鋼閘門安全應力測試試驗

某攔河閘鋼閘門采用露頂式平面定輪鋼閘門，孔口尺寸為9.60m*6.00m（寬*高），單扇鋼閘門重35t，設計水頭為5.50m，堰頂高程為30.50m，孔口數量22孔，閘門數量22扇，從左岸至右岸依次編號為1號、2號、......、22號。根據要求對攔河閘鋼閘門定期進行安全檢測。

本文選擇21號鋼閘門作為試件，采用電測法對結構進行靜應力測試和動應力測試，采用聚航科技生產的應變儀。

首先根據閘門結構有限元計算應力分析結果，確定閘門構件的測點位置，然后對測點進行打磨、清洗、定位、貼片、焊線、密封絕緣、引線、聯機并調零，最后采集測試數據?？紤]溫度的影響，在檢測過程中設置了溫度補償片。

結構靜應力測試與分析

采用JHDJ動靜態(tài)應變儀實現檢測數據的自動采集、記錄和計算。

測點布置

測點位置應選擇在應力最大、受力最復雜的部位。

選擇21號鋼閘門進行結構靜應力測試。根據閘門各構件的受力特點，在21號鋼閘門各主要受力構件上共布置了21個測點，其中有4個三向測點。測點分別布置在面板、主橫梁后翼緣、縱梁后翼緣、主橫梁腹板、縱梁腹板和邊梁后翼緣上。

檢測工況

對21號鋼閘門進行應力測試時，上游水位為35.95m，閘門下游無水，堰頂高程為30.50m，閘門的作用水頭為3.45m，設計水頭為5.50m。

檢測結果分析

根據鋼閘門單向測點實測應力數據和鋼閘門三向測點實測應力數據可知；所測面板的最大剪應力為28.1MPa，最大折算應力為48.5MPa；所測主橫梁后翼緣的跨中正應力為拉應力，最大拉應力為100.9MPa，出現在1號主橫梁上；所測邊梁后翼緣正應力為壓應力，最大壓應力為-13.0MPa；所測主橫梁腹板的剪應力為13.4MPa，最大折算應力為23.2MPa；所測縱梁腹板的剪應力為3.1MPa，最大折算應力為5.4MPa。

容許應力

閘門主要構件材料為Q235A（普通碳鋼，A級）。面板、主橫梁和縱梁的鋼板厚度均不大于16mm，屬鋼材尺寸分組的第1組，其材料的容許應力為[σ]=160MPa，[T]=95MPa。根據《水利水電工程金屬結構報廢標準》規(guī)定，對于大中型工程的鋼閘門，材料的容許應力應乘以0.90-0.95的使用年限修正系數（該工程各閘門使用年限短，取0.95），故閘門主要構件的材料容許應力為[σ]’=0.95*160MPa=152.0MPa，[T]’=0.95*95MPa=90.3MPa。

由強度條件可知，單向測點強度復合條件為σ≤[σ]’。

三向測點強度復合條件如下：

A. 主橫梁σ≤[σ]’，T≤[T]’。

B. 對于同時受較大正應力和剪應力作用的腹板，σ_zh≤1.1[σ]’=1.1*152.0MPa=167.2MPa。

C. 面板σ_zh≤1.1α[σ]’，其中α為彈塑性調整系數（α=1.5）則1.1α[σ]’=1.1*1.5*152.0MPa=250.8MPa。

應力檢測結果分析

面板

在實測水位（接近設計水位）下，21號鋼閘門面板剪應力均較小，最大剪應力為28.1MPa，小于容許剪應力；面板最大折算應力為48.5MPa，小于材料的折算應力容許值（1.1α[σ]’=250.8MPa）.

主橫梁

A. 在同一根主橫梁上，主橫梁跨中后翼緣的正應力最大，且均為拉應力，符合閘門結構的受力特點。

B. 在實測水位（接近設計水位）下，21號鋼閘門主橫梁后翼緣最大拉應力為100.9MPa，出現在1號主橫梁跨中。主橫梁腹板剪應力為13.4MPa，折算應力為23.2MPa。主橫梁各應力小于材料的容許應力值（[σ]’=152.0MPa）

縱梁和邊梁

邊梁后翼緣所受正應力均為壓應力，且應力值均大于縱梁后翼緣的應力值。在實測水位（接近設計水位）下，21號鋼閘門縱、邊梁最大正應力為-13.0MPa，應力值小于材料的容許應力值（[σ]’=152.0MPa）。

結構動應力測試與分析

檢測方法和設備

檢測方法同結構靜應力測試一樣，檢測設備則采用JHDY動態(tài)應變儀。

測點布置

測點布置原則同靜應力測試一樣。

根據閘門各構件的受力特點，在21號鋼閘門主要受力構件上共布置了4個測點，分別為2個主橫梁后翼緣和2個邊梁后翼緣上。

檢測工況

閘門結構動應力檢測初始時刻上游水位35.95m，閘門下游無水，堰頂高程為30.50m，閘門的作用水頭為5.45m，設計水頭為5.50m。完全關閉后的上游水位仍為35.95m。

檢測前，先關閉檢修閘門，清空工作閘門和檢修閘門之間的水，再關閉工作閘門，使其處于空載狀態(tài)；粘貼應變片，并把動態(tài)應變儀調零；然后提起檢修閘門充水，使工作鋼閘門前水位達到穩(wěn)定的上游水位，一切就緒后，開始啟動動態(tài)應變儀，并記錄初始動應力。

21號鋼閘門靜止10s后緩慢提升鋼閘門，135s后達到半開狀態(tài)（閘門提升高度為3m），停止10s后繼續(xù)開啟，159s后達到全開狀態(tài)（閘門提升高度為6.50m），停止20s后開始關閉閘門，276s后閘門全部關閉，停止10s后結束動態(tài)應變數據記錄并存盤，整個過程用時620s。

檢測結果分析

根據21號鋼閘門各測點總應變波形可知：

A.1號和2號主橫梁后翼緣跨中測點的最大動應力分別為539μm和394μm（最大動應力分別為111MPa和81.20MPa），兩者均發(fā)生在閘門開啟后完全關閉瞬間。

B.左、右邊梁后翼緣測點的最大動應變?yōu)閴簯?，分別為27μm和84μm（最大動應力為5.6MPa和17.3MPa），均發(fā)生在閘門開啟前全關閉階段。

容許應力

同材料靜應力容許應力復核，即單向測點強度復合條件為σ≤[σ]’=152.0MPa。

三向測點強度復核條件如下：

A.主橫梁σ≤[σ]’=152.0MPa，T≤[T]’=90.3MPa。

B.對于同時受較大正應力和剪應力作用的腹板，σ_zh≤1.1[σ]’=1.1*152.0MPa=167.2MPa。

C.面板σ_zh≤1.1α[σ]’，其中α為彈塑性調整系數（α=1.5）則1.1α[σ]’=1.1*1.5*152.0MPa=250.8MPa。

動應力檢測結果分析

面板

在閘門完全啟閉的動態(tài)工況下，21號鋼閘門面板動剪應力均較小，最大動剪應力為27.8MPa，小于容許剪應力；面板折算動應力為48.4MPa，小于材料折算應力容許值（1.1α[σ]’=250.8MPa）。

主橫梁

在閘門完全關閉的動態(tài)工況下，21號鋼閘門主橫梁后翼緣最大動拉應力為111.0MPa，出現在1號主橫梁跨中。主橫梁最大動應力值小于材料的容許應力值（[σ]’=152.0MPa）。

邊梁

邊梁后翼緣均為動壓應力，在閘門完全啟閉的動態(tài)工況下，21號閘門邊梁最大動應力為-17.3MPa，應力值小于材料的容許應力值（[σ]’=152.0MPa）。

結語

本文采用電測方法對鋼閘門進行安全檢測，并將現場檢測結果與規(guī)范容許值比較分析。

結果表明：抽檢的河閘21號鋼閘門的結構靜應力、動應力均小于材料的容許應力值，滿足規(guī)范和工程運行要求。本次安全檢測與分析中擦用的安全檢測與數據分析方法，可為水工鋼閘門同類檢測提供參考。