提高人字閘門抗疲勞強(qiáng)度的思考

提高人字閘門抗疲勞強(qiáng)度的思考

摘要根據(jù)葛洲壩船閘人字閘門運(yùn)行10年后出現(xiàn)的裂紋情況，就產(chǎn)生疲勞裂紋的因素及人字閘門的應(yīng)力分析，闡述了人字閘門產(chǎn)生裂紋的原因，提出了防范疲勞裂紋的具體措施對(duì)有關(guān)問(wèn)題的思考。

關(guān)鍵詞船閘人字閘門疲勞裂紋應(yīng)力分析

l概述三峽永久船閘人字閘門的設(shè)計(jì)、制造與安裝借鑒了葛洲壩船閘人字閘門的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，特別是葛洲壩船閘在運(yùn)行10年以后出現(xiàn)疲勞裂紋的情況，給予我們很多啟示。該人字閘門裂紋的特征是：①有裂紋都發(fā)生在人字閘門下部的45根主橫梁附近；②裂紋分布的部位多在人字閘門主橫梁與門軸柱或斜接柱豎隔板的連接處；③裂紋都是從豎向隔板的翼緣邊線與主橫梁翼緣相交處開始呈45°角延伸；④大多數(shù)裂紋都發(fā)生在焊接接頭的端頭。產(chǎn)生裂紋的原因有以下幾方面看法：①認(rèn)為人字閘門在開關(guān)過(guò)程中，因承受交變載荷而產(chǎn)生交變應(yīng)力或應(yīng)變，引起疲勞裂紋；②認(rèn)為是門體扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生剪應(yīng)力引發(fā)的疲勞裂紋；③由于豎隔板翼緣與主橫梁翼緣的對(duì)接處的突變產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中；④由于自重以及各種阻力(泥沙及其他堆積物被擠壓)作用下產(chǎn)生了過(guò)大的拉應(yīng)力；⑤焊接缺陷導(dǎo)致初期開裂。但人字閘門主橫梁的布置是按等強(qiáng)原則設(shè)置的，門體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值大致相等；人字閘門的連接構(gòu)造、焊縫形狀，甚至焊接缺陷也大體相同，為什么疲勞裂紋只發(fā)生在門體下部，這就很值得進(jìn)一步研討。2人字閘門產(chǎn)生疲勞裂紋的主要因素根據(jù)大量的試驗(yàn)研究，產(chǎn)生疲勞裂紋的因素可歸納為材料因素、載荷因素、幾何因素和環(huán)境因素。材料因素與材料的基本力學(xué)性能密切相關(guān)，材料性能般用抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度、伸長(zhǎng)率、冷彎及沖擊韌性來(lái)表示。材料抗拉強(qiáng)度越高，疲勞極限的應(yīng)力幅也越大。屈服強(qiáng)度又與疲勞極限的應(yīng)力幅呈線性關(guān)系。當(dāng)強(qiáng)度相同時(shí)，疲勞極限與硬化指數(shù)有關(guān)，屈強(qiáng)比越大，硬化指數(shù)越低，硬化指數(shù)越高則疲勞極限越低。伸長(zhǎng)率、冷彎及沖擊韌性都是反映鋼材的塑性和韌性性能的，材料具有塑性和韌性，則抵抗脆性破壞的性能也越強(qiáng)。載荷因素主要是加載的方式，如彎曲載荷、拉壓載荷、扭轉(zhuǎn)載荷等，疲勞裂紋破壞大都在交變載荷的多次作用下發(fā)生，而人字閘門產(chǎn)生疲勞裂紋的斷裂因次大多在105以下，屬低周疲勞破壞。產(chǎn)生疲勞裂紋的載荷因素除交變載荷外，還有力，甚至低于設(shè)計(jì)允許應(yīng)力。因此大多數(shù)有關(guān)疲勞的研究是針對(duì)受拉構(gòu)件和交變應(yīng)力的構(gòu)件。幾何因素與載荷因素相關(guān)，由于幾何形狀不佳可導(dǎo)致應(yīng)力成倍增長(zhǎng)，而各種缺陷則會(huì)明顯地降低材料的疲勞極限。構(gòu)件的表面狀態(tài)、甚至加工精度都將影響疲勞壽命。因此，結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡量避免突變，要盡可能園角過(guò)渡，以免應(yīng)力集中形成疲勞源。焊縫形狀也應(yīng)盡量平順，凸形焊縫及焊縫余高都將增大應(yīng)力集中系數(shù)。而焊接咬邊更是裂紋源。因此疲勞裂紋一般都起源于缺陷附近的應(yīng)力集中區(qū)。環(huán)境因素將影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，人字閘門基本上是在潮濕大氣和淡水中交替工作，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。環(huán)境溫度升高，材料表面容易氧化，環(huán)境溫度降低將發(fā)生韌一脆轉(zhuǎn)化，脆性增大，塑性、韌度顯著下降，都將導(dǎo)致疲勞壽命降低。因此鋼材表面的保護(hù)就顯得特別重要。3人字閘門的受力情況分析目前國(guó)內(nèi)外對(duì)人字閘門的計(jì)算，通常將空間問(wèn)題簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，按平面體系將各構(gòu)件分割，取出一個(gè)控制截面進(jìn)行計(jì)算。按常規(guī)的計(jì)算方法，人字閘門的主橫梁是按關(guān)閉擋水情況下，在靜水壓力作用下，用平面三鉸拱的原理計(jì)算。根據(jù)模型及原型試驗(yàn)，上述計(jì)算基本反映了在正常情況下人寧閘門的實(shí)際受力狀況，但僅僅只反映了靜態(tài)受力情況，而人字閘門的運(yùn)行情況比較復(fù)雜，是否還應(yīng)該考慮動(dòng)態(tài)受力工況，以及一些特殊工況，很值得進(jìn)步研究。如人字閘門在靜水壓力作用的同時(shí)，由于主橫梁的彈性壓縮和支、枕墊塊的磨損而產(chǎn)生徑向變位，在關(guān)門擋水的瞬間將引起支承點(diǎn)的移動(dòng)，并因此而產(chǎn)生較大的摩阻力。再如人字閘門在關(guān)閉或開啟時(shí)，由于自重及淤沙重將使主橫梁復(fù)板承受很大的垂直載荷。又如人字閘門在關(guān)閉過(guò)程中，由于泥沙淤積或其他堆積物的阻擋，人字閘門下部將產(chǎn)生比較大的扭轉(zhuǎn)力。因此在計(jì)算人字閘門的主橫梁時(shí)，必須考慮各部件之間的相互關(guān)系，并按最不利工況進(jìn)行組合?，F(xiàn)以葛洲壩3#人字閘門第2根主橫梁為例，對(duì)上述情況進(jìn)行應(yīng)力分析。計(jì)算工況一人字閘門全關(guān)，在靜水壓力作用下，按三鉸拱進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算圖如圖1：圖中：q靜水壓強(qiáng)

A、B支承反力

e截面形心位置

則11斷面的應(yīng)力值為：

σn=-／mm2(主梁前翼緣)

σh=-／mm2(主梁后翼緣)

τ=／mm2圖中：A-----在靜水壓作用下的支承反力

A′---支點(diǎn)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩阻力

A′x、A′γ---摩阻力的x向分力及y向分力

f---滑動(dòng)摩擦系數(shù)取為

則1-1斷面的應(yīng)力值為：

σh=+34N/mm2(主梁前翼緣)

σh=-/mm2(主梁后翼緣)

τ=/mm2計(jì)算工況二人字閘門全關(guān)瞬間，在靜水壓力作用的同時(shí)，支承點(diǎn)位移(僅按支承點(diǎn)位移計(jì)算應(yīng)力)計(jì)算圖如圖2。計(jì)算工況三人字閘門全關(guān)，在自重及淤沙作用下，載荷作用于主梁復(fù)板上，并由主橫梁傳至門軸柱及斜接柱。計(jì)算時(shí)將載荷分配至面板及主梁后翼緣。由面板承受的部分可不作計(jì)算，而分配到主梁后翼緣的部份則按兩端固定梁計(jì)算，計(jì)算圖如圖3。計(jì)算工況四圖中：ql---自重及泥沙重分配到后翼緣的壓強(qiáng)

設(shè)每根主橫梁自重及淤積于主梁上的泥沙重為時(shí)，則1-1斷面的應(yīng)力值為：

σh=±/mm2(主梁后翼緣上端為正、下端為負(fù))圖中：q1自重及泥沙重分配到主梁后翼緣的壓強(qiáng)

N1在自重及淤沙重作用下背拉桿的水平分力則固端1-1斷面的應(yīng)力值為：

σh=-／mm2(后翼緣上端)

σh=／mm2(后翼緣下端)人字閘門在關(guān)閉過(guò)程中，由于自重及淤沙的作用，載荷將由主橫梁傳至門軸柱和斜接柱，再傳至背拉桿。計(jì)算時(shí)將載荷分配至主梁后翼緣，按承受軸向力的兩端固定梁計(jì)算，計(jì)算圖如圖4。

計(jì)算工況五人字閘門在關(guān)閉過(guò)程中，由于淤沙及其他堆積物的阻力作用，人字閘門將承受扭轉(zhuǎn)力，計(jì)算時(shí)可將主橫梁視為以門軸柱為固接端的懸臂梁，計(jì)算圖如圖5計(jì)算結(jié)果分析(1)在人字閘門關(guān)閉擋水情況下，除承受靜水壓力作用外，如考慮門體自重及淤沙重，則主梁后翼緣與門軸柱豎隔板翼緣連接處的應(yīng)力值將達(dá)到-/mm2；再考慮支承點(diǎn)位移，則在上述部位的應(yīng)力值將在瞬間高速增至-/mm2。關(guān)閉到位后又減至-/mm2。(2)人字閘門在開啟情況下，考慮門體自重、泥沙重及泥沙堆積阻力，則主橫梁后翼緣與門軸柱豎隔板翼緣連接處的應(yīng)力值為+/mm2。圖中：q2泥沙阻力作用于主橫梁的壓強(qiáng)

假設(shè)泥沙淤積高為5m，則固端11斷面應(yīng)力值為：

σh=+／mm2(主梁前翼緣)

σh=+／mm2(主梁后翼緣)(3)人字閘門在開關(guān)一個(gè)循環(huán)中，在主橫梁與門軸柱連接部位，不僅要承受交變載荷，而且交變應(yīng)力值為-/mm2至+/mm2，不僅應(yīng)力值變化幅度大且應(yīng)力值高。即使不考慮幾何因素及環(huán)境因素，低周疲勞破壞也是可能的。4三峽工程人字閘門為提高疲勞強(qiáng)度采取的措施三峽工程永船人字閘門的設(shè)計(jì)，借鑒了葛洲壩船閘人字閘門的經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)。無(wú)論在選材、設(shè)計(jì)方法以及結(jié)構(gòu)造型等方面，的確采取了一些措施來(lái)提高抗疲勞強(qiáng)度。在選材方面：采用了高強(qiáng)并具有一定韌性的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼；在可能發(fā)生交變應(yīng)力的部位，如主梁后翼緣等部位采用了高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼；對(duì)于厚度大于36mm以上的板材要求整板探傷。在結(jié)構(gòu)力學(xué)方面：為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度，適當(dāng)增大截面尺寸，降低應(yīng)力幅，如承受交變應(yīng)力的主梁后翼緣，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特征設(shè)計(jì)成紡錘形變截面，加大了兩端截面尺寸；在一些特殊部位，如門軸柱及斜接柱的前后翼緣采用了整板以減少焊接接頭及焊接應(yīng)力。在焊接方面：為減少焊接變形和焊接應(yīng)力，要求采取合理的預(yù)熱措施；對(duì)板厚大于36mm的低合金鋼要求采取后熱消氫處理，防止延遲裂紋；要求對(duì)厚板集中的門軸柱、斜接柱進(jìn)行整體退火熱處理，以消除焊接殘余應(yīng)力。在幾何形狀方面：改善非連續(xù)性的接頭的幾何形狀，盡可能園弧過(guò)渡避免突變；對(duì)不同厚度的接頭采用削斜處理；對(duì)可能承受交變應(yīng)力的焊接接頭要求打磨平順；對(duì)非焊接面要求刨去下料熱影響區(qū)及齒狀缺陷并打磨光滑；在環(huán)境影響方面：為防止表面氧化，防止腐蝕介質(zhì)環(huán)境的不利影響，采用噴涂金屬鋅或鋁層及油漆涂裝雙重保護(hù)。上述一系列結(jié)構(gòu)上和工藝上的措施是一種綜合性的防范措施，其方向是降低總的應(yīng)力水平，減少連接處的的應(yīng)力集中程度，提高焊接接頭質(zhì)量，減少殘余應(yīng)力。在提高抗疲勞裂紋方面應(yīng)是恰當(dāng)?shù)?，也是可取的?有關(guān)問(wèn)題的思考人字門受力情況比較復(fù)雜，充分考慮各種最不利因素十分必要，但對(duì)一些理念性的問(wèn)題，也必須有清晰的理解，否則容易混淆事物的本質(zhì)。為此就有關(guān)問(wèn)題談?wù)剛€(gè)人的看法，供從事人字閘門的設(shè)計(jì)、制造和安裝的人員進(jìn)行思考和判別。(1)人字閘門開閉一個(gè)循環(huán)的全過(guò)程是典型的拉、壓交變載荷，且交變應(yīng)力幅很大，在某些特殊情況下還存在高速加載，應(yīng)力峰值偏高及應(yīng)力集中的不利影響，疲勞裂紋的產(chǎn)生是表面缺陷引發(fā)及多種不利因素疊加的結(jié)果。(2)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算是確定構(gòu)件尺寸和截面系數(shù)的主要依據(jù)，也是判定結(jié)構(gòu)安全裕度的基礎(chǔ)。因此要盡可能根據(jù)不同工況擬定計(jì)算模式進(jìn)行應(yīng)力分析，即令這種計(jì)算模式還存在某些缺陷，也可相對(duì)合理的選擇構(gòu)件截面，減少隨意性。但由于人字閘門受力情況比較復(fù)雜，而疲勞裂紋的產(chǎn)生又往往是多種不利因素組合的結(jié)果。在此情況下適當(dāng)增大構(gòu)件截面，降低應(yīng)力幅，雖然從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看不一定可取，但也不失為一種可以接受的舉措。(3)焊接殘余應(yīng)力不都是拉應(yīng)力，有拉有壓。拉伸殘余應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度降低，壓縮殘余應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度提高。但焊接殘余應(yīng)力將隨時(shí)間的推移而逐慚釋放，即所謂時(shí)效。因此焊接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力與開閉一個(gè)循環(huán)過(guò)程中的拉應(yīng)力不是同個(gè)概念。(4)焊接接頭的質(zhì)量是至關(guān)重要的，在相同的循環(huán)應(yīng)力作用下不同的