趙益佳，曹平周，張 賀，蔡 亮，曾 鵬

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.中建三局工程設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引 言

鋼閘門是水利工程的重要組成部分，對(duì)水利工程的安全運(yùn)行有著重要的影響。對(duì)于長(zhǎng)期服役的鋼閘門來(lái)說(shuō)，進(jìn)行安全檢測(cè)是十分必要的[1]。在設(shè)計(jì)荷載工況下，鋼閘門的最大應(yīng)力不應(yīng)大于材料的容許應(yīng)力，否則鋼閘門將是不安全的，需要采取相應(yīng)措施對(duì)鋼閘門進(jìn)行維修、加固，甚至將鋼閘門報(bào)廢或者更新[2]。水工金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的技術(shù)規(guī)程SL 101-2014將安全檢測(cè)的內(nèi)容明確為巡視檢查、外觀檢查、啟閉機(jī)性能狀態(tài)檢測(cè)、腐蝕檢測(cè)、材料檢測(cè)、無(wú)損探傷、應(yīng)力檢測(cè)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)、啟閉機(jī)檢測(cè)、啟閉機(jī)考核、水質(zhì)等特殊項(xiàng)目的檢測(cè)和安全復(fù)核計(jì)算12項(xiàng)內(nèi)容。強(qiáng)度和剛度是用于評(píng)價(jià)閘門安全性能的重要指標(biāo)，閘門的強(qiáng)度和剛度可以通過(guò)原型觀測(cè)得到，也可以用三維有限元法計(jì)算得到。有限元方法采用空間薄壁結(jié)構(gòu)理論，建立的模型能反映閘門的幾何形狀、工作特點(diǎn)，作為原型觀測(cè)的有效補(bǔ)充和檢驗(yàn)手段，可以發(fā)揮重要作用[3]。

小南川水庫(kù)始建于1979年，1984年7月底建成投入運(yùn)行至今已30余年。但自投入使用以來(lái)從未對(duì)弧形工作鋼閘門進(jìn)行過(guò)安全鑒定評(píng)估，存在一定安全隱患。本文對(duì)小南川水庫(kù)弧形工作鋼閘門進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)，運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)弧形工作鋼閘門的受力狀態(tài)進(jìn)行了模擬計(jì)算。根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)弧形工作鋼閘門的安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出消除隱患的措施和建議，為主管部門決策提供科學(xué)依據(jù)，為類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

青海省小南川水庫(kù)是一座攔河兼注入式山區(qū)水庫(kù)，水庫(kù)壩址以上控制流域面積為150 km2，總庫(kù)容1 180 萬(wàn)m3，控制面積0.188 萬(wàn)hm2，受益總?cè)丝谶_(dá)2.7萬(wàn)余人。水庫(kù)投入運(yùn)行后，于1996年4月動(dòng)工進(jìn)行修復(fù)，1998年8月完工。2002年6月對(duì)小南川水庫(kù)進(jìn)行了加固改造，2004年9月15日進(jìn)行了竣工驗(yàn)收。歷次修復(fù)工程并未對(duì)水庫(kù)金屬閘門進(jìn)行過(guò)更換。

弧形工作鋼閘門為小南川水庫(kù)孔口的工作閘門，控制孔口的開(kāi)關(guān)，設(shè)置在分水閘門的上游，要求在動(dòng)水條件下啟閉，可部分開(kāi)啟以控制流量。閘門采用螺桿式啟閉機(jī)控制。

2 弧形工作鋼閘門現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)內(nèi)容與方法

(1)外觀檢測(cè)。外觀檢測(cè)主要是通過(guò)觀察，借助鋼卷尺、游標(biāo)卡尺、放大鏡、數(shù)碼相機(jī)等工具， 對(duì)閘門門體、閘門支承及行走裝置、閘門止水裝置及埋件等進(jìn)行檢查，主要檢查各結(jié)構(gòu)部件的變形、裂縫、損傷、脫落、磨損以及腐蝕等情況[4,5]。

(2)門體材料及尺寸檢測(cè)。采用SHE280高精度里氏硬度計(jì)對(duì)小南川水庫(kù)鋼閘門面板及梁系鋼材強(qiáng)度的變化情況進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)價(jià)是否滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范對(duì)材料的力學(xué)性能要求。采用NDT-710超聲波金屬厚度測(cè)試儀及游標(biāo)卡尺對(duì)閘門面板厚度、工字梁翼緣及腹板厚度進(jìn)行抽樣檢測(cè)，判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)腐蝕檢測(cè)。閘門構(gòu)件受到腐蝕后，構(gòu)件截面面積減少，截面應(yīng)力相應(yīng)增大，從而容易導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的下降，縮短閘門的使用壽命。鋼閘門腐蝕狀態(tài)檢測(cè)，主要是采用NDT-710超聲波金屬厚度測(cè)試儀、QUC-200型數(shù)顯式磁性測(cè)厚儀、深度游標(biāo)卡尺對(duì)閘門的鋼板厚度、涂層厚度和蝕坑深度進(jìn)行測(cè)量。主要目的是確定鋼閘門面板及梁系的蝕余厚度和確定其銹蝕厚度。

(4)焊縫檢測(cè)。焊縫檢測(cè)和無(wú)損探傷的主要目的是檢查焊縫是否存在影響閘門安全和使用的較大缺陷。采用SH610超聲波探傷儀對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，評(píng)判焊縫是否出現(xiàn)重大缺陷，焊縫質(zhì)量及其性能是否能滿足繼續(xù)安全運(yùn)行的要求。

(5)應(yīng)力檢測(cè)。弧形工作鋼閘門為水庫(kù)孔口的控制閘門，該閘門在運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系到下游的安危。閘門應(yīng)力檢測(cè)采用電測(cè)方法，采用DH3818靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)在閘門構(gòu)件上黏結(jié)電阻應(yīng)變片來(lái)進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)采集數(shù)據(jù)對(duì)弧形工作鋼閘門在設(shè)計(jì)水位下整個(gè)啟閉過(guò)程的應(yīng)力變化進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)閘門的安全性。

(6)啟閉機(jī)性能檢測(cè)。啟閉機(jī)性能測(cè)試通過(guò)外觀的檢查和對(duì)其運(yùn)行狀況的測(cè)試，檢查各機(jī)構(gòu)、電氣元件及啟閉機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)反復(fù)閘門啟閉操作，觀測(cè)啟閉機(jī)的運(yùn)行狀況，采用VC830L數(shù)字萬(wàn)用表、ZC110D-9型絕緣電阻表對(duì)這閘門的啟閉機(jī)電氣元件進(jìn)行檢測(cè)，采用DT260D型鉗形表對(duì)電動(dòng)啟閉機(jī)工作狀態(tài)時(shí)電流等因素進(jìn)行檢測(cè)，考察是否在額定范圍之內(nèi)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)分析

2.2.1 外觀檢測(cè)

圖1為弧形工作鋼閘門的外觀形態(tài)。鋼閘門的門體無(wú)變形、扭曲，形態(tài)正常。面板、支臂均無(wú)明顯損傷。背水面吊耳、面板、縱梁、橫梁防銹漆脫落嚴(yán)重，構(gòu)件發(fā)生腐蝕。在支撐梁與面板的區(qū)隔內(nèi)，淤積一些泥土，該區(qū)域結(jié)構(gòu)腐蝕較為嚴(yán)重。支臂局部防銹漆發(fā)生起皮。在閘門完全關(guān)閉后，閘門四周依然會(huì)發(fā)生局部漏水，底部會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的噴水情況。

圖1 弧形工作鋼閘門的外觀形態(tài)Fig.1 Appearance form of working steel radial gate

弧形工作鋼閘門支座如圖2所示，支座鋼結(jié)構(gòu)及錨栓防銹漆噴涂不均勻，局部防銹漆未噴到或已經(jīng)剝落，存在局部起皮和銹蝕；支座錨板形態(tài)完好，無(wú)變形，附近混凝土存在麻面，但不影響支座的安全性和使用。門槽如圖3所示，門槽表面存在磨損，但不影響正常使用。吊桿如圖4所示，螺桿外部金屬保護(hù)殼表面防銹漆發(fā)生起皮；吊桿經(jīng)過(guò)涂油處理，狀態(tài)良好。但吊耳處防銹漆已經(jīng)完全剝落，需要進(jìn)行補(bǔ)漆。

圖2 弧形工作鋼閘門支座Fig.2 The bearing of the working steel radial gate

圖3 弧形工作鋼閘門門槽Fig.3 The portal groove of the working steel radial gate

2.2.2 門體材料及尺寸檢測(cè)

鋼材的力學(xué)性能會(huì)隨時(shí)間的推移而發(fā)生變化，鋼材的強(qiáng)度是影響鋼閘門承載能力的主要指標(biāo)之一。本次檢測(cè)對(duì)弧形工作鋼閘門門體尺寸和支臂尺寸進(jìn)行量測(cè)，弧形工作鋼閘門實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5及表1。

圖4 弧形工作鋼閘門吊桿Fig.4 The hanger of the working steel radial gate

圖5 弧形工作鋼閘門尺寸(單位：mm)Fig.5 The size of the working steel radial gate

構(gòu)件名稱尺寸件數(shù)/個(gè)平均硬度/HLD抗拉強(qiáng)度/MPa縱梁A1580 mm×300 mm×23 mm×22 mm3466609橫梁A2580 mm×580 mm×25 mm×22 mm2486670輔梁A3100 mm×400 mm×15 mm7--支臂300 mm×400 mm×21.5 mm4427489

對(duì)比設(shè)計(jì)圖紙可知，閘門鋼板由于銹蝕導(dǎo)致的厚度變化很小。弧形工作閘門的設(shè)計(jì)建造年代為20世紀(jì)70年代末，對(duì)比設(shè)計(jì)圖紙可知，閘門鋼板由于銹蝕導(dǎo)致的厚度變化很小，滿足《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 101-2014)的要求。

小南川水庫(kù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用鋼材為鋼3(A3)，性能與現(xiàn)行規(guī)范的Q235相當(dāng)，Q235鋼材的抗拉強(qiáng)度σb在370～500 MPa之間。由表1可知，弧形工作鋼閘門縱梁、橫梁抗拉強(qiáng)度大于500 MPa，支臂抗拉強(qiáng)度處于Q235鋼材的抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，故弧形工作鋼閘門材料性能滿足鋼3(A3)的要求。說(shuō)明歷經(jīng)30余年的使用，小南川水庫(kù)弧形工作鋼閘門金屬結(jié)構(gòu)材料性能變化不大，仍滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 腐蝕檢測(cè)

弧形工作鋼閘門背水面不承受水的沖刷作用，根據(jù)《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》(SL 105-2007)規(guī)定，應(yīng)按照SL105表C-4水下(潮濕)水工金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行涂裝，底層60 μm，中間層80 μm面層200 μm，漆膜厚度為340 μm[6]。實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)縱梁A1、橫梁A2、輔助梁A3防銹涂層剝落嚴(yán)重，支臂涂裝厚度為127 μm，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的厚度。并且同一構(gòu)件上的涂層涂裝厚度差異較大，經(jīng)過(guò)外觀檢查發(fā)現(xiàn)一些橫、縱梁的翼緣內(nèi)表面和腹板變面局部?jī)H噴涂底漆，未噴涂面漆，不能滿足《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》(SL 105-2007)的要求。

2.2.4 焊縫檢測(cè)

小南川水庫(kù)弧形工作鋼閘門設(shè)計(jì)采用三級(jí)質(zhì)量焊縫。我國(guó)規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50205-2001)以及《水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件》(SL 36-2016)對(duì)三級(jí)質(zhì)量焊縫僅要求進(jìn)行人工檢查[7-8]。本次檢測(cè)對(duì)鋼閘門進(jìn)行了人工檢查，根據(jù)人工檢查的情況，結(jié)合鋼閘門的特點(diǎn)，對(duì)鋼閘門面板對(duì)接焊縫采用超聲波探傷進(jìn)行抽檢，采用鋸齒形掃查。

根據(jù)《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲波檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》(GB/T 11345-2013)繪制DAC曲線，判定線、定量線和評(píng)定線的靈敏度按B級(jí)質(zhì)量檢驗(yàn)等級(jí)分別取為-4、-10和-16 dB?，F(xiàn)場(chǎng)超聲波探傷，部分抽檢位置發(fā)現(xiàn)超出Φ3×40-10 dB當(dāng)量的缺陷，典型的焊縫超聲波檢測(cè)波形如圖7所示。焊縫檢測(cè)結(jié)果表明，閘門焊縫表觀存在一定缺陷，經(jīng)超聲波探傷檢測(cè)，焊縫內(nèi)部存在少量缺陷，整條抽檢焊縫上無(wú)缺陷密集分布區(qū)域，無(wú)較嚴(yán)重的表觀和內(nèi)部缺陷，滿足規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50205-2001)以及《水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件》(SL 36-2016)對(duì)三級(jí)焊縫的要求。

圖6 超出對(duì)比缺陷的焊縫超聲波檢測(cè)波形Fig.6 The wave form exceeding the contrasting on ultrasonic testing of welds

2.2.5 啟閉機(jī)性能檢測(cè)

弧形工作鋼閘門采用螺桿式啟閉機(jī)，為電動(dòng)、手搖兩用，啟閉機(jī)啟閉靈活。配備電動(dòng)機(jī)額定功率為11 kW，工作電壓為380 V。啟閉機(jī)表面輕微銹蝕，其他啟閉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、滑輪組、吊具等外觀基本完好，均涂油保護(hù)，狀態(tài)良好。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算弧形工作鋼閘門工作峰值功率為23.9 kW，穩(wěn)定工作功率為9.12 kW，滿足《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(SL 101-2014)對(duì)啟閉機(jī)的安全使用要求。

3 弧形工作鋼閘門計(jì)算分析

根據(jù)弧形工作鋼閘門的受力特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件，在閘門支臂的根部和中部布置3個(gè)應(yīng)變采集點(diǎn)，每個(gè)采集點(diǎn)沿閘門支臂縱向在力臂外側(cè)一上一下布置兩對(duì)應(yīng)變片，如圖7所示。

圖7 弧形工作鋼閘門應(yīng)變采集點(diǎn)位置Fig.7 Position of strain acquisition point of the working steel radial gate

3.1 鋼閘門水壓力計(jì)算

小南川水庫(kù)正常蓄水位高程為2 697 m，弧形工作鋼閘門的門底高程為2 660 m，水頭差Hs0=37 m。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 74-2013)表D.0.1中計(jì)算公式，弧形工作鋼閘門承受水壓力計(jì)算公式如下[9]：

上游水平分力：

(1)

式中：Ps為上游水平分力；γ為水的容重；Hs為上游水頭；h為閘門高度(計(jì)算到頂止水)；B為孔口寬度。

上游豎直分力：

(2)

式中：Vs為上游垂直分力；R為弧門面板曲率半徑。

下游無(wú)對(duì)弧形工作鋼閘門的水壓力作用。水壓力合力為：

(3)

圖8和圖9分別為弧形工作鋼閘門完全關(guān)閉和開(kāi)啟角度為α?xí)r的尺寸參數(shù)，其中支座鉸心高程為2 965.100 m。由圖8和圖9可知：

圖8 弧形工作鋼閘門完全閉合尺寸參數(shù)Fig.8 Completely closed size parameters of the working steel radial gate

圖9 閘門開(kāi)啟角度為α?xí)r尺寸參數(shù)Fig.9 Size parameters when the angle of the gate opening is α

閘門鋼板由于銹蝕導(dǎo)致的厚度變化很小，相應(yīng)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求。由于門葉的抗彎剛度遠(yuǎn)大于單根支臂的抗彎剛度，因此可將支臂簡(jiǎn)化為如圖10的受力模型，并且將水壓力沿支臂方向平均分配給四根支臂：N=1/2Pcos7°≈0.25P，進(jìn)而將支臂簡(jiǎn)化為如圖11的計(jì)算模型，并利用有限元 分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算。表2為支臂模擬計(jì)算荷載，其中G法與G切為支臂自重沿支臂法向和切向的分量(限于篇幅，每隔5°給出一組荷載數(shù)據(jù))。

圖10 弧門受力模型Fig.10 Arc force model

圖11 支臂計(jì)算模型Fig.11 Gate arm model

表2 支臂計(jì)算荷載Tab.2 Calculating load of gate arm

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

有限元軟件ANSYS的計(jì)算結(jié)果如圖12所示。在實(shí)測(cè)中，考慮下游渠道供水的需求和條件，閘門局部啟閉。圖13為支臂上應(yīng)變采集點(diǎn)實(shí)測(cè)值。在實(shí)測(cè)中，考慮到現(xiàn)場(chǎng)人員和設(shè)備的安全以及下游供水的需求，閘門未完全開(kāi)啟，僅開(kāi)至10°左右。將實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比，計(jì)算值具有良好的擬合性。

通過(guò)圖12中的擬合結(jié)果可知，閘門從完全關(guān)閉(α=0°)至完全開(kāi)啟(α=35°)的過(guò)程中，閘門最大拉應(yīng)變?yōu)?3.80 με，出現(xiàn)在下支臂與閘門交界處的上翼緣，此時(shí)閘門開(kāi)啟角度α=32°。閘門支臂上最大的壓應(yīng)變?yōu)?38.3 με，對(duì)應(yīng)σ=εgE=28.5 N/mm2

圖12 支臂應(yīng)變-開(kāi)啟角度α關(guān)系曲線Fig.12 The relationship between the strain and the opening angle α of the arm

圖13 支臂應(yīng)變采集點(diǎn)實(shí)測(cè)值Fig.13 The measured value of the strain acquisition point of the arm

3.3 校核洪水位弧形工作鋼閘門應(yīng)力分析

運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立校核洪水位2 699 m下的弧形工作鋼閘門模型，并對(duì)閘門開(kāi)啟過(guò)程中的應(yīng)力變化進(jìn)行分析[10-12]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖14(限于篇幅，僅給出開(kāi)啟角度為0°、20°和35°時(shí)的計(jì)算結(jié)果圖)。《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 74-2013)規(guī)定，閘門抗拉、抗壓、抗彎容許應(yīng)力為[σ]=150 MPa，局部承壓容許應(yīng)力[σcd]=240 MPa，在整個(gè)啟閉過(guò)程中閘門最大彎曲應(yīng)力為σmax=105 MPa<[σ]，最大局部應(yīng)力為σcdmax=211 MPa<[σcd]。分析結(jié)果表明弧形工作鋼閘門滿足規(guī)范《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 74-2013)對(duì)強(qiáng)度的要求。

圖14 校核洪水位下弧形工作鋼閘門啟閉過(guò)程中應(yīng)力變化Fig.14 Stress change during the opening and closing of the arc working steel gate under the flood level

3.4 耳板計(jì)算

閘門的設(shè)計(jì)起閉力為50 t，關(guān)門力為20 t，運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)該工況下的耳板進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖15。在起閉狀態(tài)下耳板最大應(yīng)力σmax=62 MPa<[σ] =150 MPa；在關(guān)門狀態(tài)下，耳板最大應(yīng)力σmax=25 MPa<[σ] =150 MPa，滿足規(guī)范《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 74-2013)要求。

圖15 弧形工作鋼閘門吊耳應(yīng)力分析Fig.15 Stress analysis of the working steel radial gate

4 結(jié) 語(yǔ)

鋼閘門是水利工程的重要組成部分，對(duì)水利工程的安全運(yùn)行有著重要的影響。對(duì)于長(zhǎng)期服役的鋼閘門來(lái)說(shuō)，進(jìn)行安全檢測(cè)是十分必要的。經(jīng)檢測(cè)，小南川水庫(kù)弧形工作鋼閘門自投入使用30余年來(lái)，弧形工作鋼閘門門體形狀完好，整體銹蝕程度不嚴(yán)重，止水橡皮嚴(yán)重老化，局部缺損；鋼材性能變化不大，焊縫無(wú)較嚴(yán)重的表觀和內(nèi)部缺陷，滿足相應(yīng)規(guī)范的要求?；⌒喂ぷ麂撻l門在完全開(kāi)啟到完全關(guān)閉的過(guò)程中，閘門各部分應(yīng)力均滿足相應(yīng)規(guī)范要求，閘門整體滿足安全使用要求，經(jīng)過(guò)防腐處理和更換止水后可繼續(xù)投入使用。

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