闸门应力折减系数

9.8　闸门应力折减系数

过去我国水电科技工作者将主要精力用于发展大、新工程结构上，对旧闸门结构评定研究不多，特别是容许应力折减系数的给定，没有相应的规程和方法。如何确定闸门钢板的容许应力折减系数，这是目前面临的一个关系到水利电力事业发展的普遍问题。折减系数取得过大，可能给安全生产带来隐患，反之，会将安全闸门评判为危险结构，造成重大经济损失。本节结合上世纪50年代初期建设的某一重大工程，对闸门钢板容许应力折减系数的确定给出了一个初步方法——比例法。

9.8.1力学性能测试

在实验室液压式万能试验机上进行了力学性能实验。将溢洪道弧门钢板加工成两件表面未经处理、带有腐蚀坑的拉伸试件和两件弹模试件，它们分别编号为1^#、2^#、3^#、4^#，如图9-12所示，其尺寸如下(拉伸试验见图9-14):

1^#:A₀= 30.40mm×20.20mm，L₀= 100mm;

2^#:A₀= 30.40mm×20.06mm，L₀= 100mm;

3^#:A₀= 30.20mm×18.80mm，L₀= 100mm;

4^#:A₀= 29.90mm×18.68mm，L₀= 100mm。

图9-12　加工试件

图9-13　拉伸试验

测试情况如图9-13和图9-14所示，测试结果如表9-6所示。

图9-14　拉伸曲线对比图

表9-6　拉伸试验测试结果

溢洪道弧门A3钢板同时也加工了6件U形缺口冲击试件和6件材料硬度试件，它们分别在冲击试验机和洛氏硬度试验机进行材料冲击试验和硬度测试，其结果如表9-7所示。

溢洪道弧门A3钢板屈服强度σ_s为

溢洪道弧门A3钢板极限强度σ_b为

溢洪道弧门A3钢板延伸率δ为

表9-7　弧门A3钢板冲击试验和硬度测试结果

溢洪道弧门A3钢板断面收缩率Ψ为

溢洪道弧门钢板的力学性能测试结果与标准A3钢板力学性能对比如表9-8所示。

表9-8　弧门A3钢板力学性能对比表

9.8.2　结果分析

从图9-13可见，溢洪道弧门A3钢板经过40年时效及腐蚀后，力学性质有一定程度的变化，试件没有明显的屈服点，基本上没有产生屈服变形(图9-14BC或bc)，当荷载达到极限强度后，试件还有较大的塑性，产生了较大的变形(见图9-14DE或de)，材料的延伸率良好;从表9-8可知，该材料冲击韧性值α_KU达到96.8J/cm²，具有较好的韧性，断面收缩率也达52.7%，材料塑性较好;试件屈服强度至少下降7.78%，强度极限下降11.40%(与极限强度平均值相比)，强度指标的下降从表9-7硬度试验结果中也可以得到证实。说明闸门钢板与新的标准A3钢板性质上有一定的差异。

9.8.3应力折减系数

目前强度设计的基础是材料的力学强度条件，其一般形式可表达为:

式中:σ为构件工作应力，在复杂受力情况下，则可根据应力状态分析和选用的强度理论进行组合计算求得。［σ］为容许应力值，对于由塑性材料A3钢板制作的闸门，其容许应力值等于相应的材料屈服极限σ_s除以安全系数N。而安全系数N的选择则依据于经验，取决于设计人员对结构的工作条件，例如载荷、材料质量、制作工艺水平、计算公式的有效性等的把握程度。把握大则安全系数可选取较小;反之，则选取较大的安全系数。应当指出，材质的不均匀性以及可能包含的缺陷及裂纹对结构强度的影响也笼统地在这个安全系数中加以考虑。

对于水工钢闸门的设计，安全系数N实际上设计规范已经确定，例如，厚20mm的A3钢板，其给出容许应力值160MPa，而A3钢板的最低屈服强度为225MPa，安全系数实际为:在此我们不必加以讨论。我们要研究的是:在考虑同样安全度的情况下，闸门经过多年时效作用，材料的力学性质产生了一定的变化，屈服强度、极限强度相应下降，容许应力应当乘以应力调整系数K进行折减。

相同安全系数的情况下，新材料屈服极限σ_s决定材料容许应力值。同样在役水工钢闸门应力调整系数K，在材料其他性质变化不是特别大的情况下，也应由闸门材料测试屈服极限σ⁰_s作为主要确定依据，在此推荐采用比例法:

这样，在役水工闸门材料折减后的容许应力值［σ⁰］可表达为:

闸门构件工作应力σ小于折减容许应力值［σ⁰］，闸门结构安全。若综合考虑材料的强度极限、硬度、塑性变化和闸门整体连接、锈蚀不均匀、表面裂纹萌生等因素，应力折减系数K可进一步乘以综合影响系数α。则容许应力值可表达为:

α通常可以取为1。

9.8.4比例法是确定闸门应力折减系数的好方法

目前在闸门安全复核工作过程中，应力的折减系数K是根据工作经验给出的，闸门第一次安全复核时，折减系数大多取为0.9，第二次取为0.85，这具有很强的随意性。根据上述原理和方法以及检测实例可见，通过板材力学性能测试结果来确定应力折减系数K的方法简单科学，而闸门结构安全又完全有保障，具有较强的实用性和通用性。该方法主要应用于在役水工钢闸门的安全复核，若其他形式的钢结构也要进行安全检测，这一方法同样也适用。

应当注意:由于受客观条件的限制，该项研究只是在一个点取样，其结论有一定的局限性。因为材料性质的变化不仅与时间有关，而且与工作应力的大小、交变频率和次数、外部介质、环境等因素有关，所以在可能的情况下，样点应该有3～5个代表位置。进行力学性能测试试件的外表要保持实际状况，不能刨光处理。

若条件许可，建议应力折减系数的确定从断裂力学的角度深入研究，测试出经过多年时效及腐蚀后钢板的应力场强度因子(如K_IC)与J积分，与标准板材进行比较，以确定其发生裂纹扩散与断裂的可能性，在应力折减系数K中综合考虑。