大型箱型結(jié)構(gòu)水工鋼閘門檢測和安全鑒定技術(shù)路線

陳 偉

（南京市三汊河河口閘管理處，江蘇南京 210036）

水工鋼閘門為水工建筑物的主要擋水結(jié)構(gòu)，分為露頂門和潛孔門。水閘建成投入使用后閘門結(jié)構(gòu)多處于潮濕或干濕交替的環(huán)境中，惡劣的周邊環(huán)境對材料尺寸和材性的侵蝕較為嚴(yán)重，所以，應(yīng)該按照規(guī)范要求，在投入運行相應(yīng)時間內(nèi)對水工鋼閘門進(jìn)行安全鑒定，以掌握閘門存在的問題，評估閘門是否能安全運行，避免閘門失事等嚴(yán)重后果，保障水工建筑物的安全和工程綜合效益的發(fā)揮。

1 工程概況

三汊河河口閘是南京市外秦淮河環(huán)境整治工程的重要組成部分，其主要功能是非汛期關(guān)閘蓄水，抬高外秦淮河水位，汛期開閘行洪。水閘設(shè)置2扇露頂式圓拱型鋼閘門（又稱護(hù)鏡門），每孔尺寸40.0m×6.5m，底檻高程為1.0m，閘門設(shè)計水頭4.23m，閘門高度在4.50m～5.65m范圍內(nèi)可調(diào)整。閘門拱軸線半徑為22.0m，沿門高設(shè)2根主梁構(gòu)成箱型梁，箱型梁為密閉的空箱；閘門兩側(cè)的拱腳通過鉸鏈連接后支承在邊墩和中墩上，閘門以鉸軸為圓心上下轉(zhuǎn)動。每扇大閘門上主梁以上、主梁翼緣以及護(hù)鏡門面板之間形成的空腔內(nèi)設(shè)6扇活動小門，活動小門亦為圓拱箱型結(jié)構(gòu)，可在閘室內(nèi)上下升降以調(diào)節(jié)內(nèi)河水位。護(hù)鏡門啟閉設(shè)備為2臺額定容量2×1500 kN盤香式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)布置在圓拱形排架頂部的機(jī)房內(nèi)。

三汊河河口閘工程于2004年8月5日開工建設(shè)，2006年5月21日竣工驗收。根據(jù)《江蘇省水閘安全鑒定管理辦法》（蘇水管〔2008〕98號）第三條“水閘工程實行定期安全鑒定制度。首次安全鑒定應(yīng)在工程竣工驗收后5年內(nèi)進(jìn)行，以后每隔10年進(jìn)行一次全面安全鑒定”的要求，管理單位于2010年10月開始對水閘進(jìn)行了首次全面的安全鑒定工作，其中包括對鋼閘門的安全檢查與復(fù)核計算。

2 檢測工藝

2.1 檢測方案

水工鋼閘門的檢測依據(jù)《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程》SL101-94、《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標(biāo)準(zhǔn)》SL226-1998、《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范》DLT 5018-94。檢測內(nèi)容一般包括：銹蝕檢測，如涂層厚度、蝕余厚度、蝕坑深度；外形與變形檢測，如外形尺寸、損傷變形、磨損、撓度等；巡視檢查與外觀檢查，如金屬結(jié)構(gòu)狀況以及運行的保證強(qiáng)度，變形、破損、銹蝕等［1］。考慮到該箱型結(jié)構(gòu)鋼閘門外觀尺寸較大，結(jié)構(gòu)本身特別是梁與面板、梁與梁之間，閘門吊耳部位焊縫較多，盡管水工金屬結(jié)構(gòu)在制造安裝時對焊縫已進(jìn)行過較為嚴(yán)格的探傷，但經(jīng)長期運行后，在荷載作用下，焊縫有可能產(chǎn)生新的缺陷，原先經(jīng)檢查在容許范圍內(nèi)的缺陷亦有可能擴(kuò)展，影響結(jié)構(gòu)的安全運行。故在閘門外觀檢測、閘門銹蝕量檢測的基礎(chǔ)上增加閘門焊縫超聲波探傷檢測。

（1）外觀檢查以目測為主，配合使用量測工具，對閘門的外觀形態(tài)和銹蝕狀況進(jìn)行檢查。

（2）銹蝕量檢測采用數(shù)字超聲波測厚儀、改制的游標(biāo)卡尺、測針和涂層厚度測定儀等量測儀器和工具進(jìn)行，對閘門主要構(gòu)件的銹蝕量進(jìn)行檢測，以判斷閘門各構(gòu)件的銹蝕程度，確定構(gòu)件的蝕余厚度，為結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算提供必要的數(shù)據(jù)。

（3）超聲波探傷是利用材料本身或內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播的影響，非破壞性地探測內(nèi)部缺陷的大小、形狀和分布情況。根據(jù)閘門受力狀況和焊縫類別，選定閘門面板、主梁以及吊耳梁為探傷構(gòu)件。本項目超聲波探傷采用EPOCHⅢ2300型探傷儀進(jìn)行，距離—波幅曲線利用CSK-ⅢA試塊實測，焊縫探傷比例為：一類焊縫約50%；二類焊縫約40%。

2.2 檢測分析

（1）閘門外觀檢測。經(jīng)檢測，閘門外觀形態(tài)完好，表面涂層基本完整，門體無明顯損傷和變形；閘門吊點聯(lián)接牢靠，零部件齊全；閘門支鉸轉(zhuǎn)動靈活，無異常響聲，支鉸雖長期浸泡于水中，但表面涂層完整，基本無銹蝕；閘門止水裝置完好，基本不漏水。

（2）閘門銹蝕量檢測。閘門銹蝕量檢測結(jié)果見表1和圖1。由表1、圖1可知：1#護(hù)鏡門銹蝕量頻數(shù)主要分布在0.2～1.1mm之間，其頻數(shù)分布為92.9%，銹蝕量頻數(shù)峰值位于0.6～0.9 mm區(qū)間，表明閘門整體輕微銹蝕。1#護(hù)鏡門主要構(gòu)件平均銹蝕量為0.63 mm～0.68 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.20 mm～0.36mm，表明閘門各構(gòu)件的銹蝕程度基本相似，且銹蝕較輕。

2.3 閘門焊縫超聲波探傷

共探測焊縫251條，探傷結(jié)果表明：1#閘門底梁腹板對接焊縫和2#閘門頂梁腹板對接焊縫各存在1處制造缺陷（未焊透），閘門面板對接焊縫共檢測出有14處存在制造缺陷（未焊透）；1#、2#閘門吊耳梁腹板與面板T形連接焊縫、吊耳梁翼緣板與面板T形連接焊縫局部存在未焊透缺陷。以上缺陷均未超過規(guī)范規(guī)定要求，其余所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在，兩扇閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

3 閘門有限元分析

護(hù)鏡門為空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，由一系列板、殼、梁等構(gòu)件組合而成。正常工作時，閘門所承受荷載是通過各構(gòu)件的相互傳遞來共同承擔(dān)，主橫梁、小橫梁、縱梁、面板、吊耳梁等將發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、軸向拉壓等組合變形，因此，計算模型的選擇必須考慮到各構(gòu)件的幾何性質(zhì)、變形特征和受力方式以及相互作用關(guān)系等，以正確反映出閘門的整體作用以及各構(gòu)件的實際工作狀態(tài)。

3.1 閘門有限元模型［2］

根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點，將護(hù)鏡門主橫梁、小橫梁、縱梁、方立柱、面板、吊耳梁等構(gòu)件離散為板單元，據(jù)此所建立的閘門有限元計算模型如圖2，計算模型的節(jié)點總數(shù)為39892個，單元總數(shù)為33717個。構(gòu)件的外形尺寸按設(shè)計圖紙取用，構(gòu)件的截面厚度采用現(xiàn)場實測蝕余厚度獲得。

閘門的結(jié)構(gòu)材料為Q235B鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，容重 γ=7.85 kN/m3。

計算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力、風(fēng)浪壓力、閘門自重、活動小門液壓啟閉設(shè)備重量等。根據(jù)閘門的運行條件，確定閘門計算工況為：閘門秦淮河側(cè)水位6.0m，長江側(cè)水位1.5m，閘門作用水頭4.5m。閘門在支鉸處受三個方向位移約束及繞y、z軸的轉(zhuǎn)動約束，門底受鉛直方向位移約束。其中，坐標(biāo)系定義為：x軸垂直于水流方向，y軸沿水流方向，z軸沿豎直方向。

表1 1#護(hù)鏡門銹蝕量頻數(shù)分布

圖1 1#護(hù)鏡門銹蝕量頻數(shù)分布直方圖

圖2 閘門結(jié)構(gòu)空間有限元計算模型

3.2 閘門復(fù)核計算結(jié)果

利用大型有限元計算軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，面板的折算應(yīng)力，上主梁的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、剪應(yīng)力、折算應(yīng)力如圖3～圖8，其他部位應(yīng)力圖略。計算結(jié)果表明：

（1）面板最大折算應(yīng)力為149MPa，出現(xiàn)在上游測面板與邊梁連接區(qū)域。面板最大折算應(yīng)力小于容許值（210.7 MPa）。

（2）上、中、下主橫梁徑向應(yīng)力最大值分別為-58.4 MPa、-36.2 MPa、-102.0 MPa，均出現(xiàn)在主橫梁與縱梁連接區(qū)域。切向應(yīng)力最大值分別為-62.9 MPa、-95.4MPa、-84.5MPa，均出現(xiàn)在主橫梁與縱梁（或邊梁）連接區(qū)域。最大剪應(yīng)力分別為34.8 MPa、35.3 MPa、45.1 MPa，均出現(xiàn)在主橫梁與邊梁連接區(qū)域。最大折算應(yīng)力分別為 63.5 MPa、88.1 MPa、109.0 MPa，均出現(xiàn)在主橫梁與縱梁（或邊梁）連接區(qū)域。各項應(yīng)力均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力。

（3）其他構(gòu)件，如縱梁（含方立柱）、邊梁、小橫梁、支鉸加勁板處最大折算應(yīng)力、剪應(yīng)力均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力。

（4）上、中、下主橫梁的最大撓度計算值分別為5.5mm、6.3mm、6.8mm，

圖3 上游側(cè)面板折算應(yīng)力（單位：MPa）

圖4 下游側(cè)面板折算應(yīng)力（單位：MPa）

圖5 上主橫梁徑向應(yīng)力（單位：MPa）

圖6 上主橫梁切向應(yīng)力（單位：MPa）

圖7 上主橫梁剪應(yīng)力（單位：MPa）

圖8 上主橫梁折算應(yīng)力（單位：MPa）

4 結(jié)論

（1）通過外觀檢測、銹蝕檢測與焊縫探傷可以比較全面地對本結(jié)構(gòu)形式閘門進(jìn)行安全檢測，檢測結(jié)果表明，閘門制造質(zhì)量較好，運行維護(hù)與保養(yǎng)工作到位。

（2）此類鋼閘門在檢測過程中應(yīng)注重采用先進(jìn)的儀器，以取得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；在焊縫探傷中，由于焊縫多，事先要對焊縫進(jìn)行分類編號，確保探傷過程有序進(jìn)行，不至疏漏。

（3）利用數(shù)理統(tǒng)計的方法對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以蝕余厚度推定值為參數(shù)建立閘門結(jié)構(gòu)三維有限元模型并計算，可以真實全面地反應(yīng)各構(gòu)件在荷載作用下的應(yīng)力分布和變形。

（4）復(fù)核計算結(jié)果表明，三汊河