水工金属结构防腐面积计算公式

邢述炳

水工金属结构防腐面积计算公式

邢述炳

（中设设计集团股份有限公司，江苏南京210014）

防腐是水工金属结构施工中的重要工序，防腐面积的准确性将影响工程造价。在传统拆解法、投影法和类比法的基础上，分析了水工金属结构的基本特征，提出了由结构质量、重叠系数、平均板厚和材料密度等构成的防腐面积计算公式。结合闸阀门及拦污栅的结构特征，给出各门型及拦污栅的重叠系数。工程算例表明，该经验公式及重叠系数具有较高的准确性，提高了设计人员的工作效率，便于水运水利行业推广运用。

水工；金属结构；防腐面积；计算公式；重叠系数；闸阀门

0 引言

水工金属结构工作环境恶劣，防腐是施工中必不可少的工序，防腐效果很大程度上决定了其使用寿命，而防腐面积的准确程度将影响工程造价，不得不考虑[1]。传统的防腐面积计算方法通常有3种：第1种是拆解法，即逐个部件计算表面积然后再累加；第2种是投影法，即认为水工金属构件的防腐面积近似等于投影面积的数倍[2]；第3种是类比法，即参考相似工程经验进行类推。第1种方法虽然准确，但是将耗费大量人力劳动，严重影响设计人员的工作效率；第2种方法估算虽然较为简洁，但往往跟实际出入较大；第3种方法类比计算虽然较为简洁，但是依据前期的经验，几次类比后结果可能已经偏离实际。

笔者从水工金属结构的特性出发，发现几乎所有结构均可简化为板材或近似板材组合结构，于是建立了“质量-板厚-面积”的线性关系式，再根据结构的重叠特性，引入重叠系数对防腐面积进行折减修正。该算法以构件各部件质量已知为前提，根据重叠系数表，查出不同水工金属结构的重叠系数，再代入密度和平均板厚即可算得防腐面积。运用该经验公式，可得到较为准确的计算结果，误差控制在2%以内，大大提高了设计人员的工作效率，便于水运水利行业推广运用。

1 防腐面积算法理论

1.1 构件防腐面积简化

水工金属结构的构件通常由板件、型材、钢管和球节点等组成，其表面积计算各有不同。以常见的钢管支承板梁结构为例，该结构由面板、主梁、纵梁、次梁、支承钢管和球节点等组成，如图1所示。其中，面板、主梁和纵梁所有构件均为等厚度板件；次梁为槽钢，槽钢截面在肢尖及肢腰交接处存在圆角，平均厚度近似等于腰厚；钢管及空心节点球可以看作是由等厚度薄板卷制而成的壳体结构[3]。

图1 水工金属结构简图Fig.1Diagram of hydraulic metal structures

从钢管支承板梁结构中取出构件单元体，如图2所示。易得平板、槽钢、钢管及空心球总表面积。因为板件长宽、槽钢肢长、钢管和空心球的直径等均远大于构件壁厚，当壁厚δ趋近于0时，平板、槽钢、钢管和空心球的全表面积均为各自展开面积的2倍。故水工金属结构可看做有n块薄板微元组成，其总表面积可按式（1）计算。

图2 水工金属结构单元体Fig.2Units of hydraulic metal structures

式中：A0为水工结构总表面积，m2；a为薄板微元的宽度，m；b为薄板微元的长度，m。

1.2 防腐面积计算公式

同一金属结构的材料密度ρ基本一致，设n块金属板件中第i块的质量为mi，板厚为δi，则第i块金属板件的质量可表达为式（2）：

转化得式（3）：

将式（3）代入式（1），得n块金属板件的总表面积式（4）：

若板材平均厚度为δ，则有式（5）：

式中：A为结构的防腐面积，m2；k为结构的重叠系数；m为结构的总质量，kg；ρ为结构的材料密度，kg/m3；δ为结构的平均板件厚度，m。

1.3 平均板厚计算

由式（7）转化可得平均板厚式（8），当组成构件的板件厚度离散程度较小时，平均板厚可以根据各板厚的质量权重按式（7）进行估算。

式中：δi为第i种板件厚度，mm；mi为第i种板件总质量，t。

2 重叠系数

2.1 人字闸门

人字闸门主要由门体结构、支承系统、止水系统、安全保护系统、润滑系统及工作桥等部分组成。其中，门体结构需要实施除锈、喷锌、涂装等防腐工艺，该部分即为本文所要统计的防腐面积，而运转件、预埋件、止水橡皮、柔性护木、润滑系统等均不在统计之列。人字闸门门体结构主要由面板、主梁、横隔板、水平次梁、竖直次梁、门轴柱、斜接柱、浮箱、背拉杆、钢护木等组成[4]。

根据拱轴线的特征，人字闸门主梁普遍设置前翼缘，前翼缘与面板存在重叠区，横隔板、水平次梁和竖直次梁通常不设置前翼缘。对于大型人字闸门来说，为降低顶底枢的支反力减小门头下垂量，通常设置浮箱[5]。在防腐过程中，浮箱外部与门体防腐工艺相同，内部简单处理即可，故内部不在本次防腐面积统计范围内。背拉杆是改善门体的抗扭刚度的重要构件，中小型人字闸门通常使用非预应力背拉杆，大中型人字闸门通常设置预应力背拉杆[6]。非预应力背拉杆，盖板将遮住内部面积；预应力背拉杆不存在重叠区。为防止船舶碰撞闸门时对门体结构的破坏，在闸门背水面的最低通航水位以上设置钢护木，钢护木内部及其与梁系后翼缘重叠区不需要防腐，其余部分需要防腐。

以某Ⅲ级船闸人字闸门为例，该船闸承受单向水头作用，最大设计水头9.43 m，门体结构尺寸为14.26 m×13.584 m×1.5 m（高×宽×厚），各部位防腐面积统计情况见表1。

表1 人字闸门重叠系数及防腐面积Table 1Overlap coefficient and anticorrosion areas of miter gate

从表1中可以看出，人字闸门重叠区主要为浮箱内部、面板与主梁结合处、门背钢护木等，对于不设置浮箱的人字闸门重叠较少。以质量占比作为重叠系数的权数，可得重叠系数为0.80，与实际重叠系数0.79比较接近，说明按分部质量统计防腐面积是可行的。考虑有些人字闸门不设置浮箱，统计分析后得人字闸门重叠系数范围为0.75~0.90：设置浮箱结构重叠系数可取0.80，不设置浮箱结构重叠系数可取0.90。

2.2 三角闸门

三角闸门主要由门体结构、支承系统、止水系统等几大部分组成，其中门体结构通常包括面板系、顶、底片刚架、自重刚架、空间联系刚架、端柱、浮箱、工作桥等[7]。

三角闸门面板系多采用主梁式弧形结构，纵向布置有横隔板，主梁和横隔板间设置T形次梁以加强面板。面板系传来的水压力通过顶底片、斜片等空间网架结构传至顶底枢。空间网架通常有2种结构形式：一种是钢管球节点结构形式，另一种是型钢节点板结构形式。钢管球节点在防腐时，仅计算外表面面积，内部密封不作处理；而型钢节点板结构在防腐时，因重叠区仅为型钢与节点板搭接区域，不存在内部，故表面积相对较大。端柱联接上、下几榀水平网架使闸门形成整体，并将网架传来的水压力传递给顶底枢，具有较大的刚度。端柱通常采用组合工字形开放性结构，防腐面积基本没有重叠区，但板件相对于面板系来说通常稍厚。由于三角闸门重心位置远离支承中心，在面板附近设有浮箱，可有效地减少门头在水中的下垂量，因此大中型三角闸门中浮箱必不可少。三角闸门浮箱的防腐同人字闸门，防腐面积仅算浮箱外侧。

以某Ⅲ级船闸三角闸门为例，该船闸承受双向水头作用，正向设计水头2.52 m，反向设计水头-3.27 m，门体结构尺寸为10.50 m×12.39 m-70°（门高×弧面半径-中心角），各部位防腐面积统计情况见表2。

表2 三角闸门重叠系数及防腐面积Table 2Overlap coefficient and anticorrosion areas of triangle gate

从表2中可以看出，三角闸门重叠区主要集中在联系杆、主支臂、斜支臂等钢管内部及浮箱内部。因型钢节点板结构重叠较少，而小型门体（通常采用钢管球节点）不设置浮箱，统计分析后得三角闸门重叠系数范围为0.70~0.85：设置浮箱的管球结构重叠系数可取0.75，不设置浮箱的型钢结构重叠系数可取0.85，小型不设置浮箱结构重叠系数可取0.80。

2.3 横拉闸门

横拉闸门主要由门体结构、支承系统、轨道装置、推拉牵引装置、止水及缓冲装置等部分组成，门体结构包括面板系、主横梁、竖向联结系、端桁架、浮箱、工作桥及踏步等几部分。

横拉闸门常见门体剖面结构有矩形、梯形、三角形[8]等，以矩形结构居多；面板有单面板和双面板2种，以双面板结构居多；面板与主梁弦杆相连，纵向布置有竖直次梁，水平向在主横梁之间布置有水平次梁。主横梁采用桁架结构，桁架弦杆通常为方管或型钢组成的封闭截面，内部腹杆通常为型钢组合截面。主梁通过竖向联结系连接，竖向联结系也采用桁架形式，以减小闸门启闭时的水阻力。端桁架刚度较大，端桁架弦杆采用组合工字形结构，并与各道主梁端腹杆及斜向联系杆件共同组成刚度较高的端桁架体系。横拉闸门门体较重，底台车运行工况复杂，通常依托两侧面板在底部2~3道主梁之间设置浮箱，以降低门体在水中的重量、延长底台车的使用寿命。

以某Ⅲ级船闸横拉闸门为例，该船闸承受双向水头作用，最大正向设计水头8.50 m，最大反向设计水头-1.31 m。门体结构尺寸为23.65 m× 3.854 m×13.7 m（门长×门厚×面板高度），各部位防腐面积统计情况见表3。

表3 横拉闸门重叠系数及防腐面积Table 3Overlap coefficient and anticorrosion areas of horizontal pulls gate

从表3中可以看出，横拉闸门重叠区主要集中在主梁弦杆内部、浮箱内部及弦杆与面板结合处等。考虑国内早期横拉闸门多为单面板结构，可释放部分重叠面积，统计分析后得横拉闸门重叠系数范围为0.70~0.85：双面板结构重叠系数可取0.70，单面板结构重叠系数可取0.80。

2.4 平面闸阀门

平面闸阀门主要有阀门、升卧门、检修闸门等类型，阀门和升卧门均为实腹式结构，检修闸门按结构形式可分为实腹式叠梁和桁架式叠梁两种。平面闸阀门一般由门体结构、主滚轮（主滑块）、侧滚轮（侧向限位装置）、止水系统等组成，其中门体结构通常包括面板、主横梁、纵梁（横隔板）、次梁、边梁、背拉杆、节点板、止水座等。

以某Ⅱ级船闸平面阀门为例，该船闸承受双向水头作用，最大正向设计水头4.50 m，最大反向设计水头-1.80 m，廊道孔口尺寸为3.5 m×3.5 m（高×宽）。门体结构尺寸为3.62 m×3.66 m×0.4 m（高×宽×厚），各部位防腐面积统计情况见表4。

表4 平面阀门重叠系数及防腐面积Table 4Overlap coefficient and anticorrosion areas of flat valve

从表4中可以看出，平面阀门重叠区主要集中在门后节点板和背拉杆等处。结合其他几种门型结构形式，统计分析后得平面闸阀门重叠系数范围为0.85~0.95：平面阀门和升卧门重叠系数可取0.95，实腹式叠梁门可取0.90，桁架式叠梁门可取0.85。

2.5 弧形闸阀门

弧形闸阀门主要有露顶式和潜孔式两种，露顶式结构多用作闸门进行挡水，潜孔式结构多用作阀门进行输水。弧形闸阀门通常由门体结构、止水系统、支铰等部件组成，其中门体结构包括面板、主横梁、主纵梁、次梁、支臂等。

主横梁通常采用具有前翼缘的组合工字形截面，次梁采用槽钢。门体防腐时，不需要防腐的区域主要集中在面板区，主梁前翼缘及次梁与面板重叠部分。当支臂采用组合工字形截面，无重叠区；当支臂采用管形结构时，其内部和两端连接板部分存在重叠。

以某水库弧形阀门为例，最大设计水头52.0 m，输水洞口尺寸为2.0 m×1.25 m（宽×高）。门体结构各部位防腐面积统计情况见表5。

从表5中可以看出，弧形阀门重叠区主要集中在面板与主横梁及次梁的结合处。结合国内大孔口露顶式弧形闸门，统计分析后得弧形闸阀门重叠系数范围为0.92~0.96：露顶式弧形闸门可取0.95，潜孔式弧形阀门可取0.93。

表5 弧形阀门重叠系数及防腐面积Table 5Overlap coefficient and anticorrosion areas of tainter valve

2.6 拦污栅及其他结构

拦污栅主要由栅条、主梁、隔板、边柱、连接板等部件组成。因为栅面过流的特殊要求，拦污栅各构件多顺水流方向布置，且构件之间均通过板壳断面进行连接，除支承板外几乎无重叠，故其重叠系数可取0.99。

其他水工金属结构，可根据自身结构特征，按部件拆解进行分析，并参照闸阀门及拦污栅，估算出各自的重叠系数。

3 算例分析

根据工程实例，结合各门型特征，将人字闸门分为有浮箱和无浮箱2种，将三角闸门分为管球结构、型钢结构和小型无浮箱3种，将横拉闸门分为单面板和双面板2种，将平面闸阀门分为平面阀门、提升卧倒门、实腹式叠梁和桁架式叠梁4种，将弧形闸阀门分为露顶式闸门和潜孔式阀门2种；同时，将上文计算所得的重叠系数分别代入检验。不同水工金属结构重叠系数及防腐面积检验结果详见表6。

从表6中可以看出：闸阀门各门型及拦污栅的防腐面积公式计算值与实际值误差均小于2%，满足工程设计要求，其重叠系数取值相对合理。

4 结语

通过对水工金属结构防腐面积计算公式理论推导，结合闸阀门及拦污栅等具体结构分部件计算分析，并进行工程实例检验，得出如下结论：

1）防腐面积公式A=2km/ρδ，在水工钢结构计算中具有较高准确性，误差可控制在2%以内，满足工程设计要求；

表6 不同水工金属结构重叠系数及防腐面积Table 6Overlap coefficient and anticorrosion areas of different hydraulic metal structures

2）防腐面积计算公式中的重叠系数k，人字闸门设置浮箱时可取0.80，不设浮箱时可取0.90；三角闸门采用管球结构时可取0.75，采用型钢结构时可取0.85，小型不设置浮箱门体可取0.80；横拉闸门单面板结构可取0.80，双面板结构可取0.70；平面阀门和提升卧倒门可取0.95，实腹式叠梁门可取0.90，桁架式叠梁门可取0.85；露顶式弧形闸门可取0.95，潜孔式弧形阀门可取0.93；拦污栅可取0.99。

3）防腐面积计算公式中的平均板厚δ，板厚规格相对集中时，可以分厚度板件的总质量作为该板厚的权重进行加权计算，计算误差范围较小。

4）防腐面积计算公式具有通用性，不局限于水工金属结构行业，当运用至其他行业计算构件防腐面积时，应根据构件的特征重新计算构件质量、密度、重叠系数及平均板厚。

5）本防腐面积计算公式以金属板材为基础，当构件长宽高相当时计算误差较大，本公式不宜采用。

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Formula for calculating anticorrosion area of hydraulic metal structures

XING Shu-bing
（China Design Group Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210014,China）

Anticorrosion is an important procedure in hydraulic metal structure construction and accuracy of anticorrosion area will affect the project cost.On the basis of traditional decomposition method,projection method and analogy method,we analyzed essential feature of hydraulic metal structure and proposes anticorrosion area computational formula composed of structure mass,overlap coefficient,average thickness of slab and material density.By combining the structure feature of lock gate,valve and trash rack,we provided the overlap coefficient of each type gate and trash rack.The engineering instances prove that the accuracy of experience formula and overlap coefficient is high,which enhances the work efficiency of designers and provides convenience for its promotion and application in water transport and water conservancy industry.

hydraulic;metal structure;anticorrosion area;calculate formula;overlap coefficient;lock gate and valve

U641.331；TV663

A

2095-7874（2017）08-0010-06

10.7640/zggwjs201708003

2017-03-10

2017-05-27

邢述炳（1984—），男，江苏徐州人，硕士，高级工程师，主要从事水工金属结构及机械设计。E-mail：xingshubing@163.com