闸门静态检测工程实例

5.6　闸门静态检测工程实例

【工程实例】

某水力发电厂位于浙江瓯江上游的龙泉溪上，是该省电网的骨

干电厂。1988年工程竣工运行至今，将近20年，根据国内外水利枢纽闸门泄洪运行的实践及2002年该电站第二轮大坝安全定期检查的要求，对该电站的浅孔弧门及启闭机、中孔弧门及启闭机、进水口快速工作门、检修门等进行安全检测。为了解当前水工钢闸门结构在挡水运行状态下的工作特性，拟对闸门进行静力原型观测及相应的理论计算。

5.6.1　检测目的

检测的主要目的是掌握闸门经过多年运行后的变化情况，校核结构各部位的应力大小，是否还满足安全要求。

某水力发电厂金属结构的检测范围包括电站的水工钢闸门及其启闭机系统，它们的简要资料见表5-4。

表5-4　金属结构简要资料表

5.6.2　检测依据

检测内容确定的依据，是与检测相关的规程、导则和规范等。如《水利水电工程钢闸门设计规范》、《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》等。

5.6.3　检测内容及测点布置

5.6.3.1　弧形闸门的静力测试及测点布置

该水电站需检测左右岸溢洪道中孔、浅孔4扇弧形工作闸门，这4扇弧形闸门都是潜孔直腿弧形闸门，结构上相似，可采用同一检测方案，静力观测时其布点相同。

1.测点布置

根据受力分析及此前在其他工程现场试验的经验，确定闸门主横梁及支腿控制截面上的控制点，作为应力和位移测点位置(见图5-17、图5-16)。

＋加速度测点—应变测点□位移计测点

图5-15　某水电站浅孔弧形工作闸门测点布置示意图

＋加速度测点—应变测点□位移计测点

图中带括号的测点为纵隔板腹板靠近面板的测点

图5-16　某水电站中孔弧形工作闸门测点布置示意图

2.试验水位

浅孔工作弧门:▽上173.94/176.49m(具体由试验时现场实际水位确定);

中孔工作弧门:▽下174.01/176.33m(具体由试验时现场实际水位确定)。

3.静应力测试

检测闸门主梁及支腿等部位的静应力和静位移;复核闸门结构的强度、刚度和稳定性。

5.6.3.2　平面闸门的静力测试及测点布置

此次共需检测7扇平面闸门，从行走方式上看，有定轮闸门和滑动(块)闸门，但它们的结构受力以及布置原理相似，所以采取同一检测方案。

1.确定测点位置

(1)根据受力分析及此前在其他工程现场试验经验，确定闸门主横梁控制截面上的控制点，作为平面闸门应力和位移测点位置(如图5-17，图中测点位置根据现场情况可能还要进行修正)。

图5-17　某水电站快速工作闸门测点布置示意图

(2)静力测试

检测闸门主梁等部位的静应力和静位移，复核闸门结构的强度、刚度和稳定性。

5.6.4　检测试验系统

闸门结构静应力检测试验系统所采用的传感器及相关设备为电阻应变片、256静态电阻应变仪、计算机、打印机。检测系统方框图如图5-18所示。

图5-18　静应力检测系统流程方框图

该系统由计算机直接控制测点扫描及数据采集，可进行自动调零、应变片电阻值、灵敏度的调整、数据显示、打印、存盘、读盘和其他处理。该系统全部采用进口国际标准集成电路设计和制造，性能稳定，抗干扰能力强，使用方便可靠，尤其适用对大数据量的采集及分析处理。

5.6.5　测量仪器和设备

5.6.5.1　传感器

应变计——型号3×2胶基，灵敏度为2.0，电阻值为120Ω。

5.6.5.2　信号放大器

静态电阻应变仪——型号CM-B1，量程±600με，误差＜±0.1%。

5.6.5.3　信号采集器

XR-510多用记录仪——型号INV306，采集容量4G，采集方式——随机采样。

5.6.5.4　信号分析仪

型号INV306，功能:时域分析，频域分析等。

GF-930红外分析仪。

便携式计算及相关分析软件。

(以上设备均由国家计量局湖北计量中心校准核定。)

5.6.6　测试方法

5.6.6.1　荷载设计

工作闸门上的静水压力为检测荷载。

静水压力荷载实现办法为:零荷载时，检修闸门挡水，工作闸门置于无水压状态，此时应变仪调零。然后，检修闸门局部开启。在工作闸门和检修闸门之间充水至上游水位，实现工作闸门承受静水压力，应变仪检测读数。对浅孔、中孔弧门的加载检测，方法同上述平面闸门一样，对每扇闸门进行了两次检测，每次进行了两个循环过程。试验水位资料由该水电站水调室分局实测资料提供。

浅孔弧门试验水位，上游:173.94m/176.49m;

中孔弧门试验水位，上游:174.01m/176.33m。

5.6.6.2　测试方法及注意问题

本结构静应力检测采用电测法。

现场实验前，根据测点布置图确定测点位置，在测点处进行打磨清洗及定位处理。在测点处粘贴电阻应变片并通过导线联结检测仪器和计算机。一切准备好后即开始实施现场对闸门结构静应变的迅速和精确的测量和存储。本次实验所用电阻应变片为陕西某电测仪器厂生产的3mm×2mm胶基电阻应变片，应变片与被测构件间的粘贴采用502胶。

现场检测时要注意:

(1)当闸门作局部开启时，在闸门下游面会形成强大的冲击水流和雾气，因此，测点与导线的防潮及防冲刷，是此次检测工作的重点与难点，在布点、布线与防潮中，只要稍有疏漏就会前功尽弃。由于测试者有较丰富的现场测试经验，集思广益、精心运作、层层把关，因而成功地防患了恶劣的现场条件对测试工作带来的不利影响，使测试点有效率达95%以上，测试获得成功。

(2)闸门上各测点的温度补偿应采用分区补偿的方式，以尽量消除由于门体尺寸大，日照不均匀及天气因素影响，提高测量结果的准确性和稳定性。

5.6.7　测试结果

对浅孔工作闸门、中孔工作闸门和快降工作闸门都进行了两次静应力试验，检测水位分别为173.94m/176.49m、174.01/176.33m。两次静应力试验均测取了每个测点的应变值。每个测点的应变值均取两次实际检测结果的平均值。浅孔与中孔闸门都为弧形门，测点布置部位和方法基本相同，测点图如图5-15和图5-16所示。

5.6.7.1　支臂和主横梁应力

支臂和主横梁是闸门的主要受力构件，其受力关系明确，主要承受水压力作用，处于组合受弯状态，故支臂和主横梁应变片均沿长度方向粘贴。根据测点单向应力状态受力原理，设材料在弹性范围内工作，则实际应力值为σ= E·ε(式中E为材料的弹性模量，E= 210GPa，ε为实测应变值)。由表5-5与表5-6中可看出，各支臂受力规律明显，受力相对比较均匀，浅孔和中孔最大应力值分别为67.50MPa和56.91MPa，均未超出支臂容许应力207MPa。

5.6.7.2　纵梁应力

纵梁也是闸门的主要受力构件。纵梁实测应力值见表5-5至表5-6。由表中可见浅孔闸门最大应力值在闸门中纵隔板翼缘中部，其应力值为64.47MPa;中孔闸门最大应力值在闸门纵隔板翼缘中部，其应力值为51.87MPa。均未超出纵梁容许应力297MPa。

5.6.7.3　面板应力

在面板平面内布置测点，每点沿σ_Y、σ_Z方向布置有一个直角应变花。根据平面应力状态计算公式可求得:

式中:E为材料弹性模量，μ为材料泊松比，ε_Y、ε_Z为坝轴向和垂直向实测应变值。

闸门实测应力值见表5-5至表5-7。由表可见闸门面板下游面应力分布规律是:下主梁附近大，上悬臂部分和上、下主梁之间小。浅孔工作门测得最大应力值为23.32MPa;中孔工作门测得的最大应力值为59.36MPa;快降工作门测得的最大应力值为61.39MPa。均未超出面板容许应力341.6MPa、326.7MPa和237.6MPa。

表5-5　浅孔工作闸门静应力表水位(173.94m/176.49m)

续表

注:点1～18是173.94m水位下的测点;点a～o是176.49m水位下的测点。

表5-6　中孔工作闸门静应力表水位(174.01m/176.33m)

续表

注:点1～5是174.01m水位下的测点;点a～s是176.33m水位下的测点。

表5-7　快降工作闸门静应力表水位(174.21m)

表5-8　浅孔工作闸门实测应力和计算应力比较(MPa)

注:σ实是测点实测应力，σ计是理论计算的应力，σ推是测点推算应力。

表5-9　中孔工作闸门实测应力和计算应力比较(MPa)

注:σ实是测点实测应力，σ计是理论计算的应力，σ推是测点推算应力。

表5-10　快降工作闸门实测应力和计算应力比较(MPa)

注:σ实是测点实测应力，σ计是理论计算的应力，σ推是测点推算应力。

5.6.8　实测结果与电算结果比较

对所检测的闸门按三维有限元分析来进行，用国际上著名的有限元分析软件ANSYS计算。其中闸门电算的力学模型为由板单元、梁单元在空间联结而成的组合有限元模型。浅孔工作门离散后的力学模型有96711个结点自由度数，17121个板单元，2198个最大半带宽，求解自重及水压力作用下的静应力问题时方程总数为96711个;中孔工作门离散后的力学模型有116245个结点自由度数，17461个板单元，2340个最大半带宽，求解自重及水压力作用下的静应力问题时方程总数为116245个。快降工作闸门离散后的力学模型有33869个结点自由度数，6049个板单元，1049个最大半带宽，求解自重及水压力作用下的静应力问题时方程总数为33869个。计算过程和结果省略，为了比较实测结果和计算结果，将浅孔工作闸门各测点水位为173.94m/176.49m的实测应力和计算应力列于表5-8进行比较;中孔工作闸门各测点水位为174.01m/176.33m的实测应力和计算应力列于表5-9进行比较;快降工作闸门各测点水位为174.32m的实测应力和计算应力列于表5-10进行比较。由表5-8、表5-9和表5-10比较可知，测试结果反映出的门体应力规律和应力大小可信度较高，电算力学模型基本上能正确反映闸门的受力状态，电算结果能作为检验实测资料的参考和补充。

5.6.9　设计水位状态下应力的推算

受现场条件的限制，对闸门进行静应力检测水位未能达到设计水位。为了了解设计水位状态下支臂和主梁的受力状态，有必要根据试验水位下的实测应力值，推算设计水位下支臂和主梁的应力。

推算应力采用了比例系数法推算。由表5-8至表5-10可知，浅孔工作闸门和中孔工作闸门在试验水位下的实测应力值不大，材料在弹性范围内工作。根据各测点实测水位下的试验值和计算水头与试验水头(面板平均水头)所得的相应比例系数α=(H计/H实)，假定上游水位达到校核水位192.7 m时，各测点主梁应力的实测值和计算值各自按定比例系数α变化。可以由各点实际测试应力推断出其在校核水位192.7 m下相应的测试应力，表5-8至表5-10分别列出了浅孔工作闸门、中孔工作闸门和快降工作闸门校核水位192.7 m的推算应力。浅孔工作闸门校核水位下最大推算应力为119.19MPa，产生在上主梁以下面板上;中孔工作闸门校核水位下最大推算应力为87.40MPa，产生在面板上;快降工作闸门校核水位下最大推算应力为109.13MPa，它们都小于容许应力。

5.6.10　结论

综上所述，可得出如下结论:

(1)闸门结构静应力实测结果表明，运行工况下实测的上下支臂应力分布情况大致相同。说明上下支臂实际上被分配的荷载基本接近。这样的分配结果应当认为是较理想的。说明设计上梁间距的布置及荷载分配方法是正确的、合理的。

(2)实测结果表明，主横梁受力较大，荷载主要通过横梁和纵梁传到支臂，这符合结构实际受力及变形的状态。

(3)静应力实测结果和电算结果的应力分布规律基本相同。但计算应力一般比实测应力大。这主要是计算应力是构件最大应力点的应力，而实测应力因为测点位置偏离角点，无法测得应力集中的影响。

(4)从静应力实测结果可以看出，当库水位在192.7m时，闸门门体各部位的应力都处于材料容许应力之内，并有足够的安全储备。