人字閘門背拉桿施加預(yù)應(yīng)力數(shù)字化技術(shù)研究與應(yīng)用

梁達(dá)寧

(廣東江海機(jī)電工程有限公司，廣州 510500)

1 概述

大中型船閘閘首工作閘門多采用人字閘門。背拉桿是人字閘門門葉結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，可有效減少門葉因自重產(chǎn)生的下垂，還可增加門葉的抗扭剛度，對閘門的安全運(yùn)行起著重要的作用。

大型人字閘門一般采用預(yù)應(yīng)力背拉桿。人字閘門門葉安裝焊接完成并且閘門與液壓啟閉機(jī)連接后，門葉完全處于自由狀態(tài)進(jìn)行背拉桿的安裝。背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整是人字閘門安裝工藝中重要的最后一環(huán)，關(guān)系閘門門葉整體安裝質(zhì)量，影響閘門的止水效果和人字閘門的安全運(yùn)行。

2 背拉桿預(yù)應(yīng)力施加常規(guī)方法

背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整常規(guī)方法主要有兩種，一種是利用背拉桿螺母直接對背拉桿施加預(yù)應(yīng)力，適合預(yù)應(yīng)力較小的背拉桿，如果預(yù)應(yīng)力較大的，特別是針對超大型人字閘門的背拉桿，存在背拉桿螺母與背拉桿座之間產(chǎn)生較大的摩擦力，甚至出現(xiàn)背拉桿螺栓副咬合燒死、背拉桿扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象；另一種是利用2只液壓千斤頂通過平衡梁對每條背拉桿施加預(yù)應(yīng)力，這種做法如果一組背拉桿裝置由多支背拉桿組成，就需要對施加預(yù)應(yīng)力裝置進(jìn)行多次重復(fù)裝拆，且同組背拉桿施加的預(yù)應(yīng)力難于保證平衡。

上述2種背拉桿施加預(yù)應(yīng)力的調(diào)整方法都存在每次僅能調(diào)整1支背拉桿，背拉桿調(diào)整完鎖定后其他背拉桿應(yīng)力又可能發(fā)生變化，需要反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)間長，安裝工人長時(shí)間高空作業(yè)，存在安全隱患。

針對常規(guī)背拉桿預(yù)應(yīng)力施加存在的缺點(diǎn)，研究應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)對背拉桿預(yù)應(yīng)力進(jìn)行施加的方法，以提升背拉桿預(yù)應(yīng)力施加的工作效率和準(zhǔn)確度，為超大型人字閘門背拉桿施加預(yù)應(yīng)力監(jiān)測提供參考。

3 背拉桿預(yù)應(yīng)力施加數(shù)字化技術(shù)

通過深入分析研究，研制了一套背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整裝置，采用應(yīng)力數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)，用于同組多支背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整，以提升背拉桿預(yù)應(yīng)力施加的工作效率和準(zhǔn)確度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，解決安裝空間不足難題，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、易拆裝，消除安全隱患。

3.1 背拉桿預(yù)應(yīng)力數(shù)字化監(jiān)測方法

在每支背拉桿上布置一個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)變計(jì)沿背拉桿長度方向粘貼在各背拉桿的中間，正反面各貼1片，測點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)[1-2](見圖1)。

圖1 背拉桿應(yīng)力監(jiān)測的應(yīng)變計(jì)安裝示意

應(yīng)變計(jì)通過數(shù)據(jù)線與電腦相連，根據(jù)有關(guān)應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可直接在電腦上數(shù)字顯示背拉桿的應(yīng)力[3]。在應(yīng)力施加調(diào)整過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測每支背拉桿的應(yīng)力變化，同時(shí)監(jiān)測閘門的變形情況，直到斜接柱和門軸柱側(cè)向垂直度、正向垂直度和閘門底主梁水平符合閘門安裝規(guī)范要求，背拉桿預(yù)應(yīng)力滿足圖紙的設(shè)計(jì)要求。

在背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)試至滿足設(shè)計(jì)及安裝規(guī)范要求以后，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，掌握其應(yīng)力釋放隨時(shí)間變化的規(guī)律。

3.2 平衡梁式背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整裝置

平衡梁式背拉桿施加預(yù)應(yīng)力調(diào)整裝置，包括平衡梁、連接套筒螺母、液壓千斤頂和連接螺母，每條背拉桿通過連接套筒螺母與平衡梁連接，液壓千斤頂布置在平衡梁與背拉桿支撐塊之間，平衡梁與連接套筒螺母的連接螺栓副可根據(jù)情況要求組合使用，根據(jù)同組背拉桿的數(shù)量可布置多個(gè)千斤頂[4-5](見圖2)。

圖2 平衡梁式背拉桿施加預(yù)應(yīng)力調(diào)整裝置示意

3.3 背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整一般工序

1) 背拉桿施加預(yù)應(yīng)力的順序：先主桿、后副桿，先粗調(diào)、后微調(diào)，循環(huán)施加。

2) 利用背拉桿螺母將背拉桿拉直，并對背拉桿施加較小的拉應(yīng)力。

3) 粗調(diào)：當(dāng)主背拉桿施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到75%的設(shè)計(jì)值時(shí)，停止張拉，再對副背拉桿施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到75%的設(shè)計(jì)值時(shí)，停止張拉，在張拉過程中，通過調(diào)整各液壓千斤頂施加預(yù)應(yīng)力程度、背拉桿與平衡梁間連接螺栓實(shí)現(xiàn)本組多個(gè)背拉桿預(yù)應(yīng)力均衡，施加預(yù)應(yīng)力過程中，隨時(shí)觀測并記錄主、副背拉桿應(yīng)力變化和斜接柱、門接柱正面和側(cè)面各測點(diǎn)和閘門底主梁水平的位移的變化情況[6]。

4) 微調(diào)：同時(shí)對主副背拉桿施加預(yù)應(yīng)力，直至斜接柱、門接柱正面和側(cè)面各測點(diǎn)及底主梁下垂符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 概況

廣東省北江航道擴(kuò)能升級工程飛來峽樞紐二線船閘工程中上閘首通航工作閘門采用人字閘門，孔口尺寸為34 m×19.67 m，單片閘門門葉為20.2 m(寬)×19.67 m(高)，面板布置在上游側(cè)，門葉采用多主橫梁結(jié)構(gòu)，主橫梁截面采用H型變截面形式，主梁按等載荷均布，門葉由門軸柱、斜接柱、主橫梁、豎向隔板和豎向次梁組成[7-10]；在門葉的梁格側(cè)布置了上、下兩層預(yù)應(yīng)力背拉桿裝置，背拉桿裝置采用交叉式布置，以增加門體的抗扭剛度[11]。

背拉桿裝置分上層主背拉桿、上層副背拉桿、下層主背拉桿、下層副背拉桿，每組主背拉桿由4支背拉桿組成，每組副背拉桿由3支背拉桿組成(見圖3所示)，背拉桿材料采用DH36，背拉桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值見表1所示。

表1 船閘人字門背拉桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值

4.2 背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)位布置

在每支背拉桿上布置1個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，主背拉桿布置8個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，副背拉桿布置6個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，共14個(gè)測點(diǎn)，具體監(jiān)測點(diǎn)布置見圖3所示。

圖3 背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置示意

4.3 閘門變形監(jiān)測點(diǎn)布置

閘門變形監(jiān)測點(diǎn)分別布置在斜接柱正面和側(cè)面、門軸柱的正面和側(cè)面、閘門底主梁在斜接柱的下端點(diǎn)，主要是測量斜接柱和門軸柱側(cè)向垂直度、正向垂直度和閘門底主梁水平，監(jiān)測點(diǎn)分別布置[12]見圖4所示。

圖4 閘門變形監(jiān)測點(diǎn)位布置示意

4.4 閘門變形監(jiān)測方法

用水平鋼尺檢測斜接柱、門接柱的側(cè)向垂直度和正向垂直度，門體底主梁水平度用水準(zhǔn)儀測量，在施加預(yù)應(yīng)力過程中，專人負(fù)責(zé)測量斜接柱、門接柱正面和側(cè)面垂直度和門體底主梁水平度并做好數(shù)據(jù)記錄，防止閘門門體過度變形。

4.5 監(jiān)測結(jié)果

4.5.1背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果見表2～表3。

表2 二線上閘首左人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力測試結(jié)果

表3 二線上閘首右人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力測試結(jié)果

4.5.2閘門變形監(jiān)測結(jié)果

閘門變形測量結(jié)果見表4～表5。

表4 二線上閘首左人字閘門變形測量結(jié)果 mm

表5 二線上閘首右人字閘門變形測試結(jié)果 mm

4.6 監(jiān)測結(jié)果分析

4.6.1背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

表2～表3背拉桿預(yù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明：

1) 上閘首左人字閘門上層主背拉桿預(yù)應(yīng)力在51.9～55.7 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的84.7%～90.8%之間，下層主背拉桿預(yù)應(yīng)力在57.3～59.0 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的81.8%～84.2%之間；

2) 上閘首左人字閘門上層副背拉桿預(yù)應(yīng)力在33.2～33.8 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的88.2%～89.8%之間，下層副背拉桿預(yù)應(yīng)力在33.6～35.5 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的83.3%～88.0%之間；

3) 上閘首右人字閘門上層主背拉桿預(yù)應(yīng)力在50.4～52.1 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的82.2%～84.5%之間，下層主背拉桿預(yù)應(yīng)力在58.3～59.4 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的83.2%～84.8%之間；

4) 上閘首右人字閘門上層副背拉桿預(yù)應(yīng)力在30.7～31.5 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的81.6%～83.8%之間，下層副背拉桿預(yù)應(yīng)力在34.2～35.5 MPa之間，相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的84.9%～88.0%之間；

5) 從背拉桿實(shí)測預(yù)應(yīng)力數(shù)據(jù)來看，下層背拉桿預(yù)應(yīng)力大于上層背拉桿預(yù)應(yīng)力，主背拉桿預(yù)應(yīng)力大于副背拉桿預(yù)應(yīng)力，這一結(jié)論基本與設(shè)計(jì)給出的設(shè)計(jì)值相符。

4.6.2閘門變形監(jiān)測結(jié)果分析

表4～表5閘門變形測試結(jié)果表明：

1) 在對背拉桿施加預(yù)應(yīng)力的過程中，斜接柱和門軸柱變形隨著預(yù)應(yīng)力增加而逐步減小的規(guī)律很明顯；

2) 施加預(yù)應(yīng)力后閘門最終變形狀態(tài)均為拱向上游；

3) 人字門實(shí)際扭轉(zhuǎn)剛度比閘門設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)剛度大；

4) 上閘首左人字閘門斜接柱正面直線度最大值為5. 0 mm，側(cè)面直線度最大值為3. 0 mm，門軸柱正面直線度最大值為3. 0 mm，側(cè)面直線度最大值為2. 0 mm，底主梁水平下垂：+2.0mm；

5) 上閘首右人字閘門斜接柱正面直線度最大值為5. 0 mm，側(cè)面直線度最大值為3. 0 mm，門軸柱正面直線度最大值為3. 0 mm，側(cè)面直線度最大值為2. 0 mm，底主梁水平下垂：+2.0mm；

6) 通過對背拉桿施加預(yù)應(yīng)力，門體基本實(shí)現(xiàn)了垂直懸掛，閘門的安裝質(zhì)量符合水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 14173—2008)的要求。

4.6.3結(jié)論

測試結(jié)果分析表明：背拉桿預(yù)應(yīng)力實(shí)測值相當(dāng)于設(shè)計(jì)值的80%～90%之間，均小于設(shè)計(jì)值，證明人字門實(shí)際扭轉(zhuǎn)剛度比閘門設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)剛度大，施加預(yù)應(yīng)力后門體基本實(shí)現(xiàn)了垂直懸掛，閘門的制造和安裝質(zhì)量符合《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 14173—2008)及設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

背拉桿施加預(yù)應(yīng)力數(shù)字化技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于廣東省北江航道擴(kuò)能升級工程飛來峽樞紐二、三線船閘其余閘首人字閘門的安裝，施工效果基本一致。二、三線船閘工程于2019年11月14日正式通航，從通航至今，人字閘門運(yùn)行平穩(wěn)，鋼止水優(yōu)于驗(yàn)收規(guī)范要求，船閘曾于2020年11月進(jìn)行年度停水維護(hù)，并對人字閘門斜接柱、門接柱的側(cè)向垂直度和正向垂直度，門體底主梁水平度等主要部位進(jìn)行了復(fù)測，各項(xiàng)復(fù)測數(shù)據(jù)符合《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB/T 14173—2008)的要求。

采用應(yīng)力數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合門葉的變形監(jiān)測，平衡梁式背拉桿預(yù)應(yīng)力施加裝置用于多支背拉桿預(yù)應(yīng)力施加調(diào)整，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率、消除安全隱患，可在同類工程中推廣應(yīng)用。