基于無線靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)的人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整研究

摘要：為研究無線靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)在大型船閘金屬結(jié)構(gòu)件應(yīng)變檢測中的應(yīng)用，利用無線靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)開展工程實踐，探討了無線靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)在船閘人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整應(yīng)用中的可行性，并在2022年實施的某大型船閘計劃性停航檢修中，對下游兩扇人字閘門背拉桿進行了改造及預(yù)應(yīng)力調(diào)整。結(jié)果表明：經(jīng)過通航之后運行檢查，閘門使用效果良好。該技術(shù)能夠提高檢測的精度和傳輸可靠性，具有高效、便捷的優(yōu)點，研究成果可為船閘人字閘門背拉桿靜態(tài)應(yīng)變測量提供新的解決方案，同時能夠為人字閘門的檢修提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：無線靜態(tài)應(yīng)變測量； 船閘人字閘門； 背拉桿

中圖法分類號：TU641

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.017

文章編號：1006-0081（2024）09-0095-05

0 引 言

人字閘門是船閘運行過程中的關(guān)鍵部件，其穩(wěn)定性和可靠性對船閘的安全運行至關(guān)重要。人字閘門屬于典型的超大型開口薄壁結(jié)構(gòu)，其抗扭剛度小，門體在自身巨大的自重作用下，運行時將會產(chǎn)生較大的扭曲變形，通過施加人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力，可以矯正門體幾何形狀，增強門體整體的抗扭轉(zhuǎn)剛度及豎向的抗扭剛度，避免人字閘門在運行過程中發(fā)生較大的扭曲變形以及由此引起的振動等問題。隨著人字閘門長時間的頻繁運行，原來背拉桿施加的預(yù)應(yīng)力會發(fā)生變化，有可能導(dǎo)致背拉桿松動。因此，需要根據(jù)檢查情況對背拉桿進行調(diào)整，使其應(yīng)力值在設(shè)計范圍之內(nèi)，同時保證門體幾何形狀符合規(guī)范要求，為人字閘門安全運行提供保障［1-2］。

2022年，在某大型船閘日常運行過程中發(fā)現(xiàn)，下游人字閘門背拉桿有松動情況，計劃在船閘停航修檢期間對其進行重新調(diào)整。原設(shè)計背拉桿調(diào)整螺母螺紋銹蝕嚴重，位于背拉桿中部，如圖1所示，調(diào)整前需要在門體上焊接吊點，配合手拉葫蘆輔助施工，調(diào)整時容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力，導(dǎo)致背拉桿扭曲變形受損，本次停航檢修擬對背拉桿進行改造優(yōu)化。人字閘門背拉桿傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力檢測方式主要依靠有線傳輸，測點測量需要設(shè)置大量測量導(dǎo)線，給測量工作造成若干不便，也影響測量精度。特別是在遠距離和惡劣的工作環(huán)境下，存在一定的誤差和不穩(wěn)定性［3-4］。為了提高船閘人字閘門背拉桿調(diào)整的精度和效率，本文結(jié)合該大型船閘下游人字閘門背拉桿改造及調(diào)整工程實踐，提出了采用無線靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)進行背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整的方法。

1 背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整不足

人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整過程中，需要將應(yīng)力測試儀器與粘貼在背拉桿上的應(yīng)變片連接，調(diào)整過程中實時監(jiān)測，配合背拉桿應(yīng)力調(diào)整，使背拉桿預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計要求。以往在停航檢修中，人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整采用有線傳輸設(shè)備，配備交流220 V電源供電，設(shè)備重達10 kg。整個測試工作接線繁瑣，單根背拉桿打磨貼片內(nèi)外側(cè)各布置一個測點，電阻應(yīng)變計測試線進行錫焊焊接，例如三峽船閘單扇人字閘門就有28個測點，僅進行電阻應(yīng)變計測試線錫焊焊接并布置引到人字閘門上層門格就需2人耗費近2 d時間，技術(shù)人員在人字閘門上反復(fù)攀爬，體力耗費大。在背拉桿調(diào)整過程中，液壓千斤頂加力后反饋到應(yīng)力值讀數(shù)變化通常是瞬時發(fā)生的，要求數(shù)據(jù)采集器反應(yīng)速度快，及時響應(yīng)讀數(shù)結(jié)果，確保對背拉桿預(yù)應(yīng)力的精確調(diào)整。

2 技術(shù)原理及方案設(shè)計

2.1 無線靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)原理

背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整主要依托無線靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)，采用獨立分布式模塊結(jié)構(gòu)，利用ZigBee無線通訊擴展，單臺移動式計算機可以實現(xiàn)多個模塊、多個測點的靜態(tài)應(yīng)力信號采集和分析，實時監(jiān)測被測物體應(yīng)力變化（圖2）。橋式傳感器節(jié)點通過測量物體表面的全橋、半橋、1/4橋的應(yīng)變計，將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過ZigBee無線通信模塊將信號傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心對接收到的信號進行處理和分析，得到被測物體的應(yīng)力值，應(yīng)變量程為±0.02。無線靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成。

（1） 無線傳感器節(jié)點：負責實時采集和監(jiān)測人字閘門背拉桿的應(yīng)變變化，并將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號。

（2） 數(shù)據(jù)采集器：負責接收無線傳感器節(jié)點發(fā)送的電信號，并進行數(shù)據(jù)處理和存儲。

（3） 數(shù)據(jù)處理中心：負責對接收到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，得到人字閘門背拉桿的應(yīng)力值，實現(xiàn)對人字閘門背拉桿應(yīng)力值的實時顯示和監(jiān)測。

2.2 背拉桿靜態(tài)應(yīng)變測量方案

船閘人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力調(diào)整時，首先對背拉桿的電阻應(yīng)變計粘貼點打磨處理，再將電阻應(yīng)變計粘貼在背拉桿上。對背拉桿加力時，數(shù)據(jù)采集器通過無線方式傳輸采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并進行處理和分析，以獲得背拉桿的應(yīng)變狀態(tài)和調(diào)整效果。根據(jù)船閘檢修規(guī)程的規(guī)定，人字閘門背拉桿調(diào)整預(yù)應(yīng)力施加后，應(yīng)滿足以下要求：① 主桿背拉桿應(yīng)力值為70～80 MPa，副桿背拉桿應(yīng)力值為30～40 MPa；② 在確保門體幾何形狀條件下，上述應(yīng)力值允許在±10%范圍內(nèi)變動；③ 人字閘門背拉桿預(yù)應(yīng)力施加后，斜接柱側(cè)向直線度不大于5 mm，正向直線度不大于3 mm，底梁斜接柱端下垂度不大于5 mm。

該大型船閘下游單扇人字閘門上下兩層共8根背拉桿，在每根背拉桿便于打磨貼片施工的位置，內(nèi)外側(cè)各布置一個測點，每個測點的電阻應(yīng)變計按半橋的方式貼片，形成半橋測試點。完成布置后接入應(yīng)變儀。為確保數(shù)據(jù)的精度，在數(shù)據(jù)處理中心進行參數(shù)設(shè)置時，應(yīng)考慮數(shù)據(jù)采集器與被測點電阻應(yīng)變計連接導(dǎo)線的電阻、材料的彈性模量和泊松比，然后再進行測點調(diào)平衡，觀察漂移情況，并做好防護處理。連接測試系統(tǒng)，測試并記錄初始值。以左下人字閘門下層背拉桿應(yīng)變片布置為例，見圖3。

3 無線靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)應(yīng)用

3.1 背拉桿改造

人字閘門背拉桿改造方案主要涉及主、副背拉桿框架、調(diào)整螺桿、鎖定螺母與防松螺母，對背拉桿施工部位進行調(diào)整優(yōu)化。安裝型式為背拉桿一端焊接在節(jié)點板，一端穿過背拉桿框架，框架焊接在人字閘門節(jié)點板上，在框架上安裝鎖定螺母。為實現(xiàn)該方案，需要將人字閘門背拉桿的一端與節(jié)點板割除，焊接安裝調(diào)整螺桿和框架。背拉桿框架安裝布置如圖4所示。其中，調(diào)整螺桿、螺母為35號鋼鍛件調(diào)質(zhì)處理，背拉桿框架為熱軋型鋼板Q345B焊接件，單組背拉桿最大可承受拉力約414 t。

在人字閘門門體下部架設(shè)千斤頂，頂升受力，使門體處于失重狀態(tài)，在斜接柱頂端設(shè)置正側(cè)垂線監(jiān)視門體幾何形狀，在背拉桿上布設(shè)壓力片測試背拉桿預(yù)應(yīng)力情況。用碳弧氣刨割除節(jié)點板上的背拉桿，確定背拉桿框架的安裝位置，并修整原背拉桿，使其可以安裝入調(diào)整螺桿內(nèi)。裝配定位調(diào)整螺桿，兩螺桿中心線和原背拉桿中心線重合，間距和框架一致，焊接調(diào)整螺桿至原拉桿上。裝配定位背拉桿框架，焊接背拉桿框架至節(jié)點板上。為防止人字閘門背拉桿全部松弛導(dǎo)致人字閘門門體變形較大，在完成上層背拉桿框架焊接后將背拉桿預(yù)緊，方可開始進行下層背拉桿改造施工。

3.2 應(yīng)用測試及背拉桿調(diào)整

背拉桿改造施工完成后，在該大型船閘的人字閘門背拉桿上進行了試驗，通過可顯示張拉力的背拉桿專用加載設(shè)備測算背拉桿所受預(yù)應(yīng)力，并與測試系統(tǒng)的應(yīng)力值進行對比，驗證無線靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)在船閘人字閘門背拉桿調(diào)整中的應(yīng)用效果。

按照先上后下、先主后副、先內(nèi)后外的順序，在單根背拉桿上架設(shè)專用頂架及專用加載設(shè)備，將背拉桿應(yīng)力值調(diào)整至設(shè)計范圍內(nèi)，如圖5所示。

（1） 驗證系統(tǒng)的準確性。人字閘門單根背拉桿應(yīng)力值讀數(shù)受同組背拉桿受力狀態(tài)及溫度、風力等環(huán)境影響，驗證無線靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)的準確性，需要在環(huán)境適宜的狀態(tài)下，對單根背拉桿進行加載測試［5-6］?？紤]背拉桿受力狀況復(fù)雜、人員操作影響和基本誤差，可允許測量誤差在±3%以內(nèi)。測量前應(yīng)檢測測量系統(tǒng)的基本誤差和穩(wěn)定性，通常在靜態(tài)應(yīng)變測量時要求重復(fù)加載測量2～3次，取平均讀數(shù)。以加載150 kN為基準，分別記錄副一背拉桿和副二背拉桿加載3次180 kN的系統(tǒng)讀數(shù)，見表1。

依據(jù)材料力學應(yīng)力計算公式，應(yīng)力變化值：

Δσ=ΔFA

式中：ΔF為加載裝置加載的差值，ΔF=30 kN；A為單根副背拉桿的截面積，4 000 mm2，加載后應(yīng)力變化值Δσ=7.5 MPa。副一背拉桿3次加載180 kN的系統(tǒng)測量差值為7，8，8 MPa，3次變化差值平均值為Δσ測1=7.7 MPa，副二背拉桿3次加載測量差值為8，7，8 MPa，3次變化差值平均值為Δσ測2=7.7 MPa，副一、副二背拉桿測量誤差均小于3%，故該系統(tǒng)滿足測試要求。

（2） 確定背拉桿應(yīng)力0值。由于背拉桿加載裝置到位后，鎖緊螺母前后的應(yīng)力值會有較大變化，且單根背拉桿的調(diào)整會對其他拉桿上的應(yīng)力值帶來變化，所以需要確定單根背拉桿應(yīng)力0值位置時壓力片的讀數(shù)，以此為基點計算背拉桿的應(yīng)力最終值。現(xiàn)場通過均勻加載并檢測背拉桿的應(yīng)力讀數(shù)，通過每次應(yīng)力變化的平均值，計算出每次加載時的0值位置，并取平均值。若單根背拉桿已經(jīng)基本完成張拉，需要微調(diào)，需頂松鎖緊螺母，將鎖緊螺母上旋，加載裝置將背拉桿上的應(yīng)力松動到0后重新加載。以左下人字閘門上層副拉桿初調(diào)為例，其加載情況見表2。其中，調(diào)整前測值主一為-77 MPa，主二為-16 MPa，副一為-82 MPa，副二為-125 MPa。最終可以計算出副一拉桿的0值位置為-50 MPa，副二拉桿的0值位置為-108 MPa，副一拉桿和副二拉桿本次調(diào)整的最終應(yīng)力值分別為21 MPa和32 MPa。

（3） 解除門體失重狀態(tài)后微調(diào)。解除門體失重狀態(tài)后，需綜合考慮門體的正側(cè)面監(jiān)測垂線值、測量底橫梁水平度和背拉桿上的應(yīng)力，并進行精調(diào)。

（4） 通過反復(fù)調(diào)整測試，最終左下、右下人字閘門主拉桿應(yīng)力值、副拉桿應(yīng)力值、門體幾何形狀及底主梁下垂度均符合技術(shù)規(guī)范要求，見表3。

4 結(jié) 論

試驗結(jié)果表明，無線靜態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)在船閘人字閘門背拉桿調(diào)整中具有顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)具有更高的調(diào)整精度和更短的調(diào)整時間。同時，該技術(shù)現(xiàn)場操作更加方便快捷。后期可進一步研發(fā)智能化數(shù)據(jù)處理算法和軟件，提高測試系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理能力和分析水平，實現(xiàn)云平臺應(yīng)用。

項目成功地對背拉桿完成了改造，優(yōu)化了背拉桿結(jié)構(gòu)形式和調(diào)整方式，使背拉桿調(diào)整施工更安全高效，通航后現(xiàn)場檢查效果良好，無振動異響，對類似人字閘門背拉桿改造具有一定參考價值。

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（編輯：張 爽）

Research on pre-stress adjustment of back tie rods of miter gate based on wireless static strain measurement technology

ZHENG Hang，MA Wujie，HUANG Menghuai，YUAN Lian

（Three Gorges Navigation Authority，Yichang 443002，China）

Abstract：

In order to study the application of wireless static strain measurement technology in the strain detection of metal structural components of large ship locks，the engineering practice of the transformation and adjustment of back tie rods of the miter gates of a large domestic ship lock was carried out using wireless static strain measurement technology，and the feasibility of wireless static strain measurement technology application in the pre-stress adjustment of back tie rods of the miter gates of ship locks was discussed.This technology can improve the accuracy of detection and transmission reliability，and have the advantages of high efficiency and convenience，providing a new solution for the static strain measurement of the back tie rods of the miter gates of ship locks，as well as providing a reliable data support for the maintenance of the miter gates.In the planned outage maintenance of a large ship lock implemented in 2022，the back tie rods of two downstream miter gates were transformed and the pre-stress was adjusted.After the navigation，the operation inspection showed a good results.The research results can provide a reference for the safe operation of manned gates and locks.

Key words：

wireless static strain measurement； shiplock miter gate； back tie rods