在役水工鋼閘門銹蝕后工作性態(tài)的進展研究

王 姣，劉 穎，危文廣，朱振寰

（1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029；3.南昌大學(xué)，江西 南昌 3300031）

0 引 言

由于長期處于干濕循環(huán)交替、高速水流不斷沖擊以及微生物不間斷腐蝕等環(huán)境下，鋼材極易發(fā)生銹蝕。銹蝕使閘門門體構(gòu)件變薄、截面應(yīng)力增大，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降，甚至造成災(zāi)難性事故。種種事故表明，設(shè)備老化、腐蝕生銹、破損嚴(yán)重等現(xiàn)象都是閘門安全運行的隱患，加之運行管理力度不夠等原因，進而導(dǎo)致突發(fā)事故。目前，我國有許多正在服役的鋼閘門即將達(dá)到或已經(jīng)達(dá)到使用年限，這些鋼閘門安全性態(tài)不明確且存在著一定的隱患，情況嚴(yán)重的甚至影響水利工程的正常運行。

目前，針對水工鋼閘門運行的過程缺乏有效的檢測和監(jiān)測，在問題診斷及預(yù)警方面的理論和方法也還不夠成熟。銹蝕檢測作為在役水工鋼閘門質(zhì)量檢測和安全鑒定的一項重要內(nèi)容，也僅僅是通過獲得銹蝕部位及其分布狀況、銹蝕區(qū)域的分布情況、銹蝕量及蝕余厚度等指標(biāo)，完成構(gòu)件的整體銹蝕程度的評定。其檢測成果相對單一，對于銹蝕閘門構(gòu)件的工作性態(tài)難以做出全面的、有效的評估?？梢?，開展在役水工鋼閘門銹蝕后工作性態(tài)的影響性分析研究，全面評估鋼閘門銹蝕后結(jié)構(gòu)的安全狀況，對保障水利工程安全運行具有實際意義。因此，圍繞在役水工鋼閘門銹蝕后工作性態(tài)研究方向，本文從5個方面對目前的研究現(xiàn)狀進行了闡述和總結(jié)。

1 鋼閘門材料腐蝕機理和性能退化規(guī)律研究

腐蝕環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)建筑物的腐蝕行為研究始于20世紀(jì)40年代，至今已取得了較豐富的研究成果，但針對水工鋼閘門材料的腐蝕行為研究起步較晚，直到20世紀(jì)90年代才逐漸開始。Padula[1]（1994）針對鋼材料的腐蝕性，提出了鋼結(jié)構(gòu)均勻腐蝕的非線性損傷模型；Grana-ta[2]（1996）等提出，腐蝕在造成鋼結(jié)構(gòu)截面減小的同時，還會使其疲勞強度降低，從而威脅結(jié)構(gòu)安全；同時期，Kathir[3]（1996）針對人字形鋼閘門提出了非線性腐蝕損傷模型，給出了腐蝕模型參數(shù)；王德慶[4]（1996）等通過分析鋼閘門在淹沒區(qū)的電流腐蝕、飛濺區(qū)的電流和濃差電池腐蝕以及大氣區(qū)的濃差電池腐蝕，針對鋼板在海水中腐蝕機理進行研究，為防腐措施和防腐設(shè)計提供建議與優(yōu)化；Binder[5]（2001）等在對鋼材進行腐蝕試驗時，分析了碳鋼、合金鋼的涂層性能，針對材料不能均勻附著的原因和涂料涂覆后抽縮等現(xiàn)象進行了研究；朱雅仙[6]（2002）等在分析影響水工鋼閘門腐蝕主要原因的基礎(chǔ)上，針對鋼閘門中常用的碳鋼在水中的腐蝕機理進行了深入研究，同時采用數(shù)理統(tǒng)計等方法計算分析材料的腐蝕速率；宋詠春[7]（2005）等采用蝕余厚度法對閘門結(jié)構(gòu)強度進行分析，得出了銹蝕對閘門結(jié)構(gòu)強度的影響較大的結(jié)論；王煦[8]（2006）等通過不同防腐涂層的優(yōu)缺點來進行對比，并對腐蝕機理與原因進行分析總結(jié)；余向明[9]（2008）等采用生死單元技術(shù)，分析閘門表面銹蝕（大小及分布等因素）對閘門內(nèi)力的影響；周建方[10]（2008）等統(tǒng)計分析了國內(nèi)有關(guān)工程鋼閘門腐蝕的實測數(shù)據(jù)并獲得了其特征參數(shù)，認(rèn)為銹蝕速度分布取正態(tài)分布為優(yōu)；郭建斌[11]（2010）等通過對實際閘門的腐蝕情況及分布規(guī)律進行分析，并結(jié)合構(gòu)件出現(xiàn)腐蝕的概率，提出了腐蝕狀況分級評定方法，建議強度標(biāo)準(zhǔn)值采用0.9～0.95系數(shù)修正；蔡元興[12]（2012）等認(rèn)為鋼材銹蝕主要有全面銹蝕和局部銹蝕兩種形態(tài)，其中全面銹蝕以均勻銹蝕最為常見，而局部銹蝕是在銹蝕介質(zhì)作用的表面?zhèn)€別地方出現(xiàn)的銹蝕；劉悅鑫[13]（2014）針對面板不同銹蝕區(qū)域采用蝕余厚度法模擬計算分析，認(rèn)為閘門未出現(xiàn)銹蝕時，其等效應(yīng)力較大的部位應(yīng)該是其銹蝕敏感部位；王毅[14]（2014）等分別對Q235裸鋼和Zn-15%AL熱噴涂涂層的腐蝕退化過程開展了研究，結(jié)果均呈非線性規(guī)律，且裸鋼的腐蝕程度比Zn-15%AL更加嚴(yán)重；趙林章[15]（2018）等主要針對各種因素對水工鋼閘門腐蝕的影響開展研究，尤其是淡水環(huán)境中電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕、微生物腐蝕等3種主要方式的對鋼閘門腐蝕機理。

2 鋼閘門的荷載作用及統(tǒng)計特性研究

近年來人們對水庫壩前水位的分布規(guī)律進行了許多統(tǒng)計分析和研究工作，并取得了一定的成果，但由于統(tǒng)計工作的繁瑣與復(fù)雜性，關(guān)于鋼閘門的荷載資料還很缺乏。通常情況下，影響閘門安全的最主要荷載為靜水壓力，其大小經(jīng)常用水頭來進行描述，許多研究學(xué)者所做的統(tǒng)計參數(shù)也是針對水頭而言的。朱暾[16]（1993）等對靜水壓力進行了統(tǒng)計分析，同時建立了閘門主梁荷載與水頭之間的線性關(guān)系；張照煌[17]（2000）等采用K-S檢驗法對81座水庫的相關(guān)資料進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明閘門門前的峰水位以正態(tài)分布的擬合度最佳，并給出了相應(yīng)的概率分布函數(shù)和特征參數(shù)；解偉[18]（2003）通過實際工程的資料進行統(tǒng)計分析也獲得了類似的結(jié)論；周建方[10]（2008）對82座大型水庫壩前水位進行統(tǒng)計分析，得出了壩前水位的年峰水位均值與正常高水位之間的關(guān)系，分別從潛孔門和露頂門兩方面進行了詳細(xì)的參數(shù)統(tǒng)計，并指出作用在閘門上的靜水壓力服從正態(tài)分布，同時給出了其他荷載參數(shù)相應(yīng)的范圍。

3 鋼閘門的結(jié)構(gòu)退化規(guī)律和剩余壽命預(yù)測研究

針對退化的鋼閘門構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，約從20世紀(jì)七八十年代起，國內(nèi)外學(xué)者便開始關(guān)注鋼閘門的耐久性問題。夏念凌[19]（1989）首次推導(dǎo)了銹蝕情況下受拉、受壓、受彎、受剪及型鋼構(gòu)件的壽命預(yù)測公式；文獻(xiàn)[1][3]通過對閘門銹蝕情況實測，進行概率統(tǒng)計和參數(shù)分析，提出了鋼閘門的非線性腐蝕損傷模型和簡化可靠性模型，同時考慮了人字型鋼閘門疲勞因素的影響，并對剩余壽命進行預(yù)測；Patev[20]（1998）等和Putcha[21]（2003）等假設(shè)鋼閘門在均勻腐蝕的條件下，采用危險函數(shù)的方法對鋼閘門的時變可靠度進行了分析，并對其剩余壽命進行了預(yù)測；任玉珊[22，23]（2001）等引入損傷度的概念，將銹蝕量當(dāng)做正態(tài)分布的隨機變量，采用可靠度的理論對閘門構(gòu)件的剩余壽命進行了分析。李典慶[24]（2003）等提出現(xiàn)役鋼閘門結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)壽命預(yù)測方法。張永恩[25]（2013）指出當(dāng)某構(gòu)件的可靠度指標(biāo)等于規(guī)范值時，說明其已達(dá)到極限狀態(tài)，并基于此對其剩余壽命進行了分析，同時釆用時變抗力模型抗力衰減主要考慮誘導(dǎo)因素，推導(dǎo)可以得出剩余壽命的計算公式；文獻(xiàn)[17]對鋼閘門的剩余壽命進行了深入的研究，對拉（壓）構(gòu)件、受彎構(gòu)件及型鋼構(gòu)件的剩余壽命預(yù)測公式進行了總結(jié)分析，為實際工程安全運行提供一定的理論依據(jù)。

4 鋼閘門的可靠度分析研究

范崇仁[26]（1992）等借助概率論與數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)建立了結(jié)構(gòu)可靠度理論，對水工鋼閘門的設(shè)計主要考慮兩個基本變量（結(jié)構(gòu)抗力R和荷載效應(yīng)S）的隨機性，使結(jié)構(gòu)設(shè)計具有比較明確的結(jié)構(gòu)可靠度概念；李典慶[27]（2002）等對水工鋼閘門可靠度方面的研究成果進行了分析和總結(jié)，指出了各方法的優(yōu)缺點及合理的建議；周建方[28]（2003）等基于可靠性原理，建立了水工鋼閘門結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)可靠度分析的極限狀態(tài)方程，并提出了3種計算模式；同年，周建方和李典慶采用層次分析法對現(xiàn)役平面鋼閘門動態(tài)可靠度進行了評估；李宗利[29]（2004）等在分析目前水工鋼閘門可靠度研究成果的基礎(chǔ)上，對荷載效應(yīng)、抗力等不定性統(tǒng)計參數(shù)和分布規(guī)律的研究思路和方法作了進一步的分析討論；余向明[30]（2009）等基于結(jié)構(gòu)可靠度理論采用JC法分別計算了閘門初始運行期和工作30年后的結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)，對閘門的工作性態(tài)做出了安全評估；王蛟[31]（2013）等認(rèn)為閘門是一個復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，其破壞形式有許多種類，僅僅通過考慮構(gòu)件的破壞形式，難以合理的預(yù)判整個閘門的破壞情況，因此加快閘門的系統(tǒng)可靠度研究是今后的重點課題；周星[32]（2014）對水工鋼閘門系統(tǒng)可靠度研究指出最近十年來系統(tǒng)可靠度研究進展緩慢且精確度值得考量，并對系統(tǒng)可靠度研究的重要性和研究進行了展望；李永科[33]（2015）利用有限元仿真技術(shù)ANSYS對閘門進行三維建模和受力分析并進行可靠度分析；劉柳[34]（2018）基于弧形閘門空間主框架結(jié)構(gòu)布置形式的研究現(xiàn)狀對其體系可靠度展開系統(tǒng)研究。

5 鋼閘門構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的維護和加固策略研究

針對水工鋼閘門的檢測、評估和維修，美國較早提出了相應(yīng)的規(guī)范規(guī)程；從20世紀(jì)80年代末開始，鋼閘門安全檢測和評估工作也逐漸在我國興起，作為率先進行該方面研究的河海大學(xué)已經(jīng)完成了眾多相關(guān)研究課題，參與編制了許多行業(yè)規(guī)范，并提出了相應(yīng)的安全檢測與評估方法，并且有些規(guī)范在近幾年也進行了修訂。在這些規(guī)程規(guī)范中，主要是通過現(xiàn)場檢查結(jié)合檢測，收集相關(guān)資料，對閘門各子構(gòu)件及鋼閘門整體的安全度通過力學(xué)的方法進行計算，綜合分析得出評估結(jié)果。然而，這種方式本質(zhì)上還是一種半理論半經(jīng)驗的定性分析，未考慮鋼閘門運行過程中各種因素的影響，尤其是銹蝕的影響。

6 結(jié)語

水工鋼閘門長期處于復(fù)雜的運行條件，常因種種自然條件或環(huán)境的變化引起腐蝕破壞，若不及時處理，可能危及閘門安全?？梢姡皶r開展鋼閘門腐蝕及其導(dǎo)致構(gòu)件承載性能退化的機理研究，并對在役鋼閘門銹蝕后工作性態(tài)進行評估顯得尤為重要。本節(jié)基于以上五個研究方向的進展歷程，對在役水工鋼閘門銹蝕后工作性態(tài)的進展研究成果進行了總結(jié)，并進行了展望，希望未來能繼續(xù)深入發(fā)展，尋求新的突破。

（1）鋼閘門研究初期主要是從閘門腐蝕的表象出發(fā)，結(jié)合實際工程現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)分析材料腐蝕情況，其分析過程往往具有較大的經(jīng)驗性，而缺少對材料微觀組織層面的深入研究。

（2）大部分荷載作用統(tǒng)計分析是基于有限的統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息開展，且主要是依據(jù)設(shè)計荷載基準(zhǔn)期，針對主梁和支臂等主要構(gòu)件進行計算分析。但是，閘門是一個空間整體結(jié)構(gòu)，其承受荷載作用是所有構(gòu)件的整體行為，面板和次梁荷載時變過程還需要深入研究，尤其是以銹蝕為主要損傷引起板材厚度減少的退化構(gòu)件，更不可忽視。

（3）鋼閘門的耐久性和剩余壽命預(yù)測研究是未來研究的重點課題，主要可分為兩個方向：一是引入可靠度基本理論，研究閘門主要構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的時變可靠性并預(yù)測剩余壽命，這是一個剛開始的新領(lǐng)域；二是基于構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的時變可靠度分析，應(yīng)用數(shù)值模型或方法，如故障樹方法、層次分析方法等，初步探索閘門結(jié)構(gòu)體系的時變可靠度和剩余壽命。

（4）基于可靠度的鋼閘門安全性分析數(shù)值方法的簡化計算主要集中在主梁，缺少對面板、邊梁等構(gòu)件的荷載、抗力和時變可靠性，以及構(gòu)件之間的作用關(guān)系的研究；同時對閘門系統(tǒng)的可靠度研究還很少，對在役閘門的系統(tǒng)可靠性評價均不是基于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度展開，而是依據(jù)構(gòu)件的重要性進行統(tǒng)計評判，是一種以實用為目的的評估方法，會產(chǎn)生統(tǒng)計信息的代表性不足問題和少量構(gòu)件信息如何評價結(jié)構(gòu)整體性問題。

（5）在考慮閘門銹蝕機理基礎(chǔ)上，引入可靠度理論來進行在役鋼閘門工作性態(tài)研究是以后研究的重點方向，也逐漸成為進行鋼閘門安全性評估的基本技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。因此有必要基于可靠度理論對水工鋼閘門銹蝕后工作性態(tài)評估進行研究。