在役水工鋼閘門檢測和安全鑒定

蘇建明，陳 飛，葉小強

在役水工鋼閘門檢測和安全鑒定

蘇建明，陳 飛，葉小強

（蘇州市水利設計研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

水工鋼閘門是水工建筑物的主要擋水結構，在服役期受周邊環境和運行荷載的影響，將發生防腐涂層剝落、鋼板銹蝕、磨損、變形等破損形式。為確保閘門結構安全、滿足水工建筑物日常效益的發揮，需對在役水工鋼閘門進行科學合理的抽樣檢測分析和安全鑒定。胥口水利樞紐節制閘安全鑒定基于先進儀器的檢測和科學的數據處理分析，為充分發揮閘門的承載能力，采用空間靜力有限元對其結構進行強度和剛度復核，評估認定該節制閘鋼閘門滿足規范要求，能夠安全正常使用。

鋼閘門；安全鑒定；檢測；靜力有限元分析

水工鋼閘門為水工建筑物的主要擋水結構，分為露頂門和潛孔門。由于現行《水利水電工程鋼閘門設計規范》（SL74－95）采用容許應力方法進行結構驗算［1］，不具有“設計使用壽命”的概念；服役期閘門結構多處于潮濕或干濕交替的環境中，惡劣的周邊環境對材料尺寸和材性的侵蝕較為嚴重；閘門結構比表面積相對較大，難以全部得到完整有效的保護，所以對在役期的水工鋼閘門進行科學合理的抽樣檢測和安全鑒定需緊迫地提上日程，否則閘門的失事將嚴重影響整個水利樞紐建筑物的安全，更影響到樞紐綜合效益的充分發揮。

1 工程概況

蘇州市胥口水利樞紐節制閘為口門16 m單孔，采用升臥式平面鋼閘門，啟閉機為固定卷揚式QP2×250啟閉機。閘門尺寸為16 m×5．5 m（寬×高），設計水頭5．0 m，操作條件為動水啟閉，電動啟門速度為2．5 m／min，鋼閘門防腐采用熱噴涂鋅150 μm，外涂二度AC－15氯丁橡膠鋁粉漆50μm厚。鋼閘門結構見圖1，材料為A3鋼，面板厚8 mm，主梁上翼緣厚12 mm、下翼緣厚16 mm、腹板14厚mm，縱梁上翼緣、下翼緣、腹板厚10 mm。

根據“江蘇省水閘安全鑒定管理辦法”之規定，蘇州市胥口水利樞紐運營至今10年，于2009年7月開展全面的安全鑒定，其中包括對鋼閘門的檢測和安全評估項目。

圖1 胥口水利樞紐鋼閘門結構圖（半幅）Fig．1 Structure of steel gate of Xukou sluice

2 檢測工藝

2．1 檢測方案

水工鋼閘門的檢測依據有《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》SL101－94、《水利水電工程金屬結構報廢標準》SL226－1998、《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗收規范》DLT 5018－94。檢測內容包括銹蝕檢測，如涂層厚度、蝕余厚度、蝕坑深度；外形與變形檢測，如外形尺寸、損傷變形、磨損、撓度等；巡視檢查與外觀檢查，如金屬結構狀況以及運行的保證強度，變形、破損、銹蝕等。鋼閘門結構安全評估的數據分析主要以鋼板蝕余厚度和涂層厚度為主要參數。

金屬腐蝕分為2大類，為全面腐蝕和局部腐蝕，其中全面腐蝕可能是均勻的，也可能是非均勻的，表現為某大面積的化學或電化學反應；局部腐蝕包括坑蝕、縫隙腐蝕、水線腐蝕、磨（沖）蝕、氣蝕、生物腐蝕及應力腐蝕等。在2種腐蝕形態的作用下，選擇測量儀器時應考慮鋼結構的表面已不再平整光潔。最精確和常用的無損檢測方法是利用超聲波測厚儀測量鋼板蝕余厚度，測量精度可達0．01 mm。但常規的超聲波測厚儀探頭直徑較大，在檢測前需對鋼材表面打磨，露出檢測平面，并且當鋼材表面有涂層時，在厚度讀數中要扣除2倍的涂層厚度值。而本工程采用德國進口的DM4DL型超聲波金屬厚度檢測儀，該儀器特有測量穿過涂層的操作模式，在被測物表面有油漆時，無需去除油漆而測量材料的凈厚度，攜帶標準探頭和超薄探頭兩種（探頭接觸直徑均為12．1 mm），測量范圍為0．6～200mm，能夠方便的用于腐蝕鋼板厚度測試。閘門面板涂層用Qua-Nix7500（德國產）涂層厚度測定儀檢測，在使用時只需調零、無需校準，具有Fe／NFe、Fe、NFe多種探頭，測量精度：0～50μm，≤±1μm；50～1 000μm，≤±1．5；1 000～2 000μm，≤±2；2 000～5 000μm，≤±3，測量范圍：0～2 000μm／0～5 000μm［2］。

2．2 數據分析

在對鋼閘門鋼板蝕余厚度和涂層厚度數據分析時，一方面為直觀的顯示厚度分布，可采用頻數直方圖對數據進行分組，處理結果見圖2至圖5，另一方面為滿足95%的保證率，需對整體數據進行數理統計分析，獲得能夠用于結構計算的厚度值，結果數據見表1。

由圖2、圖3的鋼板蝕余厚度頻數分布圖可知，閘門在銹蝕后鋼板厚度基本滿足正態概率分布，說明鋼結構銹蝕以全面腐蝕為主，平均銹蝕量為1．2 mm，閘門防腐處理效果明顯，施工質量良好，涂層不存在少涂或漏涂的現象。由圖4、圖5的涂層厚度頻數分布圖可知，當前的涂層厚度均能滿足規范要求。

表1 蝕余厚度和涂層厚度統計表Table 1 Statistics of erosion thickness and coating thickness mm

圖2 面板蝕余厚度頻數圖Fig．2 Frequency of erosion thickness of faceplate

圖3 主梁翼緣鋼板厚度頻數圖Fig．3 Frequency of erosion thickness of m ain beam flange

圖4 面板涂層厚度頻數圖Fig．4 Frequency of coating thickness of faceplate

圖5 主梁涂層厚度頻數圖Fig．5 Frequency of coating thickness ofmain beam

3 閘門有限元分析

鋼閘門是一種典型的空間薄壁結構體系，由一系列板、殼、梁、桿等構件組合而成。正常工作時，閘門所承受荷載將通過各構件的相互傳遞來共同承擔，面板、主橫梁、縱梁等將發生彎曲、軸向、扭轉、剪切等組合變形，因此計算模型的選擇必須考慮到各構件的幾何性質、變形特征、受力特點以及相互作用關系等，以正確反映出閘門的整體作用以及各構件的實際工作狀態，所以采用空間有限元分析能夠充分考慮閘門的實際承載能力。

3．1 閘門有限元模型

根據閘門的結構形式和受力特點，將閘門面板、主橫梁、縱梁、邊柱、底梁等離散為板單元，由于閘門關于跨中對稱，所以取一半閘門做為計算模型，結構有限元計算模型如圖6。計算模型的節點總數為11 439個，單元總數為11 629個。閘門各構件的外形尺寸按現場實測尺寸取用，構件厚度采用實測的蝕余厚度推定值。

圖6 閘門有限元模型（下游側）Fig．6 FEM model of steel gate（downstream side）

閘門主要構件的材料為A3鋼，相當于現在的Q235鋼，材料的彈性模量取E＝2．06×105MPa，泊松比μ＝0．3，重度γ＝78．5 kN／m3。

計算荷載主要考慮作用于閘門的水壓力、浪壓力和閘門自重。計算工況：①閘門在設計水位工況，上游水頭4．80 m，下游水頭3．50 m；②閘門在校核水位工況上游水頭5．00 m，下游水頭3．80 m；③檢修工況，上游水頭3．20 m，下游水頭0．00 m。通過計算可知工況2即校核工況為強度、剛度驗算控制工況。模型的約束和荷載加載圖見7。

3．2 計算結果

利用大型有限元計算軟件ANSYS進行結構計算，面板的折算應力、上主橫梁的應力、下主橫梁的應力見圖8至圖11。計算結果表明：

（1）面板的計算折算應力為112．5 MPa，發生在面板與下主梁跨中的連接處，容許的折算應力值為158 MPa，所以在校核水位工況下，面板強度滿足規范要求。

圖7 閘門有限元模型（上游側）Fig．7 FEM model of steel gate（upstream side）

圖8 面板折算應力圖Fig．8 Von M ises stresses of facep late

圖9 上主梁軸向應力圖Fig．9 Axial stresses of upper main beam

（2）上主梁跨中的軸向應力為58．5 MPa，最大應力為78．0 MPa，發生在跨中向邊梁的第一個截面變化處，容許的抗拉（彎）應力值為144 MPa；剪應力為23．2 MPa，發生在靠近邊梁的腹板上，容許的抗剪應力值為86 MPa，所以在校核水位工況下，上主梁的抗彎、抗剪強度滿足規范要求。

圖10 上主梁剪應力圖Fig．10 Shear stresses of upper main beam

圖11 下主梁軸向應力圖Fig．11 Axial stresses of under main beam

（3）下主梁跨中的軸向應力為57．8 MPa，最大應力為79．9 MPa，發生在跨中向邊梁的第一個截面變化處，容許的抗拉（彎）應力值為144 MPa；剪應力為23．2 MPa，發生在靠近邊梁的腹板上，容許的抗剪應力值為86 MPa，所以在校核水位工況下，下主梁的抗彎、抗剪強度滿足規范要求。

（4）其它構件，如小橫梁、縱梁、邊梁的最大軸向應力為84 MPa，剪應力為22．7 MPa，均小于規范容許值，抗彎、抗剪強度滿足規范要求。

（5）最大變形發生在小主橫梁跨中，為9．6 mm，小于26．7 mm（最大撓度與計算跨度的比值不應超過1／600），剛度滿足規范要求。

4 結 論

通過對胥口水利樞紐節制閘鋼閘門的檢測和安全鑒定工作，得到如下結論：

（1）受檢測構件表面粗糙的影響，在鋼閘門蝕余厚度檢測和涂層厚度檢測時應選擇先進的檢測儀器，以保證數據的準確可靠性。

（2）利用數理統計的方法對實測數據進行處理，以蝕余厚度推定值為參數建立了閘門結構三維有限元模型并計算，可以真實全面地反應各構件在荷載作用下的應力分布和變形。

（3）安全鑒定表明胥口水利樞紐節制閘鋼閘門的強度、剛度均能滿足規范要求，可正常運行。

［1］ DL／T835，水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程［S］．（DL／T835－2003，Technical Code of Safety In-spection for Hydraulic Steel Gate and Hoist machinery［S］．（in Chinese））

［2］ 葉小強柯敏勇劉海祥．蘇州市胥口水利樞紐節制閘和一線船閘工程安全鑒定報告［R］．南京：南京水利科學研究院，2009．（YE Xiao-qiang，KEMin-yong，LIU Hai-xiang．Safety Appraisal Report for Xukou Multipur-pose Hydraulic Project［R］．Nanjing：NHRI，2009．（in Chinese））

［3］ SL265－2001，水閘設計規范［S］．（SL265－2001，De- sign Specification for Sluice［S］．（in Chinese） ）

（編輯：趙衛兵）

Detection and Safety Appraisal of Steel Gate in Service

SU Jian-ming，CHEN Fei，YE Xiao-qiang
（Suzhou Water Conservancy Design Institute Co．Ltd，Suzhou 215004，China）

As themain water-retaining structure of hydraulic engineering，steel gate in service being impacted by surrounding environment and operation load，will be damaged by coating desquamation，steel plate rusting，attri-tion，distortion，and so on．It’s important to detect and identify the safety of steel gate．Based on the advanced in-struments and data processing，Xukou sluice is simulated and calculated with 3D FEM software to re-check its stiff-ness and strength．The safety appraisal shows the steel gate of Xukou sluicemeets the standard of the current engi-neering specification．

steel gate of sluice；detection；safety appraisal；FEM

TV34

A

1001－5485（2011）03－0024－04

2010-04-15

蘇建明（1977-），男，江蘇蘇州人，工程師，主要從事水工結構設計研究，（電話）13962166096（電子信箱）SZliuyj75＠163．com。