人字閘門背拉桿施加預應力數字化技術研究與應用

梁達寧

(廣東江海機電工程有限公司，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構中的重要構件，可有效減少門葉因自重產生的下垂，還可增加門葉的抗扭剛度，對閘門的安全運行起著重要的作用。

大型人字閘門一般采用預應力背拉桿。人字閘門門葉安裝焊接完成并且閘門與液壓啟閉機連接后，門葉完全處于自由狀態進行背拉桿的安裝。背拉桿預應力施加調整是人字閘門安裝工藝中重要的最后一環，關系閘門門葉整體安裝質量，影響閘門的止水效果和人字閘門的安全運行。

2 背拉桿預應力施加常規方法

背拉桿預應力施加調整常規方法主要有兩種，一種是利用背拉桿螺母直接對背拉桿施加預應力，適合預應力較小的背拉桿，如果預應力較大的，特別是針對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生較大的摩擦力，甚至出現背拉桿螺栓副咬合燒死、背拉桿扭轉等現象；另一種是利用2只液壓千斤頂通過平衡梁對每條背拉桿施加預應力，這種做法如果一組背拉桿裝置由多支背拉桿組成，就需要對施加預應力裝置進行多次重復裝拆，且同組背拉桿施加的預應力難于保證平衡。

上述2種背拉桿施加預應力的調整方法都存在每次僅能調整1支背拉桿，背拉桿調整完鎖定后其他背拉桿應力又可能發生變化，需要反復進行調整，調整時間長，安裝工人長時間高空作業，存在安全隱患。

針對常規背拉桿預應力施加存在的缺點，研究應用數字化技術對背拉桿預應力進行施加的方法，以提升背拉桿預應力施加的工作效率和準確度，為超大型人字閘門背拉桿施加預應力監測提供參考。

3 背拉桿預應力施加數字化技術

通過深入分析研究，研制了一套背拉桿預應力施加調整裝置，采用應力數字化監測技術，用于同組多支背拉桿預應力調整，以提升背拉桿預應力施加的工作效率和準確度，降低了勞動強度，解決安裝空間不足難題，同時結構簡單、易拆裝，消除安全隱患。

3.1 背拉桿預應力數字化監測方法

在每支背拉桿上布置一個應力測點，應力測點應變計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，測點處于單向應力狀態[1-2](見圖1)。

圖1 背拉桿應力監測的應變計安裝示意

應變計通過數據線與電腦相連，根據有關應力應變的數學模型，經過數據處理，可直接在電腦上數字顯示背拉桿的應力[3]。在應力施加調整過程中，實時監測每支背拉桿的應力變化，同時監測閘門的變形情況，直到斜接柱和門軸柱側向垂直度、正向垂直度和閘門底主梁水平符合閘門安裝規范要求，背拉桿預應力滿足圖紙的設計要求。

在背拉桿預應力調試至滿足設計及安裝規范要求以后，繼續進行監測，掌握其應力釋放隨時間變化的規律。

3.2 平衡梁式背拉桿預應力施加調整裝置

平衡梁式背拉桿施加預應力調整裝置，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情況要求組合使用，根據同組背拉桿的數量可布置多個千斤頂[4-5](見圖2)。

圖2 平衡梁式背拉桿施加預應力調整裝置示意

3.3 背拉桿預應力施加調整一般工序

1) 背拉桿施加預應力的順序：先主桿、后副桿，先粗調、后微調，循環施加。

2) 利用背拉桿螺母將背拉桿拉直，并對背拉桿施加較小的拉應力。

3) 粗調：當主背拉桿施加預應力達到75%的設計值時，停止張拉，再對副背拉桿施加預應力達到75%的設計值時，停止張拉，在張拉過程中，通過調整各液壓千斤頂施加預應力程度、背拉桿與平衡梁間連接螺栓實現本組多個背拉桿預應力均衡，施加預應力過程中，隨時觀測并記錄主、副背拉桿應力變化和斜接柱、門接柱正面和側面各測點和閘門底主梁水平的位移的變化情況[6]。

4) 微調：同時對主副背拉桿施加預應力，直至斜接柱、門接柱正面和側面各測點及底主梁下垂符合設計圖紙要求。

4 工程應用實例

4.1 概況

廣東省北江航道擴能升級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，門葉采用多主橫梁結構，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]；在門葉的梁格側布置了上、下兩層預應力背拉桿裝置，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，背拉桿預應力設計值見表1所示。

表1 船閘人字門背拉桿預應力設計值

4.2 背拉桿預應力監測點位布置

在每支背拉桿上布置1個應力測點，主背拉桿布置8個應力測點，副背拉桿布置6個應力測點，共14個測點，具體監測點布置見圖3所示。

圖3 背拉桿預應力監測點布置示意

4.3 閘門變形監測點布置

閘門變形監測點分別布置在斜接柱正面和側面、門軸柱的正面和側面、閘門底主梁在斜接柱的下端點，主要是測量斜接柱和門軸柱側向垂直度、正向垂直度和閘門底主梁水平，監測點分別布置[12]見圖4所示。

圖4 閘門變形監測點位布置示意

4.4 閘門變形監測方法

用水平鋼尺檢測斜接柱、門接柱的側向垂直度和正向垂直度，門體底主梁水平度用水準儀測量，在施加預應力過程中，專人負責測量斜接柱、門接柱正面和側面垂直度和門體底主梁水平度并做好數據記錄，防止閘門門體過度變形。

4.5 監測結果

4.5.1背拉桿預應力監測結果

背拉桿預應力監測結果見表2～表3。

表2 二線上閘首左人字閘門背拉桿預應力測試結果

表3 二線上閘首右人字閘門背拉桿預應力測試結果

4.5.2閘門變形監測結果

閘門變形測量結果見表4～表5。

表4 二線上閘首左人字閘門變形測量結果 mm

表5 二線上閘首右人字閘門變形測試結果 mm

4.6 監測結果分析

4.6.1背拉桿預應力監測結果分析

表2～表3背拉桿預應力監測結果表明：

1) 上閘首左人字閘門上層主背拉桿預應力在51.9～55.7 MPa之間，相當于設計值的84.7%～90.8%之間，下層主背拉桿預應力在57.3～59.0 MPa之間，相當于設計值的81.8%～84.2%之間；

2) 上閘首左人字閘門上層副背拉桿預應力在33.2～33.8 MPa之間，相當于設計值的88.2%～89.8%之間，下層副背拉桿預應力在33.6～35.5 MPa之間，相當于設計值的83.3%～88.0%之間；

3) 上閘首右人字閘門上層主背拉桿預應力在50.4～52.1 MPa之間，相當于設計值的82.2%～84.5%之間，下層主背拉桿預應力在58.3～59.4 MPa之間，相當于設計值的83.2%～84.8%之間；

4) 上閘首右人字閘門上層副背拉桿預應力在30.7～31.5 MPa之間，相當于設計值的81.6%～83.8%之間，下層副背拉桿預應力在34.2～35.5 MPa之間，相當于設計值的84.9%～88.0%之間；

5) 從背拉桿實測預應力數據來看，下層背拉桿預應力大于上層背拉桿預應力，主背拉桿預應力大于副背拉桿預應力，這一結論基本與設計給出的設計值相符。

4.6.2閘門變形監測結果分析

表4～表5閘門變形測試結果表明：

1) 在對背拉桿施加預應力的過程中，斜接柱和門軸柱變形隨著預應力增加而逐步減小的規律很明顯；

2) 施加預應力后閘門最終變形狀態均為拱向上游；

3) 人字門實際扭轉剛度比閘門設計的扭轉剛度大；

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，側面直線度最大值為2. 0 mm，底主梁水平下垂：+2.0mm；

6) 通過對背拉桿施加預應力，門體基本實現了垂直懸掛，閘門的安裝質量符合水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規范》(GB/T 14173—2008)的要求。

4.6.3結論

測試結果分析表明：背拉桿預應力實測值相當于設計值的80%～90%之間，均小于設計值，證明人字門實際扭轉剛度比閘門設計的扭轉剛度大，施加預應力后門體基本實現了垂直懸掛，閘門的制造和安裝質量符合《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規范》(GB/T 14173—2008)及設計要求。

5 結語

背拉桿施加預應力數字化技術同時應用于廣東省北江航道擴能升級工程飛來峽樞紐二、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，人字閘門運行平穩，鋼止水優于驗收規范要求，船閘曾于2020年11月進行年度停水維護，并對人字閘門斜接柱、門接柱的側向垂直度和正向垂直度，門體底主梁水平度等主要部位進行了復測，各項復測數據符合《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規范》(GB/T 14173—2008)的要求。

采用應力數字化監測技術，結合門葉的變形監測，平衡梁式背拉桿預應力施加裝置用于多支背拉桿預應力施加調整，降低勞動強度、提高效率、消除安全隱患，可在同類工程中推廣應用。