基于大溫差變幅的超大型弧形閘門變形規律測試研究

張宗超，張 慧，任澤儉,李東明

(1.棗莊市鴻禹水利工程監理中心，山東 棗莊 277000；2. 南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109； 3. 水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044)

1 概述

水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心在國內外承擔多項水利水電工程金屬結構設備制造安裝的監造和檢測工作，受建設單位委托開展某水電站工程結構設備的制造和安裝第三方檢測工作，該水電站工程溢洪道表孔弧門屬于超大型產品，寬9m，高18m，設計水頭39m，外緣曲率半徑33m，精度要求高，制造生產難度大。在工作中發現，弧門的制造尺寸在不同溫度下檢測結果有一定的差異，為了解變形規律，進一步指導工廠制作檢驗，決定采取高精度測量系統分時段、按周期監測其變形狀況，目的是找出弧形閘門在大溫差變幅下構件變形規律，為同類工程和其他工程提供借鑒參考。

2 制定測試方案

測試項目采取2種測量手段：變形量采用高精度全站儀測量系統和激光跟蹤測量系統。溫度采集采用紅外熱像儀，同時采集環境溫度和對象溫度。

全站儀測量系統選用徠卡TS50高精度全站儀，單機測量精度為測角0.5″，測距精度為0.6mm±1ppm/m，系統整體測量精度為R30m測量空間范圍內優于0.5mm。采用后方交會測量原理。

激光跟蹤儀測量系統選用徠卡AT402高精度跟蹤儀，采用激光絕對測距原理，按照相位法進行ADM測距，相位法測距是測定儀器發出的連續正弦信號在被測距離上往返傳播所產生的相位差，并根據相位差求得距離，相位法測距原理如圖1所示。

圖1 相位法測距原理

采取2種測量系統是因為2者的精度等級不同，但都可滿足弧形閘門制造質量尺寸檢測的需要，運用2種手段可以加強比對，確保數據的嚴謹性。

3 溫度及變形規律測試成果分析

測試項目選取了多個參數和對象，主要對弧形閘門曲率半徑和面板(寬度方向)在不同時間、不同溫度、不同位置進行測量。分別采集了不同時間段(3個完整的日歷天)的氣象溫度和被測對象的溫度，測量了3個完整的日歷天的曲率半徑和面板寬度的變形數據。表1給出了連續3d分時段采集的環境氣象溫度和對象(鋼板)溫度數據。

通過表1溫度數據進行分析，第1天 15:00和第3天 10:30、13:30和15:10，環境溫度較高，分別為32、32、34、32℃，被測對象溫度最高時段均出現在13:00—17:30之間；在夜間和早上測量時，環境溫度和對象溫度數據差別不大；上午環境溫度達到較高溫度時對象溫度并無較大變化，說明鋼材未經歷有效時長太陽照射，溫度未深度積累。需要說明的是，被測對象14個部位均為實測提取，其溫度變化反映的是太陽輻射陽面和陰面的不同。

通過比較2種測量系統分時段測試的溫度數據(詳見表2)及一個工作日內不同時段的面板寬度變化數據(詳見表3)，分析以后發現：連續3d內環境溫度的變化的最大差值為11.5℃，全站儀測量系統觀測數據曲率半徑的最大變化量為3.5mm，激光跟蹤儀系統測得曲率半徑的最大變化量為3.55mm，而1d內最高溫度和最低溫度下面板寬度的變化量為0.8mm。以上數據統計與分析均為鄭州某工廠的測試數據。為了確保數據的充分性，測試組還到四川夾江某工廠制造現場在溫差為10℃左右的2次溫度工況下測得曲率半徑的最大變化量為4.0mm，從2個地點，相同的溫差，不同的時段驗證了數據的一致性。

表1 不同時段環境及對象溫度采集溫度統計表 單位：℃

表2 不同時段弧門曲率半徑測試統計表

表3 不同時段弧門面板寬度測試統計表

由圖2—3可以得出結論，弧門曲率半徑的變化與環境溫度和對象溫度均呈線性關系。

圖2 曲率半徑變形量和環境溫度的關系

圖3 曲率半徑變形量和對象溫度變化量的關系

4 結論

通過現場測試和數據統計分析，我們可以得出如下結論。

(1)弧形閘門面板寬度測試的環境溫度變幅為11.5℃，對象溫度變幅為22.2℃，寬度測試值最大變化量為0.8mm，面板在橫向上未分節，說明面板寬度的變化量僅受溫度因素影響。

(2)弧形閘門曲率半徑測試的環境溫度變幅、對象溫度變幅與面板寬度測試條件相同，全站儀測量系統測得的最大半徑變化量為3.5mm，激光跟蹤儀測量系統的最大半徑變化量為3.55mm，2種系統測得的變化量的量級一致。引起變化量的原因主要和溫度有關，而且曲率半徑變形量和溫度呈現線性關系。

(3)對于大曲率半徑的弧形閘門，在測得曲率半徑偏差值處于允許偏差極限位置時，應考慮溫度的影響。特別要考慮工地安裝時的環境溫度和閘門運行時的環境溫度，盡量在接近上述環境溫度時進行出廠檢測。