（江蘇省水利機(jī)械制造有限公司 揚州 225003）

1 平面定輪閘門結(jié)構(gòu)的“應(yīng)力集中”現(xiàn)象

出現(xiàn)“應(yīng)力集中”現(xiàn)象，一方面是由于材料本身缺陷，另一方面則是由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造。有些構(gòu)造看似是一種“補(bǔ)強(qiáng)”，實際上卻是南轅北轍，削弱了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度尤其是疲勞強(qiáng)度。本文就結(jié)合某閘閘門結(jié)構(gòu)，梳理出幾種較為常見的“逆向補(bǔ)強(qiáng)”結(jié)構(gòu)。

2 平面定輪鋼閘門常見的“逆向補(bǔ)強(qiáng)”結(jié)構(gòu)

2.1 蓋板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方面，最受詬病的是通過蓋板“補(bǔ)強(qiáng)”的結(jié)構(gòu)。

閘門結(jié)構(gòu)中為了承受門葉結(jié)構(gòu)的自重及其他可能產(chǎn)生的豎向載荷，同時為了防止閘門結(jié)構(gòu)的扭曲變形，提高整個門葉結(jié)構(gòu)在空間的剛度，因此會配合閘門的橫向聯(lián)結(jié)系在閘門梁格面布置縱向聯(lián)結(jié)系。為了連接這些縱向聯(lián)結(jié)系通常會在閘門主梁翼緣上布置蓋板式節(jié)點板。目前，江蘇省水利行業(yè)多半閘門依舊采用這種節(jié)點板形式，其焊縫接頭形式為單面搭接接頭。

圖1 搭接角焊縫的正應(yīng)力分布圖

焊縫接頭形式主要分為對接焊縫、T型對接焊縫、角接焊縫、搭接焊縫。四種接頭形式中，對接焊縫由于焊縫至母材的形狀改變不大，載荷傳遞較平穩(wěn)，應(yīng)力集中系數(shù)低，因而疲勞強(qiáng)度高；T型接頭由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，應(yīng)力集中系數(shù)比對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，其疲勞極限遠(yuǎn)低于對接接頭；搭接接頭則是疲勞極限最低的接頭形式，特別是在原來對接接頭的基礎(chǔ)上，增加蓋板來進(jìn)行“加強(qiáng)”，其結(jié)果適得其反，這種蓋板非但沒有起到“加強(qiáng)”作用，反而使原來疲勞極限較高的對接接頭被大大地削弱。

為了直觀地表示這種“應(yīng)力集中”現(xiàn)象，我們通過搭接角焊縫的正應(yīng)力分布圖來分析。如圖1所示，因為蓋板的存在，導(dǎo)致主梁翼緣表面結(jié)點B右側(cè)位置剛度變大，B點左側(cè)剛度不變或者變化較小，因此在結(jié)點B位置有了一個剛度的變化，導(dǎo)致結(jié)點B的連續(xù)性被破壞，結(jié)點B的應(yīng)變變大，由式σ=ξ·E，應(yīng)變ξ變大將直接導(dǎo)致應(yīng)力σ變大；如果需要定量應(yīng)變ξ，則需要進(jìn)一步引入應(yīng)力集中系數(shù)等概念，這里不再探究。式中：σ—應(yīng)力；ξ—應(yīng)變；E—楊氏模量。

除了“應(yīng)力集中”現(xiàn)象外，由于水工金屬所處的環(huán)境為水環(huán)境，其常用材質(zhì)普通低碳鋼或者低合金鋼中Fe與C遇介質(zhì)水（含有電離子）形成原電池反應(yīng)極易被腐蝕，因此在結(jié)構(gòu)中特別強(qiáng)調(diào)了焊縫連接的“連續(xù)性”與“封閉性”。為了防止銹蝕，蓋板與主梁翼緣通常采用連續(xù)焊（如圖2、圖3為蓋板焊接的正確做法），造成焊縫形成了一個封閉環(huán)，導(dǎo)致應(yīng)力無法釋放，這種應(yīng)力將作為拉應(yīng)力殘留在結(jié)構(gòu)中。在閘門工作狀態(tài)下，這種殘余應(yīng)力將與工作應(yīng)力同號疊加，其數(shù)值可能超過材料屈服強(qiáng)度，在經(jīng)過一定次數(shù)的塑性損傷累積后，結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生疲勞破壞。另外，此處因為轉(zhuǎn)角以及殘余應(yīng)力形成同號雙向應(yīng)力，即同號平面應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的“第四強(qiáng)度理論”，同號平面應(yīng)力狀態(tài)處的鋼材材質(zhì)強(qiáng)度有所提高，但同時其材質(zhì)也轉(zhuǎn)向硬化及變脆，導(dǎo)致其對動載荷尤其是沖擊載荷過敏，易發(fā)生脆性破壞。

圖2 搭接面上角焊縫避免接觸圖

圖3 蓋板與主梁翼緣的封閉連續(xù)焊縫圖

采用了此蓋板節(jié)點板結(jié)構(gòu)的葛洲壩永久船閘閘門同樣的位置處（高應(yīng)力區(qū)）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了低周疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展現(xiàn)象。后來的三峽五級永久船閘吸取了葛洲壩永久船閘的經(jīng)驗，對節(jié)點板進(jìn)行了兩次改良，改良方法將在文末進(jìn)行介紹。

2.2 主滾輪軸孔浮動板結(jié)構(gòu)

另一種詬病的結(jié)構(gòu)應(yīng)該就是所謂的“浮動板”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中增加主滾輪軸孔勁板的本意是降低孔口擠壓應(yīng)力的數(shù)值，同時削弱圓形軸孔孔邊的應(yīng)力集中。但是，有的廠家為了省事，隨意采用“浮動板”結(jié)構(gòu)。改用“浮動板”結(jié)構(gòu)，軸孔位置的受力狀態(tài)不僅發(fā)生了量的變化，而且發(fā)生了質(zhì)的變化。同樣為了清楚、直觀地表示這種受力狀態(tài)的變化，如圖4、圖5。圖4所示正常軸孔受力圖，滾輪軸所受剪力主要通過邊梁腹板進(jìn)行傳遞，另有一部分剪力通過軸孔筋板與其環(huán)焊縫進(jìn)行傳遞，圍焊縫傳遞應(yīng)力較小，“應(yīng)力集中”弱。反觀圖5所示浮動板結(jié)構(gòu)受力圖，其受力與圖1所示完全相同；滾輪軸所受剪力將全部通過軸孔筋板的圍焊縫來傳遞，圍焊縫傳遞應(yīng)力較大，“應(yīng)力集中”強(qiáng)；并且在軸孔筋板轉(zhuǎn)角位置同樣具有平面應(yīng)力狀態(tài)，萬一工作時再受到外部振動載荷，這幾種不利情況一旦疊加，在結(jié)構(gòu)的薄弱處將極易產(chǎn)生微裂紋。

因此，綜上所述，“浮動板”結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)盡量避免使用。

2.3 帶墊（座）板的吊座結(jié)構(gòu)

最后一種結(jié)構(gòu)設(shè)計的誤區(qū)就是一些帶墊（座）板的吊座結(jié)構(gòu)，如圖6所示。這種起吊受力同浮動板結(jié)構(gòu)一樣，座板若無塞焊縫，則所有載荷都將通過墊板的圍焊縫來傳遞。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，厚板應(yīng)盡量避免厚度方向受力，以防止層狀撕裂；若無法避免厚板厚度方向受力，應(yīng)當(dāng)采用具有Z向性能要求的鋼板。

加墊（座）板的吊座結(jié)構(gòu)與厚度方向受力的厚板結(jié)構(gòu)實則無二。墊（座）板與頂梁腹板的間隙就如同厚板熱軋過程中產(chǎn)生的非金屬層狀缺陷，等同于厚板中存在的層狀裂紋，易產(chǎn)生層狀撕裂。因此，結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量避免使用這種吊座。

3 補(bǔ)強(qiáng)誤區(qū)可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效形式及改良措施

3.1 采用蓋板節(jié)點板可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效形式以及改良措施

圖4 正常軸孔受力圖

圖5 浮動板結(jié)構(gòu)受力圖

圖6 軸孔筋板轉(zhuǎn)角位置的平面應(yīng)力狀態(tài)圖

采用了蓋板節(jié)點板的結(jié)構(gòu)，首先破壞了原來梁系結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，導(dǎo)致梁系局部區(qū)域剛性產(chǎn)生突變，使得原本無應(yīng)力集中的翼緣產(chǎn)生了應(yīng)力集中；其次，蓋板與主梁翼緣的焊接不僅引入了焊接殘余拉應(yīng)力，而且導(dǎo)致主梁翼緣材質(zhì)的變化，使得母材局部晶粒粗大，材料硬化嚴(yán)重，韌性降低。

平面閘門的門槽的存在導(dǎo)致流道截面的變化則會紊亂水體的流動，形成紊流；紊流是閘門結(jié)構(gòu)受到振動的一個重要來源；另外，平面鋼閘門小開度開啟，閘門底部過流，水流由急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鲗?dǎo)致的門后“水躍”拍打鋼閘門也會導(dǎo)致閘門的振動。

當(dāng)硬性材料與振動載荷以及較高的工作應(yīng)力相遇，主梁翼緣表面疲勞裂紋的產(chǎn)生就具備了條件；當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋長度時，主梁將發(fā)生瞬時斷裂，造成結(jié)構(gòu)失效。因為這種失效發(fā)生于結(jié)構(gòu)主體，且瞬時斷裂，事前毫無征兆；因此，失效一旦發(fā)生，將會造成重大損失。

針對上述問題，在三峽五級船閘的設(shè)計中，設(shè)計人員進(jìn)行了探索與改良，最終采用把節(jié)點板與縱梁翼緣做成一體并且通過將其倒圓的方式，解決了疲勞產(chǎn)生的問題。

3.2 采用軸孔浮動板結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效形式以及改良措施

該結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致邊梁腹板剪切失效并導(dǎo)致閘門滾輪等運轉(zhuǎn)件的失效。對結(jié)構(gòu)的損傷也不容忽視。

結(jié)構(gòu)上無需改良，只需要按照圖示4使得軸孔加筋板能夠真正起到加筋的作用而不是使其作為主結(jié)構(gòu)參與到主受力即可。

3.3 帶墊（座）板的吊座結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效形式以及改良措施

該結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致吊座與門體結(jié)構(gòu)脫離，使得閘門沿門槽自上而下跌落，導(dǎo)致頂梁局部位置受損；結(jié)構(gòu)其余部位損傷視閘門跌落情況而定。

改進(jìn)措施主要是去除該座板，將吊耳耳板直接熔透焊接在頂梁腹板上；同時，注意腹板增設(shè)筋板增強(qiáng)局部剛性，避免腹板受力翹曲變形。

4 意見與建議

雖然我國水利這一行業(yè)較其他行業(yè)歷史久遠(yuǎn)，但是水工金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)研發(fā)以及創(chuàng)新的力度卻遠(yuǎn)不如其他行業(yè)，比如鋼構(gòu)、船舶以及橋梁等。究其原因：一是水工金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命長，更新?lián)Q代頻次少，技術(shù)創(chuàng)新動力不足；二是水工結(jié)構(gòu)與其他行業(yè)如船舶行業(yè)、橋梁行業(yè)等交流甚少，沒有汲取其他行業(yè)的優(yōu)秀經(jīng)驗；三是設(shè)計人員一方面沒有實踐經(jīng)驗，另一方面對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的認(rèn)識還缺乏足夠的深度；四是設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)疲勞方面未作具體的要求，因此閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計中較多未關(guān)注于此。

有鑒于此，建議水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠多參考船舶、橋梁等行業(yè)優(yōu)秀的經(jīng)驗，淘汰一些本末倒置的做法；規(guī)范上能夠參照《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》，更加注重結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上的指導(dǎo)與修正，引導(dǎo)設(shè)計、施工人員對結(jié)構(gòu)有一個良性的認(rèn)識■