在役水工钢闸门锈蚀后工作性态的进展研究

王 姣，刘 颖，危文广，朱振寰

（1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌 330029；3.南昌大学，江西 南昌 3300031）

0 引 言

由于长期处于干湿循环交替、高速水流不断冲击以及微生物不间断腐蚀等环境下，钢材极易发生锈蚀。锈蚀使闸门门体构件变薄、截面应力增大，进而导致结构承载能力下降，甚至造成灾难性事故。种种事故表明，设备老化、腐蚀生锈、破损严重等现象都是闸门安全运行的隐患，加之运行管理力度不够等原因，进而导致突发事故。目前，我国有许多正在服役的钢闸门即将达到或已经达到使用年限，这些钢闸门安全性态不明确且存在着一定的隐患，情况严重的甚至影响水利工程的正常运行。

目前，针对水工钢闸门运行的过程缺乏有效的检测和监测，在问题诊断及预警方面的理论和方法也还不够成熟。锈蚀检测作为在役水工钢闸门质量检测和安全鉴定的一项重要内容，也仅仅是通过获得锈蚀部位及其分布状况、锈蚀区域的分布情况、锈蚀量及蚀余厚度等指标，完成构件的整体锈蚀程度的评定。其检测成果相对单一，对于锈蚀闸门构件的工作性态难以做出全面的、有效的评估。可见，开展在役水工钢闸门锈蚀后工作性态的影响性分析研究，全面评估钢闸门锈蚀后结构的安全状况，对保障水利工程安全运行具有实际意义。因此，围绕在役水工钢闸门锈蚀后工作性态研究方向，本文从5个方面对目前的研究现状进行了阐述和总结。

1 钢闸门材料腐蚀机理和性能退化规律研究

腐蚀环境下，钢结构建筑物的腐蚀行为研究始于20世纪40年代，至今已取得了较丰富的研究成果，但针对水工钢闸门材料的腐蚀行为研究起步较晚，直到20世纪90年代才逐渐开始。Padula[1]（1994）针对钢材料的腐蚀性，提出了钢结构均匀腐蚀的非线性损伤模型；Grana-ta[2]（1996）等提出，腐蚀在造成钢结构截面减小的同时，还会使其疲劳强度降低，从而威胁结构安全；同时期，Kathir[3]（1996）针对人字形钢闸门提出了非线性腐蚀损伤模型，给出了腐蚀模型参数；王德庆[4]（1996）等通过分析钢闸门在淹没区的电流腐蚀、飞溅区的电流和浓差电池腐蚀以及大气区的浓差电池腐蚀，针对钢板在海水中腐蚀机理进行研究，为防腐措施和防腐设计提供建议与优化；Binder[5]（2001）等在对钢材进行腐蚀试验时，分析了碳钢、合金钢的涂层性能，针对材料不能均匀附着的原因和涂料涂覆后抽缩等现象进行了研究；朱雅仙[6]（2002）等在分析影响水工钢闸门腐蚀主要原因的基础上，针对钢闸门中常用的碳钢在水中的腐蚀机理进行了深入研究，同时采用数理统计等方法计算分析材料的腐蚀速率；宋咏春[7]（2005）等采用蚀余厚度法对闸门结构强度进行分析，得出了锈蚀对闸门结构强度的影响较大的结论；王煦[8]（2006）等通过不同防腐涂层的优缺点来进行对比，并对腐蚀机理与原因进行分析总结；余向明[9]（2008）等采用生死单元技术，分析闸门表面锈蚀（大小及分布等因素）对闸门内力的影响；周建方[10]（2008）等统计分析了国内有关工程钢闸门腐蚀的实测数据并获得了其特征参数，认为锈蚀速度分布取正态分布为优；郭建斌[11]（2010）等通过对实际闸门的腐蚀情况及分布规律进行分析，并结合构件出现腐蚀的概率，提出了腐蚀状况分级评定方法，建议强度标准值采用0.9～0.95系数修正；蔡元兴[12]（2012）等认为钢材锈蚀主要有全面锈蚀和局部锈蚀两种形态，其中全面锈蚀以均匀锈蚀最为常见，而局部锈蚀是在锈蚀介质作用的表面个别地方出现的锈蚀；刘悦鑫[13]（2014）针对面板不同锈蚀区域采用蚀余厚度法模拟计算分析，认为闸门未出现锈蚀时，其等效应力较大的部位应该是其锈蚀敏感部位；王毅[14]（2014）等分别对Q235裸钢和Zn-15%AL热喷涂涂层的腐蚀退化过程开展了研究，结果均呈非线性规律，且裸钢的腐蚀程度比Zn-15%AL更加严重；赵林章[15]（2018）等主要针对各种因素对水工钢闸门腐蚀的影响开展研究，尤其是淡水环境中电化学腐蚀、冲刷腐蚀、微生物腐蚀等3种主要方式的对钢闸门腐蚀机理。

2 钢闸门的荷载作用及统计特性研究

近年来人们对水库坝前水位的分布规律进行了许多统计分析和研究工作，并取得了一定的成果，但由于统计工作的繁琐与复杂性，关于钢闸门的荷载资料还很缺乏。通常情况下，影响闸门安全的最主要荷载为静水压力，其大小经常用水头来进行描述，许多研究学者所做的统计参数也是针对水头而言的。朱暾[16]（1993）等对静水压力进行了统计分析，同时建立了闸门主梁荷载与水头之间的线性关系；张照煌[17]（2000）等采用K-S检验法对81座水库的相关资料进行统计分析，结果表明闸门门前的峰水位以正态分布的拟合度最佳，并给出了相应的概率分布函数和特征参数；解伟[18]（2003）通过实际工程的资料进行统计分析也获得了类似的结论；周建方[10]（2008）对82座大型水库坝前水位进行统计分析，得出了坝前水位的年峰水位均值与正常高水位之间的关系，分别从潜孔门和露顶门两方面进行了详细的参数统计，并指出作用在闸门上的静水压力服从正态分布，同时给出了其他荷载参数相应的范围。

3 钢闸门的结构退化规律和剩余寿命预测研究

针对退化的钢闸门构件或结构，约从20世纪七八十年代起，国内外学者便开始关注钢闸门的耐久性问题。夏念凌[19]（1989）首次推导了锈蚀情况下受拉、受压、受弯、受剪及型钢构件的寿命预测公式；文献[1][3]通过对闸门锈蚀情况实测，进行概率统计和参数分析，提出了钢闸门的非线性腐蚀损伤模型和简化可靠性模型，同时考虑了人字型钢闸门疲劳因素的影响，并对剩余寿命进行预测；Patev[20]（1998）等和Putcha[21]（2003）等假设钢闸门在均匀腐蚀的条件下，采用危险函数的方法对钢闸门的时变可靠度进行了分析，并对其剩余寿命进行了预测；任玉珊[22，23]（2001）等引入损伤度的概念，将锈蚀量当做正态分布的随机变量，采用可靠度的理论对闸门构件的剩余寿命进行了分析。李典庆[24]（2003）等提出现役钢闸门结构构件的承载能力极限状态和正常使用极限状态寿命预测方法。张永恩[25]（2013）指出当某构件的可靠度指标等于规范值时，说明其已达到极限状态，并基于此对其剩余寿命进行了分析，同时釆用时变抗力模型抗力衰减主要考虑诱导因素，推导可以得出剩余寿命的计算公式；文献[17]对钢闸门的剩余寿命进行了深入的研究，对拉（压）构件、受弯构件及型钢构件的剩余寿命预测公式进行了总结分析，为实际工程安全运行提供一定的理论依据。

4 钢闸门的可靠度分析研究

范崇仁[26]（1992）等借助概率论与数理统计为基础建立了结构可靠度理论，对水工钢闸门的设计主要考虑两个基本变量（结构抗力R和荷载效应S）的随机性，使结构设计具有比较明确的结构可靠度概念；李典庆[27]（2002）等对水工钢闸门可靠度方面的研究成果进行了分析和总结，指出了各方法的优缺点及合理的建议；周建方[28]（2003）等基于可靠性原理，建立了水工钢闸门结构正常使用极限状态可靠度分析的极限状态方程，并提出了3种计算模式；同年，周建方和李典庆采用层次分析法对现役平面钢闸门动态可靠度进行了评估；李宗利[29]（2004）等在分析目前水工钢闸门可靠度研究成果的基础上，对荷载效应、抗力等不定性统计参数和分布规律的研究思路和方法作了进一步的分析讨论；余向明[30]（2009）等基于结构可靠度理论采用JC法分别计算了闸门初始运行期和工作30年后的结构可靠指标，对闸门的工作性态做出了安全评估；王蛟[31]（2013）等认为闸门是一个复杂的空间结构，其破坏形式有许多种类，仅仅通过考虑构件的破坏形式，难以合理的预判整个闸门的破坏情况，因此加快闸门的系统可靠度研究是今后的重点课题；周星[32]（2014）对水工钢闸门系统可靠度研究指出最近十年来系统可靠度研究进展缓慢且精确度值得考量，并对系统可靠度研究的重要性和研究进行了展望；李永科[33]（2015）利用有限元仿真技术ANSYS对闸门进行三维建模和受力分析并进行可靠度分析；刘柳[34]（2018）基于弧形闸门空间主框架结构布置形式的研究现状对其体系可靠度展开系统研究。

5 钢闸门构件与结构的维护和加固策略研究

针对水工钢闸门的检测、评估和维修，美国较早提出了相应的规范规程；从20世纪80年代末开始，钢闸门安全检测和评估工作也逐渐在我国兴起，作为率先进行该方面研究的河海大学已经完成了众多相关研究课题，参与编制了许多行业规范，并提出了相应的安全检测与评估方法，并且有些规范在近几年也进行了修订。在这些规程规范中，主要是通过现场检查结合检测，收集相关资料，对闸门各子构件及钢闸门整体的安全度通过力学的方法进行计算，综合分析得出评估结果。然而，这种方式本质上还是一种半理论半经验的定性分析，未考虑钢闸门运行过程中各种因素的影响，尤其是锈蚀的影响。

6 结语

水工钢闸门长期处于复杂的运行条件，常因种种自然条件或环境的变化引起腐蚀破坏，若不及时处理，可能危及闸门安全。可见，及时开展钢闸门腐蚀及其导致构件承载性能退化的机理研究，并对在役钢闸门锈蚀后工作性态进行评估显得尤为重要。本节基于以上五个研究方向的进展历程，对在役水工钢闸门锈蚀后工作性态的进展研究成果进行了总结，并进行了展望，希望未来能继续深入发展，寻求新的突破。

（1）钢闸门研究初期主要是从闸门腐蚀的表象出发，结合实际工程现场检测数据分析材料腐蚀情况，其分析过程往往具有较大的经验性，而缺少对材料微观组织层面的深入研究。

（2）大部分荷载作用统计分析是基于有限的统计数据信息开展，且主要是依据设计荷载基准期，针对主梁和支臂等主要构件进行计算分析。但是，闸门是一个空间整体结构，其承受荷载作用是所有构件的整体行为，面板和次梁荷载时变过程还需要深入研究，尤其是以锈蚀为主要损伤引起板材厚度减少的退化构件，更不可忽视。

（3）钢闸门的耐久性和剩余寿命预测研究是未来研究的重点课题，主要可分为两个方向：一是引入可靠度基本理论，研究闸门主要构件或结构的时变可靠性并预测剩余寿命，这是一个刚开始的新领域；二是基于构件或结构的时变可靠度分析，应用数值模型或方法，如故障树方法、层次分析方法等，初步探索闸门结构体系的时变可靠度和剩余寿命。

（4）基于可靠度的钢闸门安全性分析数值方法的简化计算主要集中在主梁，缺少对面板、边梁等构件的荷载、抗力和时变可靠性，以及构件之间的作用关系的研究；同时对闸门系统的可靠度研究还很少，对在役闸门的系统可靠性评价均不是基于结构系统可靠度展开，而是依据构件的重要性进行统计评判，是一种以实用为目的的评估方法，会产生统计信息的代表性不足问题和少量构件信息如何评价结构整体性问题。

（5）在考虑闸门锈蚀机理基础上，引入可靠度理论来进行在役钢闸门工作性态研究是以后研究的重点方向，也逐渐成为进行钢闸门安全性评估的基本技术和标准。因此有必要基于可靠度理论对水工钢闸门锈蚀后工作性态评估进行研究。