水电站弧形钢闸门静态应变测量分析试验

某水电站是一个以发电为主兼有灌溉效益的径流式电站，在大坝安全检查中，对溢流段露顶弧形钢闸门进行了全面检查，认为弧形闸门运行基本正常，但部分金属构件的截面应力偏高。为确定大坝安全，现采用电阻应变测试技术对锈蚀严重的露顶弧形钢闸门进行了静态应变测量分析试验。

水电站总装机容量51MW，水库总为容1.12亿m³。坝型为填碴框格重力坝，*大坝高为38.8m，溢流坝段设9个溢流孔，每孔设置10m*12m露顶弧形钢闸门，堰顶高程164.93m，正常高水为177m。3^#和7^#弧形钢闸门锈蚀严重，对其进行应变测量。

静态应力测点布置

弧形闸门是由面板、竖梁、横梁和上下支壁等组成弧形表面钢结构。为充分反映静应力，我们在弧形闸门的各个主要部位；竖梁、主梁、支臂和面板上都设置了测点。考虑到结构及荷载的对称性，因此测点都集中在中轴线一侧上，具体如下：

1. 竖梁选取上段门叶一侧靠近中轴线的1^#、2^#竖梁与1^#主梁连接处作为观测截面。在该截面的竖梁上游翼缘的下游侧及下游翼缘的下游侧各布置一竖向的应变片，在腹板中点处布置一45°的应变花，两根竖梁有6个测点10片应变片，见下图。

2. 主梁根据荷载情况选择荷载较大的下段门叶的3^#、4^#主梁作为主要观测对象，在主梁跨中上翼缘的下游侧和下翼缘的下游侧设置一水平方向（x方向）的应变片，在主梁与支臂连接处支座两侧及抗剪板外端各布置一观测截面，截面具体称为1-1、2-2、3-3，每个截面设有5个测点，即是上翼缘的下游侧，下翼缘的上游侧和下游侧，腹板的上游端、中点、下游端，其中在翼缘测点处布置一水平方向应变片，腹板三个测点都布置45°的应变花。此外为配合振动测试，在2^#主梁跨中下翼缘的下游侧布置一水平方向应变片，主梁上一共有37个测点，73个应变片。

3. 支臂选一侧的下支臂下杆布置4个观测截面A-A、B-B、C-C、D-D，由于支臂主要受轴向力作用，因此每个测点沿支臂仅布置轴向应变片，支臂下杆上有9个测点、9个应变片。面板上我们选取2个受到荷载较大的下段门叶中板宽较大、锈蚀严重的区域，并将测点布置在板的长边中点及区格形心，每个测点沿水平和竖向布置2个应变片，每扇门两个区格有4个测点共8个应变片。这样，每扇弧形钢闸门上共布置了56个测点，共100片应变片。测试过程中，每10个工作片共用一片温度补偿片，以消除温度对测量影响。

测试仪器及测试条件

弧形钢闸门的应变测量试验采用JHYC静态应变仪。测试时正值枯水季节，两扇闸门实测水位均未达到正常高水位177m，7^#门实测的库水位是176.42m，3^#门是175.74m，分别比正常高水位低0.58m和1.26m。每扇门在同一水位上进行了3-4次静态应变测量，同一闸门同一应变片各实测应变值误差不超过5个微应变，观测的重现值较好，满足测量要求。

测试结果及分析

竖梁测得的应力均较小，7^#门、1^#竖梁上翼缘与下翼缘的竖向应力σ_x分别为14.7MPa和-46.8MPa，竖梁受拉、压情况与竖梁受力情况相符。

主梁测试结果表明，主梁的弯曲应力σ_x在主梁与支臂连接处附近三个截面上受力情况是上翼缘和腹板上部受拉，下翼缘和腹板下部受压，跨中截面主梁的上翼缘受压，下翼缘受拉。σ_x大小分布与理论分析相符，中间σ_x小，两侧大。由力学理论知，σ_x主要由弯曲引起，弧形闸门主梁是以支臂为支座的双外伸梁，受均布水压作用后，支座处弯矩为上部受拉，跨中截面弯矩为下部受拉，说明测试结果与弧形闸门主梁受均布水压荷载作用下的变形规律一致。此外，根据弧形闸门主梁的理论计算知其支座处的弯矩大小跨中弯矩，因此主梁支座两侧σ_x比跨中的大，实测σ_x值大小也与此相吻合。7^#闸门实测*大弯曲应力σ_x发生在3^#主梁1-1截面的下翼缘，其值是σ_max=-100.8MPa，两侧闸门弯曲应力σ_x实测值均小于规范规定的容许应力[σ]=160MPa。由弹性理论分析可知，弧形闸门主梁的挤压应力σ_y主要由直接荷载水压力q引起，矩形截面梁在受均布q作用时，*大挤压应力σ_ymax=-q应在梁顶，梁底的σ_y=0，呈抛物线分布。实测挤压应力σ_y的结果与理论相近，同时由于支臂的作用，*大的挤压应力σ_y发生在主梁与支臂连接处的下游侧，7^#门实测*大的挤压应力σ_y发生在该处两侧截面腹板下游端与下翼缘交接处，4^#主梁为σ_ymax=-128.7MPa，3^#主梁为σ_ymax=-169.2MPa，比容许应力[σ]=160MPa大。而主梁的3-3观测截面离支臂较远，受到支臂影响较小，所以实测的挤压应力σ_y也是显著减少，总得情况是观测截面下游端的挤压应力σ_y较上游端大。主梁的剪应力τ主要由剪力引起，而在支座处的剪力*大且剪力符号发生改变，实测τ的情况与此相同。*大剪应力τ_max在主梁支座两侧截面腹板的下游端，3^#闸门4^#主梁在低于正常高水位1.28m的实测值达到了τ_max=-86.2MPa，接近规范容许剪应力[τ]=95MPa。7^#闸门主梁在低于正常高水为0.58m条件下，腹板测点实测值按形态改变比能强度理论计算出的折算应力σ有3点超过规范所规定的容许应力[σ]=160MPa，他们分别是4^#梁1-1、2-2截面的163.3MPa和174.7MPa，特别在3^#主梁2-2截面的腹板下游端高达201.9MPa，大于1-1*[σ]=176MPa，说明弧形闸门主梁与支臂连接处附近的强度不安全。

支铰的第D-D观测截面实测应力内侧为-72.4MPa，外侧为-82.5MPa，说明支臂X向弯矩不为零，是一弯压组合变形。这与弧形闸门π型框架受力变形情况相同，*大轴向压力在支臂与主梁连接处附近A-A截面上的内侧翼缘处，其值为-177.6MPa大于1.1*[σ]=176MPa，说明支臂该处的强度不够。

由于面板锈蚀严重，故测得应力较大，7^#门在低于正常高水位0.58m的条件下，实测应力*大值σ_max=-230.1MPa，其值接近于弧形闸门材料A₃钢的区服极限为235MPa。在这种情况下，该部位可能会出现一些塑性变形，应引起重视。

结论与建议

1. 弧形钢闸门实测结果与结构各部件受到水压力作用变形相符，表明试验结果可靠。

2. 当低于正常高水位177m时，7^#门的3^#、4^#主梁与支臂连接处附近的腹板上有3个测点的折算应力σ_δ4大于规范规定的容许应力[σ]=160MPa，*大σ_δ4=201.9MPa，大于1.1*[σ]=176MPa。此外支臂下杆的轴向应力也高达177.6MPa，因此可以判断结构在该处附近的强度不安全，需对该水电站9扇弧形闸门在3^#、4^#主梁与支臂连接处采取结构加固措施，即增加主梁和支臂在连接处的截面面积，加大结点刚度，降低主梁和支臂在该部位的应力峰值。

3. 由于弧形钢闸门面板锈蚀严重，7^#门下段门叶在低于正常高水位0.58m情况下测试出Z方向*大应力达230.1MPa，接近A₃钢屈服极限235MPa，说明弧形钢闸门面板处于正常高水位工作时，面板的某些局部位置将处于塑性应力状态。当开门泄洪时，可能会由于塑性变形而诱发异常振动，导致气蚀。因此，须对锈蚀严重的面板采取结构加固措施，即加厚面板或加焊次梁以减小面板应力。