應(yīng)力測試在水電站弧形閘門原型觀測中的應(yīng)用

董運福 朱晨 徐要偉

摘 要：本文以國內(nèi)某一電站泄洪閘弧形工作閘門為對象，對其進行了原型觀測，研究了應(yīng)力測試在弧形工作閘門的結(jié)構(gòu)強度驗證和安全性評價中的應(yīng)用。根據(jù)該電站泄洪閘弧形工作閘門結(jié)構(gòu)特征以及基本參數(shù)，通過理論計算得出危險部位的應(yīng)力值;通過對該閘門金屬結(jié)構(gòu)的危險部位布置電阻應(yīng)變片，在該閘門全關(guān)擋水下采用電測法對金屬結(jié)構(gòu)危險部位進行應(yīng)力測試。通過對閘門金屬結(jié)構(gòu)的危險部位理論計算應(yīng)力值和應(yīng)力測試值進行對比可知，結(jié)果吻合性良好，說明應(yīng)力測試在對該工作閘門的結(jié)構(gòu)強度驗證和安全性評價中切實可行，能夠在其他類似閘門的原型觀測中廣泛應(yīng)用、推廣。

關(guān)鍵詞：弧形工作閘門;可靠性;原型觀測;應(yīng)力測試;結(jié)構(gòu)強度

中圖分類號：TV3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）17-0083-04

Abstract： Taking the radial working gate of a domestic power station as an object of study， the prototype observation of the radial working gate was carried out， and the application of stress test in structural strength verification and safety evaluation of the radial working gate was studied. According to the structural characteristics and basic parameters of the radial working gate of the spillway gate of the hydropower station， the stress values of the dangerous parts were calculated by theoretical calculation; through the arrangement of resistance strain gauges in the dangerous parts of the metal structure of the gate， the stress of the dangerous parts of the metal structure was tested by electrical measurement under the full-closed water of the gate. By comparing the calculated stress values and stress test values of the dangerous parts of the gate metal structure， the results were in good agreement， which showed that the stress test was feasible in the structural strength verification and safety evaluation of the working gate， and could be widely used and popularized in the prototype observation of other similar gates.

Keywords： radial working gate;reliability;prototype observation;stress test;structural strength

泄洪閘門是指用以宣泄洪水并調(diào)節(jié)控制水庫水位的工作閘門。其具有承受各種靜、動載荷的能力，能在動水中啟閉，并具備良好的結(jié)構(gòu)和水力學(xué)特性?；⌒伍l門是擋水面為圓柱體的部分弧形面的閘門，其支臂的支承鉸位于圓心，啟閉時閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動，主要由轉(zhuǎn)動門體、埋設(shè)構(gòu)件及啟閉設(shè)備三部分組成?；⌒伍l門不設(shè)門槽，啟閉力較小，水力學(xué)條件好，廣泛用于各種類型的水道上作為工作閘門運行。泄洪閘弧形工作閘門是水利水電樞紐建筑物的主要組成部分之一，承擔(dān)擋水和防洪重要任務(wù)。隨著我國水利水電事業(yè)的高速發(fā)展，一大批高水頭水工建筑物相繼設(shè)計建成。高水頭閘門在擋水時經(jīng)常有失穩(wěn)、垮塌的風(fēng)險[1]。

2013年以來，水利工程機電、金屬結(jié)構(gòu)突發(fā)事故頻發(fā)，造成極大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。如何提高水利工程機電、金屬結(jié)構(gòu)的檢測水平和診斷水平，避免漏檢誤判引起的惡性事故，受到空前關(guān)注。根據(jù)目前水利工程機電、金屬結(jié)構(gòu)事故頻發(fā)的狀況，為保證水利工程的安全運行，需要對閘門進行在役安全檢測和原型觀測。檢測閘門在運行承載時產(chǎn)生的變形是否在允許范圍內(nèi)，閘門是否處于安全的狀態(tài)。應(yīng)力測試是原型觀測的重要手段，能驗證泄洪閘弧形工作閘門的結(jié)構(gòu)強度和安全性[2]。

本文以一扇表孔泄洪閘弧形工作閘門為原型觀測對象，通過理論計算和現(xiàn)場應(yīng)力測試2種方式對其結(jié)構(gòu)強度進行比對分析，判斷其結(jié)構(gòu)強度是否滿足設(shè)計要求，為該閘門的安全性評價提供依據(jù)。

1 泄洪閘弧形工作閘門金屬結(jié)構(gòu)強度計算

1.1 基本參數(shù)

該泄洪閘弧形工作閘門孔口形式：露頂式;孔口寬度：13.0m;底檻高程：528.0m;支鉸安裝高程：546.0m;正常高水位（設(shè)計水位）：554.0m;設(shè)計水頭：26.0m;閘門高度：16.0m;孔口數(shù)量：5孔;操作條件：動水啟閉;吊點間距：11.7m;啟閉機：2×4 000kN液壓啟閉機。

1.2 計算原理

檢測前，根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》（SL 74—2013）對該閘門進行強度校核計算。

1.3 理論計算

1.3.1 荷載計算。閘門在關(guān)閉位置的靜水壓力，由水平壓力和垂直水壓力組成，各計算公式如下。

水平水壓力：

（1）

垂直水壓力：

（2）

式中：

（3）

由此可得出，。

故

總水壓力作用方向為：

（6）

由此得出[φ0]=7.309°。

1.3.2 框架應(yīng)力計算

1.3.2.1 主橫梁。跨中截面應(yīng)力?？缰薪孛鎽?yīng)力按式（7）計算：

（7）

其中，前翼緣受壓，后翼緣受拉。

1.3.2.2 支臂。彎距作用平面內(nèi)的穩(wěn)定驗算為：

（8）

偏心率為：

（9）

長細比為：

（10）

根據(jù)[ε]、[λ]，查表可得[φp]，進而計算[σ]。

彎矩作用平面外的穩(wěn)定計算為：

（11）

偏心率為：

長細比為：

[λy=lyry] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

其中：

[ry=IyA] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （14）

根據(jù)[ε]、[λ]，查表可得[φp]，進而計算[σ]。

1.3.3 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應(yīng)力。驗算下主梁上部面板區(qū)格，只需按式（15）驗算長邊中點的折算應(yīng)力：

（15）

其中：

（16）

式中，[μ]為泊松比，[μ]=0.3。

2 應(yīng)力測試原理、方法及設(shè)備

2.1 應(yīng)力測試原理

試驗應(yīng)力分析的方法較多，如光彈性測量法、電測法等[3]。其中，電測法應(yīng)用最多。電測法的原理將機械量的變化（如變形、位移等）轉(zhuǎn)換成電學(xué)量（如電阻、電感、電容等）的變化，從而測得機械量的變化。電測法測量系統(tǒng)主要由應(yīng)變片、電阻應(yīng)變儀和指示記錄儀器等組成。電測法具有測量精度高、傳感元件小、測量范圍廣的優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測量中。

2.2 應(yīng)力測試方法

應(yīng)力測試通常分為動態(tài)應(yīng)力測試和靜態(tài)應(yīng)力測試。動態(tài)應(yīng)力測試的目的是獲取被測物體的應(yīng)力隨時間和狀態(tài)變化的規(guī)律，以檢驗結(jié)構(gòu)或構(gòu)件設(shè)計的合理性。靜態(tài)應(yīng)力測試的目的是獲取被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和較大的應(yīng)力點以及被測結(jié)構(gòu)的強度，以檢驗被測結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。本次對泄洪閘弧形工作閘門原型觀測測試采用靜態(tài)應(yīng)力測試。

2.3 應(yīng)力測試設(shè)備

本次測試采用應(yīng)變片電測法。應(yīng)力測試設(shè)備主要包括無線模塊、接收器、計算機、數(shù)據(jù)采集處理軟件等。無線模塊采集系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點，由電池、采集處理模塊和無線收發(fā)模塊組成。該系統(tǒng)比有線的應(yīng)力測試系統(tǒng)方便很多，極大地節(jié)約了測試中因布線采集而消耗的物力和人力。同時，無線測量系統(tǒng)具有極高的測量精度和遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，能夠廣泛應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力測試[3]。

3 現(xiàn)場應(yīng)力測試

3.1 測試前準(zhǔn)備

測試前，應(yīng)根據(jù)弧形閘門設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的受力特點確定應(yīng)力測試部位及應(yīng)變片的類型。本次測試對象為國內(nèi)某一電廠的泄洪閘在役弧形閘門，對該弧形閘門的測試集中于上下主梁跨中、支臂、面板等應(yīng)力集中部位[4]。主梁跨中應(yīng)力為拉壓彎曲正應(yīng)力，主應(yīng)力方向明確，貼片方式采用沿主應(yīng)力方向粘貼單向應(yīng)變片，布置2個單向應(yīng)變片;支臂根部應(yīng)力為拉壓應(yīng)力，主應(yīng)力方向明確，貼片方式采用沿主應(yīng)力方向粘貼單向應(yīng)變片，布置2個單向應(yīng)變片;面板應(yīng)力為拉壓彎曲應(yīng)力及剪切應(yīng)力，貼片方式采用粘貼雙向應(yīng)變片，布置1個雙向應(yīng)變片。應(yīng)力測試布點如圖1所示。

泄洪閘弧形工作閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力各測點部位描述如下（順?biāo)饕暎?。測點Y1-1：上主梁后翼板中心（靠近左起第四縱梁）位置，沿主梁方向。測點Y1-2：下主梁后翼板中心（靠近左起第四縱梁）位置，沿主梁方向。測點Y1-3：左上支臂（由面板向支鉸）第一梁格上部里側(cè)翼板中心，沿支臂長度方向。測點Y1-4：左下支臂（由面板向支鉸）第一梁格上部里側(cè)翼板中心，沿支臂長度方向。測點Y2-1：下主梁上部左起第三縱梁與第四縱梁之間面板中心。其中，0°方向：沿面板寬度方向;90°方向：沿面板高度方向。

3.2 粘貼應(yīng)變片

確定好應(yīng)力測試部位及布片類型以后，進行應(yīng)變片的粘貼。根據(jù)布點部位及布片數(shù)量，在待測設(shè)備或構(gòu)件上標(biāo)出測點位置，按步驟進行貼片。

3.3 連接測試儀器

應(yīng)變片粘貼好并進行檢查以后，與應(yīng)變測量系統(tǒng)連接，在該系統(tǒng)中設(shè)置各個測點對應(yīng)的參數(shù)信息，并確定測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

將應(yīng)變測量系統(tǒng)連接調(diào)試好以后，采集相應(yīng)的初值，并做好測試前的準(zhǔn)備。

3.4 現(xiàn)場應(yīng)力測試

應(yīng)力測試工況選取弧形閘門全關(guān)擋水（設(shè)計水位）工況，即上游水位554m（設(shè)計水位）沖水平壓后，檢修門提起，靜水壓力完全作用在弧形工作閘門上。具體實施步驟如下：①試驗前，上游水位554m，初始狀態(tài)檢修門擋水，工作閘門開度10m，儀器清零;②工作閘門關(guān)至0m開度，沖水平壓后，檢修門提起，待靜水壓力完全作用在弧形工作閘門上，各測點應(yīng)力值基本穩(wěn)定，采集該狀態(tài)時各測點的應(yīng)力值。

3.5 應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

該弧形工作閘門主要金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試數(shù)據(jù)如表1所示。該弧形閘門應(yīng)力測試值與理論計算值對比如圖2所示。

4 檢測結(jié)果分析

4.1 理論計算與測試結(jié)果對比分析

將理論計算值與應(yīng)力測試數(shù)據(jù)對比分析，最大誤差為14.5%，各測點誤差分析結(jié)果如表2所示。

4.2 誤差因素分析

①應(yīng)力測試不能直接測試出自重應(yīng)力，分析時應(yīng)予以考慮;也可將測試值與自重應(yīng)力疊加后與理論計算值比較分析。

②測試時弧形閘門門后存在大量的尾水，同時具有一定的沖擊載荷，對測試結(jié)果具有一定的影響。

③測試時間為夏季的中午，溫度較高，同時濕度較大，分析時應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響。

④由于測試系統(tǒng)綜合誤差的存在，對測試結(jié)果也有一定影響。

4.3 結(jié)果分析

從該泄洪閘弧形閘門主梁、支臂和面板的理論計算應(yīng)力值與測試應(yīng)力值對比分析結(jié)果可知：實際應(yīng)力測試值與理論計算值誤差小于15%，結(jié)果吻合性良好，能較真實地反映出該弧形閘門的在設(shè)計水位全關(guān)擋水工況的受力狀況，對該泄洪閘弧形閘門的結(jié)構(gòu)強度驗證、安全性評價和原型觀測能提供有力的依據(jù)。

5 結(jié)論

本文以國內(nèi)某一電站泄洪閘弧形工作閘門為對象，對其進行了原型觀測，研究了應(yīng)力測試在弧形工作閘門的結(jié)構(gòu)強度驗證和安全性評價中的應(yīng)用。根據(jù)該電站泄洪閘弧形工作閘門結(jié)構(gòu)特征以及基本參數(shù)，通過理論計算得出危險部位的應(yīng)力值。通過對該弧形閘門金屬結(jié)構(gòu)的危險部位布置電阻應(yīng)變片，在該閘門全關(guān)擋水工況下采用電測法對金屬結(jié)構(gòu)危險部位進行應(yīng)力測試;通過對閘門金屬結(jié)構(gòu)的危險部位理論計算應(yīng)力值和應(yīng)力測試值進行對比可知，結(jié)果吻合性良好，說明應(yīng)力測試在對該工作閘門的結(jié)構(gòu)強度驗證和安全性評價中切實可行，能夠在其他類似閘門的原型觀測中廣泛應(yīng)用、推廣。

參考文獻：

[1]胡木生，耿紅磊.小灣水電站泄洪洞弧形閘門原型觀測研究[J].水電站機電技術(shù)，2016（2）：49-53.

[2]嚴(yán)根華，陳發(fā)展，趙建平，等.表孔弧形閘門流激振動原型觀測研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2006（4）：45-50.

[3]王朝晴，宋一樂.江埡水電站泄洪閘門靜、動力原型觀測研究[J].水電與新能源，2006（2）：58-61.

[4]李亞非，徐元發(fā)，何文娟，等.高壩洲水電站弧形閘門設(shè)計和原型觀測試驗[J].水力發(fā)電，2002（3）：35-38.