梁達(dá)寧

(廣東江海機(jī)電工程有限公司，廣州 510500)

1 概述

大中型船閘閘首工作閘門多采用人字閘門。背拉桿是人字閘門門葉結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，可有效減少門葉因自重產(chǎn)生的下垂，還可增加門葉的抗扭剛度，對(duì)閘門的安全運(yùn)行起著重要的作用。

大型人字閘門一般采用預(yù)應(yīng)力背拉桿。人字閘門門葉安裝焊接完成并且閘門與液壓啟閉機(jī)連接后，門葉完全處于自由狀態(tài)進(jìn)行背拉桿的安裝。背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整是人字閘門安裝工藝中重要的最后一環(huán)，關(guān)系閘門門葉整體安裝質(zhì)量，影響閘門的止水效果和人字閘門的安全運(yùn)行。

2 背拉桿預(yù)應(yīng)力施加常規(guī)方法

背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整常規(guī)方法主要有兩種，一種是利用背拉桿螺母直接對(duì)背拉桿施加預(yù)應(yīng)力，適合預(yù)應(yīng)力較小的背拉桿，如果預(yù)應(yīng)力較大的，特別是針對(duì)超大型人字閘門的背拉桿，存在背拉桿螺母與背拉桿座之間產(chǎn)生較大的摩擦力，甚至出現(xiàn)背拉桿螺栓副咬合燒死、背拉桿扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象；另一種是利用2只液壓千斤頂通過平衡梁對(duì)每條背拉桿施加預(yù)應(yīng)力，這種做法如果一組背拉桿裝置由多支背拉桿組成，就需要對(duì)施加預(yù)應(yīng)力裝置進(jìn)行多次重復(fù)裝拆，且同組背拉桿施加的預(yù)應(yīng)力難于保證平衡。

上述2種背拉桿施加預(yù)應(yīng)力的調(diào)整方法都存在每次僅能調(diào)整1支背拉桿，背拉桿調(diào)整完鎖定后其他背拉桿應(yīng)力又可能發(fā)生變化，需要反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)間長，安裝工人長時(shí)間高空作業(yè)，存在安全隱患。

針對(duì)常規(guī)背拉桿預(yù)應(yīng)力施加存在的缺點(diǎn)，研究應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)背拉桿預(yù)應(yīng)力進(jìn)行施加的方法，以提升背拉桿預(yù)應(yīng)力施加的工作效率和準(zhǔn)確度，為超大型人字閘門背拉桿施加預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)提供參考。

3 背拉桿預(yù)應(yīng)力施加數(shù)字化技術(shù)

通過深入分析研究，研制了一套背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整裝置，采用應(yīng)力數(shù)字化監(jiān)測(cè)技術(shù)，用于同組多支背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整，以提升背拉桿預(yù)應(yīng)力施加的工作效率和準(zhǔn)確度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，解決安裝空間不足難題，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、易拆裝，消除安全隱患。

3.1 背拉桿預(yù)應(yīng)力數(shù)字化監(jiān)測(cè)方法

在每支背拉桿上布置一個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)沿背拉桿長度方向粘貼在各背拉桿的中間，正反面各貼1片，測(cè)點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)[1-2](見圖1)。

圖1 背拉桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)的應(yīng)變計(jì)安裝示意

應(yīng)變計(jì)通過數(shù)據(jù)線與電腦相連，根據(jù)有關(guān)應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可直接在電腦上數(shù)字顯示背拉桿的應(yīng)力[3]。在應(yīng)力施加調(diào)整過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每支背拉桿的應(yīng)力變化，同時(shí)監(jiān)測(cè)閘門的變形情況，直到斜接柱和門軸柱側(cè)向垂直度、正向垂直度和閘門底主梁水平符合閘門安裝規(guī)范要求，背拉桿預(yù)應(yīng)力滿足圖紙的設(shè)計(jì)要求。

在背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)試至滿足設(shè)計(jì)及安裝規(guī)范要求以后，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握其應(yīng)力釋放隨時(shí)間變化的規(guī)律。

3.2 平衡梁式背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整裝置

平衡梁式背拉桿施加預(yù)應(yīng)力調(diào)整裝置，包括平衡梁、連接套筒螺母、液壓千斤頂和連接螺母，每條背拉桿通過連接套筒螺母與平衡梁連接，液壓千斤頂布置在平衡梁與背拉桿支撐塊之間，平衡梁與連接套筒螺母的連接螺栓副可根據(jù)情況要求組合使用，根據(jù)同組背拉桿的數(shù)量可布置多個(gè)千斤頂[4-5](見圖2)。

圖2 平衡梁式背拉桿施加預(yù)應(yīng)力調(diào)整裝置示意

3.3 背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整一般工序

1) 背拉桿施加預(yù)應(yīng)力的順序：先主桿、后副桿，先粗調(diào)、后微調(diào)，循環(huán)施加。

2) 利用背拉桿螺母將背拉桿拉直，并對(duì)背拉桿施加較小的拉應(yīng)力。

3) 粗調(diào)：當(dāng)主背拉桿施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到75%的設(shè)計(jì)值時(shí)，停止張拉，再對(duì)副背拉桿施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到75%的設(shè)計(jì)值時(shí)，停止張拉，在張拉過程中，通過調(diào)整各液壓千斤頂施加預(yù)應(yīng)力程度、背拉桿與平衡梁間連接螺栓實(shí)現(xiàn)本組多個(gè)背拉桿預(yù)應(yīng)力均衡，施加預(yù)應(yīng)力過程中，隨時(shí)觀測(cè)并記錄主、副背拉桿應(yīng)力變化和斜接柱、門接柱正面和側(cè)面各測(cè)點(diǎn)和閘門底主梁水平的位移的變化情況[6]。

4) 微調(diào)：同時(shí)對(duì)主副背拉桿施加預(yù)應(yīng)力，直至斜接柱、門接柱正面和側(cè)面各測(cè)點(diǎn)及底主梁下垂符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 概況

廣東省北江航道擴(kuò)能升級(jí)工程飛來峽樞紐二線船閘工程中上閘首通航工作閘門采用人字閘門，孔口尺寸為34 m×19.67 m，單片閘門門葉為20.2 m(寬)×19.67 m(高)，面板布置在上游側(cè)，門葉采用多主橫梁結(jié)構(gòu)，主橫梁截面采用H型變截面形式，主梁按等載荷均布，門葉由門軸柱、斜接柱、主橫梁、豎向隔板和豎向次梁組成[7-10]；在門葉的梁格側(cè)布置了上、下兩層預(yù)應(yīng)力背拉桿裝置，背拉桿裝置采用交叉式布置，以增加門體的抗扭剛度[11]。

背拉桿裝置分上層主背拉桿、上層副背拉桿、下層主背拉桿、下層副背拉桿，每組主背拉桿由4支背拉桿組成，每組副背拉桿由3支背拉桿組成(見圖3所示)，背拉桿材料采用DH36，背拉桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值見表1所示。

表1 船閘人字門背拉桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值

4.2 背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

在每支背拉桿上布置1個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，主背拉桿布置8個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，副背拉桿布置6個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，共14個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖3所示。

圖3 背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

4.3 閘門變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

閘門變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在斜接柱正面和側(cè)面、門軸柱的正面和側(cè)面、閘門底主梁在斜接柱的下端點(diǎn)，主要是測(cè)量斜接柱和門軸柱側(cè)向垂直度、正向垂直度和閘門底主梁水平，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置[12]見圖4所示。

圖4 閘門變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置示意

4.4 閘門變形監(jiān)測(cè)方法

用水平鋼尺檢測(cè)斜接柱、門接柱的側(cè)向垂直度和正向垂直度，門體底主梁水平度用水準(zhǔn)儀測(cè)量，在施加預(yù)應(yīng)力過程中，專人負(fù)責(zé)測(cè)量斜接柱、門接柱正面和側(cè)面垂直度和門體底主梁水平度并做好數(shù)據(jù)記錄，防止閘門門體過度變形。

4.5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.5.1背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2～表3。

表2 二線上閘首左人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表3 二線上閘首右人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

4.5.2閘門變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

閘門變形測(cè)量結(jié)果見表4～表5。

表4 二線上閘首左人字閘門變形測(cè)量結(jié)果 mm

表5 二線上閘首右人字閘門變形測(cè)試結(jié)果 mm

4.6 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.6.1背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

表2～表3背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：

1) 上閘首左人字閘門上層主背拉桿預(yù)應(yīng)力在51.9～55.7 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的84.7%～90.8%之間，下層主背拉桿預(yù)應(yīng)力在57.3～59.0 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的81.8%～84.2%之間；

2) 上閘首左人字閘門上層副背拉桿預(yù)應(yīng)力在33.2～33.8 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的88.2%～89.8%之間，下層副背拉桿預(yù)應(yīng)力在33.6～35.5 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的83.3%～88.0%之間；

3) 上閘首右人字閘門上層主背拉桿預(yù)應(yīng)力在50.4～52.1 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的82.2%～84.5%之間，下層主背拉桿預(yù)應(yīng)力在58.3～59.4 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的83.2%～84.8%之間；

4) 上閘首右人字閘門上層副背拉桿預(yù)應(yīng)力在30.7～31.5 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的81.6%～83.8%之間，下層副背拉桿預(yù)應(yīng)力在34.2～35.5 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的84.9%～88.0%之間；

5) 從背拉桿實(shí)測(cè)預(yù)應(yīng)力數(shù)據(jù)來看，下層背拉桿預(yù)應(yīng)力大于上層背拉桿預(yù)應(yīng)力，主背拉桿預(yù)應(yīng)力大于副背拉桿預(yù)應(yīng)力，這一結(jié)論基本與設(shè)計(jì)給出的設(shè)計(jì)值相符。

4.6.2閘門變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

表4～表5閘門變形測(cè)試結(jié)果表明：

1) 在對(duì)背拉桿施加預(yù)應(yīng)力的過程中，斜接柱和門軸柱變形隨著預(yù)應(yīng)力增加而逐步減小的規(guī)律很明顯；

2) 施加預(yù)應(yīng)力后閘門最終變形狀態(tài)均為拱向上游；

3) 人字門實(shí)際扭轉(zhuǎn)剛度比閘門設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)剛度大；

4) 上閘首左人字閘門斜接柱正面直線度最大值為5. 0 mm，側(cè)面直線度最大值為3. 0 mm，門軸柱正面直線度最大值為3. 0 mm，側(cè)面直線度最大值為2. 0 mm，底主梁水平下垂：+2.0mm；

5) 上閘首右人字閘門斜接柱正面直線度最大值為5. 0 mm，側(cè)面直線度最大值為3. 0 mm，門軸柱正面直線度最大值為3. 0 mm，側(cè)面直線度最大值為2. 0 mm，底主梁水平下垂：+2.0mm；

6) 通過對(duì)背拉桿施加預(yù)應(yīng)力，門體基本實(shí)現(xiàn)了垂直懸掛，閘門的安裝質(zhì)量符合水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 14173—2008)的要求。

4.6.3結(jié)論

測(cè)試結(jié)果分析表明：背拉桿預(yù)應(yīng)力實(shí)測(cè)值相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的80%～90%之間，均小于設(shè)計(jì)值，證明人字門實(shí)際扭轉(zhuǎn)剛度比閘門設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)剛度大，施加預(yù)應(yīng)力后門體基本實(shí)現(xiàn)了垂直懸掛，閘門的制造和安裝質(zhì)量符合《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 14173—2008)及設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

背拉桿施加預(yù)應(yīng)力數(shù)字化技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于廣東省北江航道擴(kuò)能升級(jí)工程飛來峽樞紐二、三線船閘其余閘首人字閘門的安裝，施工效果基本一致。二、三線船閘工程于2019年11月14日正式通航，從通航至今，人字閘門運(yùn)行平穩(wěn)，鋼止水優(yōu)于驗(yàn)收規(guī)范要求，船閘曾于2020年11月進(jìn)行年度停水維護(hù)，并對(duì)人字閘門斜接柱、門接柱的側(cè)向垂直度和正向垂直度，門體底主梁水平度等主要部位進(jìn)行了復(fù)測(cè)，各項(xiàng)復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)符合《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 14173—2008)的要求。

采用應(yīng)力數(shù)字化監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合門葉的變形監(jiān)測(cè)，平衡梁式背拉桿預(yù)應(yīng)力施加裝置用于多支背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率、消除安全隱患，可在同類工程中推廣應(yīng)用。