淺析平面鋼閘門中的結構誤區(qū)
——“逆向補強”結構

（江蘇省水利機械制造有限公司 揚州 225003）

1 平面定輪閘門結構的“應力集中”現(xiàn)象

出現(xiàn)“應力集中”現(xiàn)象，一方面是由于材料本身缺陷，另一方面則是由于結構構造。有些構造看似是一種“補強”，實際上卻是南轅北轍，削弱了結構的強度尤其是疲勞強度。本文就結合某閘閘門結構，梳理出幾種較為常見的“逆向補強”結構。

2 平面定輪鋼閘門常見的“逆向補強”結構

2.1 蓋板補強結構

在結構補強方面，最受詬病的是通過蓋板“補強”的結構。

閘門結構中為了承受門葉結構的自重及其他可能產(chǎn)生的豎向載荷，同時為了防止閘門結構的扭曲變形，提高整個門葉結構在空間的剛度，因此會配合閘門的橫向聯(lián)結系在閘門梁格面布置縱向聯(lián)結系。為了連接這些縱向聯(lián)結系通常會在閘門主梁翼緣上布置蓋板式節(jié)點板。目前，江蘇省水利行業(yè)多半閘門依舊采用這種節(jié)點板形式，其焊縫接頭形式為單面搭接接頭。

圖1 搭接角焊縫的正應力分布圖

焊縫接頭形式主要分為對接焊縫、T型對接焊縫、角接焊縫、搭接焊縫。四種接頭形式中，對接焊縫由于焊縫至母材的形狀改變不大，載荷傳遞較平穩(wěn)，應力集中系數(shù)低，因而疲勞強度高；T型接頭由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，應力集中系數(shù)比對接接頭的應力集中系數(shù)高，其疲勞極限遠低于對接接頭；搭接接頭則是疲勞極限最低的接頭形式，特別是在原來對接接頭的基礎上，增加蓋板來進行“加強”，其結果適得其反，這種蓋板非但沒有起到“加強”作用，反而使原來疲勞極限較高的對接接頭被大大地削弱。

為了直觀地表示這種“應力集中”現(xiàn)象，我們通過搭接角焊縫的正應力分布圖來分析。如圖1所示，因為蓋板的存在，導致主梁翼緣表面結點B右側位置剛度變大，B點左側剛度不變或者變化較小，因此在結點B位置有了一個剛度的變化，導致結點B的連續(xù)性被破壞，結點B的應變變大，由式σ=ξ·E，應變ξ變大將直接導致應力σ變大；如果需要定量應變ξ，則需要進一步引入應力集中系數(shù)等概念，這里不再探究。式中：σ—應力；ξ—應變；E—楊氏模量。

除了“應力集中”現(xiàn)象外，由于水工金屬所處的環(huán)境為水環(huán)境，其常用材質普通低碳鋼或者低合金鋼中Fe與C遇介質水（含有電離子）形成原電池反應極易被腐蝕，因此在結構中特別強調(diào)了焊縫連接的“連續(xù)性”與“封閉性”。為了防止銹蝕，蓋板與主梁翼緣通常采用連續(xù)焊（如圖2、圖3為蓋板焊接的正確做法），造成焊縫形成了一個封閉環(huán)，導致應力無法釋放，這種應力將作為拉應力殘留在結構中。在閘門工作狀態(tài)下，這種殘余應力將與工作應力同號疊加，其數(shù)值可能超過材料屈服強度，在經(jīng)過一定次數(shù)的塑性損傷累積后，結構將會產(chǎn)生疲勞破壞。另外，此處因為轉角以及殘余應力形成同號雙向應力，即同號平面應力狀態(tài)。根據(jù)復雜應力狀態(tài)下的“第四強度理論”，同號平面應力狀態(tài)處的鋼材材質強度有所提高，但同時其材質也轉向硬化及變脆，導致其對動載荷尤其是沖擊載荷過敏，易發(fā)生脆性破壞。

圖2 搭接面上角焊縫避免接觸圖

圖3 蓋板與主梁翼緣的封閉連續(xù)焊縫圖

采用了此蓋板節(jié)點板結構的葛洲壩永久船閘閘門同樣的位置處（高應力區(qū)）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了低周疲勞裂紋的萌生與擴展現(xiàn)象。后來的三峽五級永久船閘吸取了葛洲壩永久船閘的經(jīng)驗，對節(jié)點板進行了兩次改良，改良方法將在文末進行介紹。

2.2 主滾輪軸孔浮動板結構

另一種詬病的結構應該就是所謂的“浮動板”結構。結構中增加主滾輪軸孔勁板的本意是降低孔口擠壓應力的數(shù)值，同時削弱圓形軸孔孔邊的應力集中。但是，有的廠家為了省事，隨意采用“浮動板”結構。改用“浮動板”結構，軸孔位置的受力狀態(tài)不僅發(fā)生了量的變化，而且發(fā)生了質的變化。同樣為了清楚、直觀地表示這種受力狀態(tài)的變化，如圖4、圖5。圖4所示正常軸孔受力圖，滾輪軸所受剪力主要通過邊梁腹板進行傳遞，另有一部分剪力通過軸孔筋板與其環(huán)焊縫進行傳遞，圍焊縫傳遞應力較小，“應力集中”弱。反觀圖5所示浮動板結構受力圖，其受力與圖1所示完全相同；滾輪軸所受剪力將全部通過軸孔筋板的圍焊縫來傳遞，圍焊縫傳遞應力較大，“應力集中”強；并且在軸孔筋板轉角位置同樣具有平面應力狀態(tài)，萬一工作時再受到外部振動載荷，這幾種不利情況一旦疊加，在結構的薄弱處將極易產(chǎn)生微裂紋。

因此，綜上所述，“浮動板”結構也應當盡量避免使用。

2.3 帶墊（座）板的吊座結構

最后一種結構設計的誤區(qū)就是一些帶墊（座）板的吊座結構，如圖6所示。這種起吊受力同浮動板結構一樣，座板若無塞焊縫，則所有載荷都將通過墊板的圍焊縫來傳遞。在結構設計中，厚板應盡量避免厚度方向受力，以防止層狀撕裂；若無法避免厚板厚度方向受力，應當采用具有Z向性能要求的鋼板。

加墊（座）板的吊座結構與厚度方向受力的厚板結構實則無二。墊（座）板與頂梁腹板的間隙就如同厚板熱軋過程中產(chǎn)生的非金屬層狀缺陷，等同于厚板中存在的層狀裂紋，易產(chǎn)生層狀撕裂。因此，結構上應盡量避免使用這種吊座。

3 補強誤區(qū)可能導致的結構失效形式及改良措施

3.1 采用蓋板節(jié)點板可能導致的結構失效形式以及改良措施

圖4 正常軸孔受力圖

圖5 浮動板結構受力圖

圖6 軸孔筋板轉角位置的平面應力狀態(tài)圖

采用了蓋板節(jié)點板的結構，首先破壞了原來梁系結構的連續(xù)性，導致梁系局部區(qū)域剛性產(chǎn)生突變，使得原本無應力集中的翼緣產(chǎn)生了應力集中；其次，蓋板與主梁翼緣的焊接不僅引入了焊接殘余拉應力，而且導致主梁翼緣材質的變化，使得母材局部晶粒粗大，材料硬化嚴重，韌性降低。

平面閘門的門槽的存在導致流道截面的變化則會紊亂水體的流動，形成紊流；紊流是閘門結構受到振動的一個重要來源；另外，平面鋼閘門小開度開啟，閘門底部過流，水流由急流轉變?yōu)榫徚鲗е碌拈T后“水躍”拍打鋼閘門也會導致閘門的振動。

當硬性材料與振動載荷以及較高的工作應力相遇，主梁翼緣表面疲勞裂紋的產(chǎn)生就具備了條件；當裂紋擴展到臨界裂紋長度時，主梁將發(fā)生瞬時斷裂，造成結構失效。因為這種失效發(fā)生于結構主體，且瞬時斷裂，事前毫無征兆；因此，失效一旦發(fā)生，將會造成重大損失。

針對上述問題，在三峽五級船閘的設計中，設計人員進行了探索與改良，最終采用把節(jié)點板與縱梁翼緣做成一體并且通過將其倒圓的方式，解決了疲勞產(chǎn)生的問題。

3.2 采用軸孔浮動板結構可能導致的結構失效形式以及改良措施

該結構易導致邊梁腹板剪切失效并導致閘門滾輪等運轉件的失效。對結構的損傷也不容忽視。

結構上無需改良，只需要按照圖示4使得軸孔加筋板能夠真正起到加筋的作用而不是使其作為主結構參與到主受力即可。

3.3 帶墊（座）板的吊座結構可能導致的結構失效形式以及改良措施

該結構會導致吊座與門體結構脫離，使得閘門沿門槽自上而下跌落，導致頂梁局部位置受損；結構其余部位損傷視閘門跌落情況而定。

改進措施主要是去除該座板，將吊耳耳板直接熔透焊接在頂梁腹板上；同時，注意腹板增設筋板增強局部剛性，避免腹板受力翹曲變形。

4 意見與建議

雖然我國水利這一行業(yè)較其他行業(yè)歷史久遠，但是水工金屬結構技術研發(fā)以及創(chuàng)新的力度卻遠不如其他行業(yè)，比如鋼構、船舶以及橋梁等。究其原因：一是水工金屬結構的使用壽命長，更新?lián)Q代頻次少，技術創(chuàng)新動力不足；二是水工結構與其他行業(yè)如船舶行業(yè)、橋梁行業(yè)等交流甚少，沒有汲取其他行業(yè)的優(yōu)秀經(jīng)驗；三是設計人員一方面沒有實踐經(jīng)驗，另一方面對結構細節(jié)的認識還缺乏足夠的深度；四是設計規(guī)范對結構疲勞方面未作具體的要求，因此閘門結構設計中較多未關注于此。

有鑒于此，建議水工金屬結構設計能夠多參考船舶、橋梁等行業(yè)優(yōu)秀的經(jīng)驗，淘汰一些本末倒置的做法；規(guī)范上能夠參照《鋼結構焊接規(guī)范》，更加注重結構細節(jié)上的指導與修正，引導設計、施工人員對結構有一個良性的認識■