钢闸门安全应力测试试验

某拦河闸钢闸门采用露顶式平面定轮钢闸门，孔口尺寸为9.60m*6.00m（宽*高），单扇钢闸门重35t，设计水头为5.50m，堰顶高程为30.50m，孔口数量22孔，闸门数量22扇，从左岸至右岸依次编号为1号、2号、......、22号。根据要求对拦河闸钢闸门定期进行安全检测。

本文选择21号钢闸门作为试件，采用电测法对结构进行静应力测试和动应力测试，采用聚航科技生产的应变仪。

首先根据闸门结构有限元计算应力分析结果，确定闸门构件的测点位置，然后对测点进行打磨、清洗、定位、贴片、焊线、密封绝缘、引线、联机并调零，最后采集测试数据。考虑温度的影响，在检测过程中设置了温度补偿片。

结构静应力测试与分析

采用JHDJ动静态应变仪实现检测数据的自动采集、记录和计算。

测点布置

测点位置应选择在应力最大、受力最复杂的部位。

选择21号钢闸门进行结构静应力测试。根据闸门各构件的受力特点，在21号钢闸门各主要受力构件上共布置了21个测点，其中有4个三向测点。测点分别布置在面板、主横梁后翼缘、纵梁后翼缘、主横梁腹板、纵梁腹板和边梁后翼缘上。

检测工况

对21号钢闸门进行应力测试时，上游水位为35.95m，闸门下游无水，堰顶高程为30.50m，闸门的作用水头为3.45m，设计水头为5.50m。

检测结果分析

根据钢闸门单向测点实测应力数据和钢闸门三向测点实测应力数据可知；所测面板的最大剪应力为28.1MPa，最大折算应力为48.5MPa；所测主横梁后翼缘的跨中正应力为拉应力，最大拉应力为100.9MPa，出现在1号主横梁上；所测边梁后翼缘正应力为压应力，最大压应力为-13.0MPa；所测主横梁腹板的剪应力为13.4MPa，最大折算应力为23.2MPa；所测纵梁腹板的剪应力为3.1MPa，最大折算应力为5.4MPa。

容许应力

闸门主要构件材料为Q235A（普通碳钢，A级）。面板、主横梁和纵梁的钢板厚度均不大于16mm，属钢材尺寸分组的第1组，其材料的容许应力为[σ]=160MPa，[T]=95MPa。根据《水利水电工程金属结构报废标准》规定，对于大中型工程的钢闸门，材料的容许应力应乘以0.90-0.95的使用年限修正系数（该工程各闸门使用年限短，取0.95），故闸门主要构件的材料容许应力为[σ]’=0.95*160MPa=152.0MPa，[T]’=0.95*95MPa=90.3MPa。

由强度条件可知，单向测点强度复合条件为σ≤[σ]’。

三向测点强度复合条件如下：

A. 主横梁σ≤[σ]’，T≤[T]’。

B. 对于同时受较大正应力和剪应力作用的腹板，σ_zh≤1.1[σ]’=1.1*152.0MPa=167.2MPa。

C. 面板σ_zh≤1.1α[σ]’，其中α为弹塑性调整系数（α=1.5）则1.1α[σ]’=1.1*1.5*152.0MPa=250.8MPa。

应力检测结果分析

面板

在实测水位（接近设计水位）下，21号钢闸门面板剪应力均较小，最大剪应力为28.1MPa，小于容许剪应力；面板最大折算应力为48.5MPa，小于材料的折算应力容许值（1.1α[σ]’=250.8MPa）.

主横梁

A. 在同一根主横梁上，主横梁跨中后翼缘的正应力最大，且均为拉应力，符合闸门结构的受力特点。

B. 在实测水位（接近设计水位）下，21号钢闸门主横梁后翼缘最大拉应力为100.9MPa，出现在1号主横梁跨中。主横梁腹板剪应力为13.4MPa，折算应力为23.2MPa。主横梁各应力小于材料的容许应力值（[σ]’=152.0MPa）

纵梁和边梁

边梁后翼缘所受正应力均为压应力，且应力值均大于纵梁后翼缘的应力值。在实测水位（接近设计水位）下，21号钢闸门纵、边梁最大正应力为-13.0MPa，应力值小于材料的容许应力值（[σ]’=152.0MPa）。

结构动应力测试与分析

检测方法和设备

检测方法同结构静应力测试一样，检测设备则采用JHDY动态应变仪。

测点布置

测点布置原则同静应力测试一样。

根据闸门各构件的受力特点，在21号钢闸门主要受力构件上共布置了4个测点，分别为2个主横梁后翼缘和2个边梁后翼缘上。

检测工况

闸门结构动应力检测初始时刻上游水位35.95m，闸门下游无水，堰顶高程为30.50m，闸门的作用水头为5.45m，设计水头为5.50m。完全关闭后的上游水位仍为35.95m。

检测前，先关闭检修闸门，清空工作闸门和检修闸门之间的水，再关闭工作闸门，使其处于空载状态；粘贴应变片，并把动态应变仪调零；然后提起检修闸门充水，使工作钢闸门前水位达到稳定的上游水位，一切就绪后，开始启动动态应变仪，并记录初始动应力。

21号钢闸门静止10s后缓慢提升钢闸门，135s后达到半开状态（闸门提升高度为3m），停止10s后继续开启，159s后达到全开状态（闸门提升高度为6.50m），停止20s后开始关闭闸门，276s后闸门全部关闭，停止10s后结束动态应变数据记录并存盘，整个过程用时620s。

检测结果分析

根据21号钢闸门各测点总应变波形可知：

A.1号和2号主横梁后翼缘跨中测点的最大动应力分别为539μm和394μm（最大动应力分别为111MPa和81.20MPa），两者均发生在闸门开启后完全关闭瞬间。

B.左、右边梁后翼缘测点的最大动应变为压应变，分别为27μm和84μm（最大动应力为5.6MPa和17.3MPa），均发生在闸门开启前全关闭阶段。

容许应力

同材料静应力容许应力复核，即单向测点强度复合条件为σ≤[σ]’=152.0MPa。

三向测点强度复核条件如下：

A.主横梁σ≤[σ]’=152.0MPa，T≤[T]’=90.3MPa。

B.对于同时受较大正应力和剪应力作用的腹板，σ_zh≤1.1[σ]’=1.1*152.0MPa=167.2MPa。

C.面板σ_zh≤1.1α[σ]’，其中α为弹塑性调整系数（α=1.5）则1.1α[σ]’=1.1*1.5*152.0MPa=250.8MPa。

动应力检测结果分析

面板

在闸门完全启闭的动态工况下，21号钢闸门面板动剪应力均较小，最大动剪应力为27.8MPa，小于容许剪应力；面板折算动应力为48.4MPa，小于材料折算应力容许值（1.1α[σ]’=250.8MPa）。

主横梁

在闸门完全关闭的动态工况下，21号钢闸门主横梁后翼缘最大动拉应力为111.0MPa，出现在1号主横梁跨中。主横梁最大动应力值小于材料的容许应力值（[σ]’=152.0MPa）。

边梁

边梁后翼缘均为动压应力，在闸门完全启闭的动态工况下，21号闸门边梁最大动应力为-17.3MPa，应力值小于材料的容许应力值（[σ]’=152.0MPa）。

结语

本文采用电测方法对钢闸门进行安全检测，并将现场检测结果与规范容许值比较分析。

结果表明：抽检的河闸21号钢闸门的结构静应力、动应力均小于材料的容许应力值，满足规范和工程运行要求。本次安全检测与分析中擦用的安全检测与数据分析方法，可为水工钢闸门同类检测提供参考。