蒲紅家，張國(guó)棟，李國(guó)棟

（1.中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001；2.中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

1 概述

重慶草街船閘工作閘門為人字形雙開門鋼閘門，上、下閘首各一道。上閘首閘門高30.5 m，下閘首閘門高30.9 m，單扇門葉寬均為13.8 m。閘門構(gòu)造為交叉式預(yù)應(yīng)力背拉桿人字門結(jié)構(gòu)。

通導(dǎo)航船閘人字閘門在水壓力、自重等荷載作用下，較易發(fā)生扭曲變形，在人字閘門體后設(shè)置交叉式背拉桿是增加閘門抗扭性能的措施之一。依據(jù)JTJ 308—2003《船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范》，為了克服門葉啟閉時(shí)門前壅水所引起的巨大扭矩和門葉自身重心與剪切力中心錯(cuò)位等不利工況，需要通過對(duì)人字門背拉桿進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉處理，以增加人字門體的整體結(jié)構(gòu)抗扭性能[1]。

閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度約為5℃，空氣濕度約為80%。

2 背拉桿預(yù)應(yīng)力測(cè)試方案及實(shí)施方法

2.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過閘門背拉桿張拉預(yù)應(yīng)力調(diào)整，閘門體結(jié)構(gòu)應(yīng)達(dá)到如下最終要求：

1） 人字門門體斜接柱鉛垂誤差±2mm；

2）背拉桿預(yù)應(yīng)力張拉施工中，主桿應(yīng)力應(yīng)達(dá)到 70～80MPa；副桿應(yīng)力應(yīng)達(dá)到 30～40MPa[2]。

測(cè)試方法及現(xiàn)場(chǎng)操作均遵循以下國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：JTJ 308—2003《船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL/T 835—2003《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》、GB/T 13992—1992《電阻應(yīng)變計(jì)》、GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》。

2.2 預(yù)應(yīng)力測(cè)試方法及實(shí)施情況

2.2.1 應(yīng)變片電測(cè)法及實(shí)施情況

在試驗(yàn)荷載作用下對(duì)測(cè)試截面的應(yīng)變進(jìn)行觀測(cè)，主要在測(cè)試截面上布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，以靜態(tài)應(yīng)變儀觀測(cè)截面的應(yīng)變。

基于美國(guó)NI LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，采用以YDB-3動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀為應(yīng)變調(diào)理裝置的儀器系統(tǒng)，對(duì)下閘門體背拉桿張拉過程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

2010年1月13日—14日期間，在應(yīng)變片電測(cè)法預(yù)試性測(cè)量中發(fā)現(xiàn)存在下列技術(shù)問題：

1） 由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行電焊、混凝土澆灌、設(shè)備吊裝等施工，這些耗電性工作對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器的供電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的電壓沖擊，導(dǎo)致測(cè)量?jī)x器供電電壓不穩(wěn)定，其中因電焊機(jī)電源直接采用現(xiàn)場(chǎng)壩體金屬網(wǎng)架進(jìn)行地線連接對(duì)儀器供電地線的“零電位”干擾影響最大。

2）閘門體背拉桿張拉調(diào)試工作耗時(shí)較長(zhǎng)，需要進(jìn)行多天連續(xù)監(jiān)測(cè)。其間，由于停機(jī)斷電等原因都會(huì)使“零位法”電測(cè)工作難以實(shí)現(xiàn)張拉過程應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作的連續(xù)性。

3）由于電測(cè)法應(yīng)變片主測(cè)方向的應(yīng)變敏感柵長(zhǎng)度約為5 mm，在80 MPa應(yīng)力作用下，材料為Q345B16Mn背拉桿結(jié)構(gòu)5 mm應(yīng)變片長(zhǎng)度的變形量?jī)H有0.002 mm。在應(yīng)變測(cè)量中，粘貼應(yīng)變片主測(cè)軸線難以與背拉桿軸線精確共線以及應(yīng)變片與儀器連接電纜附加電阻、寄生電容等因素均會(huì)不同程度地影響測(cè)量應(yīng)力數(shù)值。

由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)無法保證應(yīng)變測(cè)試工作所需電源條件，經(jīng)與設(shè)計(jì)單位、測(cè)試單位反復(fù)認(rèn)真分析，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證，決定對(duì)原應(yīng)變片電測(cè)法進(jìn)行合理變更，形成了以材料力學(xué)虎克定律為理論基礎(chǔ)，以GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》為技術(shù)基礎(chǔ)的閘門體背拉桿張拉預(yù)應(yīng)力“百分表應(yīng)變直接測(cè)量法”。

2.2.2 百分表應(yīng)變直接測(cè)量法及測(cè)試工作

1） 測(cè)試原理

參考GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》中的技術(shù)規(guī)定，“百分表應(yīng)變直接測(cè)量法”的基本原理（見圖1）為：在待測(cè)背拉桿體上焊接長(zhǎng)度L約1 m的剛性桿并與磁力座固定的百分表頭形成結(jié)構(gòu)變形直接測(cè)量環(huán)路，張拉過程中通過讀取百分表的變形量，利用材料力學(xué)虎克定律計(jì)算得到背拉桿的結(jié)構(gòu)應(yīng)力[3]。

2） 測(cè)試過程

閘門背拉桿張拉調(diào)整過程中，對(duì)閘門體主、副背拉桿進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。調(diào)整步驟為：

①在背拉桿螺母初步旋緊，無明顯自重變形的情況下作為應(yīng)力測(cè)試的0值，背拉桿實(shí)測(cè)軸線應(yīng)盡量接近直線。

圖1 “百分表應(yīng)變直接測(cè)量法”測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Test device of directdialgauge strain gauging measurementmethod

②在調(diào)節(jié)螺母兩側(cè)的拉桿上加設(shè)槽形擋板，防止調(diào)節(jié)螺母時(shí)背拉桿扭轉(zhuǎn)，但背拉桿可自由在軸向變形，如圖2。做好每根背拉桿應(yīng)力測(cè)試的準(zhǔn)備工作。

圖2 背拉桿槽形擋板示意圖Fig.2 The trough type baffle of tie-back bar

③采用8只百分表同時(shí)設(shè)置于閘門上下框8根主、副桿件分段內(nèi)，以主調(diào)桿的百分表為應(yīng)力監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)，安排4位讀表人員同時(shí)對(duì)主、副拉桿的百分表進(jìn)行目測(cè)讀數(shù)。

④采用鏈鉗扳手收緊上、下層主桿調(diào)節(jié)螺母，使應(yīng)力增加10～15 MPa左右，根據(jù)應(yīng)力測(cè)試情況和斜接柱的垂直度，決定每根主桿的收緊量，使各桿應(yīng)力盡量接近；同時(shí)收緊上、下層副桿調(diào)節(jié)螺母結(jié)構(gòu)，使應(yīng)力增加10～15 MPa左右，在記錄桿應(yīng)力的同時(shí)記錄斜接柱的垂直度并記錄主桿的應(yīng)力增值。

⑤反復(fù)以上調(diào)整，以達(dá)到最終設(shè)計(jì)要求。

采用“百分表應(yīng)變直接測(cè)量法”對(duì)重慶草街船閘閘門體進(jìn)行背拉桿預(yù)應(yīng)力張拉的測(cè)試中，測(cè)試人員在測(cè)試閘門體每根主、副桿上都布置有1套百分表應(yīng)變測(cè)試裝置，左、右每單扇閘門共布置8套測(cè)試裝置（見圖3），同時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄張拉調(diào)試過程中各桿應(yīng)力的變化。

3） 測(cè)試結(jié)果

閘門體背拉桿張拉過程預(yù)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表1、表2所示，僅以下閘門（左門）背拉桿調(diào)試過程應(yīng)力記錄為例，其他門體記錄相似。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可以得出以下結(jié)論，上、下閘門體背拉主、副桿平均張拉預(yù)應(yīng)力均符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

圖3 單扇閘門應(yīng)力測(cè)試裝置布置圖Fig.3 Stress testdevice layoutof single leafgate

表1 下閘門背拉桿調(diào)試過程應(yīng)力記錄表Table 1 Stress record for tie-back bar debugging processof lowerm itre gate

表2 張拉預(yù)應(yīng)力與設(shè)計(jì)值比較Table2 Com pare the tensionalprestressw ith design value MPa

3 結(jié)語

重慶嘉陵江草街航電樞紐人字閘門門體背拉桿預(yù)應(yīng)力張拉過程所采用的“百分表應(yīng)變直接測(cè)量法”，與應(yīng)變片電測(cè)法相比具有測(cè)量操作簡(jiǎn)單易行，結(jié)果直觀，測(cè)量裝置成本低廉，不受供電電源及施工環(huán)境影響，便于工程推廣等特點(diǎn)。此外，由于“百分表應(yīng)變直接測(cè)量法”采用約1 m長(zhǎng)度范圍結(jié)構(gòu)總變形量計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)變（應(yīng)力），因而測(cè)量數(shù)據(jù)更為可靠。

[1]JTJ308—2003，船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].JTJ 308—2003,Code for design of lock gates and valves of shiplocks[S].

[2] 范欽珊，殷雅俊.材料力學(xué)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.FAN Qin-shan,YIN Ya-jun.Mechanics of materials[M].2 ed.Beijing:Tsinghua University Press,2008.

[3]GB/T 228—2002，金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法[S].GB/T 228—2002,Metallic materials:Tensile testing at ambient temperature[S].