在役水工鋼閘門檢測和安全鑒定

蘇建明，陳 飛，葉小強(qiáng)

在役水工鋼閘門檢測和安全鑒定

蘇建明，陳 飛，葉小強(qiáng)

（蘇州市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

水工鋼閘門是水工建筑物的主要擋水結(jié)構(gòu)，在服役期受周邊環(huán)境和運(yùn)行荷載的影響，將發(fā)生防腐涂層剝落、鋼板銹蝕、磨損、變形等破損形式。為確保閘門結(jié)構(gòu)安全、滿足水工建筑物日常效益的發(fā)揮，需對在役水工鋼閘門進(jìn)行科學(xué)合理的抽樣檢測分析和安全鑒定。胥口水利樞紐節(jié)制閘安全鑒定基于先進(jìn)儀器的檢測和科學(xué)的數(shù)據(jù)處理分析，為充分發(fā)揮閘門的承載能力，采用空間靜力有限元對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度復(fù)核，評估認(rèn)定該節(jié)制閘鋼閘門滿足規(guī)范要求，能夠安全正常使用。

鋼閘門；安全鑒定；檢測；靜力有限元分析

水工鋼閘門為水工建筑物的主要擋水結(jié)構(gòu)，分為露頂門和潛孔門。由于現(xiàn)行《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL74－95）采用容許應(yīng)力方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算［1］，不具有“設(shè)計(jì)使用壽命”的概念；服役期閘門結(jié)構(gòu)多處于潮濕或干濕交替的環(huán)境中，惡劣的周邊環(huán)境對材料尺寸和材性的侵蝕較為嚴(yán)重；閘門結(jié)構(gòu)比表面積相對較大，難以全部得到完整有效的保護(hù)，所以對在役期的水工鋼閘門進(jìn)行科學(xué)合理的抽樣檢測和安全鑒定需緊迫地提上日程，否則閘門的失事將嚴(yán)重影響整個水利樞紐建筑物的安全，更影響到樞紐綜合效益的充分發(fā)揮。

1 工程概況

蘇州市胥口水利樞紐節(jié)制閘為口門16 m單孔，采用升臥式平面鋼閘門，啟閉機(jī)為固定卷揚(yáng)式QP2×250啟閉機(jī)。閘門尺寸為16 m×5．5 m（寬×高），設(shè)計(jì)水頭5．0 m，操作條件為動水啟閉，電動啟門速度為2．5 m／min，鋼閘門防腐采用熱噴涂鋅150 μm，外涂二度AC－15氯丁橡膠鋁粉漆50μm厚。鋼閘門結(jié)構(gòu)見圖1，材料為A3鋼，面板厚8 mm，主梁上翼緣厚12 mm、下翼緣厚16 mm、腹板14厚mm，縱梁上翼緣、下翼緣、腹板厚10 mm。

根據(jù)“江蘇省水閘安全鑒定管理辦法”之規(guī)定，蘇州市胥口水利樞紐運(yùn)營至今10年，于2009年7月開展全面的安全鑒定，其中包括對鋼閘門的檢測和安全評估項(xiàng)目。

圖1 胥口水利樞紐鋼閘門結(jié)構(gòu)圖（半幅）Fig．1 Structure of steel gate of Xukou sluice

2 檢測工藝

2．1 檢測方案

水工鋼閘門的檢測依據(jù)有《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程》SL101－94、《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》SL226－1998、《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》DLT 5018－94。檢測內(nèi)容包括銹蝕檢測，如涂層厚度、蝕余厚度、蝕坑深度；外形與變形檢測，如外形尺寸、損傷變形、磨損、撓度等；巡視檢查與外觀檢查，如金屬結(jié)構(gòu)狀況以及運(yùn)行的保證強(qiáng)度，變形、破損、銹蝕等。鋼閘門結(jié)構(gòu)安全評估的數(shù)據(jù)分析主要以鋼板蝕余厚度和涂層厚度為主要參數(shù)。

金屬腐蝕分為2大類，為全面腐蝕和局部腐蝕，其中全面腐蝕可能是均勻的，也可能是非均勻的，表現(xiàn)為某大面積的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)；局部腐蝕包括坑蝕、縫隙腐蝕、水線腐蝕、磨（沖）蝕、氣蝕、生物腐蝕及應(yīng)力腐蝕等。在2種腐蝕形態(tài)的作用下，選擇測量儀器時應(yīng)考慮鋼結(jié)構(gòu)的表面已不再平整光潔。最精確和常用的無損檢測方法是利用超聲波測厚儀測量鋼板蝕余厚度，測量精度可達(dá)0．01 mm。但常規(guī)的超聲波測厚儀探頭直徑較大，在檢測前需對鋼材表面打磨，露出檢測平面，并且當(dāng)鋼材表面有涂層時，在厚度讀數(shù)中要扣除2倍的涂層厚度值。而本工程采用德國進(jìn)口的DM4DL型超聲波金屬厚度檢測儀，該儀器特有測量穿過涂層的操作模式，在被測物表面有油漆時，無需去除油漆而測量材料的凈厚度，攜帶標(biāo)準(zhǔn)探頭和超薄探頭兩種（探頭接觸直徑均為12．1 mm），測量范圍為0．6～200mm，能夠方便的用于腐蝕鋼板厚度測試。閘門面板涂層用Qua-Nix7500（德國產(chǎn)）涂層厚度測定儀檢測，在使用時只需調(diào)零、無需校準(zhǔn)，具有Fe／NFe、Fe、NFe多種探頭，測量精度：0～50μm，≤±1μm；50～1 000μm，≤±1．5；1 000～2 000μm，≤±2；2 000～5 000μm，≤±3，測量范圍：0～2 000μm／0～5 000μm［2］。

2．2 數(shù)據(jù)分析

在對鋼閘門鋼板蝕余厚度和涂層厚度數(shù)據(jù)分析時，一方面為直觀的顯示厚度分布，可采用頻數(shù)直方圖對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，處理結(jié)果見圖2至圖5，另一方面為滿足95%的保證率，需對整體數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，獲得能夠用于結(jié)構(gòu)計(jì)算的厚度值，結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

由圖2、圖3的鋼板蝕余厚度頻數(shù)分布圖可知，閘門在銹蝕后鋼板厚度基本滿足正態(tài)概率分布，說明鋼結(jié)構(gòu)銹蝕以全面腐蝕為主，平均銹蝕量為1．2 mm，閘門防腐處理效果明顯，施工質(zhì)量良好，涂層不存在少涂或漏涂的現(xiàn)象。由圖4、圖5的涂層厚度頻數(shù)分布圖可知，當(dāng)前的涂層厚度均能滿足規(guī)范要求。

表1 蝕余厚度和涂層厚度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of erosion thickness and coating thickness mm

圖2 面板蝕余厚度頻數(shù)圖Fig．2 Frequency of erosion thickness of faceplate

圖3 主梁翼緣鋼板厚度頻數(shù)圖Fig．3 Frequency of erosion thickness of m ain beam flange

圖4 面板涂層厚度頻數(shù)圖Fig．4 Frequency of coating thickness of faceplate

圖5 主梁涂層厚度頻數(shù)圖Fig．5 Frequency of coating thickness ofmain beam

3 閘門有限元分析

鋼閘門是一種典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，由一系列板、殼、梁、桿等構(gòu)件組合而成。正常工作時，閘門所承受荷載將通過各構(gòu)件的相互傳遞來共同承擔(dān)，面板、主橫梁、縱梁等將發(fā)生彎曲、軸向、扭轉(zhuǎn)、剪切等組合變形，因此計(jì)算模型的選擇必須考慮到各構(gòu)件的幾何性質(zhì)、變形特征、受力特點(diǎn)以及相互作用關(guān)系等，以正確反映出閘門的整體作用以及各構(gòu)件的實(shí)際工作狀態(tài)，所以采用空間有限元分析能夠充分考慮閘門的實(shí)際承載能力。

3．1 閘門有限元模型

根據(jù)閘門的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，將閘門面板、主橫梁、縱梁、邊柱、底梁等離散為板單元，由于閘門關(guān)于跨中對稱，所以取一半閘門做為計(jì)算模型，結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖6。計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為11 439個，單元總數(shù)為11 629個。閘門各構(gòu)件的外形尺寸按現(xiàn)場實(shí)測尺寸取用，構(gòu)件厚度采用實(shí)測的蝕余厚度推定值。

圖6 閘門有限元模型（下游側(cè)）Fig．6 FEM model of steel gate（downstream side）

閘門主要構(gòu)件的材料為A3鋼，相當(dāng)于現(xiàn)在的Q235鋼，材料的彈性模量取E＝2．06×105MPa，泊松比μ＝0．3，重度γ＝78．5 kN／m3。

計(jì)算荷載主要考慮作用于閘門的水壓力、浪壓力和閘門自重。計(jì)算工況：①閘門在設(shè)計(jì)水位工況，上游水頭4．80 m，下游水頭3．50 m；②閘門在校核水位工況上游水頭5．00 m，下游水頭3．80 m；③檢修工況，上游水頭3．20 m，下游水頭0．00 m。通過計(jì)算可知工況2即校核工況為強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算控制工況。模型的約束和荷載加載圖見7。

3．2 計(jì)算結(jié)果

利用大型有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，面板的折算應(yīng)力、上主橫梁的應(yīng)力、下主橫梁的應(yīng)力見圖8至圖11。計(jì)算結(jié)果表明：

（1）面板的計(jì)算折算應(yīng)力為112．5 MPa，發(fā)生在面板與下主梁跨中的連接處，容許的折算應(yīng)力值為158 MPa，所以在校核水位工況下，面板強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖7 閘門有限元模型（上游側(cè)）Fig．7 FEM model of steel gate（upstream side）

圖8 面板折算應(yīng)力圖Fig．8 Von M ises stresses of facep late

圖9 上主梁軸向應(yīng)力圖Fig．9 Axial stresses of upper main beam

（2）上主梁跨中的軸向應(yīng)力為58．5 MPa，最大應(yīng)力為78．0 MPa，發(fā)生在跨中向邊梁的第一個截面變化處，容許的抗拉（彎）應(yīng)力值為144 MPa；剪應(yīng)力為23．2 MPa，發(fā)生在靠近邊梁的腹板上，容許的抗剪應(yīng)力值為86 MPa，所以在校核水位工況下，上主梁的抗彎、抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖10 上主梁剪應(yīng)力圖Fig．10 Shear stresses of upper main beam

圖11 下主梁軸向應(yīng)力圖Fig．11 Axial stresses of under main beam

（3）下主梁跨中的軸向應(yīng)力為57．8 MPa，最大應(yīng)力為79．9 MPa，發(fā)生在跨中向邊梁的第一個截面變化處，容許的抗拉（彎）應(yīng)力值為144 MPa；剪應(yīng)力為23．2 MPa，發(fā)生在靠近邊梁的腹板上，容許的抗剪應(yīng)力值為86 MPa，所以在校核水位工況下，下主梁的抗彎、抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

（4）其它構(gòu)件，如小橫梁、縱梁、邊梁的最大軸向應(yīng)力為84 MPa，剪應(yīng)力為22．7 MPa，均小于規(guī)范容許值，抗彎、抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

（5）最大變形發(fā)生在小主橫梁跨中，為9．6 mm，小于26．7 mm（最大撓度與計(jì)算跨度的比值不應(yīng)超過1／600），剛度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

通過對胥口水利樞紐節(jié)制閘鋼閘門的檢測和安全鑒定工作，得到如下結(jié)論：

（1）受檢測構(gòu)件表面粗糙的影響，在鋼閘門蝕余厚度檢測和涂層厚度檢測時應(yīng)選擇先進(jìn)的檢測儀器，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性。

（2）利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以蝕余厚度推定值為參數(shù)建立了閘門結(jié)構(gòu)三維有限元模型并計(jì)算，可以真實(shí)全面地反應(yīng)各構(gòu)件在荷載作用下的應(yīng)力分布和變形。

（3）安全鑒定表明胥口水利樞紐節(jié)制閘鋼閘門的強(qiáng)度、剛度均能滿足規(guī)范要求，可正常運(yùn)行。

［1］ DL／T835，水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程［S］．（DL／T835－2003，Technical Code of Safety In-spection for Hydraulic Steel Gate and Hoist machinery［S］．（in Chinese））

［2］ 葉小強(qiáng)柯敏勇劉海祥．蘇州市胥口水利樞紐節(jié)制閘和一線船閘工程安全鑒定報(bào)告［R］．南京：南京水利科學(xué)研究院，2009．（YE Xiao-qiang，KEMin-yong，LIU Hai-xiang．Safety Appraisal Report for Xukou Multipur-pose Hydraulic Project［R］．Nanjing：NHRI，2009．（in Chinese））

［3］ SL265－2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．（SL265－2001，De- sign Specification for Sluice［S］．（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Detection and Safety Appraisal of Steel Gate in Service

SU Jian-ming，CHEN Fei，YE Xiao-qiang
（Suzhou Water Conservancy Design Institute Co．Ltd，Suzhou 215004，China）

As themain water-retaining structure of hydraulic engineering，steel gate in service being impacted by surrounding environment and operation load，will be damaged by coating desquamation，steel plate rusting，attri-tion，distortion，and so on．It’s important to detect and identify the safety of steel gate．Based on the advanced in-struments and data processing，Xukou sluice is simulated and calculated with 3D FEM software to re-check its stiff-ness and strength．The safety appraisal shows the steel gate of Xukou sluicemeets the standard of the current engi-neering specification．

steel gate of sluice；detection；safety appraisal；FEM

TV34

A

1001－5485（2011）03－0024－04

2010-04-15

蘇建明（1977-），男，江蘇蘇州人，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，（電話）13962166096（電子信箱）SZliuyj75＠163．com。