人字闸门背拉杆施加预应力数字化技术研究与应用

梁达宁

(广东江海机电工程有限公司，广州 510500)

1 概述

大中型船闸闸首工作闸门多采用人字闸门。背拉杆是人字闸门门叶结构中的重要构件，可有效减少门叶因自重产生的下垂，还可增加门叶的抗扭刚度，对闸门的安全运行起着重要的作用。

大型人字闸门一般采用预应力背拉杆。人字闸门门叶安装焊接完成并且闸门与液压启闭机连接后，门叶完全处于自由状态进行背拉杆的安装。背拉杆预应力施加调整是人字闸门安装工艺中重要的最后一环，关系闸门门叶整体安装质量，影响闸门的止水效果和人字闸门的安全运行。

2 背拉杆预应力施加常规方法

背拉杆预应力施加调整常规方法主要有两种，一种是利用背拉杆螺母直接对背拉杆施加预应力，适合预应力较小的背拉杆，如果预应力较大的，特别是针对超大型人字闸门的背拉杆，存在背拉杆螺母与背拉杆座之间产生较大的摩擦力，甚至出现背拉杆螺栓副咬合烧死、背拉杆扭转等现象；另一种是利用2只液压千斤顶通过平衡梁对每条背拉杆施加预应力，这种做法如果一组背拉杆装置由多支背拉杆组成，就需要对施加预应力装置进行多次重复装拆，且同组背拉杆施加的预应力难于保证平衡。

上述2种背拉杆施加预应力的调整方法都存在每次仅能调整1支背拉杆，背拉杆调整完锁定后其他背拉杆应力又可能发生变化，需要反复进行调整，调整时间长，安装工人长时间高空作业，存在安全隐患。

针对常规背拉杆预应力施加存在的缺点，研究应用数字化技术对背拉杆预应力进行施加的方法，以提升背拉杆预应力施加的工作效率和准确度，为超大型人字闸门背拉杆施加预应力监测提供参考。

3 背拉杆预应力施加数字化技术

通过深入分析研究，研制了一套背拉杆预应力施加调整装置，采用应力数字化监测技术，用于同组多支背拉杆预应力调整，以提升背拉杆预应力施加的工作效率和准确度，降低了劳动强度，解决安装空间不足难题，同时结构简单、易拆装，消除安全隐患。

3.1 背拉杆预应力数字化监测方法

在每支背拉杆上布置一个应力测点，应力测点应变计沿背拉杆长度方向粘贴在各背拉杆的中间，正反面各贴1片，测点处于单向应力状态[1-2](见图1)。

图1 背拉杆应力监测的应变计安装示意

应变计通过数据线与电脑相连，根据有关应力应变的数学模型，经过数据处理，可直接在电脑上数字显示背拉杆的应力[3]。在应力施加调整过程中，实时监测每支背拉杆的应力变化，同时监测闸门的变形情况，直到斜接柱和门轴柱侧向垂直度、正向垂直度和闸门底主梁水平符合闸门安装规范要求，背拉杆预应力满足图纸的设计要求。

在背拉杆预应力调试至满足设计及安装规范要求以后，继续进行监测，掌握其应力释放随时间变化的规律。

3.2 平衡梁式背拉杆预应力施加调整装置

平衡梁式背拉杆施加预应力调整装置，包括平衡梁、连接套筒螺母、液压千斤顶和连接螺母，每条背拉杆通过连接套筒螺母与平衡梁连接，液压千斤顶布置在平衡梁与背拉杆支撑块之间，平衡梁与连接套筒螺母的连接螺栓副可根据情况要求组合使用，根据同组背拉杆的数量可布置多个千斤顶[4-5](见图2)。

图2 平衡梁式背拉杆施加预应力调整装置示意

3.3 背拉杆预应力施加调整一般工序

1) 背拉杆施加预应力的顺序：先主杆、后副杆，先粗调、后微调，循环施加。

2) 利用背拉杆螺母将背拉杆拉直，并对背拉杆施加较小的拉应力。

3) 粗调：当主背拉杆施加预应力达到75%的设计值时，停止张拉，再对副背拉杆施加预应力达到75%的设计值时，停止张拉，在张拉过程中，通过调整各液压千斤顶施加预应力程度、背拉杆与平衡梁间连接螺栓实现本组多个背拉杆预应力均衡，施加预应力过程中，随时观测并记录主、副背拉杆应力变化和斜接柱、门接柱正面和侧面各测点和闸门底主梁水平的位移的变化情况[6]。

4) 微调：同时对主副背拉杆施加预应力，直至斜接柱、门接柱正面和侧面各测点及底主梁下垂符合设计图纸要求。

4 工程应用实例

4.1 概况

广东省北江航道扩能升级工程飞来峡枢纽二线船闸工程中上闸首通航工作闸门采用人字闸门，孔口尺寸为34 m×19.67 m，单片闸门门叶为20.2 m(宽)×19.67 m(高)，面板布置在上游侧，门叶采用多主横梁结构，主横梁截面采用H型变截面形式，主梁按等载荷均布，门叶由门轴柱、斜接柱、主横梁、竖向隔板和竖向次梁组成[7-10]；在门叶的梁格侧布置了上、下两层预应力背拉杆装置，背拉杆装置采用交叉式布置，以增加门体的抗扭刚度[11]。

背拉杆装置分上层主背拉杆、上层副背拉杆、下层主背拉杆、下层副背拉杆，每组主背拉杆由4支背拉杆组成，每组副背拉杆由3支背拉杆组成(见图3所示)，背拉杆材料采用DH36，背拉杆预应力设计值见表1所示。

表1 船闸人字门背拉杆预应力设计值

4.2 背拉杆预应力监测点位布置

在每支背拉杆上布置1个应力测点，主背拉杆布置8个应力测点，副背拉杆布置6个应力测点，共14个测点，具体监测点布置见图3所示。

图3 背拉杆预应力监测点布置示意

4.3 闸门变形监测点布置

闸门变形监测点分别布置在斜接柱正面和侧面、门轴柱的正面和侧面、闸门底主梁在斜接柱的下端点，主要是测量斜接柱和门轴柱侧向垂直度、正向垂直度和闸门底主梁水平，监测点分别布置[12]见图4所示。

图4 闸门变形监测点位布置示意

4.4 闸门变形监测方法

用水平钢尺检测斜接柱、门接柱的侧向垂直度和正向垂直度，门体底主梁水平度用水准仪测量，在施加预应力过程中，专人负责测量斜接柱、门接柱正面和侧面垂直度和门体底主梁水平度并做好数据记录，防止闸门门体过度变形。

4.5 监测结果

4.5.1背拉杆预应力监测结果

背拉杆预应力监测结果见表2～表3。

表2 二线上闸首左人字闸门背拉杆预应力测试结果

表3 二线上闸首右人字闸门背拉杆预应力测试结果

4.5.2闸门变形监测结果

闸门变形测量结果见表4～表5。

表4 二线上闸首左人字闸门变形测量结果 mm

表5 二线上闸首右人字闸门变形测试结果 mm

4.6 监测结果分析

4.6.1背拉杆预应力监测结果分析

表2～表3背拉杆预应力监测结果表明：

1) 上闸首左人字闸门上层主背拉杆预应力在51.9～55.7 MPa之间，相当于设计值的84.7%～90.8%之间，下层主背拉杆预应力在57.3～59.0 MPa之间，相当于设计值的81.8%～84.2%之间；

2) 上闸首左人字闸门上层副背拉杆预应力在33.2～33.8 MPa之间，相当于设计值的88.2%～89.8%之间，下层副背拉杆预应力在33.6～35.5 MPa之间，相当于设计值的83.3%～88.0%之间；

3) 上闸首右人字闸门上层主背拉杆预应力在50.4～52.1 MPa之间，相当于设计值的82.2%～84.5%之间，下层主背拉杆预应力在58.3～59.4 MPa之间，相当于设计值的83.2%～84.8%之间；

4) 上闸首右人字闸门上层副背拉杆预应力在30.7～31.5 MPa之间，相当于设计值的81.6%～83.8%之间，下层副背拉杆预应力在34.2～35.5 MPa之间，相当于设计值的84.9%～88.0%之间；

5) 从背拉杆实测预应力数据来看，下层背拉杆预应力大于上层背拉杆预应力，主背拉杆预应力大于副背拉杆预应力，这一结论基本与设计给出的设计值相符。

4.6.2闸门变形监测结果分析

表4～表5闸门变形测试结果表明：

1) 在对背拉杆施加预应力的过程中，斜接柱和门轴柱变形随着预应力增加而逐步减小的规律很明显；

2) 施加预应力后闸门最终变形状态均为拱向上游；

3) 人字门实际扭转刚度比闸门设计的扭转刚度大；

4) 上闸首左人字闸门斜接柱正面直线度最大值为5. 0 mm，侧面直线度最大值为3. 0 mm，门轴柱正面直线度最大值为3. 0 mm，侧面直线度最大值为2. 0 mm，底主梁水平下垂：+2.0mm；

5) 上闸首右人字闸门斜接柱正面直线度最大值为5. 0 mm，侧面直线度最大值为3. 0 mm，门轴柱正面直线度最大值为3. 0 mm，侧面直线度最大值为2. 0 mm，底主梁水平下垂：+2.0mm；

6) 通过对背拉杆施加预应力，门体基本实现了垂直悬挂，闸门的安装质量符合水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》(GB/T 14173—2008)的要求。

4.6.3结论

测试结果分析表明：背拉杆预应力实测值相当于设计值的80%～90%之间，均小于设计值，证明人字门实际扭转刚度比闸门设计的扭转刚度大，施加预应力后门体基本实现了垂直悬挂，闸门的制造和安装质量符合《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》(GB/T 14173—2008)及设计要求。

5 结语

背拉杆施加预应力数字化技术同时应用于广东省北江航道扩能升级工程飞来峡枢纽二、三线船闸其余闸首人字闸门的安装，施工效果基本一致。二、三线船闸工程于2019年11月14日正式通航，从通航至今，人字闸门运行平稳，钢止水优于验收规范要求，船闸曾于2020年11月进行年度停水维护，并对人字闸门斜接柱、门接柱的侧向垂直度和正向垂直度，门体底主梁水平度等主要部位进行了复测，各项复测数据符合《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》(GB/T 14173—2008)的要求。

采用应力数字化监测技术，结合门叶的变形监测，平衡梁式背拉杆预应力施加装置用于多支背拉杆预应力施加调整，降低劳动强度、提高效率、消除安全隐患，可在同类工程中推广应用。