在役水工钢闸门检测和安全鉴定
2011-09-05苏建明叶小强
苏建明,陈 飞,叶小强
在役水工钢闸门检测和安全鉴定
苏建明,陈 飞,叶小强
(苏州市水利设计研究院有限公司,江苏苏州 215004)
水工钢闸门是水工建筑物的主要挡水结构,在服役期受周边环境和运行荷载的影响,将发生防腐涂层剥落、钢板锈蚀、磨损、变形等破损形式。为确保闸门结构安全、满足水工建筑物日常效益的发挥,需对在役水工钢闸门进行科学合理的抽样检测分析和安全鉴定。胥口水利枢纽节制闸安全鉴定基于先进仪器的检测和科学的数据处理分析,为充分发挥闸门的承载能力,采用空间静力有限元对其结构进行强度和刚度复核,评估认定该节制闸钢闸门满足规范要求,能够安全正常使用。
钢闸门;安全鉴定;检测;静力有限元分析
水工钢闸门为水工建筑物的主要挡水结构,分为露顶门和潜孔门。由于现行《水利水电工程钢闸门设计规范》(SL74-95)采用容许应力方法进行结构验算[1],不具有“设计使用寿命”的概念;服役期闸门结构多处于潮湿或干湿交替的环境中,恶劣的周边环境对材料尺寸和材性的侵蚀较为严重;闸门结构比表面积相对较大,难以全部得到完整有效的保护,所以对在役期的水工钢闸门进行科学合理的抽样检测和安全鉴定需紧迫地提上日程,否则闸门的失事将严重影响整个水利枢纽建筑物的安全,更影响到枢纽综合效益的充分发挥。
1 工程概况
苏州市胥口水利枢纽节制闸为口门16 m单孔,采用升卧式平面钢闸门,启闭机为固定卷扬式QP2×250启闭机。闸门尺寸为16 m×5.5 m(宽×高),设计水头5.0 m,操作条件为动水启闭,电动启门速度为2.5 m/min,钢闸门防腐采用热喷涂锌150 μm,外涂二度AC-15氯丁橡胶铝粉漆50μm厚。钢闸门结构见图1,材料为A3钢,面板厚8 mm,主梁上翼缘厚12 mm、下翼缘厚16 mm、腹板14厚mm,纵梁上翼缘、下翼缘、腹板厚10 mm。
根据“江苏省水闸安全鉴定管理办法”之规定,苏州市胥口水利枢纽运营至今10年,于2009年7月开展全面的安全鉴定,其中包括对钢闸门的检测和安全评估项目。
图1 胥口水利枢纽钢闸门结构图(半幅)Fig.1 Structure of steel gate of Xukou sluice
2 检测工艺
2.1 检测方案
水工钢闸门的检测依据有《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》SL101-94、《水利水电工程金属结构报废标准》SL226-1998、《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》DLT 5018-94。检测内容包括锈蚀检测,如涂层厚度、蚀余厚度、蚀坑深度;外形与变形检测,如外形尺寸、损伤变形、磨损、挠度等;巡视检查与外观检查,如金属结构状况以及运行的保证强度,变形、破损、锈蚀等。钢闸门结构安全评估的数据分析主要以钢板蚀余厚度和涂层厚度为主要参数。
金属腐蚀分为2大类,为全面腐蚀和局部腐蚀,其中全面腐蚀可能是均匀的,也可能是非均匀的,表现为某大面积的化学或电化学反应;局部腐蚀包括坑蚀、缝隙腐蚀、水线腐蚀、磨(冲)蚀、气蚀、生物腐蚀及应力腐蚀等。在2种腐蚀形态的作用下,选择测量仪器时应考虑钢结构的表面已不再平整光洁。最精确和常用的无损检测方法是利用超声波测厚仪测量钢板蚀余厚度,测量精度可达0.01 mm。但常规的超声波测厚仪探头直径较大,在检测前需对钢材表面打磨,露出检测平面,并且当钢材表面有涂层时,在厚度读数中要扣除2倍的涂层厚度值。而本工程采用德国进口的DM4DL型超声波金属厚度检测仪,该仪器特有测量穿过涂层的操作模式,在被测物表面有油漆时,无需去除油漆而测量材料的净厚度,携带标准探头和超薄探头两种(探头接触直径均为12.1 mm),测量范围为0.6~200mm,能够方便的用于腐蚀钢板厚度测试。闸门面板涂层用Qua-Nix7500(德国产)涂层厚度测定仪检测,在使用时只需调零、无需校准,具有Fe/NFe、Fe、NFe多种探头,测量精度:0~50μm,≤±1μm;50~1 000μm,≤±1.5;1 000~2 000μm,≤±2;2 000~5 000μm,≤±3,测量范围:0~2 000μm/0~5 000μm[2]。
2.2 数据分析
在对钢闸门钢板蚀余厚度和涂层厚度数据分析时,一方面为直观的显示厚度分布,可采用频数直方图对数据进行分组,处理结果见图2至图5,另一方面为满足95%的保证率,需对整体数据进行数理统计分析,获得能够用于结构计算的厚度值,结果数据见表1。
由图2、图3的钢板蚀余厚度频数分布图可知,闸门在锈蚀后钢板厚度基本满足正态概率分布,说明钢结构锈蚀以全面腐蚀为主,平均锈蚀量为1.2 mm,闸门防腐处理效果明显,施工质量良好,涂层不存在少涂或漏涂的现象。由图4、图5的涂层厚度频数分布图可知,当前的涂层厚度均能满足规范要求。
表1 蚀余厚度和涂层厚度统计表Table 1 Statistics of erosion thickness and coating thickness mm
图2 面板蚀余厚度频数图Fig.2 Frequency of erosion thickness of faceplate
图3 主梁翼缘钢板厚度频数图Fig.3 Frequency of erosion thickness of m ain beam flange
图4 面板涂层厚度频数图Fig.4 Frequency of coating thickness of faceplate
图5 主梁涂层厚度频数图Fig.5 Frequency of coating thickness ofmain beam
3 闸门有限元分析
钢闸门是一种典型的空间薄壁结构体系,由一系列板、壳、梁、杆等构件组合而成。正常工作时,闸门所承受荷载将通过各构件的相互传递来共同承担,面板、主横梁、纵梁等将发生弯曲、轴向、扭转、剪切等组合变形,因此计算模型的选择必须考虑到各构件的几何性质、变形特征、受力特点以及相互作用关系等,以正确反映出闸门的整体作用以及各构件的实际工作状态,所以采用空间有限元分析能够充分考虑闸门的实际承载能力。
3.1 闸门有限元模型
根据闸门的结构形式和受力特点,将闸门面板、主横梁、纵梁、边柱、底梁等离散为板单元,由于闸门关于跨中对称,所以取一半闸门做为计算模型,结构有限元计算模型如图6。计算模型的节点总数为11 439个,单元总数为11 629个。闸门各构件的外形尺寸按现场实测尺寸取用,构件厚度采用实测的蚀余厚度推定值。
图6 闸门有限元模型(下游侧)Fig.6 FEM model of steel gate(downstream side)
闸门主要构件的材料为A3钢,相当于现在的Q235钢,材料的弹性模量取E=2.06×105MPa,泊松比μ=0.3,重度γ=78.5 kN/m3。
计算荷载主要考虑作用于闸门的水压力、浪压力和闸门自重。计算工况:①闸门在设计水位工况,上游水头4.80 m,下游水头3.50 m;②闸门在校核水位工况上游水头5.00 m,下游水头3.80 m;③检修工况,上游水头3.20 m,下游水头0.00 m。通过计算可知工况2即校核工况为强度、刚度验算控制工况。模型的约束和荷载加载图见7。
3.2 计算结果
利用大型有限元计算软件ANSYS进行结构计算,面板的折算应力、上主横梁的应力、下主横梁的应力见图8至图11。计算结果表明:
(1)面板的计算折算应力为112.5 MPa,发生在面板与下主梁跨中的连接处,容许的折算应力值为158 MPa,所以在校核水位工况下,面板强度满足规范要求。
图7 闸门有限元模型(上游侧)Fig.7 FEM model of steel gate(upstream side)
图8 面板折算应力图Fig.8 Von M ises stresses of facep late
图9 上主梁轴向应力图Fig.9 Axial stresses of upper main beam
(2)上主梁跨中的轴向应力为58.5 MPa,最大应力为78.0 MPa,发生在跨中向边梁的第一个截面变化处,容许的抗拉(弯)应力值为144 MPa;剪应力为23.2 MPa,发生在靠近边梁的腹板上,容许的抗剪应力值为86 MPa,所以在校核水位工况下,上主梁的抗弯、抗剪强度满足规范要求。
图10 上主梁剪应力图Fig.10 Shear stresses of upper main beam
图11 下主梁轴向应力图Fig.11 Axial stresses of under main beam
(3)下主梁跨中的轴向应力为57.8 MPa,最大应力为79.9 MPa,发生在跨中向边梁的第一个截面变化处,容许的抗拉(弯)应力值为144 MPa;剪应力为23.2 MPa,发生在靠近边梁的腹板上,容许的抗剪应力值为86 MPa,所以在校核水位工况下,下主梁的抗弯、抗剪强度满足规范要求。
(4)其它构件,如小横梁、纵梁、边梁的最大轴向应力为84 MPa,剪应力为22.7 MPa,均小于规范容许值,抗弯、抗剪强度满足规范要求。
(5)最大变形发生在小主横梁跨中,为9.6 mm,小于26.7 mm(最大挠度与计算跨度的比值不应超过1/600),刚度满足规范要求。
4 结 论
通过对胥口水利枢纽节制闸钢闸门的检测和安全鉴定工作,得到如下结论:
(1)受检测构件表面粗糙的影响,在钢闸门蚀余厚度检测和涂层厚度检测时应选择先进的检测仪器,以保证数据的准确可靠性。
(2)利用数理统计的方法对实测数据进行处理,以蚀余厚度推定值为参数建立了闸门结构三维有限元模型并计算,可以真实全面地反应各构件在荷载作用下的应力分布和变形。
(3)安全鉴定表明胥口水利枢纽节制闸钢闸门的强度、刚度均能满足规范要求,可正常运行。
[1] DL/T835,水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程[S].(DL/T835-2003,Technical Code of Safety In-spection for Hydraulic Steel Gate and Hoist machinery[S].(in Chinese))
[2] 叶小强柯敏勇刘海祥.苏州市胥口水利枢纽节制闸和一线船闸工程安全鉴定报告[R].南京:南京水利科学研究院,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,水闸设计规范[S].(SL265-2001,De- sign Specification for Sluice[S].(in Chinese) )
(编辑:赵卫兵)
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
苏建明(1977-),男,江苏苏州人,工程师,主要从事水工结构设计研究,(电话)13962166096(电子信箱)SZliuyj75@163.com。