祝 勝，方超群，耿紅磊，胡 錕，王 佩，王孟雪

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.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；3.鄭州國(guó)水機(jī)械設(shè)計(jì)研究所有限公司，河南 鄭州 450044)

0 前言

閘門(mén)及啟閉機(jī)是水利水電工程的重要設(shè)備和設(shè)施，其運(yùn)行安全對(duì)防汛、防洪、航運(yùn)及水資源調(diào)配起著十分重要的作用，事關(guān)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在病險(xiǎn)水庫(kù)大壩和水電站的不安全問(wèn)題中，水工金屬結(jié)構(gòu)的問(wèn)題占比達(dá)40%，在病險(xiǎn)水閘中占比更高達(dá)76.7%[2]。為保障水利水電工程的安全運(yùn)行，根據(jù)相關(guān)法規(guī)和行業(yè)管理規(guī)定，應(yīng)定期對(duì)閘門(mén)及啟閉機(jī)進(jìn)行安全檢測(cè)工作[3]。

現(xiàn)階段，行業(yè)目前主要靠傳統(tǒng)人工日常巡檢、定期安全檢測(cè)和專(zhuān)項(xiàng)安全評(píng)估進(jìn)行設(shè)備的安全維護(hù)，這些常規(guī)手段對(duì)保障設(shè)備安全運(yùn)行起了很大的作用，但也難以發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)到設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)發(fā)生微小故障隨運(yùn)行工況、水情條件變化不斷匯聚成重大安全隱患的情況，直接影響著整個(gè)工程的安全[4-5]。

因此對(duì)閘門(mén)及啟閉機(jī)設(shè)備實(shí)施實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，推動(dòng)設(shè)備智慧運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展，提升工程整體數(shù)字化管控及智能化維護(hù)水平具有重要意義。

1 工程概況

姚江上游西分工程瑤街弄調(diào)控樞紐采用“三閘聯(lián)建”方案進(jìn)行布置，擋洪閘位于河道正中間，南側(cè)布置削峰調(diào)控閘，北側(cè)布置應(yīng)急船閘?，幗峙獡鹾殚l凈寬為45m，削峰調(diào)控閘凈寬為15m，應(yīng)急船閘凈寬為12m。

瑤街弄擋洪閘主要功能是在汛期下閘擋洪，平時(shí)常開(kāi)且具有通航功能，擋洪閘閘室凈寬45.0m，孔口寬度45.30m，底檻高程-3.67m，設(shè)置工作閘門(mén)1扇。擋洪閘為露頂式平面滑動(dòng)鋼閘門(mén)，門(mén)葉為桁架式結(jié)構(gòu)，閘門(mén)面板、水平梁系結(jié)構(gòu)及縱向聯(lián)結(jié)系等桁架結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345B，閘門(mén)設(shè)置3榀水平主桁架，水平主桁架間距3.2m，主要弦桿截面為焊接組合結(jié)構(gòu)。閘門(mén)擋水狀態(tài)下總水壓力2472.5kN，單扇閘門(mén)結(jié)構(gòu)連同浮雕重量約為340t?，幗峙獡鹾殚l閘門(mén)支撐跨度為45.8m，吊點(diǎn)間距45.0m，如此跨度及規(guī)模的提升式桁架平板門(mén)國(guó)內(nèi)同類(lèi)工程中尚屬首次設(shè)計(jì)、制造安裝及運(yùn)行。為確保工程的安全和可靠性，對(duì)閘門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)是非常必要的。

2 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集裝置(應(yīng)力傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器、激光位移傳感器)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理裝置(服務(wù)器)和數(shù)據(jù)可視化大屏組成。如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

(1)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)：對(duì)閘門(mén)的水平主桁架、面板、吊耳等主要構(gòu)件布置應(yīng)力傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)。

(2)結(jié)構(gòu)剛度監(jiān)測(cè)：由于閘門(mén)跨度較大，對(duì)閘門(mén)的主桁架構(gòu)件布置激光傳感器監(jiān)測(cè)閘門(mén)運(yùn)行過(guò)程中撓度變化。

(3)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)：對(duì)閘門(mén)布置傾角傳感器對(duì)閘門(mén)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握閘門(mén)鎖定及運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定性情況。

(4)流激振動(dòng)監(jiān)測(cè)：對(duì)閘門(mén)的水平主桁架腹桿等主要構(gòu)件布置加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

(5)啟閉力監(jiān)測(cè)：對(duì)閘門(mén)啟閉力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握閘門(mén)起吊過(guò)程中的最大啟門(mén)力和雙吊點(diǎn)的平衡，在閘門(mén)啟閉機(jī)動(dòng)滑輪吊板上布置應(yīng)力傳感器進(jìn)行啟閉力監(jiān)測(cè)[6]。

2.3 有限元分析

用ANSYS程序?qū)﹂l門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析：建立計(jì)算模型時(shí)將閘門(mén)離散為板、梁?jiǎn)卧?，閘門(mén)面板、邊柱腹板、邊柱上下翼緣、水平主桁架的上下翼緣、小梁腹板、小梁上下翼緣、吊耳板及桁架節(jié)點(diǎn)板等采用SHELL181單元，桁架腹桿采用BEAM188單元。在空間直角坐標(biāo)系下對(duì)閘門(mén)進(jìn)行計(jì)算，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在閘門(mén)面板底部的左端處，X軸沿主梁方向向右(垂直水流方向)，Y軸向上，Z軸指向上游。

2.3.1全關(guān)擋水工況計(jì)算

閘門(mén)擋水工況下，門(mén)槽對(duì)閘門(mén)滑塊形成Z方向(水流反向)約束，門(mén)槽對(duì)閘門(mén)邊柱X方向(垂直水流方向)進(jìn)行約束，底檻約束閘門(mén)底部Y方向位移。工況組合為上游水位3.7m，下游水位2.9m，再加上浪壓力。如圖2—3所示。

圖2 全關(guān)擋水工況閘門(mén)整體應(yīng)力/MPa

圖3 全關(guān)擋水工況閘門(mén)水平主桁架腹桿應(yīng)力/MPa

由圖2—3可知，在全關(guān)擋水工況下，閘門(mén)最大Mises應(yīng)力發(fā)生在閘門(mén)水平主桁架翼緣中部，為53.1MPa。水平主桁架腹桿的最大應(yīng)力發(fā)生在邊柱腹板附近，分別為47.7MPa、44.8MPa。

2.3.2起吊工況計(jì)算

閘門(mén)起吊工況下，門(mén)槽對(duì)閘門(mén)滑塊形成Z方向(水流反向)約束，門(mén)槽對(duì)閘門(mén)邊柱X方向(垂直水流方向)進(jìn)行約束，邊柱底部受Y方向約束。閘門(mén)荷載為自重+上下游最大水位差0.3m+吊點(diǎn)施加的啟門(mén)力。如圖4—6所示。

圖4 起吊工況閘門(mén)豎向變形/mm

圖5 起吊工況閘門(mén)整體應(yīng)力/MPa

圖6 起吊工況閘門(mén)水平主桁架腹桿應(yīng)力/MPa

由圖4—6可知，在起吊工況下，閘門(mén)豎向的最大變形發(fā)生在閘門(mén)水平主桁架跨度中部，為7.1mm；閘門(mén)最大Mises應(yīng)力發(fā)生在閘門(mén)吊耳板上，為55.8MPa；閘門(mén)翼板最大Mises應(yīng)力發(fā)生在閘門(mén)底端水平主桁架翼緣與邊柱翼緣相交處，為34.1MPa；水平主桁架腹桿的最大應(yīng)力發(fā)生在邊柱腹板附近，分別為15.3MPa、18.3MPa。

2.3.3鎖定工況計(jì)算

閘門(mén)鎖定工況下，門(mén)槽對(duì)閘門(mén)滑塊形成Z方向約束(水流反向)，門(mén)槽對(duì)閘門(mén)X方向(垂直水流方向)進(jìn)行約束，邊柱鎖定部位受Y方向約束。閘門(mén)荷載為自重+0.6kN/m2的風(fēng)壓力(百年一遇)。如圖7—9所示。

圖7 鎖定工況閘門(mén)豎向變形/mm

圖8 鎖定工況閘門(mén)整體應(yīng)力/MPa

圖9 鎖定工況閘門(mén)水平主桁架腹桿應(yīng)力/MPa

由圖7—9可知，在鎖定工況下，閘門(mén)最大變形發(fā)生在閘門(mén)水平主桁架翼板跨度中部，為8.1mm；閘門(mén)最大Mises應(yīng)力發(fā)生在閘門(mén)下水平主桁架翼板與邊柱翼板相交處，為42.1MPa；水平主桁架腹桿的最大應(yīng)力發(fā)生在邊柱腹板附近，分別為7.1MPa、10.9MPa。

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)閘門(mén)空間結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果，結(jié)合閘門(mén)主要構(gòu)件的危險(xiǎn)截面分布情況，各傳感器測(cè)點(diǎn)布置方案見(jiàn)表1。

表1 傳感器測(cè)點(diǎn)布置方案

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

擋洪閘工作閘門(mén)門(mén)體尺寸為47.06m×8.30m(寬×高)，設(shè)計(jì)工況組合為上游水位3.70m、對(duì)應(yīng)下游水位2.90m。以擋洪閘工作閘門(mén)鎖定位置-全關(guān)-鎖定位置整個(gè)啟閉試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)時(shí)上游水位1.44m，下游水位1.41m。

由于試驗(yàn)時(shí)水位較低且無(wú)較大的風(fēng)浪載荷影響，閘門(mén)振動(dòng)及傾斜情況不明顯，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中振動(dòng)傳感器最大位移為0.03mm，傾角傳感器最大傾角為0.2°，振動(dòng)及傾角的數(shù)值都較小且變化不大。選取主梁撓度激光測(cè)點(diǎn)和部分應(yīng)力較大測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 主梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

表2為鎖定工況和起吊工況下的主梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元數(shù)據(jù)。從表中可以看出，主梁撓度變形符合設(shè)計(jì)要求且和有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合。

表2 主梁撓度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

表3為鎖定工況和起吊工況下的部分應(yīng)力測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元數(shù)據(jù)，應(yīng)力監(jiān)測(cè)在閘門(mén)鎖定狀態(tài)下取應(yīng)力零位?？梢钥闯觯谌P(guān)擋水工況下，4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯小于有限元計(jì)算結(jié)果，這是由于試驗(yàn)狀態(tài)下水位較低，水壓力及浪壓力明顯小于有限元計(jì)算施加的荷載，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢(shì)與有限元計(jì)算結(jié)果相一致。在起吊狀態(tài)下，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值均較小，且與有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合。

表3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 啟閉力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

測(cè)點(diǎn)7為啟閉力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，在起吊狀態(tài)下測(cè)點(diǎn)7監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為27.70MPa，測(cè)點(diǎn)處截面積尺寸為600mm×50mm，閘門(mén)為雙吊點(diǎn)，換算[6]得到啟閉力為3324kN，結(jié)果也與閘門(mén)門(mén)重約340t的數(shù)據(jù)基本吻合。

4 結(jié)論

文章利用有限元計(jì)算結(jié)果，針對(duì)閘門(mén)受力及變形情況，合理布置閘門(mén)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)通過(guò)對(duì)閘門(mén)啟閉試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理有效。監(jiān)測(cè)結(jié)果也與有限元計(jì)算結(jié)果相互印證，進(jìn)一步表明有限元分析中模型網(wǎng)格的劃分和約束載荷的施加科學(xué)合理，增加了結(jié)果的可信度。但是閘門(mén)在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中水頭較低且無(wú)風(fēng)浪影響，因此在后續(xù)運(yùn)行中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高水頭或臺(tái)風(fēng)等極端天氣下的閘門(mén)運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。