淺析底軸驅(qū)動式翻板閘門（鋼壩閘）結構中的疲勞問題

張 明 陸海翔 任菲菲

底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門是近年來逐步興起的一種雙向擋水結構，由于其具有門頂過水形成人工瀑布、結構隱蔽、臥門行洪、開度無級可調(diào)等景觀特點而被廣泛應用于城市河道管理中，最典型的是建于2005年的上海蘇州河口閘。但是從力學結構反視之，該閘門結構部分采用了一些違反設計原則的結構，勢必會影響工程結構的使用安全，尤其體現(xiàn)在結構疲勞方面。由于該類型閘門在設計過程中并未考慮疲勞設計，因此也就未有疲勞壽命一說。但是歷來結構事故中，疲勞破壞及失穩(wěn)破壞占比達到80%以上，結合門體所受載荷特征，易受到流激振動的特性，可以確信底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門是一種易疲勞結構，因此筆者認為底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門在水利行業(yè)的推廣值得業(yè)內(nèi)人士的重視與商榷。下面以疲勞破壞為關注點，從結構上的應力集中、焊縫（焊縫組織、焊縫殘余應力、焊縫外形）、閘門載荷等角度對該類型閘門的缺陷處進行問題分析。

一、底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門結構

底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門又名鋼壩閘，顧名思義是一種通過驅(qū)動底軸來操控閘門啟閉的一種閘門結構，其主要由門葉結構、底軸、支鉸座、拐臂結構、水封結構、鎖定結構、沖淤系統(tǒng)等組成（見圖1）；結構連接方式主體以焊接為主，局部以栓接為輔；結構類型可拆分為底軸和支鉸支撐組成的多跨超靜定結構及以底軸為固端，門葉主縱梁為自由端的懸臂結構兩種平面結構。工作運行原理是由液壓啟閉機驅(qū)動拐臂，于軸兩端形成扭矩，驅(qū)動底軸與閘門繞軸心線旋轉(zhuǎn)。

從力學模型的角度來看，門葉與底軸連接是典型的懸臂結構；進一步從剛、柔性連接方式來看，連接弧板（梁系端板）與底軸連接部位為栓接、螺栓數(shù)目較多且螺栓布置在翼緣內(nèi)側，視為半剛性連接；而門葉與連接弧板部位采用的是全熔透焊（見圖2），視為剛性連接，且該部位應力集中現(xiàn)象嚴重又為焊縫位置，因此該部位是結構中相對比較薄弱的缺陷部位（易疲勞部位）。另外，大型底軸結構由于厚板缺陷、厚板卷制晶界拉長造成位錯引起硬化導致塑性下降脆性上升等因素也是該類型閘門的缺陷部位。

二、底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門制作簡述

底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門是典型的彎扭剪組合結構。底軸制作：小直徑的底軸可直接采用熱軋的無縫鋼管；直徑較大且壁厚的底軸可采用鋼板分段卷制后，進行縱縫焊接成段后再運于現(xiàn)場環(huán)縫焊接成整體。

待底軸組裝完整后即可將底軸連接弧板通過螺栓緊固于底軸之上；最后將閘門吊至指定位置后與弧形連接板焊接即可。

三、底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門缺陷分析

底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門的薄弱環(huán)節(jié)與關鍵部位是底軸以及門葉與底軸的連接焊縫。其原因分析如下：

1.應力集中的影響

（1）截面變化導致的應力集中。立面圖（圖2）中，底軸連接弧板與主梁翼緣的對（搭）接方式為變截面對接，在不考慮焊縫斜坡的作用下，這種截面變化幾乎為突變截面對接，因此該位置應力集中現(xiàn)象嚴重，其比《鋼結構設計規(guī)范》（GB/T50017-2003）中疲勞計算的構件和連接分類8的情況更易疲勞。

圖1 某閘底軸驅(qū)動式翻板閘門的主體結構組成圖

圖2 某閘底軸驅(qū)動式翻板閘門剖面、立面圖

（2）剛度變化導致的應力集中。結構中，門葉主梁抗彎剛度EI較好，抗扭剛度較差，底軸的抗彎、抗扭剛度較好。結構的剛度主要由彈性（剪切）模量與截面形狀來決定。當材質(zhì)確定后，對于各向同性材料彈性模量GI與剪切模量G即確定，因此，剛度的變化主要取決于截面（極）慣性矩的變化。懸臂端，截面為工字鋼截面，固端截面為底軸斷面，兩者的變化導致截面慣性矩的變化從而導致結構剛度的變化，亦形成應力集中。

2.焊縫接頭形式的疲勞影響

焊縫接頭形式主要分為對接焊縫、T型對接焊縫、角接焊縫、搭接焊縫。四種接頭形式中，對接焊縫由于焊縫至母材的形狀改變不大，載荷傳遞較平穩(wěn)，應力集中系數(shù)低，因而疲勞強度高；T型接頭由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，應力集中系數(shù)比對接接頭的應力集中系數(shù)高，其疲勞極限遠低于對接接頭；搭接接頭則是疲勞極限最低的接頭形式，特別是在原來對接接頭的基礎上，增加蓋板來進行“加強”，其結果適得其反，這種蓋板非但沒有起到“加強”作用，反而使原來疲勞極限較高的對接接頭被大大地削弱。

底軸驅(qū)動式翻板閘門的翼緣與連接弧板對接方式的疲勞強度應介于T型接頭與搭接接頭之間，在端部，由于受到截面形狀的改變，且底部是弧形板，立板與連接弧板形成非90°夾角關系，在形成銳角焊縫的位置，應力集中系數(shù)增長迅速，應力集中加劇，疲勞強度將嚴重下降。前述還是理想化的焊縫截面形狀，由于這部分焊接需要在現(xiàn)場焊接，焊接質(zhì)量不如廠內(nèi)制作可靠，如果再有缺陷存在，尤其咬邊，其本身就是焊接裂紋，由于其又與結構拉應力方向垂直，將加重裂紋尖端應力集中的趨勢。

3.焊縫組織對疲勞強度的影響

焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術，實質(zhì)是對金屬材料的加熱、熔合與空冷即“正火”，焊接質(zhì)量取決于焊縫區(qū)、熔合區(qū)以及熱影響區(qū)三部分。由鐵碳合金相圖可知，低碳鋼（亞共析鋼）的正火條件是將材料加熱到AC3線以上30℃～50℃保溫一段時間后將其全部奧氏體化后于空氣中冷卻形成正火組織，塑性變形的結構還會形成重結晶區(qū)。正火組織以及重結晶區(qū)晶粒細小，受力條件好；但是，焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)中的過熱區(qū)由于接近焊接電弧，電弧溫度高，遠超臨界線AC3線最大溫度912℃，一些晶粒不斷加熱長大，甚至吞噬其周邊的晶粒，導致空冷后該區(qū)域組織晶粒粗大，晶界較少；甚至在冬天焊接時，周邊環(huán)境溫度較低，且焊后保溫工作未做好，焊縫周邊組織急冷，形成針片狀魏氏組織，嚴重影響材料的塑形與韌性，脆性較大，對動載荷尤其是沖擊載荷過敏。

4.焊接殘余應力的影響

由于塑性屈服的存在，焊接殘余應力對結構靜強度基本沒有影響；但是由于存在較高的殘余應力主要是拉應力，會影響到結構的疲勞強度；曾經(jīng)在葛洲壩二線永久船閘的大修檢查中，發(fā)現(xiàn)在全壽命周期為壓應力的節(jié)點板焊縫的焊趾部位也出現(xiàn)了疲勞裂紋。主要原因是因為焊縫在焊后出現(xiàn)橫向收縮，焊縫沿線具有橫向殘余拉應力，該處的殘余拉應力可能很高，甚至會達到材料屈服強度。如果把這么高的殘余拉應力與工作壓應力相疊加形成應力拉壓組合，這就具備塑性疲勞的基本條件。

同理，當?shù)纵S驅(qū)動式翻板閘門在門頂溢流以及啟閉頻繁等情況下，在門葉結構的背水面梁格翼緣與連接弧板的連接焊縫處，工作應力與殘余拉應力將形成應力拉壓組合，具備結構疲勞的基本條件。對于一般材料，疲勞的過程分為應力集中處疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、結構瞬斷三個階段；而焊接結構由于焊縫本身就是結構缺陷，因此，其基本只有兩個發(fā)展過程，即疲勞裂紋擴展、結構瞬斷兩階段，這也是焊縫布置應避開應力集中區(qū)和高應力區(qū)的原因。底軸驅(qū)動式翻板閘門偏偏把焊縫布置在了結構的高應力區(qū)以及應力集中區(qū)，這在根本上違反了焊縫的布置原則。

對受到動載荷的結構一般都會進行消除焊接殘余應力。但是，在消除殘余應力的措施中，整體退火及時效處理是非常有效的手段。不過，由于底軸驅(qū)動式翻板閘門整體尺寸偏大，難以找到相應大小的退火爐進行整體退火；而時效處理則需要工程工期予以保證，而現(xiàn)今的水工閘門結構基本都要求在一個非汛期內(nèi)完成，且本道焊縫基本為結構最后的一道焊縫，焊完該道焊縫已基本臨近水下驗收（放水）時間，時效處理根本不可能。另外結構已成固體，振動亦不可能；因此，消除焊接殘余應力只能采取局部退火，即焊前預熱與焊后熱處理等手段來保證，局部消除應力對于自由度高的結構可能有效，但是對于拘束度較高的結構，效果有待驗證。

5.荷載的影響

《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》（SL74-2013）對閘門結構的疲勞設計雖然未作具體的要求，但由于動水的存在，閘門的振動、疲勞的確是閘門結構設計的關鍵點，也是閘門失事的重要原因。

底軸驅(qū)動式翻板閘門過水時，肯定會形成門頂溢流即動水狀態(tài)，閘門在動水（包括止水漏水）狀態(tài)下，總會出現(xiàn)振動，一般情況下，振動較小；但是，如果水動力荷載的激勵頻率與閘門結構的自振頻率相等或者相近，閘門將會產(chǎn)生共振，尤其是擊水動載荷的高能區(qū)長期位于閘門結構的低頻區(qū)時，結構振幅劇增，使門葉結構出現(xiàn)不平常的應力與應變，嚴重時可能導致結構失穩(wěn)，釀成破壞事故。因此，對于需要長期溢流的結構，應盡量避免選用該類型閘門。

閘門的每一次啟閉也是對其端部施加一次交變載荷，形成交替的拉壓應力組合，助長結構疲勞的態(tài)勢。因此，對于長期需要頻繁啟閉的閘門結構，也應盡量避免選用該類型閘門。

底軸驅(qū)動式翻板閘門由于底軸抗扭剛度較大，而門葉抗扭剛度較小，由于剛度突變及應力集中情況存在，導致結構無法承受沖擊載荷。因此，對于可能會受到?jīng)_撞的船閘，若要應用該類型閘門須慎之又慎。

五、建議

（1）設計層面上，對于底軸驅(qū)動式翻板鋼閘門，由于其采用了應盡量避免的懸臂結構，因此受力狀態(tài)不甚良好，因此，建議鎖定方式能由拐臂鎖定轉(zhuǎn)變?yōu)殚T頂鎖定，將結構由懸臂轉(zhuǎn)為四邊簡支，利于結構受力。此方法受限于較短孔口的底軸驅(qū)動式翻板閘門。另外，設計說明須注明對易疲勞部位的焊縫必須采取焊后熱處理，細化晶粒，提高焊縫區(qū)域的塑形與韌性。

（2）盡量避免止水漏水、門頂溢流等動水狀態(tài)；盡量避免閘門頻繁啟閉狀態(tài)。

（3）加強水工金屬結構的疲勞研究，從結構細節(jié)對閘門的應力集中區(qū)進行優(yōu)化，減弱乃至避免門體焊接結構的應力集中。相比較采用栓接方式從而避免結構整體疲勞斷裂的做法，現(xiàn)在有些廠家直接將門葉焊于底軸成一體的做法，會直接導致整個結構的疲勞斷裂，這種做法必須遏制。

（4）加強底軸驅(qū)動翻板閘門振動的研究，著力于門頂溢流時，底軸驅(qū)動翻板閘門各階振型及門頂破水裝置結構和門后補氣措施對減弱閘門振動的研究；選用合適的門頂破水器