人字門背拉桿應力測試方法

蒲紅家，張國棟，李國棟

（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)造為交叉式預應力背拉桿人字門結(jié)構(gòu)。

通導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)計規(guī)范》，為了克服門葉啟閉時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位等不利工況，需要通過對人字門背拉桿進行預應力張拉處理，以增加人字門體的整體結(jié)構(gòu)抗扭性能[1]。

閘門背拉桿預應力測試現(xiàn)場的環(huán)境溫度約為5℃，空氣濕度約為80%。

2 背拉桿預應力測試方案及實施方法

2.1 設(shè)計要求

根據(jù)設(shè)計要求，通過閘門背拉桿張拉預應力調(diào)整，閘門體結(jié)構(gòu)應達到如下最終要求：

1） 人字門門體斜接柱鉛垂誤差±2mm；

2）背拉桿預應力張拉施工中，主桿應力應達到 70～80MPa；副桿應力應達到 30～40MPa[2]。

測試方法及現(xiàn)場操作均遵循以下國家及行業(yè)標準：JTJ 308—2003《船閘閘閥門設(shè)計規(guī)范》、DL/T 835—2003《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程》、GB/T 13992—1992《電阻應變計》、GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》。

2.2 預應力測試方法及實施情況

2.2.1 應變片電測法及實施情況

在試驗荷載作用下對測試截面的應變進行觀測，主要在測試截面上布置應變測點，以靜態(tài)應變儀觀測截面的應變。

基于美國NI LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺，采用以YDB-3動靜態(tài)應變儀為應變調(diào)理裝置的儀器系統(tǒng)，對下閘門體背拉桿張拉過程進行了現(xiàn)場測量。

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

1） 由于測試現(xiàn)場同時進行電焊、混凝土澆灌、設(shè)備吊裝等施工，這些耗電性工作對于現(xiàn)場測量儀器的供電系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的電壓沖擊，導致測量儀器供電電壓不穩(wěn)定，其中因電焊機電源直接采用現(xiàn)場壩體金屬網(wǎng)架進行地線連接對儀器供電地線的“零電位”干擾影響最大。

2）閘門體背拉桿張拉調(diào)試工作耗時較長，需要進行多天連續(xù)監(jiān)測。其間，由于停機斷電等原因都會使“零位法”電測工作難以實現(xiàn)張拉過程應力監(jiān)測工作的連續(xù)性。

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

由于測量現(xiàn)場無法保證應變測試工作所需電源條件，經(jīng)與設(shè)計單位、測試單位反復認真分析，并經(jīng)現(xiàn)場測量試驗驗證，決定對原應變片電測法進行合理變更，形成了以材料力學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方法》為技術(shù)基礎(chǔ)的閘門體背拉桿張拉預應力“百分表應變直接測量法”。

2.2.2 百分表應變直接測量法及測試工作

1） 測試原理

參考GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》中的技術(shù)規(guī)定，“百分表應變直接測量法”的基本原理（見圖1）為：在待測背拉桿體上焊接長度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，利用材料力學虎克定律計算得到背拉桿的結(jié)構(gòu)應力[3]。

2） 測試過程

閘門背拉桿張拉調(diào)整過程中，對閘門體主、副背拉桿進行應力監(jiān)測。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力測試的0值，背拉桿實測軸線應盡量接近直線。

圖1 “百分表應變直接測量法”測試裝置示意圖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。做好每根背拉桿應力測試的準備工作。

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)桿的百分表為應力監(jiān)測基準，安排4位讀表人員同時對主、副拉桿的百分表進行目測讀數(shù)。

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

⑤反復以上調(diào)整，以達到最終設(shè)計要求。

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

3） 測試結(jié)果

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

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果可以得出以下結(jié)論，上、下閘門體背拉主、副桿平均張拉預應力均符合設(shè)計規(guī)定。

圖3 單扇閘門應力測試裝置布置圖Fig.3 Stress testdevice layoutof single leafgate

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

表2 張拉預應力與設(shè)計值比較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應力張拉過程所采用的“百分表應變直接測量法”，與應變片電測法相比具有測量操作簡單易行，結(jié)果直觀，測量裝置成本低廉，不受供電電源及施工環(huán)境影響，便于工程推廣等特點。此外，由于“百分表應變直接測量法”采用約1 m長度范圍結(jié)構(gòu)總變形量計算結(jié)構(gòu)應變（應力），因而測量數(shù)據(jù)更為可靠。

[1]JTJ308—2003，船閘閘閥門設(shè)計規(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[M].2版.北京：清華大學出版社，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方法[S].GB/T 228—2002,Metallic materials:Tensile testing at ambient temperature[S].