淺析應(yīng)變測試技術(shù)在水工鋼結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用

摘要：電阻應(yīng)變計測試技術(shù)作為一種成熟的無損檢測方法，在各行業(yè)都得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。文章以遼寧某大型攔河閘鋼閘門應(yīng)力檢測和啟閉機啟閉力檢測為背景，闡述了電阻應(yīng)變計法在水工鋼結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用，結(jié)果分析表明測試方法科學(xué)、結(jié)果準確，可為相關(guān)工程設(shè)計、檢測、施工等提供指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變計法；應(yīng)變測試技術(shù)；水工鋼結(jié)構(gòu)；鋼結(jié)構(gòu)檢測；無損檢測技術(shù) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH823 文章編號：1009-2374（2016）14-0129-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.065

1 概述

應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)作為一種成熟的無損檢測方法，在機械、土木、水利、橋梁等各行各業(yè)都得到了廣泛的推廣與應(yīng)用，其應(yīng)用研究在許多工業(yè)發(fā)達國家也受到普遍重視。電阻應(yīng)變計測量法是目前最常用的應(yīng)力應(yīng)變實測方法，電阻應(yīng)變片也是應(yīng)用最廣泛、最方便的傳感元件之一。本文以遼寧某河干流大型攔河閘鋼閘門現(xiàn)場安全檢測和評價為研究對象，闡述應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，根據(jù)ANSYS有限元計算結(jié)果，綜合分析鋼閘門現(xiàn)狀質(zhì)量和安全情況，為類似工程的設(shè)計、檢測、施工等提供指導(dǎo)和借鑒。

2 電阻應(yīng)變片測量原理

電阻應(yīng)變計法是以電阻應(yīng)變片為傳感元件，將其粘貼在被測構(gòu)件的測點處，使其隨同構(gòu)件變形，在根據(jù)應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種試驗應(yīng)力分析方法。測量時，將電阻應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件測點的表面，當構(gòu)件在荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)變時，電阻應(yīng)變片隨同變形，同時應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化，用電阻應(yīng)變儀測出這個變化，即可計算出被測構(gòu)件測點處的應(yīng)變和應(yīng)力值。

3 電阻應(yīng)變片分類及接線、布片方法

工程應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)中，廣泛應(yīng)用電阻式應(yīng)變片，但應(yīng)變片的正確選取和粘貼質(zhì)量的好壞，將直接影響采集數(shù)據(jù)的準確性。常見電阻應(yīng)變片分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類。金屬式分絲繞式、箔式和薄膜式三類；半導(dǎo)體式分為薄膜式和擴散式。

實際測量中，測量電橋的接線方式有兩種：一種是半橋接線法；另一種是全橋接線法。布片的方式要根據(jù)具體測試內(nèi)容和環(huán)境等情況合理選擇，比如鋼閘門的梁、翼緣板等的構(gòu)件主應(yīng)力為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，且應(yīng)力方向已知時，可以直接布設(shè)單應(yīng)變片，如面板、翼緣板等構(gòu)件應(yīng)力復(fù)雜，主應(yīng)力方向難以判斷時，則可采用應(yīng)變花片（雙片式90°，三片式45°、60°等）。鋼閘門應(yīng)變測量時，應(yīng)考慮溫度影響，單獨布設(shè)溫度補償片。

4 鋼閘門和啟閉機應(yīng)力檢測應(yīng)用實例

遼寧某河干流攔河閘擔負著城市防洪任務(wù)，同時也是灌溉用水控制工程，工程設(shè)計洪水標準100年一遇，校核洪水標準300年一遇，并能通過500年一遇標準洪水，最大泄流量超過7000m3/s。工程主體攔河閘采用露頂式平面定輪鋼閘門，孔口尺寸為9.6m×6.0m（寬×高），單扇鋼閘門重為35t，設(shè)計水頭為5.5m，動水啟閉。每扇鋼閘門配備一臺集中驅(qū)動雙吊點固定卷揚式啟閉機，容量為2×400kN。

4.1 鋼閘門測試工況確定

以檢測工況符合或接近設(shè)計工況為原則。因為閘門荷載以水壓力為主，啟閉機荷載主要為閘門自重加水壓力等。為了獲得最大水壓力，利用汛期高水位（以不影響度汛安全為原則），利用水位變化規(guī)律來提高上、下游水位差，使檢測工況盡可能接近設(shè)計工況?，F(xiàn)場檢測時，閘門上游水位為35.95m，閘門下游無水，堰頂高程為30.50m，閘門的作用水頭為5.45m，接近設(shè)計水頭為5.50m。

4.2 應(yīng)變片測點布置原則及注意事項

4.2.1 布置原則。（1）測試內(nèi)容為鋼閘門靜應(yīng)力和啟閉機啟閉力，測點應(yīng)具有代表性，高應(yīng)力區(qū)域和復(fù)雜應(yīng)力區(qū)域均應(yīng)布置足夠數(shù)量的測點；（2）在滿足檢測目的、委托要求的前提下，測點宜少不宜多；（3）對稱結(jié)構(gòu)可在一側(cè)布置測點，但在對稱側(cè)應(yīng)布置適當數(shù)量的比照測點，比照測點提供的正式數(shù)據(jù)可為分析時采用。

4.2.2 注意事項。（1）應(yīng)變片應(yīng)粘貼牢固并做好防潮處理；（2）當應(yīng)變片處于水下時，應(yīng)做好防水處理；（3）信號傳輸線應(yīng)妥善固定，電阻值應(yīng)確保穩(wěn)定。

4.3 測點位置選擇和數(shù)量確定

典型鋼閘門選定后，在應(yīng)力檢測前，首先根據(jù)閘門構(gòu)件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點、荷載條件等進行分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)程對閘門和啟閉機主要構(gòu)件進行應(yīng)力計算分析，了解結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀況，確定應(yīng)力測點位置和數(shù)量，目的是使檢測斷面選擇正確，傳感器原件布置合理，采集的數(shù)據(jù)更加有代表性。圖1是有限元法計算得到的鋼閘門應(yīng)力分布云圖，根據(jù)云圖應(yīng)力分布，確定鋼閘門的應(yīng)力測試時，主要受力構(gòu)件上共布置了21個測點，其中三向測點4個。測點分別布置在面板、主橫梁后翼緣板、縱梁后翼緣板、主橫梁腹板、縱梁腹板和邊梁后翼緣板上。

啟閉力檢測的測點備選兩處位置：一處在啟閉機的減速箱與小齒輪的傳動軸上；另一處在閘門吊板上。現(xiàn)場結(jié)合實際情況，選擇將測點布置的在閘門頂部的吊板上，共粘貼工作應(yīng)變片8個，合理布設(shè)。

確定測點位置后，對測點進行打磨、清洗、定位、貼片、焊線、密封絕緣、引線、聯(lián)機并調(diào)零，最后采集測試數(shù)據(jù)。檢測前均設(shè)置了溫度補償片，以消除溫度影響因素。應(yīng)變片采用502膠與基體粘接，采用硅膠進行防水。

4.4 測試結(jié)果及分析

4.4.1 鋼閘門應(yīng)力檢測。鋼閘門應(yīng)力分析采用ANSYS三維有限元法。該工程鋼閘門形式為板、梁組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)其受力特點，考慮計算精度要求，采用8節(jié)點實體單元建立閘門結(jié)構(gòu)有限元計算模型，見圖2。計算模型單元總數(shù)為13008個，節(jié)點總數(shù)為24766個。坐標系定義為：主橫梁軸向為x軸，縱梁軸向為y軸，水流方向為z軸。

檢測工況為動水啟閉，鋼閘門主要受力構(gòu)件理論計算結(jié)果和檢測結(jié)果詳見表1：

由表1中數(shù)據(jù)分析可知，鋼閘門面板最大折算應(yīng)力計算值為46.6MPa，實測計算值為48.5MPa，均小于容許折算應(yīng)力為250.8MPa；1#主橫梁最大拉應(yīng)力計算值為91.8MPa，實測值為100.9MPa，2#主橫梁最大拉應(yīng)力計算值為79.2MPa，實測值為73.7MPa，均小于容許拉應(yīng)力為150.2MPa。以上3個參數(shù)理論計算值與實測值之間偏差率為4.1%～9.0%，說明理論值與實測值很接近，也說明測量方法科學(xué)、合理。

4.4.2 啟閉機啟閉力檢測。鋼閘門動水啟閉工況，啟閉機最大啟門力、持住力和閉門過程最大拉力檢測結(jié)果見表2，總啟閉力過程曲線見圖3：

在動水工況啟閉閘門過程中，開啟瞬間啟門力達到最大值276kN，閘門開啟高度3m時，最大持住力為210kN，完全開啟時，最大持住力為203kN，閉門階段啟閉力下降明顯，最大拉力為173kN，整個啟閉過程，啟閉力、持住力和關(guān)閉過程最大拉力均小于啟閉機的額定容量800kN。

5 結(jié)語

（1）本工程應(yīng)變片測試鋼閘門主要構(gòu)件受力結(jié)果與三維有限元理論計算結(jié)果表明，測試方法科學(xué)、測試結(jié)果準確，該方法測試啟閉機啟閉力過程簡潔，方法可行；（2）為保證測試數(shù)據(jù)準確，要先對被測試構(gòu)件進行復(fù)核計算，根據(jù)應(yīng)力分布情況，合理確定貼片位置和正確選擇應(yīng)變片種類，同時做好應(yīng)變片防水，布設(shè)溫度補償片；（3）應(yīng)變片以其尺寸小、重量輕、安裝方便、測試靈敏度和精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強等特點，在水利工程檢測領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。但也要認識到，應(yīng)變片只能測試構(gòu)件表面應(yīng)變，其測試值反映的是所覆蓋面積下的平均應(yīng)變值，是一種均局部測量方法。

參考文獻

[1] 劉斐.電阻應(yīng)變測試技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用[J].公路與汽運，2005，108（3）.

[2] 李巧真，李剛，韓欽澤.電阻應(yīng)變片的實驗與應(yīng)用[J].試驗研究與探索，2011，30（4）.

[3] 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1995.

[4] 水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程（SL 101-2014）[S].北京：中國水利水電出版社，2014.

[5] 水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范（SL 74-2013）[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[6] 水利水電工程啟閉機設(shè)計規(guī)范（SL 41-2011）[S].北京：中國水利水電出版社，2011.

[7] 王長江，鄭圣義，舒劉海.淺述水工鋼閘門卷揚式啟閉力動態(tài)檢測[J].治淮，2015，（6）.

[8] 劉禮華，陳安元，曹定勝，等.啟閉機啟門力單應(yīng)變片檢測方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2001，34（5）.

[9] 李欣，郭建斌.鋼閘門吊耳板應(yīng)力測試方法研究[J].機械與電子，2014，（11）.

[10] 郭建斌，王江.基于ANSYS鋼閘門吊耳框架應(yīng)力集中的安全分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2014，（5）.

[11] 卜現(xiàn)港，夏仕鋒.三維有限元法在鋼閘門安全檢測中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2005，（11）.

作者簡介：汪魁峰（1976-），男，遼寧丹東人，遼寧省水利水電科學(xué)研究院高級工程師，研究方向：水利水電工程科研、材料試驗、水工建筑物質(zhì)量檢測及修補技術(shù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）