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1、提高人字闸门抗疲劳强度的思考 摘要：根据葛洲坝船闸人字闸门运行10年后出现的裂纹情况，就产生疲劳裂纹的因素及人字闸门的应力分析，阐述了人字闸门产生裂纹的原因，提出了防范疲劳裂纹的具体措施对有关问题的思考。 关键词：船闸 人字闸门 疲劳裂纹 应力分析 l 概述三峡永久船闸人字闸门的设计、制造与安装借鉴了葛洲坝船闸人字闸门的实际经验，特别是葛洲坝船闸在运行10年以后出现疲劳裂纹的情况，给予我们很多启示。该人字闸门裂纹的特征是：有裂纹都发生在人字闸门下部的45根主横梁附近；裂纹分布的部位多在人字闸门主横梁与门轴柱或斜接柱竖隔板的连接处；裂纹都是从竖向隔板的翼缘边线与主横梁翼缘相交处开始呈45角延伸；
2、大多数裂纹都发生在焊接接头的端头。产生裂纹的原因有以下几方面看法：认为人字闸门在开关过程中，因承受交变载荷而产生交变应力或应变，引起疲劳裂纹；认为是门体扭转产生剪应力引发的疲劳裂纹；由于竖隔板翼缘与主横梁翼缘的对接处的突变产生严重的应力集中；由于自重以及各种阻力(泥沙及其他堆积物被挤压)作用下产生了过大的拉应力；焊接缺陷导致初期开裂。但人字闸门主横梁的布置是按等强原则设置的，门体结构的应力值大致相等；人字闸门的连接构造、焊缝形状，甚至焊接缺陷也大体相同，为什么疲劳裂纹只发生在门体下部，这就很值得进一步研讨。2 人字闸门产生疲劳裂纹的主要因素根据大量的试验研究，产生疲劳裂纹的因素可归纳为材料因素
3、、载荷因素、几何因素和环境因素。材料因素与材料的基本力学性能密切相关，材料性能 般用抗拉强度、屈服强度、硬度、伸长率、冷弯及冲击韧性来表示。材料抗拉强度越高，疲劳极限的应力幅也越大。屈服强度又与疲劳极限的应力幅呈线性关系。当强度相同时，疲劳极限与硬化指数有关，屈强比越大，硬化指数越低，硬化指数越高则疲劳极限越低。伸长率、冷弯及冲击韧性都是反映钢材的塑性和韧性性能的，材料具有塑性和韧性，则抵抗脆性破坏的性能也越强。 载荷因素主要是加载的方式，如弯曲载荷、拉压载荷、扭转载荷等，疲劳裂纹破坏大都在交变载荷的多次作用下发生，而人字闸门产生疲劳裂纹的断裂因次大多在105以下，属低周疲劳破坏。产生疲劳裂纹
4、的载荷因素除交变载荷外，还有力，甚至低于设计允许应力。因此大多数有关疲劳的研究是针对受拉构件和交变应力的构件。几何因素与载荷因素相关，由于几何形状不佳可导致应力成倍增长，而各种缺陷则会明显地降低材料的疲劳极限。构件的表面状态、甚至加工精度都将影响疲劳寿命。因此，结构形状应尽量避免突变，要尽可能园角过渡，以免应力集中形成疲劳源。焊缝形状也应尽量平顺，凸形焊缝及焊缝余高都将增大应力集中系数。而焊接咬边更是裂纹源。因此疲劳裂纹一般都起源于缺陷附近的应力集中区。环境因素将影响结构的使用寿命，人字闸门基本上是在潮湿大气和淡水中交替工作，容易产生应力腐蚀。环境温度升高，材料表面容易氧化，环境温度降低将发生
5、韧一脆转化，脆性增大，塑性、韧度显著下降，都将导致疲劳寿命降低。因此钢材表面的保护就显得特别重要。3 人字闸门的受力情况分析目前国内外对人字闸门的计算，通常将空间问题简化为平面问题，按平面体系将各构件分割，取出一个控制截面进行计算。按常规的计算方法，人字闸门的主横梁是按关闭挡水情况下，在静水压力作用下，用平面三铰拱的原理计算。根据模型及原型试验，上述计算基本反映了在正常情况下人宁闸门的实际受力状况，但仅仅只反映了静态受力情况，而人字闸门的运行情况比较复杂，是否还应该考虑动态受力工况，以及一些特殊工况，很值得进 步研究。如人字闸门在静水压力作用的同时，由于主横梁的弹性压缩和支、枕垫块的磨损而产生
6、径向变位，在关门挡水的瞬间将引起支承点的移动，并因此而产生较大的摩阻力。再如人字闸门在关闭或开启时，由于自重及淤沙重将使主横梁复板承受很大的垂直载荷。又如人字闸门在关闭过程中，由于泥沙淤积或其他堆积物的阻挡，人字闸门下部将产生比较大的扭转力。因此在计算人字闸门的主横梁时，必须考虑各部件之间的相互关系，并按最不利工况进行组合。现以葛洲坝3#人字闸门第2根主横梁为例，对上述情况进行应力分析。3.1 计算工况一人字闸门全关，在静水压力作用下，按三铰拱进行计算，计算图如图1： 图1图中：q 静水压强A、B 支承反力e 截面形心位置则1 1断面的应力值为：n=-41.2Nmm2(主梁前翼缘)h=-125
7、.8Nmm2(主梁后翼缘)=51.5Nmm2 图2图中：A-在静水压作用下的支承反力A-支点移动时产生的摩阻力Ax、A-摩阻力的x向分力及y向分力f-滑动摩擦系数取为0.2则1-1断面的应力值为：h=+34N/mm2(主梁前翼缘)h=-60.7N/mm2(主梁后翼缘)=35.8N/mm23.2 计算工况二人字闸门全关瞬间，在静水压力作用的同时，支承点位移(仅按支承点位移计算应力)计算图如图2。3.3 计算工况三人字闸门全关，在自重及淤沙作用下，载荷作用于主梁复板上，并由主横梁传至门轴柱及斜接柱。计算时将载荷分配至面板及主梁后翼缘。由面板承受的部分可不作计算，而分配到主梁后翼缘的部份则按两端固定
8、梁计算，计算图如图3。3.4 计算工况四图3图中：ql-自重及泥沙重分配到后翼缘的压强设每根主横梁自重及淤积于主梁上的泥沙重为15.0t时，则1-1断面的应力值为：h=73.8N/mm2(主梁后翼缘上端为正、下端为负)图4图中：q1 自重及泥沙重分配到主梁后翼缘的压强N1 在自重及淤沙重作用下背拉杆的水平分力则固端1-1断面的应力值为：h=-75.5Nmm2(后翼缘上端)h=72.0Nmm2(后翼缘下端)人字闸门在关闭过程中，由于自重及淤沙的作用，载荷将由主横梁传至门轴柱和斜接柱，再传至背拉杆。计算时将载荷分配至主梁后翼缘，按承受轴向力的两端固定梁计算，计算图如图4。 3.5 计算工况五人字闸
9、门在关闭过程中，由于淤沙及其他堆积物的阻力作用，人字闸门将承受扭转力，计算时可将主横梁视为以门轴柱为固接端的悬臂梁，计算图如图5 3.6 计算结果分析(1)在人字闸门关闭挡水情况下，除承受静水压力作用外，如考虑门体自重及淤沙重，则主梁后翼缘与门轴柱竖隔板翼缘连接处的应力值将达到-199.6N/mm2；再考虑支承点位移，则在上述部位的应力值将在瞬间高速增至-260.3N/mm2。关闭到位后又减至-199.6N/mm2。(2)人字闸门在开启情况下，考虑门体自重、泥沙重及泥沙堆积阻力，则主横梁后翼缘与门轴柱竖隔板翼缘连接处的应力值为+173.0N/mm2。图5图中：q2 泥沙阻力作用于主横梁的压强假
10、设泥沙淤积高为5m，则固端1 1断面应力值为：h=+56.6Nmm2(主梁前翼缘)h=+101.0Nmm2(主梁后翼缘)(3)人字闸门在开关一个循环中，在主横梁与门轴柱连接部位，不仅要承受交变载荷，而且交变应力值为-199.6N/mm2至+173.0N/mm2，不仅应力值变化幅度大且应力值高。即使不考虑几何因素及环境因素，低周疲劳破坏也是可能的。4 三峡工程人字闸门为提高疲劳强度采取的措施三峡工程永船人字闸门的设计，借鉴了葛洲坝船闸人字闸门的经验及教训。无论在选材、设计方法以及结构造型等方面，的确采取了一些措施来提高抗疲劳强度。在选材方面：采用了高强并具有一定韧性的低合金高强度结构钢；在可能发
11、生交变应力的部位，如主梁后翼缘等部位采用了高强度船体结构钢；对于厚度大于36mm以上的板材要求整板探伤。在结构力学方面：为增强结构的抗疲劳强度，适当增大截面尺寸，降低应力幅，如承受交变应力的主梁后翼缘，根据结构受力特征设计成纺锤形变截面，加大了两端截面尺寸；在一些特殊部位，如门轴柱及斜接柱的前后翼缘采用了整板以减少焊接接头及焊接应力。在焊接方面：为减少焊接变形和焊接应力，要求采取合理的预热措施；对板厚大于36mm的低合金钢要求采取后热消氢处理，防止延迟裂纹；要求对厚板集中的门轴柱、斜接柱进行整体退火热处理，以消除焊接残余应力。在几何形状方面：改善非连续性的接头的几何形状，尽可能园弧过渡避免突变
12、；对不同厚度的接头采用削斜处理；对可能承受交变应力的焊接接头要求打磨平顺；对非焊接面要求刨去下料热影响区及齿状缺陷并打磨光滑；在环境影响方面：为防止表面氧化，防止腐蚀介质环境的不利影响，采用喷涂金属锌或铝层及油漆涂装双重保护。上述一系列结构上和工艺上的措施是一种综合性的防范措施，其方向是降低总的应力水平，减少连接处的的应力集中程度，提高焊接接头质量，减少残余应力。在提高抗疲劳裂纹方面应是恰当的，也是可取的。5 有关问题的思考人字门受力情况比较复杂，充分考虑各种最不利因素十分必要，但对一些理念性的问题，也必须有清晰的理解，否则容易混淆事物的本质。为此就有关问题谈谈个人的看法，供从事人字闸门的设计
13、、制造和安装的人员进行思考和判别。(1)人字闸门开闭一个循环的全过程是典型的拉、压交变载荷，且交变应力幅很大，在某些特殊情况下还存在高速加载，应力峰值偏高及应力集中的不利影响，疲劳裂纹的产生是表面缺陷引发及多种不利因素叠加的结果。(2)结构力学计算是确定构件尺寸和截面系数的主要依据，也是判定结构安全裕度的基础。因此要尽可能根据不同工况拟定计算模式进行应力分析，即令这种计算模式还存在某些缺陷，也可相对合理的选择构件截面，减少随意性。但由于人字闸门受力情况比较复杂，而疲劳裂纹的产生又往往是多种不利因素组合的结果。在此情况下适当增大构件截面，降低应力幅，虽然从技术和经济角度看不一定可取，但也不失为一
14、种可以接受的举措。(3)焊接残余应力不都是拉应力，有拉有压。拉伸残余应力使疲劳强度降低，压缩残余应力使疲劳强度提高。但焊接残余应力将随时间的推移而逐惭释放，即所谓时效。因此焊接结构的焊接残余应力与开闭一个循环过程中的拉应力不是同 个概念。(4)焊接接头的质量是至关重要的，在相同的循环应力作用下不同的焊接接头的疲劳寿命相差很大。如凸型焊缝就比凹型焊缝具有更高的应力系数，而焊缝的表面缺陷比内部缺陷就具有更大的威胁性，特别是焊瘤、焊缝凹陷及咬边，因此应当十分重视焊缝的外在质量。但应当指出的是，重要性不同的焊接构件，对焊缝质量的要求应该是不相同的。承受交变载荷的主梁后翼缘的对接焊缝，主梁后翼缘与边柱竖隔板翼缘的连接焊缝，无论将焊缝质量提到何等高度都不过分。但如将主梁复板上的加劲板的焊缝，要求焊成或磨成凹型似乎就没有多大必要了。 11
