淺析應變測試技術在水工鋼結構檢測中的應用

摘要：電阻應變計測試技術作為一種成熟的無損檢測方法，在各行業都得到了廣泛的推廣與應用。文章以遼寧某大型攔河閘鋼閘門應力檢測和啟閉機啟閉力檢測為背景，闡述了電阻應變計法在水工鋼結構檢測中的應用，結果分析表明測試方法科學、結果準確，可為相關工程設計、檢測、施工等提供指導和借鑒。

關鍵詞：電阻應變計法；應變測試技術；水工鋼結構；鋼結構檢測；無損檢測技術 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH823 文章編號：1009-2374（2016）14-0129-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.065

1 概述

應力應變測試技術作為一種成熟的無損檢測方法，在機械、土木、水利、橋梁等各行各業都得到了廣泛的推廣與應用，其應用研究在許多工業發達國家也受到普遍重視。電阻應變計測量法是目前最常用的應力應變實測方法，電阻應變片也是應用最廣泛、最方便的傳感元件之一。本文以遼寧某河干流大型攔河閘鋼閘門現場安全檢測和評價為研究對象，闡述應力應變測試技術在水利工程中的應用，根據ANSYS有限元計算結果，綜合分析鋼閘門現狀質量和安全情況，為類似工程的設計、檢測、施工等提供指導和借鑒。

2 電阻應變片測量原理

電阻應變計法是以電阻應變片為傳感元件，將其粘貼在被測構件的測點處，使其隨同構件變形，在根據應變-應力關系確定構件表面應力狀態的一種試驗應力分析方法。測量時，將電阻應變片粘貼在被測構件測點的表面，當構件在荷載作用下產生應變時，電阻應變片隨同變形，同時應變片的電阻也發生相應的變化，用電阻應變儀測出這個變化，即可計算出被測構件測點處的應變和應力值。

3 電阻應變片分類及接線、布片方法

工程應力應變測試技術中，廣泛應用電阻式應變片，但應變片的正確選取和粘貼質量的好壞，將直接影響采集數據的準確性。常見電阻應變片分為金屬式和半導體式兩大類。金屬式分絲繞式、箔式和薄膜式三類；半導體式分為薄膜式和擴散式。

實際測量中，測量電橋的接線方式有兩種：一種是半橋接線法；另一種是全橋接線法。布片的方式要根據具體測試內容和環境等情況合理選擇，比如鋼閘門的梁、翼緣板等的構件主應力為拉應力和壓應力，且應力方向已知時，可以直接布設單應變片，如面板、翼緣板等構件應力復雜，主應力方向難以判斷時，則可采用應變花片（雙片式90°，三片式45°、60°等）。鋼閘門應變測量時，應考慮溫度影響，單獨布設溫度補償片。

4 鋼閘門和啟閉機應力檢測應用實例

遼寧某河干流攔河閘擔負著城市防洪任務，同時也是灌溉用水控制工程，工程設計洪水標準100年一遇，校核洪水標準300年一遇，并能通過500年一遇標準洪水，最大泄流量超過7000m3/s。工程主體攔河閘采用露頂式平面定輪鋼閘門，孔口尺寸為9.6m×6.0m（寬×高），單扇鋼閘門重為35t，設計水頭為5.5m，動水啟閉。每扇鋼閘門配備一臺集中驅動雙吊點固定卷揚式啟閉機，容量為2×400kN。

4.1 鋼閘門測試工況確定

以檢測工況符合或接近設計工況為原則。因為閘門荷載以水壓力為主，啟閉機荷載主要為閘門自重加水壓力等。為了獲得最大水壓力，利用汛期高水位（以不影響度汛安全為原則），利用水位變化規律來提高上、下游水位差，使檢測工況盡可能接近設計工況。現場檢測時，閘門上游水位為35.95m，閘門下游無水，堰頂高程為30.50m，閘門的作用水頭為5.45m，接近設計水頭為5.50m。

4.2 應變片測點布置原則及注意事項

4.2.1 布置原則。（1）測試內容為鋼閘門靜應力和啟閉機啟閉力，測點應具有代表性，高應力區域和復雜應力區域均應布置足夠數量的測點；（2）在滿足檢測目的、委托要求的前提下，測點宜少不宜多；（3）對稱結構可在一側布置測點，但在對稱側應布置適當數量的比照測點，比照測點提供的正式數據可為分析時采用。

4.2.2 注意事項。（1）應變片應粘貼牢固并做好防潮處理；（2）當應變片處于水下時，應做好防水處理；（3）信號傳輸線應妥善固定，電阻值應確保穩定。

4.3 測點位置選擇和數量確定

典型鋼閘門選定后，在應力檢測前，首先根據閘門構件材質、結構特點、荷載條件等進行分析，根據相關規程對閘門和啟閉機主要構件進行應力計算分析，了解結構應力分布狀況，確定應力測點位置和數量，目的是使檢測斷面選擇正確，傳感器原件布置合理，采集的數據更加有代表性。圖1是有限元法計算得到的鋼閘門應力分布云圖，根據云圖應力分布，確定鋼閘門的應力測試時，主要受力構件上共布置了21個測點，其中三向測點4個。測點分別布置在面板、主橫梁后翼緣板、縱梁后翼緣板、主橫梁腹板、縱梁腹板和邊梁后翼緣板上。

啟閉力檢測的測點備選兩處位置：一處在啟閉機的減速箱與小齒輪的傳動軸上；另一處在閘門吊板上?，F場結合實際情況，選擇將測點布置的在閘門頂部的吊板上，共粘貼工作應變片8個，合理布設。

確定測點位置后，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。檢測前均設置了溫度補償片，以消除溫度影響因素。應變片采用502膠與基體粘接，采用硅膠進行防水。

4.4 測試結果及分析

4.4.1 鋼閘門應力檢測。鋼閘門應力分析采用ANSYS三維有限元法。該工程鋼閘門形式為板、梁組合結構，根據其受力特點，考慮計算精度要求，采用8節點實體單元建立閘門結構有限元計算模型，見圖2。計算模型單元總數為13008個，節點總數為24766個。坐標系定義為：主橫梁軸向為x軸，縱梁軸向為y軸，水流方向為z軸。

檢測工況為動水啟閉，鋼閘門主要受力構件理論計算結果和檢測結果詳見表1：

由表1中數據分析可知，鋼閘門面板最大折算應力計算值為46.6MPa，實測計算值為48.5MPa，均小于容許折算應力為250.8MPa；1#主橫梁最大拉應力計算值為91.8MPa，實測值為100.9MPa，2#主橫梁最大拉應力計算值為79.2MPa，實測值為73.7MPa，均小于容許拉應力為150.2MPa。以上3個參數理論計算值與實測值之間偏差率為4.1%～9.0%，說明理論值與實測值很接近，也說明測量方法科學、合理。

4.4.2 啟閉機啟閉力檢測。鋼閘門動水啟閉工況，啟閉機最大啟門力、持住力和閉門過程最大拉力檢測結果見表2，總啟閉力過程曲線見圖3：

在動水工況啟閉閘門過程中，開啟瞬間啟門力達到最大值276kN，閘門開啟高度3m時，最大持住力為210kN，完全開啟時，最大持住力為203kN，閉門階段啟閉力下降明顯，最大拉力為173kN，整個啟閉過程，啟閉力、持住力和關閉過程最大拉力均小于啟閉機的額定容量800kN。

5 結語

（1）本工程應變片測試鋼閘門主要構件受力結果與三維有限元理論計算結果表明，測試方法科學、測試結果準確，該方法測試啟閉機啟閉力過程簡潔，方法可行；（2）為保證測試數據準確，要先對被測試構件進行復核計算，根據應力分布情況，合理確定貼片位置和正確選擇應變片種類，同時做好應變片防水，布設溫度補償片；（3）應變片以其尺寸小、重量輕、安裝方便、測試靈敏度和精度高、適應環境能力強等特點，在水利工程檢測領域應用前景廣闊。但也要認識到，應變片只能測試構件表面應變，其測試值反映的是所覆蓋面積下的平均應變值，是一種均局部測量方法。

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作者簡介：汪魁峰（1976-），男，遼寧丹東人，遼寧省水利水電科學研究院高級工程師，研究方向：水利水電工程科研、材料試驗、水工建筑物質量檢測及修補技術。

（責任編輯：秦遜玉）