三河船闸人字门背拉杆断裂原因分析

　　三河船闸位于江苏省洪泽县蒋坝镇南端，上游引航道切洪泽湖大堤入洪泽湖，下游与淮河入江水道相连，沟通了洪泽湖与高宝湖之间的航运，是引江济淮配套工程。工程建成于1970年春，设计年通航能力180×105ｋＮ，5000ｋＮ拖挂一次过闸。现年均通航量300×105ｋＮ，年最大通航量650×105ｋＮ。五级船闸，建筑物设计标准为上闸首一级（在洪泽湖大堤上），其他部分为三级。闸道净宽10.0ｍ，闸室净宽12.0ｍ，闸室净长100ｍ，设计最低坎上水深2.5ｍ。设计上游最高通航水位为15.5ｍ，最低通航水位为11.5ｍ，下游最低通航水位为7.5ｍ。上闸首底板顶部高程为9.0ｍ，闸室及下闸首底板顶部高程为5.0ｍ。

　二、背拉杆断裂情况概述

　　三河船闸工作闸门为人字形钢闸门，上闸首门顶高程为17.3ｍ，门体8.55ｍ6.15ｍ，选用4ｔ电动、人力两用推杆式启闭机控制）。上闸首人字门背拉杆为交叉式腹杆，非预应力结构，见图1。

　　1995年5月，发现上闸首左闸门靠近底枢节点板处的背拉杆ＫＨ断裂裂缝１　，后在断杆上反扣800ｍｍ[20ｂ焊接加固。2001年8月闸门安全检测时，发现左闸门背拉杆ＫＨ、加焊的[20ｂ上部，原[25ｂ翼缘又已开裂裂缝2　，扩展到腹板。右闸门背拉杆ＢＥ靠近底枢节点板处开裂（裂缝3），未贯穿，一侧翼缘全部断裂，另一侧翼缘完好，腹板裂缝长度为140ｍｍ。2002年5月，检查发现裂缝2、3均已贯穿，ＢＥ、ＫＨ背拉杆断裂。裂缝3与裂缝1、2对称。3条裂缝均垂直于背拉杆轴线，断口光滑，无颈缩，为脆性破坏。

　　设计工况：根据人字门的工作特点和设计原则，闸门顶枢处水平面内的位移为零，底枢处水平、垂直面内位移均为零。闸门全关时，根据闸门结构和荷载的对称性，两扇闸门相接触的节点处应无垂直于水流方向的水平位移。

　　现运行工况：根据现场观测，闭门后^＃1、^＃6主横梁与主轴柱支铰连接，^＃2、^＃3、^＃4、^＃5主横梁支垫与支垫座存在间隙，^＃2处分别为0.3ｍｍ、0.4ｍｍ，说明面板拱向下游；左、右两闸门斜接木仅^＃１主横梁处完全接触，上游水位以下部分间隙1ｃｍ左右，说明斜接柱倾斜。

　　以上表明，闸门经过32年运行，门体出现永久性的扭曲变形。

　　设计工况：人字门的主要受力构件为主横梁、纵梁和面板。背拉杆的主要作用为增加闸门的整体刚度，特别是闸门的扭曲刚度。据理论计算，背拉杆设计、校核水位时应力均小于8 ＭＰａ（见表1）。

测点号	设计工况，理论计算杆件应力			现运行工况
	实测水位	设计水位	校核水位	实测数据	理论计算
	H_上＝11.01m DH=2.31m	H_上＝16.0m DH=7.3m	H_上＝17.0m DH=8.3m	H_上＝11.01m DH=2.31m	H_上＝11.01m DH=2.31m
41	0.89	4.97	7.31	68.8	69.77

　　现运行工况：根据水利部水工金属结构安全监测中心《三河船闸闸门与启闭机安全检测报告》（2001年8月），ＫＨ杆41号测点处（裂缝3上、[25ｂ截面）实测应力达68.8ＭＰａ。且左右两闸门对应部位实测应力基本一致，故分析ＫＨ杆内力可说明ＢＥ杆问题。

　　以上比较并结合闸门实测应力分析，2001年8月、Ｈ_上＝11.01ｍ时：

　　一是现运行工况，实测背拉杆ＫＨ所受拉应力为68.8ＭＰａ是设计工况0.89ＭＰａ的77倍，超过门体支撑梁系实测最大应力13.39ＭＰａ（^＃5主梁后中翼缘处），说明应力集中在背拉杆。

　　二是模拟现运行工况约束、理论计算得，杆件AC、GJ受压，BED、FKH受拉。ＫＨ内力69.77ＭＰａ与实测68.8ＭＰａ相近，验证了闸门存在扭曲变形。

　　据理论分析，随着上游水位上升（洪泽湖正常蓄水位13.0ｍ，1995年后最高水位为13.94ｍ），作用水头ΔＨ抬高，ＢＥＤ、ＦＫＨ杆受拉内力将进一步增大。

　　现运行工况时，上游人字门在门内外水位差0.5～1.2ｍ时出现门振。经检查分析，主要原因：一是门中缝两斜接木存在间隙、漏水；二是底止水连接件变形、漏水。门内外水位差较大时，水压力大，迫使橡皮止水与底坎接触，漏水量小；水位差较小时，水压力小于橡皮止水弹力，漏水量增大。当漏水的水流脉动频率接近或等于门体的固有频率，发生共振。

　　门体扭曲变形，应力集中在背拉杆，高水头时，ＢＥ、ＫＨ杆受拉应力很大；同时门振使靠近振源、且有支座约束的杆件ＢＥ、ＫＨ杆承受反复作用的荷载，船闸日夜不间断运行，使其因长期作用疲劳破坏。

　　根据检测情况分析，温度变形、焊接残余应力和钢材内部缺陷等因素，导致背拉杆断裂的可能性很小。

　四、结论与建议

　　1．在闸门发生扭曲变形的约束情况下，背拉杆ＢＥ、ＫＨ应力很大，高水头和闸门振动引起的反复荷载长期共同作用，导致疲劳破坏。在截面薄弱处产生裂缝、继而发展、最后断裂。

　　2．三河船闸上闸首人字门是洪泽湖大堤的组成部分，已超负荷运行32年，超过了小型闸门20年的折旧年限。根据安全检测报告结论，应尽快更换，以确保洪泽湖大堤工程任何情况下都安全运用。

　　3．未更换闸门前，管理单位应加强闸门检查观测，发现异常情况及时处理。如遇停航大修，可进行底止水治漏处理、断裂部位补焊加强、门体矫形加固。

参考文献：
    １范崇仁主编．水工钢结构设计．中国水利水电出版社，2000．
    ２曹平周，朱召泉编著．钢结构．科学技术文献出版社，1999．
    ３ＳＬ２２６－９８，水利水电工程金属结构报废标准[s]．