基于大溫差變幅的超大型弧形閘門變形規(guī)律測(cè)試研究

張宗超，張 慧，任澤儉,李東明

(1.棗莊市鴻禹水利工程監(jiān)理中心，山東 棗莊 277000；2. 南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109； 3. 水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 鄭州 450044)

1 概述

水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心在國(guó)內(nèi)外承擔(dān)多項(xiàng)水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備制造安裝的監(jiān)造和檢測(cè)工作，受建設(shè)單位委托開展某水電站工程結(jié)構(gòu)設(shè)備的制造和安裝第三方檢測(cè)工作，該水電站工程溢洪道表孔弧門屬于超大型產(chǎn)品，寬9m，高18m，設(shè)計(jì)水頭39m，外緣曲率半徑33m，精度要求高，制造生產(chǎn)難度大。在工作中發(fā)現(xiàn)，弧門的制造尺寸在不同溫度下檢測(cè)結(jié)果有一定的差異，為了解變形規(guī)律，進(jìn)一步指導(dǎo)工廠制作檢驗(yàn)，決定采取高精度測(cè)量系統(tǒng)分時(shí)段、按周期監(jiān)測(cè)其變形狀況，目的是找出弧形閘門在大溫差變幅下構(gòu)件變形規(guī)律，為同類工程和其他工程提供借鑒參考。

2 制定測(cè)試方案

測(cè)試項(xiàng)目采取2種測(cè)量手段：變形量采用高精度全站儀測(cè)量系統(tǒng)和激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。溫度采集采用紅外熱像儀，同時(shí)采集環(huán)境溫度和對(duì)象溫度。

全站儀測(cè)量系統(tǒng)選用徠卡TS50高精度全站儀，單機(jī)測(cè)量精度為測(cè)角0.5″，測(cè)距精度為0.6mm±1ppm/m，系統(tǒng)整體測(cè)量精度為R30m測(cè)量空間范圍內(nèi)優(yōu)于0.5mm。采用后方交會(huì)測(cè)量原理。

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)選用徠卡AT402高精度跟蹤儀，采用激光絕對(duì)測(cè)距原理，按照相位法進(jìn)行ADM測(cè)距，相位法測(cè)距是測(cè)定儀器發(fā)出的連續(xù)正弦信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，并根據(jù)相位差求得距離，相位法測(cè)距原理如圖1所示。

圖1 相位法測(cè)距原理

采取2種測(cè)量系統(tǒng)是因?yàn)?者的精度等級(jí)不同，但都可滿足弧形閘門制造質(zhì)量尺寸檢測(cè)的需要，運(yùn)用2種手段可以加強(qiáng)比對(duì)，確保數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

3 溫度及變形規(guī)律測(cè)試成果分析

測(cè)試項(xiàng)目選取了多個(gè)參數(shù)和對(duì)象，主要對(duì)弧形閘門曲率半徑和面板(寬度方向)在不同時(shí)間、不同溫度、不同位置進(jìn)行測(cè)量。分別采集了不同時(shí)間段(3個(gè)完整的日歷天)的氣象溫度和被測(cè)對(duì)象的溫度，測(cè)量了3個(gè)完整的日歷天的曲率半徑和面板寬度的變形數(shù)據(jù)。表1給出了連續(xù)3d分時(shí)段采集的環(huán)境氣象溫度和對(duì)象(鋼板)溫度數(shù)據(jù)。

通過表1溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，第1天 15:00和第3天 10:30、13:30和15:10，環(huán)境溫度較高，分別為32、32、34、32℃，被測(cè)對(duì)象溫度最高時(shí)段均出現(xiàn)在13:00—17:30之間；在夜間和早上測(cè)量時(shí)，環(huán)境溫度和對(duì)象溫度數(shù)據(jù)差別不大；上午環(huán)境溫度達(dá)到較高溫度時(shí)對(duì)象溫度并無較大變化，說明鋼材未經(jīng)歷有效時(shí)長(zhǎng)太陽(yáng)照射，溫度未深度積累。需要說明的是，被測(cè)對(duì)象14個(gè)部位均為實(shí)測(cè)提取，其溫度變化反映的是太陽(yáng)輻射陽(yáng)面和陰面的不同。

通過比較2種測(cè)量系統(tǒng)分時(shí)段測(cè)試的溫度數(shù)據(jù)(詳見表2)及一個(gè)工作日內(nèi)不同時(shí)段的面板寬度變化數(shù)據(jù)(詳見表3)，分析以后發(fā)現(xiàn)：連續(xù)3d內(nèi)環(huán)境溫度的變化的最大差值為11.5℃，全站儀測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲率半徑的最大變化量為3.5mm，激光跟蹤儀系統(tǒng)測(cè)得曲率半徑的最大變化量為3.55mm，而1d內(nèi)最高溫度和最低溫度下面板寬度的變化量為0.8mm。以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析均為鄭州某工廠的測(cè)試數(shù)據(jù)。為了確保數(shù)據(jù)的充分性，測(cè)試組還到四川夾江某工廠制造現(xiàn)場(chǎng)在溫差為10℃左右的2次溫度工況下測(cè)得曲率半徑的最大變化量為4.0mm，從2個(gè)地點(diǎn)，相同的溫差，不同的時(shí)段驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的一致性。

表1 不同時(shí)段環(huán)境及對(duì)象溫度采集溫度統(tǒng)計(jì)表 單位：℃

表2 不同時(shí)段弧門曲率半徑測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

表3 不同時(shí)段弧門面板寬度測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

由圖2—3可以得出結(jié)論，弧門曲率半徑的變化與環(huán)境溫度和對(duì)象溫度均呈線性關(guān)系。

圖2 曲率半徑變形量和環(huán)境溫度的關(guān)系

圖3 曲率半徑變形量和對(duì)象溫度變化量的關(guān)系

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，我們可以得出如下結(jié)論。

(1)弧形閘門面板寬度測(cè)試的環(huán)境溫度變幅為11.5℃，對(duì)象溫度變幅為22.2℃，寬度測(cè)試值最大變化量為0.8mm，面板在橫向上未分節(jié)，說明面板寬度的變化量?jī)H受溫度因素影響。

(2)弧形閘門曲率半徑測(cè)試的環(huán)境溫度變幅、對(duì)象溫度變幅與面板寬度測(cè)試條件相同，全站儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的最大半徑變化量為3.5mm，激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的最大半徑變化量為3.55mm，2種系統(tǒng)測(cè)得的變化量的量級(jí)一致。引起變化量的原因主要和溫度有關(guān)，而且曲率半徑變形量和溫度呈現(xiàn)線性關(guān)系。

(3)對(duì)于大曲率半徑的弧形閘門，在測(cè)得曲率半徑偏差值處于允許偏差極限位置時(shí)，應(yīng)考慮溫度的影響。特別要考慮工地安裝時(shí)的環(huán)境溫度和閘門運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度，盡量在接近上述環(huán)境溫度時(shí)進(jìn)行出廠檢測(cè)。