應力測試在水電站弧形閘門原型觀測中的應用

董運福 朱晨 徐要偉

摘 要：本文以國內某一電站泄洪閘弧形工作閘門為對象，對其進行了原型觀測，研究了應力測試在弧形工作閘門的結構強度驗證和安全性評價中的應用。根據該電站泄洪閘弧形工作閘門結構特征以及基本參數，通過理論計算得出危險部位的應力值;通過對該閘門金屬結構的危險部位布置電阻應變片，在該閘門全關擋水下采用電測法對金屬結構危險部位進行應力測試。通過對閘門金屬結構的危險部位理論計算應力值和應力測試值進行對比可知，結果吻合性良好，說明應力測試在對該工作閘門的結構強度驗證和安全性評價中切實可行，能夠在其他類似閘門的原型觀測中廣泛應用、推廣。

關鍵詞：弧形工作閘門;可靠性;原型觀測;應力測試;結構強度

中圖分類號：TV3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）17-0083-04

Abstract： Taking the radial working gate of a domestic power station as an object of study， the prototype observation of the radial working gate was carried out， and the application of stress test in structural strength verification and safety evaluation of the radial working gate was studied. According to the structural characteristics and basic parameters of the radial working gate of the spillway gate of the hydropower station， the stress values of the dangerous parts were calculated by theoretical calculation; through the arrangement of resistance strain gauges in the dangerous parts of the metal structure of the gate， the stress of the dangerous parts of the metal structure was tested by electrical measurement under the full-closed water of the gate. By comparing the calculated stress values and stress test values of the dangerous parts of the gate metal structure， the results were in good agreement， which showed that the stress test was feasible in the structural strength verification and safety evaluation of the working gate， and could be widely used and popularized in the prototype observation of other similar gates.

Keywords： radial working gate;reliability;prototype observation;stress test;structural strength

泄洪閘門是指用以宣泄洪水并調節控制水庫水位的工作閘門。其具有承受各種靜、動載荷的能力，能在動水中啟閉，并具備良好的結構和水力學特性?；⌒伍l門是擋水面為圓柱體的部分弧形面的閘門，其支臂的支承鉸位于圓心，啟閉時閘門繞支承鉸轉動，主要由轉動門體、埋設構件及啟閉設備三部分組成?；⌒伍l門不設門槽，啟閉力較小，水力學條件好，廣泛用于各種類型的水道上作為工作閘門運行。泄洪閘弧形工作閘門是水利水電樞紐建筑物的主要組成部分之一，承擔擋水和防洪重要任務。隨著我國水利水電事業的高速發展，一大批高水頭水工建筑物相繼設計建成。高水頭閘門在擋水時經常有失穩、垮塌的風險[1]。

2013年以來，水利工程機電、金屬結構突發事故頻發，造成極大的經濟損失和不良的社會影響。如何提高水利工程機電、金屬結構的檢測水平和診斷水平，避免漏檢誤判引起的惡性事故，受到空前關注。根據目前水利工程機電、金屬結構事故頻發的狀況，為保證水利工程的安全運行，需要對閘門進行在役安全檢測和原型觀測。檢測閘門在運行承載時產生的變形是否在允許范圍內，閘門是否處于安全的狀態。應力測試是原型觀測的重要手段，能驗證泄洪閘弧形工作閘門的結構強度和安全性[2]。

本文以一扇表孔泄洪閘弧形工作閘門為原型觀測對象，通過理論計算和現場應力測試2種方式對其結構強度進行比對分析，判斷其結構強度是否滿足設計要求，為該閘門的安全性評價提供依據。

1 泄洪閘弧形工作閘門金屬結構強度計算

1.1 基本參數

該泄洪閘弧形工作閘門孔口形式：露頂式;孔口寬度：13.0m;底檻高程：528.0m;支鉸安裝高程：546.0m;正常高水位（設計水位）：554.0m;設計水頭：26.0m;閘門高度：16.0m;孔口數量：5孔;操作條件：動水啟閉;吊點間距：11.7m;啟閉機：2×4 000kN液壓啟閉機。

1.2 計算原理

檢測前，根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》（SL 74—2013）對該閘門進行強度校核計算。

1.3 理論計算

1.3.1 荷載計算。閘門在關閉位置的靜水壓力，由水平壓力和垂直水壓力組成，各計算公式如下。

水平水壓力：

（1）

垂直水壓力：

（2）

式中：

（3）

由此可得出，。

故

總水壓力作用方向為：

（6）

由此得出[φ0]=7.309°。

1.3.2 框架應力計算

1.3.2.1 主橫梁?？缰薪孛鎽??？缰薪孛鎽Π词剑?）計算：

（7）

其中，前翼緣受壓，后翼緣受拉。

1.3.2.2 支臂。彎距作用平面內的穩定驗算為：

（8）

偏心率為：

（9）

長細比為：

（10）

根據[ε]、[λ]，查表可得[φp]，進而計算[σ]。

彎矩作用平面外的穩定計算為：

（11）

偏心率為：

長細比為：

[λy=lyry] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

其中：

[ry=IyA] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （14）

根據[ε]、[λ]，查表可得[φp]，進而計算[σ]。

1.3.3 面板局部彎曲與主梁整體彎曲的折算應力。驗算下主梁上部面板區格，只需按式（15）驗算長邊中點的折算應力：

（15）

其中：

（16）

式中，[μ]為泊松比，[μ]=0.3。

2 應力測試原理、方法及設備

2.1 應力測試原理

試驗應力分析的方法較多，如光彈性測量法、電測法等[3]。其中，電測法應用最多。電測法的原理將機械量的變化（如變形、位移等）轉換成電學量（如電阻、電感、電容等）的變化，從而測得機械量的變化。電測法測量系統主要由應變片、電阻應變儀和指示記錄儀器等組成。電測法具有測量精度高、傳感元件小、測量范圍廣的優勢，被廣泛地應用于金屬結構的應力測量中。

2.2 應力測試方法

應力測試通常分為動態應力測試和靜態應力測試。動態應力測試的目的是獲取被測物體的應力隨時間和狀態變化的規律，以檢驗結構或構件設計的合理性。靜態應力測試的目的是獲取被測結構的應力分布和較大的應力點以及被測結構的強度，以檢驗被測結構設計的合理性。本次對泄洪閘弧形工作閘門原型觀測測試采用靜態應力測試。

2.3 應力測試設備

本次測試采用應變片電測法。應力測試設備主要包括無線模塊、接收器、計算機、數據采集處理軟件等。無線模塊采集系統具有結構緊湊、體積小的特點，由電池、采集處理模塊和無線收發模塊組成。該系統比有線的應力測試系統方便很多，極大地節約了測試中因布線采集而消耗的物力和人力。同時，無線測量系統具有極高的測量精度和遠距離傳輸等優點，能夠廣泛應用于大型結構的靜應力測試[3]。

3 現場應力測試

3.1 測試前準備

測試前，應根據弧形閘門設備金屬結構的受力特點確定應力測試部位及應變片的類型。本次測試對象為國內某一電廠的泄洪閘在役弧形閘門，對該弧形閘門的測試集中于上下主梁跨中、支臂、面板等應力集中部位[4]。主梁跨中應力為拉壓彎曲正應力，主應力方向明確，貼片方式采用沿主應力方向粘貼單向應變片，布置2個單向應變片;支臂根部應力為拉壓應力，主應力方向明確，貼片方式采用沿主應力方向粘貼單向應變片，布置2個單向應變片;面板應力為拉壓彎曲應力及剪切應力，貼片方式采用粘貼雙向應變片，布置1個雙向應變片。應力測試布點如圖1所示。

泄洪閘弧形工作閘門結構應力各測點部位描述如下（順水流視）。測點Y1-1：上主梁后翼板中心（靠近左起第四縱梁）位置，沿主梁方向。測點Y1-2：下主梁后翼板中心（靠近左起第四縱梁）位置，沿主梁方向。測點Y1-3：左上支臂（由面板向支鉸）第一梁格上部里側翼板中心，沿支臂長度方向。測點Y1-4：左下支臂（由面板向支鉸）第一梁格上部里側翼板中心，沿支臂長度方向。測點Y2-1：下主梁上部左起第三縱梁與第四縱梁之間面板中心。其中，0°方向：沿面板寬度方向;90°方向：沿面板高度方向。

3.2 粘貼應變片

確定好應力測試部位及布片類型以后，進行應變片的粘貼。根據布點部位及布片數量，在待測設備或構件上標出測點位置，按步驟進行貼片。

3.3 連接測試儀器

應變片粘貼好并進行檢查以后，與應變測量系統連接，在該系統中設置各個測點對應的參數信息，并確定測量系統的穩定性。

將應變測量系統連接調試好以后，采集相應的初值，并做好測試前的準備。

3.4 現場應力測試

應力測試工況選取弧形閘門全關擋水（設計水位）工況，即上游水位554m（設計水位）沖水平壓后，檢修門提起，靜水壓力完全作用在弧形工作閘門上。具體實施步驟如下：①試驗前，上游水位554m，初始狀態檢修門擋水，工作閘門開度10m，儀器清零;②工作閘門關至0m開度，沖水平壓后，檢修門提起，待靜水壓力完全作用在弧形工作閘門上，各測點應力值基本穩定，采集該狀態時各測點的應力值。

3.5 應力測試數據

該弧形工作閘門主要金屬結構應力測試數據如表1所示。該弧形閘門應力測試值與理論計算值對比如圖2所示。

4 檢測結果分析

4.1 理論計算與測試結果對比分析

將理論計算值與應力測試數據對比分析，最大誤差為14.5%，各測點誤差分析結果如表2所示。

4.2 誤差因素分析

①應力測試不能直接測試出自重應力，分析時應予以考慮;也可將測試值與自重應力疊加后與理論計算值比較分析。

②測試時弧形閘門門后存在大量的尾水，同時具有一定的沖擊載荷，對測試結果具有一定的影響。

③測試時間為夏季的中午，溫度較高，同時濕度較大，分析時應考慮環境因素的影響。

④由于測試系統綜合誤差的存在，對測試結果也有一定影響。

4.3 結果分析

從該泄洪閘弧形閘門主梁、支臂和面板的理論計算應力值與測試應力值對比分析結果可知：實際應力測試值與理論計算值誤差小于15%，結果吻合性良好，能較真實地反映出該弧形閘門的在設計水位全關擋水工況的受力狀況，對該泄洪閘弧形閘門的結構強度驗證、安全性評價和原型觀測能提供有力的依據。

5 結論

本文以國內某一電站泄洪閘弧形工作閘門為對象，對其進行了原型觀測，研究了應力測試在弧形工作閘門的結構強度驗證和安全性評價中的應用。根據該電站泄洪閘弧形工作閘門結構特征以及基本參數，通過理論計算得出危險部位的應力值。通過對該弧形閘門金屬結構的危險部位布置電阻應變片，在該閘門全關擋水工況下采用電測法對金屬結構危險部位進行應力測試;通過對閘門金屬結構的危險部位理論計算應力值和應力測試值進行對比可知，結果吻合性良好，說明應力測試在對該工作閘門的結構強度驗證和安全性評價中切實可行，能夠在其他類似閘門的原型觀測中廣泛應用、推廣。

參考文獻：

[1]胡木生，耿紅磊.小灣水電站泄洪洞弧形閘門原型觀測研究[J].水電站機電技術，2016（2）：49-53.

[2]嚴根華，陳發展，趙建平，等.表孔弧形閘門流激振動原型觀測研究[J].水力發電學報，2006（4）：45-50.

[3]王朝晴，宋一樂.江埡水電站泄洪閘門靜、動力原型觀測研究[J].水電與新能源，2006（2）：58-61.

[4]李亞非，徐元發，何文娟，等.高壩洲水電站弧形閘門設計和原型觀測試驗[J].水力發電，2002（3）：35-38.