1　前言

　　某水电站是一座以发电为主兼有灌溉效益的径流式电站，总装机容量51MW，水库总为容1.12亿m³，坝型为填碴框格重力坝，最大坝高为38.8m，溢流坝段设9个溢流孔，每孔设置10m×12m露顶弧形钢闸门，堰顶高程164.913m，正常高水位177.0m。在大坝安全检查时，对溢流坝段露顶弧形钢闸门作了全面检查，认为弧形闸门运行基本正常，但部分金属构件的某些截面应力偏高，计算得到下段门叶的3^＃、4^＃主梁与支壁联接处附近的弯曲应力和剪应力较大，其折算应力均大于《水利水电工程钢闸门设计规范》(DL/T5039－95)所规定的容许应力^［1］。为确保大坝安全，我们对锈蚀严重的3^＃和7^＃弧形钢闸门进行了原型静态应力和振动测试。

2　静态应力测试

2.1　测点布置
　　弧形闸门是由面板、竖梁、横梁(主梁、次梁)和上下支壁等共同组成的具有弧形表面的钢结构，见图1。为全面反映其静应力情况，我们在弧形闸门的各个主要部位_：竖梁、主梁、支臂和面板上都布有测点，同时考虑到结构及荷载的对称性，因此测点都集中在中轴线一侧上，具体如下_：

(a)竖梁及面板区格观测位置图

(b)弧形门剖面图
图1　结构示意图

　　(1)竖梁选取上段门叶一侧靠近中轴线的1^＃、2^＃竖梁与1^＃主梁联接处作为观测截面，在该截面的竖梁上游翼缘的下游侧及下游翼缘的下游侧各布一竖向(Z方向)的应变片，在腹板中点处布一45°的应变花，两根竖梁有6个测点10片工作片，见图2。

　　　　　　　(a)竖梁测点布置图　　　(b)面板区格测点布置图　　　


(c)主梁和支臂测点布置图
图2　测点布置图

　　(2)主梁是根据荷载情况选取受到荷载较大的下段门叶的3^＃、4^＃主梁作为主要观测对象，在主梁跨中上翼缘的下游侧及下翼缘的下游侧各布设一水平方向(X方向)的应变片_；在主梁与支臂联结处支座两侧及抗剪板外端各布置一观测截面，具体称为1－1、2－2、3－3截面(见图2)_；每个截面设5个测点，分别是上翼缘的下游侧，下翼缘的上游侧或下游侧，腹板的上游端、中点、下游端这5个测点，其中翼缘测点布置一水平方向应变片，腹板三个测点都布45°的应变花_；此外为配合振动测试，在2^＃主梁跨中下翼缘的下游侧布一水平方向应变片，主梁上一共有37个测点，73片应变片。
　　(3)支臂选一侧的下支臂下杆布置A－A、B－B、C－C、D－D共4个观测截面，由于支臂主要受轴向力作用^［2］，因此每个测点仅布置沿支臂轴向应变片，支臂下杆上共9个测点9片应变片。面板上我们选取受到荷载较大的下段门叶中板宽较大、锈蚀严重的2个区格，在板的长边中点及区格形心布置测点，每个测点沿水平和竖向布2片应变片(见图2)，每扇门两个区格有4个测点共8片应变片。这样，每扇弧形钢闸门上共布置了56个测点，共100片应变片。测试时每10个工作片共用一片温度补偿片，以消除温度对测量影响。
2.2　测试仪器及测试条件
　　弧形钢闸门的静态应力测试采用日本电器三荣公司生产的7V08多功能数字采集仪及7901多点静态扫描箱，测试前全部仪器均进行标定，测试流程如图3。

图3　测试流程图

　　原型测试时正值枯水季节，两扇闸门实测时的水位均未达到正常高水位177.0m，7^＃门实测的库水位是176.42m，3^＃门是175.74m，分别比正常高水位低0.58m和1.26m。每扇门静态应力测试在同一水位上都进行了3～4次观测，同一闸门同一应变片各次实测应变值误差不超过5个微应变，观测的重现值相当好，满足测量要求^［3］。

3　测试结果及分析

　　竖梁测得的应力均较小，7^＃门、1^＃竖梁上翼缘与下翼缘的竖向应力σ_z分别是14.7MPa和－46.8MPa，竖梁受拉、压情况与竖梁受力情况相符。
　　主梁测试结果表明，主梁的弯曲应力σ_x在主梁与支臂联结处附近三个截面上受力情况是上翼缘和腹板上部受拉，下翼缘和腹板下部受压，跨中截面主梁的上翼缘受压，下翼缘受拉。σ_x大小分布与理论分析相符，中间σ_x小，两侧大，由力学理论知σ_x主要由弯曲引起，而弧形闸门主梁是以支臂为支座的双外伸梁，受均布水压作用后，支座处弯矩为上部受拉，跨中截面弯矩为下部受拉，说明测试结果与弧形闸门主梁受均布水压荷载作用下的变形规律一致，此外由该弧形闸门主梁的理论计算知其支座处的弯矩大小跨中弯矩，因此主梁支座两侧σ_x比跨中的大，实测σ_x值大小也与此相吻合。7^＃闸门实测最大弯曲应力σ_x发生在3^＃主梁1－1截面的下翼缘，其值是σ_xmax＝－100.8MPa，两扇闸门弯曲应力σ_x实侧值均小于规范规定的容许应力［σ］＝160MPa。由弹性理论分析知，弧形闸门主梁的挤压应力σ_y主要由直接荷载水压力q引起，矩形截面梁在受均布q作用时，最大挤压应力σ_ymax＝－q应在梁顶，梁底的σ_y＝0，呈抛物线分布^［4］。实测挤压应力σ_y的结果与理论相近，同时由于支臂的作用，最大的挤压应力σ_y发生在主梁与支臂联结处的下游侧，7^＃门实测最大的挤压应力σ_y发生在该处两侧截面腹板下游端与下翼缘交接处，4^＃主梁为σ_ymax＝－128.7MPa，3^＃主梁为σ_ymax＝－169.2MPa，比容许应力［σ］＝160MPa大，而主梁的3－3观测截面离支臂较远，受到支臂影响较小，所以实测的挤压应力σ_y也是显著减少，总的情况是观测截面下游端的挤压应力σ_y较上游端大。主梁的剪应力τ主要由剪力引起，而在支座处的剪力最大且剪力符号发生改变，实测τ的情况与此相同，最大剪应力τ_max在主梁支座两侧截面腹板的下游端，3^＃闸门4^＃主梁在低于正常高水位1.28m的实测值达到了τ_max＝－86.2MPa，接近规范规定容许剪应力［τ］＝95.0MPa。7^＃闸门主梁在低于正常高水位0.58m条件下，腹板测点实测值按形态改变比能强度理论计算出的折算应力σ_d4有3点超过规范所规定的容许应力［σ］＝160MPa，它们分别是4^＃梁1－1、2－2截面的163.3MPa和174.7MPa，特别在3^＃主梁2－2截面的腹板下游端高达201.9MPa，大于1.1×［σ］＝176.0MPa，说明弧形闸门主梁与支臂联结处附近的强度不安全。

　　　　　　　　　　表1　7^＃闸门主梁实测应力值　　　　　　　　　　MPa