
4
豐
滦
图5典型测点温度过程线
乡'3'3
日期
图6典型高程纵向位移过程线
・—jE垂-y-140.0
$
I
日期
y-196.0
图7典型高程横向位移过程线
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水利水电技术第51卷2020年第6
期
田清伟，等〃三峡升船机塔柱结构变形及其机构适应性研究
吹-LD04 +LD05 —LD08 +LD10亠 混凝土内部温度
图8 196 m 高程水准点竖向位移过程线
图仆典型点竖向变形监测值与反演值对比
Z
Y
图9仿真分析模型
5.4.3.2 L 0o o o o
o O V o o o O
O O O O 0.O 0Q O O 5-1.2-3.4期
■倒
么
-84.5三84.5
图10典型点纵向变形监测值与计算值对比
塔柱结构内部温度早期受水化热温升影响，后期 受外界气温影响呈周期性变化。

上游侧左右两个塔柱
在纵向变形趋势一致，冬季时向下游变形，夏季时向 上游变形，变形幅值分别为-7. 28 ~ 6. 5 mm 和
-5.22-6.5 mm ；下游侧左右两个塔柱在纵向变形趋
势一致，冬季时向上游变形，夏季时向下游变形，变
形幅值为-& 5-6. 5 mm 和-10-3 mm o 左侧上下游两
个塔柱横向变形趋势一致，冬季时向右岸变形，夏季
时向左岸变形，变形幅值为-8~8mm 和-&5~
8 mm ；右侧上下游两个塔柱横向变形趋势一致，冬 季时向左岸变形，夏季时向右岸变形，变形幅值为
-5~ 13. 5 mm 和-5~14mm 。

196 m 高程竖向变形随混
凝土内部温度变化负相关，温度上升，混凝土膨胀,
水准点监测变形值增大，温度下降，混凝土收缩，7K
准点监测变形值减小，变幅在0~37 mm 范围内。

从上述监测资料的分析可知，塔柱结构纵向、横
向、竖向变形均与温度有良好的相关性，说明温度荷
载是塔柱结构运行期主要荷载。

3.2塔柱结构变形反演仿真分析
考虑到监测点只布置在典型高程，监测数据不一
定捕捉到最大变形值，本节基于监测资料开展塔柱变
形的反演仿真分析。

计算模型如图9所示，考虑对称性和计算效率,
取四分之一的塔柱结构进行计算，不同颜色表示不同
的浇筑仓，反映浇筑过程，计算中考虑自重、温度等
各种荷载因素，采用中国水科院自主研发的SAPTIS
软件进行计算。

计算参数在混凝土试验值基础上,
对线膨胀系数等参数进行反演。

反演后的混凝土线膨
胀系数为& 7xio-6r-',略大于混凝土试验值。

按照实际施工进度、监测的温度过程进行反演 计算，将计算结果与实测的塔柱变形监测数据对
比，典型曲线对比如图10、图11所示。

塔柱纵向 与横向变形趋势吻合，规律基本一致，个别高程变 形差别稍大。

竖向变形监测值与计算值，规律一致
性非常好，幅值略有差异。

说明塔柱结构的变形符
合一般规律，基于监测数据的反演计算值符合实际
情况。

但是在设计阶段，由于荷载与参数很难取得
与实际一致，导致预测幅值会有所差异，设计阶段
应考虑一定裕度。

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水利水电技术 第51卷2020年第6
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