人字门背拉杆应力测试方法

蒲红家，张国栋，李国栋

（1.中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116001；2.中交一航局安装工程有限公司，天津 300457）

1 概述

重庆草街船闸工作闸门为人字形双开门钢闸门，上、下闸首各一道。上闸首闸门高30.5 m，下闸首闸门高30.9 m，单扇门叶宽均为13.8 m。闸门构造为交叉式预应力背拉杆人字门结构。

通导航船闸人字闸门在水压力、自重等荷载作用下，较易发生扭曲变形，在人字闸门体后设置交叉式背拉杆是增加闸门抗扭性能的措施之一。依据JTJ 308—2003《船闸闸阀门设计规范》，为了克服门叶启闭时门前壅水所引起的巨大扭矩和门叶自身重心与剪切力中心错位等不利工况，需要通过对人字门背拉杆进行预应力张拉处理，以增加人字门体的整体结构抗扭性能[1]。

闸门背拉杆预应力测试现场的环境温度约为5℃，空气湿度约为80%。

2 背拉杆预应力测试方案及实施方法

2.1 设计要求

根据设计要求，通过闸门背拉杆张拉预应力调整，闸门体结构应达到如下最终要求：

1） 人字门门体斜接柱铅垂误差±2mm；

2）背拉杆预应力张拉施工中，主杆应力应达到 70～80MPa；副杆应力应达到 30～40MPa[2]。

测试方法及现场操作均遵循以下国家及行业标准：JTJ 308—2003《船闸闸阀门设计规范》、DL/T 835—2003《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》、GB/T 13992—1992《电阻应变计》、GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》。

2.2 预应力测试方法及实施情况

2.2.1 应变片电测法及实施情况

在试验荷载作用下对测试截面的应变进行观测，主要在测试截面上布置应变测点，以静态应变仪观测截面的应变。

基于美国NI LabVIEW虚拟仪器开发平台，采用以YDB-3动静态应变仪为应变调理装置的仪器系统，对下闸门体背拉杆张拉过程进行了现场测量。

2010年1月13日—14日期间，在应变片电测法预试性测量中发现存在下列技术问题：

1） 由于测试现场同时进行电焊、混凝土浇灌、设备吊装等施工，这些耗电性工作对于现场测量仪器的供电系统会产生较大的电压冲击，导致测量仪器供电电压不稳定，其中因电焊机电源直接采用现场坝体金属网架进行地线连接对仪器供电地线的“零电位”干扰影响最大。

2）闸门体背拉杆张拉调试工作耗时较长，需要进行多天连续监测。其间，由于停机断电等原因都会使“零位法”电测工作难以实现张拉过程应力监测工作的连续性。

3）由于电测法应变片主测方向的应变敏感栅长度约为5 mm，在80 MPa应力作用下，材料为Q345B16Mn背拉杆结构5 mm应变片长度的变形量仅有0.002 mm。在应变测量中，粘贴应变片主测轴线难以与背拉杆轴线精确共线以及应变片与仪器连接电缆附加电阻、寄生电容等因素均会不同程度地影响测量应力数值。

由于测量现场无法保证应变测试工作所需电源条件，经与设计单位、测试单位反复认真分析，并经现场测量试验验证，决定对原应变片电测法进行合理变更，形成了以材料力学虎克定律为理论基础，以GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》为技术基础的闸门体背拉杆张拉预应力“百分表应变直接测量法”。

2.2.2 百分表应变直接测量法及测试工作

1） 测试原理

参考GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》中的技术规定，“百分表应变直接测量法”的基本原理（见图1）为：在待测背拉杆体上焊接长度L约1 m的刚性杆并与磁力座固定的百分表头形成结构变形直接测量环路，张拉过程中通过读取百分表的变形量，利用材料力学虎克定律计算得到背拉杆的结构应力[3]。

2） 测试过程

闸门背拉杆张拉调整过程中，对闸门体主、副背拉杆进行应力监测。调整步骤为：

①在背拉杆螺母初步旋紧，无明显自重变形的情况下作为应力测试的0值，背拉杆实测轴线应尽量接近直线。

图1 “百分表应变直接测量法”测试装置示意图Fig.1 Test device of directdialgauge strain gauging measurementmethod

②在调节螺母两侧的拉杆上加设槽形挡板，防止调节螺母时背拉杆扭转，但背拉杆可自由在轴向变形，如图2。做好每根背拉杆应力测试的准备工作。

图2 背拉杆槽形挡板示意图Fig.2 The trough type baffle of tie-back bar

③采用8只百分表同时设置于闸门上下框8根主、副杆件分段内，以主调杆的百分表为应力监测基准，安排4位读表人员同时对主、副拉杆的百分表进行目测读数。

④采用链钳扳手收紧上、下层主杆调节螺母，使应力增加10～15 MPa左右，根据应力测试情况和斜接柱的垂直度，决定每根主杆的收紧量，使各杆应力尽量接近；同时收紧上、下层副杆调节螺母结构，使应力增加10～15 MPa左右，在记录杆应力的同时记录斜接柱的垂直度并记录主杆的应力增值。

⑤反复以上调整，以达到最终设计要求。

采用“百分表应变直接测量法”对重庆草街船闸闸门体进行背拉杆预应力张拉的测试中，测试人员在测试闸门体每根主、副杆上都布置有1套百分表应变测试装置，左、右每单扇闸门共布置8套测试装置（见图3），同时监测并记录张拉调试过程中各杆应力的变化。

3） 测试结果

闸门体背拉杆张拉过程预应力测试结果见表1、表2所示，仅以下闸门（左门）背拉杆调试过程应力记录为例，其他门体记录相似。

根据现场测试结果可以得出以下结论，上、下闸门体背拉主、副杆平均张拉预应力均符合设计规定。

图3 单扇闸门应力测试装置布置图Fig.3 Stress testdevice layoutof single leafgate

表1 下闸门背拉杆调试过程应力记录表Table 1 Stress record for tie-back bar debugging processof lowerm itre gate

表2 张拉预应力与设计值比较Table2 Com pare the tensionalprestressw ith design value MPa

3 结语

重庆嘉陵江草街航电枢纽人字闸门门体背拉杆预应力张拉过程所采用的“百分表应变直接测量法”，与应变片电测法相比具有测量操作简单易行，结果直观，测量装置成本低廉，不受供电电源及施工环境影响，便于工程推广等特点。此外，由于“百分表应变直接测量法”采用约1 m长度范围结构总变形量计算结构应变（应力），因而测量数据更为可靠。

[1]JTJ308—2003，船闸闸阀门设计规范[S].JTJ 308—2003,Code for design of lock gates and valves of shiplocks[S].

[2] 范钦珊，殷雅俊.材料力学[M].2版.北京：清华大学出版社，2008.FAN Qin-shan,YIN Ya-jun.Mechanics of materials[M].2 ed.Beijing:Tsinghua University Press,2008.

[3]GB/T 228—2002，金属材料室温拉伸试验方法[S].GB/T 228—2002,Metallic materials:Tensile testing at ambient temperature[S].