11.4 闸门耐久性评估
闸门的止水装置、行走支承装置以及启闭机装置等部分在运行中较容易磨损和老化，同时也较易维修或更换。因此，评估闸门的耐久性主要评估闸门门体的钢结构部分(亦可以包括闸门的全部内容)。
闸门的耐久性是指闸门的耐久年限。耐久年限是指闸门从建成到失去使用功能所经历的预期(设计)时间。闸门的使用年限是指闸门的实际使用时间。闸门的剩余年限是指闸门使用一段时间后，经检测、鉴定，容许继续使用的时间。所以，闸门的使用年限为已经使用的年限和剩余年限之和。如闸门经安全性检测、鉴定为第Ⅳ级后，认为该闸门属于危险性闸门，不能继续使用，则其剩余年限为零，其使用年限也就没有了。
显然，由于环境因素、管理水平、维护能力和使用频率等影响。闸门的使用年限与耐久年限不会完全相同。有的闸门的环境条件较好、管理水平高、使用频率较低，且经常维修护理，其使用年限比耐久年限长;反之，其使用年限比耐久年限短。
对闸门作耐久性评估和鉴定有两种作用:一是推断闸门可继续使用的年限;二是对闸门的管理、维护、改造、加固或更换新闸门等提供参考依据。
11.4.1 闸门耐久性系数Kn
闸门耐久性评估与一般建筑结构一样，可用一个称为“闸门耐久性系数Kn”来表示。假设闸门的估算剩余年限为yr，已使用年限为y0，预期耐久年限为y，而在正常使用与维护条件下，继续使用年限为ym，则
根据Kn值来评估闸门耐久性等级。如表11-5所示。
表11-5 闸门耐久性等级评估
注:当Kn＜1.0时，应对闸门进行安全性验算。
11.4.2 闸门耐久性评估
闸门耐久性评估主要是门体的钢结构部分，门体的止水装置虽然易于维修或更换，但它亦存在耐久性问题。在此，首先介绍闸门止水装置中的止水元件的耐久性评估，然后介绍门体的钢结构部分的耐久性评估。
11.4.2.1 止水元件的耐久性评估
闸门止水装置中最易磨损、老化的是止水元件。由于止水元件的材料大多采用橡胶类材料，这种材料具有体积不可压缩、易变形、粘弹性能、蠕变和应力松弛，表现为物理松弛、化学松弛及压缩时效变形等特点，同时，还会受环境温度、环境流体和工作环境等影响，这一切都可能影响到止水元件的耐久性。因此，对止水元件耐久性的定量预测显得非常重要。
对止水元件耐久性的预测方法包含所有影响止水元件功能的各个方面。首先要明确限定止水元件的功能以得出判断止水元件破坏的标准，确定了判断破坏标准后，才可以分析材料的性能变化导致止水元件破坏的程度。在此基础上，就可以定量定义止水元件的耐久性。
对于采用橡胶类止水材料的止水元件，一般有如下破坏标准:
(1)止水材料刚度的降低不满足设计极限值。
(2)止水材料的时效硬化超出了容许值。
(3)止水材料过度容胀引起弱化。
(4)止水材料产生了表面裂纹。
(5)止水材料的应力松弛导致止水元件密封力损失。
(6)止水元件渗漏和渗透过量气体积聚。
(7)止水元件工作中的动态裂纹扩展到不合格限度。
(8)止水材料与刚性压板的结合面强度低于设计极限值。
(9)化学侵蚀引起的止水元件降解。
止水材料出现裂纹且随时间增长是引起材料性能变化最显著的因素，时效硬化、材料在液体中溶胀或液体的渗透也属于其中之一。虽然国外大量文献表明断裂力学分析是预测橡胶类材料裂纹增长速率的有效方法，但是材料的其他变化(如氧化老化增硬)也可能影响裂纹增长速率。或者，材料也可能只发生硬化而不出现裂纹增长，这些因素的交错为准确预测止水元件的寿命带来难度。因此，不管哪种破坏机理，必须确定每一个过程，并对其速率进行单独描述。只有这样才能考虑到不同破坏机理间的相互作用，在科学的基础上预测止水元件的使用寿命。具体预测方法流程图如图11-4所示。
11.4.2.2 闸门门体钢结构部分的耐久性评估
闸门门体钢结构耐久性破坏主要指钢结构的保护膜、母材、焊缝、螺栓、铆钉等随闸门运行时间较长，由于其受到上游水压、水中杂物撞击、水面波浪冲击、空气与水的化学腐蚀、疲劳损伤(动水荷载作用下的振动断裂、裂缝开展与连接疲劳等)、应力腐蚀、积累变形、失稳等而造成的累积损伤。与止水元件破坏机理相同，闸门钢结构部分的耐久性破坏机理与理论也有很多种。如钢结构的保护膜破坏耐久性理论、大气与水的化学腐蚀母材断面损伤耐久性理论、大气、水与应力联合作用下承载能力耐久性理论、疲劳累积损伤耐久性理论、按常见钢结构耐久性破坏规律判断理论，等等。不管哪种破坏理论，都必须根据其每一过程，对其耐久性破坏的速率进行单独的描述和推算，进行综合分析，从而得到闸门门体钢结构的剩余使用年限。
图11-4 止水元件寿命预测方法流程图
下面我们列举两种钢结构耐久性破坏理论的推算方法与公式。
1.保护膜破坏与母材截面耐久性损伤理论
当门体结构的主要构件的保护膜破坏，母材截面耐久性损伤超过10%，即使进行一般性维修或局部更换，也不能使其达到可靠性鉴定评级中的B级，此种状态的年限称为该结构耐久性的自然腐蚀剩余年限yr1，可按下式推算:
式中:yr1——门体钢结构耐久性的自然腐蚀剩余年限;
y0——门体钢结构已使用年限;
t0——门体钢结构构件原钢材厚度;
tr——门体钢结构构件腐蚀后钢材的剩余厚度;
αs——钢结构腐蚀系数，如表11-6所示。
表11-6 钢结构腐蚀系数αs
2.主应力影响耐久性理论
在上面条件下，当门体结构中的主要构件的主应力较大时，应按下式推算该结构耐久性自然腐蚀剩余年限yr2:
式中:σ0——门体钢结构主要构件在正常荷载下的最大主应力;
fy——门体结构主要构件钢材的屈服强度;
m——考虑钢结构应力影响下耐久性腐蚀的截面形状和受力系数，如表11-7所示。
表11-7 钢结构应力影响下截面形状和受力系数m
综上所述，水工钢闸门可靠度等级评定、耐久性评估不但重要与必要，而且也是可能的。此前，水利水电工程系统虽然没有对钢闸门的可靠度及耐久性进行过系统的、全面的评估与鉴定，但是，在钢闸门的安全检测与复核中已经为闸门的可靠度鉴定与耐久性评估提供了必要的资料、信息与数据。例如:
(1)在闸门外观形态检查中，已完成“水利水电工程闸门及启闭机设备管理等级评定”的调查，如表11-8所示。
(2)对闸门钢结构母材的强度与刚度的测试与分析，得到其容许应力［σ］、［τ］、折算系数η及折算应力［σzh］、挠度最小容许值［f］等。
(3)闸门腐蚀状况检测包括:①闸门外观腐蚀状况检查;②闸门腐蚀量测量，如表11-9所示。
(4)闸门钢结构母材硬度检测，如表11-10所示。
(5)焊缝无损探伤——超声波探伤。如表11-11所示。
(6)闸门结构的静力计算——强度、刚度及稳定性验算。
(7)闸门结构的静力测试。
(8)闸门结构的动力计算——计算闸门结构的动态特性(振动周期与固有频率、阻尼)和结构的动力响应。
(9)闸门结构的动力测试——测试闸门动态特性及动力响应。
(10)启闭机结构系统的外观检测、启闭力检测与验算。
由此可见，若水利水电工程单位需要，就可以对所检测与计算分析的资料、信息及数据进行整理、分析，提供给有关方面，进行闸门可靠度分析与鉴定，对闸门耐久性进行评估，对闸门维修、加固或更换新闸门提供科学依据。
在此，我们建议水利水电工程系统大力提倡对运行多年、老旧的水工钢闸门结构的可靠度进行鉴定，对闸门结构的耐久性进行评估。
表11-8 水利水电工程闸门与启闭机设备管理等级评定表
续表
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表11-9 左溢洪道1#弧门腐蚀量测量表 单位:mm
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表11-10 左溢洪道1#弧形门硬度检测结果表
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表11-11 超声波探伤报告
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