浅析应变测试技术在水工钢结构检测中的应用

摘要：电阻应变计测试技术作为一种成熟的无损检测方法，在各行业都得到了广泛的推广与应用。文章以辽宁某大型拦河闸钢闸门应力检测和启闭机启闭力检测为背景，阐述了电阻应变计法在水工钢结构检测中的应用，结果分析表明测试方法科学、结果准确，可为相关工程设计、检测、施工等提供指导和借鉴。

关键词：电阻应变计法；应变测试技术；水工钢结构；钢结构检测；无损检测技术 文献标识码：A

中图分类号：TH823 文章编号：1009-2374（2016）14-0129-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.065

1 概述

应力应变测试技术作为一种成熟的无损检测方法，在机械、土木、水利、桥梁等各行各业都得到了广泛的推广与应用，其应用研究在许多工业发达国家也受到普遍重视。电阻应变计测量法是目前最常用的应力应变实测方法，电阻应变片也是应用最广泛、最方便的传感元件之一。本文以辽宁某河干流大型拦河闸钢闸门现场安全检测和评价为研究对象，阐述应力应变测试技术在水利工程中的应用，根据ANSYS有限元计算结果，综合分析钢闸门现状质量和安全情况，为类似工程的设计、检测、施工等提供指导和借鉴。

2 电阻应变片测量原理

电阻应变计法是以电阻应变片为传感元件，将其粘贴在被测构件的测点处，使其随同构件变形，在根据应变-应力关系确定构件表面应力状态的一种试验应力分析方法。测量时，将电阻应变片粘贴在被测构件测点的表面，当构件在荷载作用下产生应变时，电阻应变片随同变形，同时应变片的电阻也发生相应的变化，用电阻应变仪测出这个变化，即可计算出被测构件测点处的应变和应力值。

3 电阻应变片分类及接线、布片方法

工程应力应变测试技术中，广泛应用电阻式应变片，但应变片的正确选取和粘贴质量的好坏，将直接影响采集数据的准确性。常见电阻应变片分为金属式和半导体式两大类。金属式分丝绕式、箔式和薄膜式三类；半导体式分为薄膜式和扩散式。

实际测量中，测量电桥的接线方式有两种：一种是半桥接线法；另一种是全桥接线法。布片的方式要根据具体测试内容和环境等情况合理选择，比如钢闸门的梁、翼缘板等的构件主应力为拉应力和压应力，且应力方向已知时，可以直接布设单应变片，如面板、翼缘板等构件应力复杂，主应力方向难以判断时，则可采用应变花片（双片式90°，三片式45°、60°等）。钢闸门应变测量时，应考虑温度影响，单独布设温度补偿片。

4 钢闸门和启闭机应力检测应用实例

辽宁某河干流拦河闸担负着城市防洪任务，同时也是灌溉用水控制工程，工程设计洪水标准100年一遇，校核洪水标准300年一遇，并能通过500年一遇标准洪水，最大泄流量超过7000m3/s。工程主体拦河闸采用露顶式平面定轮钢闸门，孔口尺寸为9.6m×6.0m（宽×高），单扇钢闸门重为35t，设计水头为5.5m，动水启闭。每扇钢闸门配备一台集中驱动双吊点固定卷扬式启闭机，容量为2×400kN。

4.1 钢闸门测试工况确定

以检测工况符合或接近设计工况为原则。因为闸门荷载以水压力为主，启闭机荷载主要为闸门自重加水压力等。为了获得最大水压力，利用汛期高水位（以不影响度汛安全为原则），利用水位变化规律来提高上、下游水位差，使检测工况尽可能接近设计工况。现场检测时，闸门上游水位为35.95m，闸门下游无水，堰顶高程为30.50m，闸门的作用水头为5.45m，接近设计水头为5.50m。

4.2 应变片测点布置原则及注意事项

4.2.1 布置原则。（1）测试内容为钢闸门静应力和启闭机启闭力，测点应具有代表性，高应力区域和复杂应力区域均应布置足够数量的测点；（2）在满足检测目的、委托要求的前提下，测点宜少不宜多；（3）对称结构可在一侧布置测点，但在对称侧应布置适当数量的比照测点，比照测点提供的正式数据可为分析时采用。

4.2.2 注意事项。（1）应变片应粘贴牢固并做好防潮处理；（2）当应变片处于水下时，应做好防水处理；（3）信号传输线应妥善固定，电阻值应确保稳定。

4.3 测点位置选择和数量确定

典型钢闸门选定后，在应力检测前，首先根据闸门构件材质、结构特点、荷载条件等进行分析，根据相关规程对闸门和启闭机主要构件进行应力计算分析，了解结构应力分布状况，确定应力测点位置和数量，目的是使检测断面选择正确，传感器原件布置合理，采集的数据更加有代表性。图1是有限元法计算得到的钢闸门应力分布云图，根据云图应力分布，确定钢闸门的应力测试时，主要受力构件上共布置了21个测点，其中三向测点4个。测点分别布置在面板、主横梁后翼缘板、纵梁后翼缘板、主横梁腹板、纵梁腹板和边梁后翼缘板上。

启闭力检测的测点备选两处位置：一处在启闭机的减速箱与小齿轮的传动轴上；另一处在闸门吊板上。现场结合实际情况，选择将测点布置的在闸门顶部的吊板上，共粘贴工作应变片8个，合理布设。

确定测点位置后，对测点进行打磨、清洗、定位、贴片、焊线、密封绝缘、引线、联机并调零，最后采集测试数据。检测前均设置了温度补偿片，以消除温度影响因素。应变片采用502胶与基体粘接，采用硅胶进行防水。

4.4 测试结果及分析

4.4.1 钢闸门应力检测。钢闸门应力分析采用ANSYS三维有限元法。该工程钢闸门形式为板、梁组合结构，根据其受力特点，考虑计算精度要求，采用8节点实体单元建立闸门结构有限元计算模型，见图2。计算模型单元总数为13008个，节点总数为24766个。坐标系定义为：主横梁轴向为x轴，纵梁轴向为y轴，水流方向为z轴。

检测工况为动水启闭，钢闸门主要受力构件理论计算结果和检测结果详见表1：

由表1中数据分析可知，钢闸门面板最大折算应力计算值为46.6MPa，实测计算值为48.5MPa，均小于容许折算应力为250.8MPa；1#主横梁最大拉应力计算值为91.8MPa，实测值为100.9MPa，2#主横梁最大拉应力计算值为79.2MPa，实测值为73.7MPa，均小于容许拉应力为150.2MPa。以上3个参数理论计算值与实测值之间偏差率为4.1%～9.0%，说明理论值与实测值很接近，也说明测量方法科学、合理。

4.4.2 启闭机启闭力检测。钢闸门动水启闭工况，启闭机最大启门力、持住力和闭门过程最大拉力检测结果见表2，总启闭力过程曲线见图3：

在动水工况启闭闸门过程中，开启瞬间启门力达到最大值276kN，闸门开启高度3m时，最大持住力为210kN，完全开启时，最大持住力为203kN，闭门阶段启闭力下降明显，最大拉力为173kN，整个启闭过程，启闭力、持住力和关闭过程最大拉力均小于启闭机的额定容量800kN。

5 结语

（1）本工程应变片测试钢闸门主要构件受力结果与三维有限元理论计算结果表明，测试方法科学、测试结果准确，该方法测试启闭机启闭力过程简洁，方法可行；（2）为保证测试数据准确，要先对被测试构件进行复核计算，根据应力分布情况，合理确定贴片位置和正确选择应变片种类，同时做好应变片防水，布设温度补偿片；（3）应变片以其尺寸小、重量轻、安装方便、测试灵敏度和精度高、适应环境能力强等特点，在水利工程检测领域应用前景广阔。但也要认识到，应变片只能测试构件表面应变，其测试值反映的是所覆盖面积下的平均应变值，是一种均局部测量方法。

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作者简介：汪魁峰（1976-），男，辽宁丹东人，辽宁省水利水电科学研究院高级工程师，研究方向：水利水电工程科研、材料试验、水工建筑物质量检测及修补技术。

（责任编辑：秦逊玉）