某水電站是一個以發(fā)電為主兼有灌溉效益的徑流式電站，在大壩安全檢查中，對溢流段露頂弧形鋼閘門進行了全面檢查，認為弧形閘門運行基本正常，但部分金屬構件的截面應力偏高。為確定大壩安全，現采用電阻應變測試技術對銹蝕嚴重的露頂弧形鋼閘門進行了靜態(tài)應變測量分析試驗。

水電站總裝機容量51MW，水庫總為容1.12億m³。壩型為填碴框格重力壩，*大壩高為38.8m，溢流壩段設9個溢流孔，每孔設置10m*12m露頂弧形鋼閘門，堰頂高程164.93m，正常高水為177m。3^#和7^#弧形鋼閘門銹蝕嚴重，對其進行應變測量。

靜態(tài)應力測點布置

弧形閘門是由面板、豎梁、橫梁和上下支壁等組成弧形表面鋼結構。為充分反映靜應力，我們在弧形閘門的各個主要部位；豎梁、主梁、支臂和面板上都設置了測點?？紤]到結構及荷載的對稱性，因此測點都集中在中軸線一側上，具體如下：

1. 豎梁選取上段門葉一側靠近中軸線的1^#、2^#豎梁與1^#主梁連接處作為觀測截面。在該截面的豎梁上游翼緣的下游側及下游翼緣的下游側各布置一豎向的應變片，在腹板中點處布置一45°的應變花，兩根豎梁有6個測點10片應變片，見下圖。

2. 主梁根據荷載情況選擇荷載較大的下段門葉的3^#、4^#主梁作為主要觀測對象，在主梁跨中上翼緣的下游側和下翼緣的下游側設置一水平方向（x方向）的應變片，在主梁與支臂連接處支座兩側及抗剪板外端各布置一觀測截面，截面具體稱為1-1、2-2、3-3，每個截面設有5個測點，即是上翼緣的下游側，下翼緣的上游側和下游側，腹板的上游端、中點、下游端，其中在翼緣測點處布置一水平方向應變片，腹板三個測點都布置45°的應變花。此外為配合振動測試，在2^#主梁跨中下翼緣的下游側布置一水平方向應變片，主梁上一共有37個測點，73個應變片。

3. 支臂選一側的下支臂下桿布置4個觀測截面A-A、B-B、C-C、D-D，由于支臂主要受軸向力作用，因此每個測點沿支臂僅布置軸向應變片，支臂下桿上有9個測點、9個應變片。面板上我們選取2個受到荷載較大的下段門葉中板寬較大、銹蝕嚴重的區(qū)域，并將測點布置在板的長邊中點及區(qū)格形心，每個測點沿水平和豎向布置2個應變片，每扇門兩個區(qū)格有4個測點共8個應變片。這樣，每扇弧形鋼閘門上共布置了56個測點，共100片應變片。測試過程中，每10個工作片共用一片溫度補償片，以消除溫度對測量影響。

測試儀器及測試條件

弧形鋼閘門的應變測量試驗采用JHYC靜態(tài)應變儀。測試時正值枯水季節(jié)，兩扇閘門實測水位均未達到正常高水位177m，7^#門實測的庫水位是176.42m，3^#門是175.74m，分別比正常高水位低0.58m和1.26m。每扇門在同一水位上進行了3-4次靜態(tài)應變測量，同一閘門同一應變片各實測應變值誤差不超過5個微應變，觀測的重現值較好，滿足測量要求。

測試結果及分析

豎梁測得的應力均較小，7^#門、1^#豎梁上翼緣與下翼緣的豎向應力σ_x分別為14.7MPa和-46.8MPa，豎梁受拉、壓情況與豎梁受力情況相符。

主梁測試結果表明，主梁的彎曲應力σ_x在主梁與支臂連接處附近三個截面上受力情況是上翼緣和腹板上部受拉，下翼緣和腹板下部受壓，跨中截面主梁的上翼緣受壓，下翼緣受拉。σ_x大小分布與理論分析相符，中間σ_x小，兩側大。由力學理論知，σ_x主要由彎曲引起，弧形閘門主梁是以支臂為支座的雙外伸梁，受均布水壓作用后，支座處彎矩為上部受拉，跨中截面彎矩為下部受拉，說明測試結果與弧形閘門主梁受均布水壓荷載作用下的變形規(guī)律一致。此外，根據弧形閘門主梁的理論計算知其支座處的彎矩大小跨中彎矩，因此主梁支座兩側σ_x比跨中的大，實測σ_x值大小也與此相吻合。7^#閘門實測*大彎曲應力σ_x發(fā)生在3^#主梁1-1截面的下翼緣，其值是σ_max=-100.8MPa，兩側閘門彎曲應力σ_x實測值均小于規(guī)范規(guī)定的容許應力[σ]=160MPa。由彈性理論分析可知，弧形閘門主梁的擠壓應力σ_y主要由直接荷載水壓力q引起，矩形截面梁在受均布q作用時，*大擠壓應力σ_ymax=-q應在梁頂，梁底的σ_y=0，呈拋物線分布。實測擠壓應力σ_y的結果與理論相近，同時由于支臂的作用，*大的擠壓應力σ_y發(fā)生在主梁與支臂連接處的下游側，7^#門實測*大的擠壓應力σ_y發(fā)生在該處兩側截面腹板下游端與下翼緣交接處，4^#主梁為σ_ymax=-128.7MPa，3^#主梁為σ_ymax=-169.2MPa，比容許應力[σ]=160MPa大。而主梁的3-3觀測截面離支臂較遠，受到支臂影響較小，所以實測的擠壓應力σ_y也是顯著減少，總得情況是觀測截面下游端的擠壓應力σ_y較上游端大。主梁的剪應力τ主要由剪力引起，而在支座處的剪力*大且剪力符號發(fā)生改變，實測τ的情況與此相同。*大剪應力τ_max在主梁支座兩側截面腹板的下游端，3^#閘門4^#主梁在低于正常高水位1.28m的實測值達到了τ_max=-86.2MPa，接近規(guī)范容許剪應力[τ]=95MPa。7^#閘門主梁在低于正常高水為0.58m條件下，腹板測點實測值按形態(tài)改變比能強度理論計算出的折算應力σ有3點超過規(guī)范所規(guī)定的容許應力[σ]=160MPa，他們分別是4^#梁1-1、2-2截面的163.3MPa和174.7MPa，特別在3^#主梁2-2截面的腹板下游端高達201.9MPa，大于1-1*[σ]=176MPa，說明弧形閘門主梁與支臂連接處附近的強度不安全。

支鉸的第D-D觀測截面實測應力內側為-72.4MPa，外側為-82.5MPa，說明支臂X向彎矩不為零，是一彎壓組合變形。這與弧形閘門π型框架受力變形情況相同，*大軸向壓力在支臂與主梁連接處附近A-A截面上的內側翼緣處，其值為-177.6MPa大于1.1*[σ]=176MPa，說明支臂該處的強度不夠。

由于面板銹蝕嚴重，故測得應力較大，7^#門在低于正常高水位0.58m的條件下，實測應力*大值σ_max=-230.1MPa，其值接近于弧形閘門材料A₃鋼的區(qū)服極限為235MPa。在這種情況下，該部位可能會出現一些塑性變形，應引起重視。

結論與建議

1. 弧形鋼閘門實測結果與結構各部件受到水壓力作用變形相符，表明試驗結果可靠。

2. 當低于正常高水位177m時，7^#門的3^#、4^#主梁與支臂連接處附近的腹板上有3個測點的折算應力σ_δ4大于規(guī)范規(guī)定的容許應力[σ]=160MPa，*大σ_δ4=201.9MPa，大于1.1*[σ]=176MPa。此外支臂下桿的軸向應力也高達177.6MPa，因此可以判斷結構在該處附近的強度不安全，需對該水電站9扇弧形閘門在3^#、4^#主梁與支臂連接處采取結構加固措施，即增加主梁和支臂在連接處的截面面積，加大結點剛度，降低主梁和支臂在該部位的應力峰值。

3. 由于弧形鋼閘門面板銹蝕嚴重，7^#門下段門葉在低于正常高水位0.58m情況下測試出Z方向*大應力達230.1MPa，接近A₃鋼屈服極限235MPa，說明弧形鋼閘門面板處于正常高水位工作時，面板的某些局部位置將處于塑性應力狀態(tài)。當開門泄洪時，可能會由于塑性變形而誘發(fā)異常振動，導致氣蝕。因此，須對銹蝕嚴重的面板采取結構加固措施，即加厚面板或加焊次梁以減小面板應力。