某水電站是一個(gè)以發(fā)電為主兼有灌溉效益的徑流式電站，在大壩安全檢查中，對(duì)溢流段露頂弧形鋼閘門進(jìn)行了全面檢查，認(rèn)為弧形閘門運(yùn)行基本正常，但部分金屬構(gòu)件的截面應(yīng)力偏高。為確定大壩安全，現(xiàn)采用電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)對(duì)銹蝕嚴(yán)重的露頂弧形鋼閘門進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析試驗(yàn)。

水電站總裝機(jī)容量51MW，水庫(kù)總為容1.12億m³。壩型為填碴框格重力壩，*大壩高為38.8m，溢流壩段設(shè)9個(gè)溢流孔，每孔設(shè)置10m*12m露頂弧形鋼閘門，堰頂高程164.93m，正常高水為177m。3^#和7^#弧形鋼閘門銹蝕嚴(yán)重，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。

靜態(tài)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

弧形閘門是由面板、豎梁、橫梁和上下支壁等組成弧形表面鋼結(jié)構(gòu)。為充分反映靜應(yīng)力，我們?cè)诨⌒伍l門的各個(gè)主要部位；豎梁、主梁、支臂和面板上都設(shè)置了測(cè)點(diǎn)?？紤]到結(jié)構(gòu)及荷載的對(duì)稱性，因此測(cè)點(diǎn)都集中在中軸線一側(cè)上，具體如下：

1. 豎梁選取上段門葉一側(cè)靠近中軸線的1^#、2^#豎梁與1^#主梁連接處作為觀測(cè)截面。在該截面的豎梁上游翼緣的下游側(cè)及下游翼緣的下游側(cè)各布置一豎向的應(yīng)變片，在腹板中點(diǎn)處布置一45°的應(yīng)變花，兩根豎梁有6個(gè)測(cè)點(diǎn)10片應(yīng)變片，見(jiàn)下圖。

2. 主梁根據(jù)荷載情況選擇荷載較大的下段門葉的3^#、4^#主梁作為主要觀測(cè)對(duì)象，在主梁跨中上翼緣的下游側(cè)和下翼緣的下游側(cè)設(shè)置一水平方向（x方向）的應(yīng)變片，在主梁與支臂連接處支座兩側(cè)及抗剪板外端各布置一觀測(cè)截面，截面具體稱為1-1、2-2、3-3，每個(gè)截面設(shè)有5個(gè)測(cè)點(diǎn)，即是上翼緣的下游側(cè)，下翼緣的上游側(cè)和下游側(cè)，腹板的上游端、中點(diǎn)、下游端，其中在翼緣測(cè)點(diǎn)處布置一水平方向應(yīng)變片，腹板三個(gè)測(cè)點(diǎn)都布置45°的應(yīng)變花。此外為配合振動(dòng)測(cè)試，在2^#主梁跨中下翼緣的下游側(cè)布置一水平方向應(yīng)變片，主梁上一共有37個(gè)測(cè)點(diǎn)，73個(gè)應(yīng)變片。

3. 支臂選一側(cè)的下支臂下桿布置4個(gè)觀測(cè)截面A-A、B-B、C-C、D-D，由于支臂主要受軸向力作用，因此每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿支臂僅布置軸向應(yīng)變片，支臂下桿上有9個(gè)測(cè)點(diǎn)、9個(gè)應(yīng)變片。面板上我們選取2個(gè)受到荷載較大的下段門葉中板寬較大、銹蝕嚴(yán)重的區(qū)域，并將測(cè)點(diǎn)布置在板的長(zhǎng)邊中點(diǎn)及區(qū)格形心，每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿水平和豎向布置2個(gè)應(yīng)變片，每扇門兩個(gè)區(qū)格有4個(gè)測(cè)點(diǎn)共8個(gè)應(yīng)變片。這樣，每扇弧形鋼閘門上共布置了56個(gè)測(cè)點(diǎn)，共100片應(yīng)變片。測(cè)試過(guò)程中，每10個(gè)工作片共用一片溫度補(bǔ)償片，以消除溫度對(duì)測(cè)量影響。

測(cè)試儀器及測(cè)試條件

弧形鋼閘門的應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)采用JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀。測(cè)試時(shí)正值枯水季節(jié)，兩扇閘門實(shí)測(cè)水位均未達(dá)到正常高水位177m，7^#門實(shí)測(cè)的庫(kù)水位是176.42m，3^#門是175.74m，分別比正常高水位低0.58m和1.26m。每扇門在同一水位上進(jìn)行了3-4次靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量，同一閘門同一應(yīng)變片各實(shí)測(cè)應(yīng)變值誤差不超過(guò)5個(gè)微應(yīng)變，觀測(cè)的重現(xiàn)值較好，滿足測(cè)量要求。

測(cè)試結(jié)果及分析

豎梁測(cè)得的應(yīng)力均較小，7^#門、1^#豎梁上翼緣與下翼緣的豎向應(yīng)力σ_x分別為14.7MPa和-46.8MPa，豎梁受拉、壓情況與豎梁受力情況相符。

主梁測(cè)試結(jié)果表明，主梁的彎曲應(yīng)力σ_x在主梁與支臂連接處附近三個(gè)截面上受力情況是上翼緣和腹板上部受拉，下翼緣和腹板下部受壓，跨中截面主梁的上翼緣受壓，下翼緣受拉。σ_x大小分布與理論分析相符，中間σ_x小，兩側(cè)大。由力學(xué)理論知，σ_x主要由彎曲引起，弧形閘門主梁是以支臂為支座的雙外伸梁，受均布水壓作用后，支座處彎矩為上部受拉，跨中截面彎矩為下部受拉，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果與弧形閘門主梁受均布水壓荷載作用下的變形規(guī)律一致。此外，根據(jù)弧形閘門主梁的理論計(jì)算知其支座處的彎矩大小跨中彎矩，因此主梁支座兩側(cè)σ_x比跨中的大，實(shí)測(cè)σ_x值大小也與此相吻合。7^#閘門實(shí)測(cè)*大彎曲應(yīng)力σ_x發(fā)生在3^#主梁1-1截面的下翼緣，其值是σ_max=-100.8MPa，兩側(cè)閘門彎曲應(yīng)力σ_x實(shí)測(cè)值均小于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力[σ]=160MPa。由彈性理論分析可知，弧形閘門主梁的擠壓應(yīng)力σ_y主要由直接荷載水壓力q引起，矩形截面梁在受均布q作用時(shí)，*大擠壓應(yīng)力σ_ymax=-q應(yīng)在梁頂，梁底的σ_y=0，呈拋物線分布。實(shí)測(cè)擠壓應(yīng)力σ_y的結(jié)果與理論相近，同時(shí)由于支臂的作用，*大的擠壓應(yīng)力σ_y發(fā)生在主梁與支臂連接處的下游側(cè)，7^#門實(shí)測(cè)*大的擠壓應(yīng)力σ_y發(fā)生在該處兩側(cè)截面腹板下游端與下翼緣交接處，4^#主梁為σ_ymax=-128.7MPa，3^#主梁為σ_ymax=-169.2MPa，比容許應(yīng)力[σ]=160MPa大。而主梁的3-3觀測(cè)截面離支臂較遠(yuǎn)，受到支臂影響較小，所以實(shí)測(cè)的擠壓應(yīng)力σ_y也是顯著減少，總得情況是觀測(cè)截面下游端的擠壓應(yīng)力σ_y較上游端大。主梁的剪應(yīng)力τ主要由剪力引起，而在支座處的剪力*大且剪力符號(hào)發(fā)生改變，實(shí)測(cè)τ的情況與此相同。*大剪應(yīng)力τ_max在主梁支座兩側(cè)截面腹板的下游端，3^#閘門4^#主梁在低于正常高水位1.28m的實(shí)測(cè)值達(dá)到了τ_max=-86.2MPa，接近規(guī)范容許剪應(yīng)力[τ]=95MPa。7^#閘門主梁在低于正常高水為0.58m條件下，腹板測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值按形態(tài)改變比能強(qiáng)度理論計(jì)算出的折算應(yīng)力σ有3點(diǎn)超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的容許應(yīng)力[σ]=160MPa，他們分別是4^#梁1-1、2-2截面的163.3MPa和174.7MPa，特別在3^#主梁2-2截面的腹板下游端高達(dá)201.9MPa，大于1-1*[σ]=176MPa，說(shuō)明弧形閘門主梁與支臂連接處附近的強(qiáng)度不安全。

支鉸的第D-D觀測(cè)截面實(shí)測(cè)應(yīng)力內(nèi)側(cè)為-72.4MPa，外側(cè)為-82.5MPa，說(shuō)明支臂X向彎矩不為零，是一彎壓組合變形。這與弧形閘門π型框架受力變形情況相同，*大軸向壓力在支臂與主梁連接處附近A-A截面上的內(nèi)側(cè)翼緣處，其值為-177.6MPa大于1.1*[σ]=176MPa，說(shuō)明支臂該處的強(qiáng)度不夠。

由于面板銹蝕嚴(yán)重，故測(cè)得應(yīng)力較大，7^#門在低于正常高水位0.58m的條件下，實(shí)測(cè)應(yīng)力*大值σ_max=-230.1MPa，其值接近于弧形閘門材料A₃鋼的區(qū)服極限為235MPa。在這種情況下，該部位可能會(huì)出現(xiàn)一些塑性變形，應(yīng)引起重視。

結(jié)論與建議

1. 弧形鋼閘門實(shí)測(cè)結(jié)果與結(jié)構(gòu)各部件受到水壓力作用變形相符，表明試驗(yàn)結(jié)果可靠。

2. 當(dāng)?shù)陀谡８咚?/span>177m時(shí)，7^#門的3^#、4^#主梁與支臂連接處附近的腹板上有3個(gè)測(cè)點(diǎn)的折算應(yīng)力σ_δ4大于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力[σ]=160MPa，*大σ_δ4=201.9MPa，大于1.1*[σ]=176MPa。此外支臂下桿的軸向應(yīng)力也高達(dá)177.6MPa，因此可以判斷結(jié)構(gòu)在該處附近的強(qiáng)度不安全，需對(duì)該水電站9扇弧形閘門在3^#、4^#主梁與支臂連接處采取結(jié)構(gòu)加固措施，即增加主梁和支臂在連接處的截面面積，加大結(jié)點(diǎn)剛度，降低主梁和支臂在該部位的應(yīng)力峰值。

3. 由于弧形鋼閘門面板銹蝕嚴(yán)重，7^#門下段門葉在低于正常高水位0.58m情況下測(cè)試出Z方向*大應(yīng)力達(dá)230.1MPa，接近A₃鋼屈服極限235MPa，說(shuō)明弧形鋼閘門面板處于正常高水位工作時(shí)，面板的某些局部位置將處于塑性應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)門泄洪時(shí)，可能會(huì)由于塑性變形而誘發(fā)異常振動(dòng)，導(dǎo)致氣蝕。因此，須對(duì)銹蝕嚴(yán)重的面板采取結(jié)構(gòu)加固措施，即加厚面板或加焊次梁以減小面板應(yīng)力。