興隆樞紐船閘人字門安裝變形控制措施研究

□王 超 □彭翔鵬（湖北省南水北調興隆水利樞紐工程建設管理處)

1 概述

興隆樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內，是南水北調中線漢江中下游四項治理工程之一，同時也是漢江中下游水資源梯度開發的最后一級。興隆樞紐船閘為單線一級船閘，通航標準為1000 t級，其主體段由上、下閘首和閘室組成，總長256m，航槽凈寬23m，上游通航水位為37.80m/35.90m，下游通航水位為37.80m/29.70m。在上、下閘首部位各布置了左右兩扇平面主橫梁式鋼質人字閘門，寬14.00m，厚1.70m。其中上閘首人字門高10.15m，每扇由三節構成，下閘首人字門高17.95m，每扇由六節構成。每扇門葉通過單節門體節間現場組合拼裝、精度調整、焊接而成。

2 人字門安裝變形分析

人字門在安裝過程中的變形主要包括兩個方面，一方面為門葉現場組對焊接中的變形；另一方面為門葉焊接安裝完畢拆除支撐后處于自由懸掛狀態時由于自重產生的變形。人字門現場安裝焊接由于空間及設備限制，一般采用傳統的手工電弧焊施焊，焊接由于在現場進行，受室外現場環境影響較大，若焊接變形出現超標，現場條件很難進行變形校正，因此采取合適的措施控制焊接變形是人字門安裝成敗的關鍵一環；自由懸掛狀態時的變形主要是人字門自重的影響而產生的扭曲變形，給門葉上的主、副背拉桿施加適當的預應力，借以提高人字門的抗扭剛度，實踐證明可以較好地控制扭曲變形的影響。

3 人字門體焊接變形控制措施

焊接變形在一般意義上可以分為焊縫縱向收縮變形、橫向收縮變形和焊縫回轉變形3種。在焊接實踐時，分析清楚焊件的主要變形方式，是選擇合適變形控制措施的基礎。由于人字門體自重較大，焊縫回轉變形可以通過門體自身進行約束，可以不考慮。人字門的縱向長焊縫主要是上游面板對接縫，下游面為空腔支撐結構，縱向焊縫較少，且門體是由左右分段對稱焊接，因此其縱向收縮變形也可不作考慮。人字門門體結構在橫向上不對稱，焊接過程中變形將不可避免地向上游門葉方向偏移，門體的橫向變形將導致門體沿高度方向收縮和向上游方向傾斜，因此橫向收縮變形的控制是人字門焊接時的主要考慮因素，在興隆樞紐人字門現場焊接過程中主要采取了以下措施來控制變形量。

3.1 焊接前控制措施

3.1.1 預留反變形

門葉焊后的橫向收縮變形主要通過在單節門體拼裝過程中預留反變形來加以控制，即在門體拼裝時，使上節門體向下游方向作一定的傾斜，這樣焊縫橫向收縮后在理想狀態下將抵消掉預留的反變形。預留反變形數值合適與否是這項措施成功的關鍵，興隆船閘人字門采用單節門體高度的0.60‰～1.00‰，即3m高的單節門體，預留量在1.80～3mm之間，主要根據門體各節和底節之間的垂直度偏差在現場加以適當調整。

3.1.2 剛性固定

人字門焊縫多且結構復雜，為達到焊縫變形小和焊接應力盡量小的目的，本項目采用下節剛性固定，上節加柔性支撐的固定方法。在上節門體拼裝、調整達到設計及規范要求后，用型鋼將門體與閘墻預埋的鐵板凳連接，上節門體的連接型鋼數量須小于下節門體，使上節門體相對于下節門體來說是柔性支撐結構，這樣既約束了部分焊縫橫向收縮變形，又不至于使焊接應力過大。

3.2 焊接中控制措施

3.2.1 合理的焊接順序

確定人字門焊接順序的總體原則是先定位焊端板和邊柱，橫向收縮大的焊縫先焊。具體焊接中應先焊斜接柱端和門軸柱端，在保證人字門安裝精度的前提下由兩端到中間、由內到外進行施焊。因門體上游面的焊縫多于下游面，應先焊下游面焊縫，這樣在面板焊接之前能夠增大門體抗焊剛度。

3.2.2 加強變形監測

單節門體施焊完成后，應給予充分的時間來釋放變形和應力，待觀測穩定后方可進行下節門體的安裝。焊接中應有專人實時監測變形量，若焊接變形較大，應及時停止施焊，分析失控原因，可以采取微調焊接參數或焊接順序方向等措施來進行調控。

3.2.3 采用良好的施焊工藝

焊接時采用小電流多層多道焊、對稱、分段退步焊、焊接速度基本保持一致等措施；在門體面板焊縫對接焊接時，若調整后間隙較大，應在焊縫坡口兩側堆焊至間隙<5mm左右后再進行正常焊接；在焊接過程中，焊工應及時錘擊焊縫以抵消掉部分焊接應力的影響，減小焊縫變形。

3.3 焊接后控制措施

厚度>30mm的板材，焊縫焊接完成后進行100%超聲波檢測，若達不到規范要求應進行返修，焊縫同一部位的返修不得超過兩次。其中對于厚度>36mm的板材，焊接后要立即進行后熱消氫處理，后熱溫度為250~350℃，焊后立即進行消除應力熱處理的焊縫可不作后熱消氫處理。斜接柱端和門軸柱端的焊縫焊后要進行消除應力熱處理。

4 人字門自由狀態下的變形控制措施

人字門屬于懸掛型薄壁結構，沿水流方向結構不對稱，當門葉焊接完成拆除各種外在約束后，門葉的實際重心將向上游面傾斜，將產生很大的扭曲變形，使門葉的斜接柱和門軸柱的直線度變大，影響了人字門的止水和受力情況。興隆船閘人字門采取在門葉的下游面上設置背拉桿，并施加合適預應力的方法來克服門葉的扭曲變形，使門葉在拆除各種外在約束后，斜接柱和門軸柱直線度調整至滿足規范要求。

4.1 背拉桿的調整依據

興隆樞紐船閘人字門每扇門葉均設有一組預應力背拉桿，上閘首人字門主背拉桿截面為220 mm×20 mm，副桿為220mm×14mm，下閘首人字門主背拉桿截面為300mm×25mm，副桿為250mm×25mm，均由船用DH36鋼制造，具有良好的力學性能。根據背拉桿預應力優化原則建立人字門背拉桿預應力優化模型，結合門形的實際情況擬定預應力目標值為：上閘首人字門主桿60~80MPa，副桿40~50MPa；下閘首人字門主桿70~80MPa，副桿55~65MPa。背拉桿預應力調整后門形要求達到：單扇門葉自由懸掛狀態下門軸柱和斜接柱正面直線度小于規范要求值5mm；無水調試關門工況兩扇門能合攏，斜接柱承壓條接觸良好，兩邊縫間隙小于規范要求；無水調試及開、關門運行狀態門葉跳動量滿足規范要求。

4.2 背拉桿的調整過程

在背拉桿調整前閘門頂樞的鏜孔工作應已完成，其與頂底樞基準線的誤差應在規定的公差±2mm范圍內。應用旋轉拉桿螺母的方法來施加預應力，用5 t手拉葫蘆配合特制高強扳手來旋轉拉桿螺母，對背拉桿施加預應力。加力次序為：先主背拉桿、后副背拉桿，最后微調。具體施工程序如下：先對主背拉桿多次循環加力，加力過程中隨時觀測并記錄主、副背拉桿應力變化和門軸柱、斜接柱各測點門形的變化情況，以便隨時調整各桿施加預應力的大小。對主桿施加應力時，隨著門葉的變形，副桿預應力自動上升到一定值，然后再對副桿多次循環加力，直到副桿、主桿預應力均達到預應力目標值的90%左右，最后再對主、副背拉桿預應力進行微調。

4.3 背拉桿的調整結果

施加預應力后門體在自重作用下斜接柱、門軸柱直線度為2~4mm，底主梁下垂度均<5mm，在規范允許偏差5mm范圍內。上閘首人字門主桿預應力為71.70～71.50MPa左右、副桿為51.90～52.80MPa左右；下閘首人字門主桿預應力為64.70～67.90MPa左右、副桿為58.60～60.60MPa左右。人字門背拉桿預應力調整結果及門形滿足規范和設計要求。

5 結語

本文分析了興隆樞紐船閘人字門的安裝情況，針對人字門的變形問題，提出了門葉現場組對焊接過程中的變形控制和門葉焊接完畢后處于自由懸掛狀態時的變形控制措施。在采取上述措施進行變形控制后，在工程實踐中取得了良好的效果，人字門的累積變形量符合設計及規范要求。但在后期運行過程人字門的工況將更加復雜，保證人字門的變形量控制在一定的范圍內將是一項長期的工作。

[1]劉孟穆.船閘人字門設計[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[2]孫文勇.興隆船閘人字門安裝技術剖析[J].黑龍江水利科技,2013(7):34-36.