兴隆枢纽船闸人字门安装变形控制措施研究

□王 超 □彭翔鹏（湖北省南水北调兴隆水利枢纽工程建设管理处)

1 概述

兴隆枢纽位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，是南水北调中线汉江中下游四项治理工程之一，同时也是汉江中下游水资源梯度开发的最后一级。兴隆枢纽船闸为单线一级船闸，通航标准为1000 t级，其主体段由上、下闸首和闸室组成，总长256m，航槽净宽23m，上游通航水位为37.80m/35.90m，下游通航水位为37.80m/29.70m。在上、下闸首部位各布置了左右两扇平面主横梁式钢质人字闸门，宽14.00m，厚1.70m。其中上闸首人字门高10.15m，每扇由三节构成，下闸首人字门高17.95m，每扇由六节构成。每扇门叶通过单节门体节间现场组合拼装、精度调整、焊接而成。

2 人字门安装变形分析

人字门在安装过程中的变形主要包括两个方面，一方面为门叶现场组对焊接中的变形；另一方面为门叶焊接安装完毕拆除支撑后处于自由悬挂状态时由于自重产生的变形。人字门现场安装焊接由于空间及设备限制，一般采用传统的手工电弧焊施焊，焊接由于在现场进行，受室外现场环境影响较大，若焊接变形出现超标，现场条件很难进行变形校正，因此采取合适的措施控制焊接变形是人字门安装成败的关键一环；自由悬挂状态时的变形主要是人字门自重的影响而产生的扭曲变形，给门叶上的主、副背拉杆施加适当的预应力，借以提高人字门的抗扭刚度，实践证明可以较好地控制扭曲变形的影响。

3 人字门体焊接变形控制措施

焊接变形在一般意义上可以分为焊缝纵向收缩变形、横向收缩变形和焊缝回转变形3种。在焊接实践时，分析清楚焊件的主要变形方式，是选择合适变形控制措施的基础。由于人字门体自重较大，焊缝回转变形可以通过门体自身进行约束，可以不考虑。人字门的纵向长焊缝主要是上游面板对接缝，下游面为空腔支撑结构，纵向焊缝较少，且门体是由左右分段对称焊接，因此其纵向收缩变形也可不作考虑。人字门门体结构在横向上不对称，焊接过程中变形将不可避免地向上游门叶方向偏移，门体的横向变形将导致门体沿高度方向收缩和向上游方向倾斜，因此横向收缩变形的控制是人字门焊接时的主要考虑因素，在兴隆枢纽人字门现场焊接过程中主要采取了以下措施来控制变形量。

3.1 焊接前控制措施

3.1.1 预留反变形

门叶焊后的横向收缩变形主要通过在单节门体拼装过程中预留反变形来加以控制，即在门体拼装时，使上节门体向下游方向作一定的倾斜，这样焊缝横向收缩后在理想状态下将抵消掉预留的反变形。预留反变形数值合适与否是这项措施成功的关键，兴隆船闸人字门采用单节门体高度的0.60‰～1.00‰，即3m高的单节门体，预留量在1.80～3mm之间，主要根据门体各节和底节之间的垂直度偏差在现场加以适当调整。

3.1.2 刚性固定

人字门焊缝多且结构复杂，为达到焊缝变形小和焊接应力尽量小的目的，本项目采用下节刚性固定，上节加柔性支撑的固定方法。在上节门体拼装、调整达到设计及规范要求后，用型钢将门体与闸墙预埋的铁板凳连接，上节门体的连接型钢数量须小于下节门体，使上节门体相对于下节门体来说是柔性支撑结构，这样既约束了部分焊缝横向收缩变形，又不至于使焊接应力过大。

3.2 焊接中控制措施

3.2.1 合理的焊接顺序

确定人字门焊接顺序的总体原则是先定位焊端板和边柱，横向收缩大的焊缝先焊。具体焊接中应先焊斜接柱端和门轴柱端，在保证人字门安装精度的前提下由两端到中间、由内到外进行施焊。因门体上游面的焊缝多于下游面，应先焊下游面焊缝，这样在面板焊接之前能够增大门体抗焊刚度。

3.2.2 加强变形监测

单节门体施焊完成后，应给予充分的时间来释放变形和应力，待观测稳定后方可进行下节门体的安装。焊接中应有专人实时监测变形量，若焊接变形较大，应及时停止施焊，分析失控原因，可以采取微调焊接参数或焊接顺序方向等措施来进行调控。

3.2.3 采用良好的施焊工艺

焊接时采用小电流多层多道焊、对称、分段退步焊、焊接速度基本保持一致等措施；在门体面板焊缝对接焊接时，若调整后间隙较大，应在焊缝坡口两侧堆焊至间隙<5mm左右后再进行正常焊接；在焊接过程中，焊工应及时锤击焊缝以抵消掉部分焊接应力的影响，减小焊缝变形。

3.3 焊接后控制措施

厚度>30mm的板材，焊缝焊接完成后进行100%超声波检测，若达不到规范要求应进行返修，焊缝同一部位的返修不得超过两次。其中对于厚度>36mm的板材，焊接后要立即进行后热消氢处理，后热温度为250~350℃，焊后立即进行消除应力热处理的焊缝可不作后热消氢处理。斜接柱端和门轴柱端的焊缝焊后要进行消除应力热处理。

4 人字门自由状态下的变形控制措施

人字门属于悬挂型薄壁结构，沿水流方向结构不对称，当门叶焊接完成拆除各种外在约束后，门叶的实际重心将向上游面倾斜，将产生很大的扭曲变形，使门叶的斜接柱和门轴柱的直线度变大，影响了人字门的止水和受力情况。兴隆船闸人字门采取在门叶的下游面上设置背拉杆，并施加合适预应力的方法来克服门叶的扭曲变形，使门叶在拆除各种外在约束后，斜接柱和门轴柱直线度调整至满足规范要求。

4.1 背拉杆的调整依据

兴隆枢纽船闸人字门每扇门叶均设有一组预应力背拉杆，上闸首人字门主背拉杆截面为220 mm×20 mm，副杆为220mm×14mm，下闸首人字门主背拉杆截面为300mm×25mm，副杆为250mm×25mm，均由船用DH36钢制造，具有良好的力学性能。根据背拉杆预应力优化原则建立人字门背拉杆预应力优化模型，结合门形的实际情况拟定预应力目标值为：上闸首人字门主杆60~80MPa，副杆40~50MPa；下闸首人字门主杆70~80MPa，副杆55~65MPa。背拉杆预应力调整后门形要求达到：单扇门叶自由悬挂状态下门轴柱和斜接柱正面直线度小于规范要求值5mm；无水调试关门工况两扇门能合拢，斜接柱承压条接触良好，两边缝间隙小于规范要求；无水调试及开、关门运行状态门叶跳动量满足规范要求。

4.2 背拉杆的调整过程

在背拉杆调整前闸门顶枢的镗孔工作应已完成，其与顶底枢基准线的误差应在规定的公差±2mm范围内。应用旋转拉杆螺母的方法来施加预应力，用5 t手拉葫芦配合特制高强扳手来旋转拉杆螺母，对背拉杆施加预应力。加力次序为：先主背拉杆、后副背拉杆，最后微调。具体施工程序如下：先对主背拉杆多次循环加力，加力过程中随时观测并记录主、副背拉杆应力变化和门轴柱、斜接柱各测点门形的变化情况，以便随时调整各杆施加预应力的大小。对主杆施加应力时，随着门叶的变形，副杆预应力自动上升到一定值，然后再对副杆多次循环加力，直到副杆、主杆预应力均达到预应力目标值的90%左右，最后再对主、副背拉杆预应力进行微调。

4.3 背拉杆的调整结果

施加预应力后门体在自重作用下斜接柱、门轴柱直线度为2~4mm，底主梁下垂度均<5mm，在规范允许偏差5mm范围内。上闸首人字门主杆预应力为71.70～71.50MPa左右、副杆为51.90～52.80MPa左右；下闸首人字门主杆预应力为64.70～67.90MPa左右、副杆为58.60～60.60MPa左右。人字门背拉杆预应力调整结果及门形满足规范和设计要求。

5 结语

本文分析了兴隆枢纽船闸人字门的安装情况，针对人字门的变形问题，提出了门叶现场组对焊接过程中的变形控制和门叶焊接完毕后处于自由悬挂状态时的变形控制措施。在采取上述措施进行变形控制后，在工程实践中取得了良好的效果，人字门的累积变形量符合设计及规范要求。但在后期运行过程人字门的工况将更加复杂，保证人字门的变形量控制在一定的范围内将是一项长期的工作。

[1]刘孟穆.船闸人字门设计[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[2]孙文勇.兴隆船闸人字门安装技术剖析[J].黑龙江水利科技,2013(7):34-36.