021人字门背拉杆预应力施工工法1.docx

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021人字门背拉杆预应力施工工法1

人字门背拉杆预应力施工工法

1.前言

人字门在关闭挡水状态下，为三铰拱受力状态，门前所承受的巨大载荷通过两门轴柱传递给闸墙。

而门体在自由悬挂状态和开关过程中的每一个门位，都处于底枢、顶枢及启闭杆三点约束下，在运行过程中承受巨大的自重及风、水压力。

而单扇人字门为一庞大的开口薄壁结构：

即上游面为整块挡水面板，下游面为梁格空腔的非对称结构。

因此上游面刚度大于下游面，结构抗扭能力小。

我公司与武汉水利电力大学开展科技创新与技术攻关，研究制定本工法在江西万安电厂上下闸首人字门、三峡永久船闸北线一、二首人字门、广东惠州东江水利枢纽船闸工程中等施工中，得到应用并取得理想的效果。

该工法手段先进、技术成熟、取得了良好的经济效益与社会效益。

2.工法特点

2.1通过结构受力分析、三维有限元计算、建立背拉杆预应力优化方程的方法求解，能够准确的计算出人字门各组背拉杆的应力值、施加顺序及应力的分配大小，减小了预应力施加的盲目性、随意性。

2.2采用人字门背拉杆施工工法，能够很好的改善人字门由于自重及应力作用下，在斜接柱端产生下垂及向面板侧的扭转；在门轴柱端则产生向下游侧扭转等几何变形。

2.3采取人字门背拉杆施工工法，除了能够有力地改善人字门的几何形状外，还可以保证下道刚性止水施工工序（特别是止水效果）的施工。

2.4采取液压拉伸对背拉杆施加应力、通过应变片测量预应力大小的方法，具有施工简便，测量精确，可操作性强等特点。

3.适用范围

该工法适用于船闸人字门背拉杆预应力施工。

4.工艺原理

人字门为开口薄壁结构，上游挡水面为整块面板结构，刚度大；下游面为梁格空腔结构，刚度小。

在运行状态下，随着门体开、关运行方向的相反，雍水压力作用的方向相反，引起的门体几何变形方向也相反。

在关门运行状态下，由于门体变形和自重作用下相同，背拉杆内应力将增加，反之开门运行状态背拉杆应力将减小。

背拉杆作为抵抗扭转变形的主要构件，施加预应力的大小应保证在各种运行工况下，应力恒为拉应力并不能过大。

因此所施加预应力的大小应满足安装、运行的要求，并且施工方法可行。

才能取得较好的门形、保证运行的寿命及运行的安全。

通过结构受力分析、三维有限元计算可知，人字门在自重及应力作用斜接柱端产生下垂及向面板侧的扭转，在门轴柱端则产生向下游侧扭转等几何变形。

特别是在斜柱端部变形最大，将使人字门不能很好起到封水、传力效果，并减少使用寿命。

因此人字门背拉杆预应力值的确定、施加顺序、力的分配、施加方法、测量方式等技术含量高、施工难度大，是人字门施工的关键工序与质量控制点。

背拉杆及变形测点布置见下图4。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

人字门背拉杆施工工艺流程见下图5.1。

图5.1人字门背拉杆施工工艺流程图

5.2施工前的准备

5.2.1顶枢砼达到80%设计强度，将顶枢A、B杆的四个楔块拉紧后，解除门体原来的安装约束。

5.2.2测出顶枢旋转中心，底主梁中心高程、两端柱正、侧向垂直度，门体扭曲等资料并记录备案。

5.2.3粘贴预应变片，并使背拉杆承受较小的拉应变，并观测应变片的应变漂浮情况。

5.2.4清理每根螺纹并涂油脂，以防损伤螺纹。

5.2.5拉伸用的平衡梁，低轮廓尺寸液压拉伸千斤顶及手动油泵准备到位。

5.3人字门背拉杆预应力施加顺序

5.3.1背拉杆预应力值的控制

1、用三维有限元计算和建立背拉杆预应力优化方程的方法求解，可以得出人字门背拉杆设计预应力值的范围。

2、背拉杆预应力施工的目的是首先改善门体几何形体、满足安装要求，并使杆内应力保持在设计范围内。

在这对矛盾统一体中，应优先考虑前者。

5.3.2背拉杆预应力施加顺序

1、先上主杆→下主杆→上付杆→下付杆的顺序施加。

根据主杆加力后副杆应力相应自动增加的规律，可以采用加主带副的办法，以减小工作量。

北一闸首左门调试中，各组杆件加力时的相互影响系数的经验值如表5.3.2。

2、每组杆件中，从中间杆向两侧杆多次循环进行加力。

加力时应注意同组背拉杆中，后加力杆件对先加力杆件副面影响量约为15%左右。

在粗调加力的过程中，尽量减小同组杆中几根背拉杆的应力差，以便微调门体几何形状时，不需再调同组背拉杆的应力差。

表5.3.2组杆件间应力及斜接柱侧向垂直度影响系数

加力部位

背拉杆应力（MPa）

斜接柱变形（mm）

门轴柱中部（mm）

上主杆

上副杆

下主杆

下副杆

上

中

下

下垂

上主σ=1MPa

+1.00

+0.60

-0.15

+0.15

-0.10

-0.50

-0.70

+0.10

+0.17

上副σ=1MPa

+0.40

+1.00

0.10

-0.10

-0.070

0.25

+0.35

-0.04

-0.06

下主σ=1MPa

-0.10

+0.95

+1.00

+0.50

0.004

-0.11

-0.40

+0.05

-0.05

下副σ=1MPa

+0.07

-0.08

+0.40

+1.00

-0.001

+0.11

+0.30

-0.04

+0.06

注：

应力”+”表示增加、”-“表示减小；变形“+”表示向上游偏移、“-”表示向下游偏移。

3、微调阶段，使门体斜接柱和门轴柱的变形值趋于理想，应力达到设计范围，同组中背拉杆的应力差在3%-5%间。

同时使两端柱中间部位（特别是上下两层背拉杆交汇的第15-18根主梁）鼓肚现象尽量减小，以保证后续支枕垫块两侧环氧垫层的填充间隙。

5.4每次预应力施加值大小

每次加力10Mpa~20MPa左右，多次循环渐进施加，特别是最后进行微调阶段，不可一次加力过大。

每加一组，随时检测门体的几何形体尺寸与各组间应力的变化及相互影响，以确定下步加力大小、加力顺序。

5.5应力施加方法

人字门背拉杆一般结构形式为：

两端为拉伸螺杆、中间为扁形钢带。

利用此螺杆通过机械的方法对扁形钢带进行拉长，从而达到对背拉杆施加预应力的目的。

一般预应力施加有多种方法，可以通过旋转螺母及时并紧螺帽的方法施加扭矩；也可以通过直接拉伸，及时并紧螺帽的方法施加扭矩，还可以通过加热伸长，及时并紧螺帽的方法施加。

背拉杆拉伸见下图5.5所示。

但对于人字门背拉杆的结构形式，预应力施工只能采取前两种方法。

在实际施工中利用液压扭矩扳手，通过端部螺母旋转来施加扭矩时；在预应力施加不大的情况下，螺母旋转还比较顺利。

但预应力施加值较大时，存在螺母与背拉杆的挡板间产生了较大摩擦力，致使螺纹咬合、背拉杆钢带扭转等现象。

即使在在螺母与挡板间放置摩擦力较小的不锈钢板并涂抹黄油等方式，仍然会出现上述现象。

通过分析比较，选择直接拉伸螺母拉长钢带的方法，进行背拉杆预应力施加。

利用扁担梁将背拉杆一端的螺母置于中间、在扁担梁的两端各放置100t液压千斤顶。

通过液压千斤顶拉长背拉杆并及时拧紧并帽螺母。

5.6应力、变形检测方法

5.6.1预应力检测方法

1、贴片。

在每根背拉杆正反面轴线位置，除掉防腐油漆、露出金属肌体，仔细打磨平整、清洗干净后，在干燥状态下贴正、压紧应变片，并作复层防潮处理。

2、接线方式。

每根杆布置两个测点，一个为工作点，一个为备用点。

每个测点分别在杆件的正面和反面，布置成“┻”形的两片应变片，测点布置见图4。

四个应变片成半桥连接方式。

通过桥路的变化，消除弯曲应力，从而获得了纯净的拉应变。

仪器读数：

ε仪=（1+μ）·εP=（1+μ）·σP/E；实际应变：

εP=ε仪/（1+μ）；实际应力：

σP=E·εP。

（式中μ为泊松比，取值0.33，E为弹模，取值E=2.1×105MPa）

由于背拉杆多，如果设置温度补偿块，或采用多个工作片共用一个补偿片的方法，很容易导致补偿块与背拉杆测点处温度不同，从而为测试结果带来误差。

因此采用了温度自补偿方式。

这样检测出的应力值就避免温度应力、弯曲应力等对测试结果的影响。

3、应变仪调零：

检查应变片的应变漂浮情况，要求应变量漂浮≤2με/24h，以此验证应变片贴粘、防潮、导线屏避等好坏。

预应力张拉前，首先对背拉杆“调零”，即使背拉杆受12με左右的拉应变（应变仪读数经程序换算为2MPa的应力值），然后将仪器清零待用。

5.6.2门体变形检测

在门体斜接柱和门轴柱的端板上，从下自上每侧选取9个点为门体变形测控点，在门体斜接柱和门轴柱顶部端面挂垂线，用水平钢尺检测两端柱的侧向垂直度和正向垂直度。

门体底主梁水平度用水准仪测量。

5.6.3应力变形稳定观测

由于温度、湿度对应力及门体几何尺寸的影响，特别是日晒对门体上下游面的影响更明显，加之应力施加后门体变形需有一定时间，需进行稳定性观测。

6.材料与设备

待预应力值、施加顺序、力的分配、施加方法、测量方式等技术工作准备，以及张拉之前的准备工作结束后，即可进行人字门背拉杆预应力值的施加。

预应力主要使用的材料及工器具见表6。

表6人字门预应力施加主要使用的材料及工器具

序号

设名称

设备型号

单位

数量

用途

1

平衡梁

自制

个

1

背拉杆拉伸

2

液压拉伸千斤顶

低轮廓尺寸、100t

个

2

背拉杆拉伸

3

液压千斤顶手动泵

与千斤顶配套

套

1

背拉杆拉伸

4

应变仪

套

1

应力测量

5

温度计

普通

个

1

测量环境温度

6

水准仪

套

1

测量底主梁水平、高程

7

线锤及直尺

普通

个

各2

测量门体几何尺寸

8

悬挂式施工平台

自制

套

4

用于搭乘施工人员

9

角向磨光机

普通

台

1

贴应变片用

7.质量控制

7.1人字门安装约束解除前后对门体几何尺寸的测量、备案。

7.2预应力施加前，应将人字门底部安装支撑及与闸墙的连接全部去除，让人字门处于完全自由状态，以调整拼对及焊接时存在的内应力；背拉杆从门体处于自由状态开始张拉。

7.3背拉杆张拉前，应先对应变片“调零”，使背拉杆承受较小的拉应变，而应存在压应变。

7.4做好应变片的应变漂浮情况检查，以此验证应变片贴粘、防潮、导线屏避等好坏，保证测量的准确、可靠。

同时注意应变值的温度补偿。

7.5背拉杆张拉的顺序、每次应力施加大小应严格控制，在每张拉一个循环后应及时测量门体几何尺寸，以对下次张拉力的适当调整。

7.6背拉杆张拉以改善门体自由状态下几何尺寸为主，应力值大小为辅，特别是应力微调时更突出这一点。

7.7背拉杆结束后应对门体进行稳定性观测，以便观测应力在结构中的分布调整。

8.安全措施

8.1在解除门体约束之前，应再次确认顶枢砼达到强度要求，将顶枢A、B杆的四个楔块拉紧，方可解除门体约束，使门体有原来的安装状态变为自由悬挂状态。

8.2由于人字门背拉杆张拉时间较长，在解除门体刚性连接后，应将门体与闸墙进行软连接，防止大风将门体转动。

8.3同时在背拉杆张拉前，应对背拉杆对接焊缝进行100%射线及超声波探伤。

8.4应逐步对背拉杆施加应力，使金属产生较缓慢的蠕动。

9.环境保护

9.1施工中应遵守国家有关环境保护的法律、法规，接受环保部门对线路施工的监督和指导。

9.2设置专用容器回收油污，对含油量超标的弃水要采取收集和就地处理措施，含油深度达到《污水综合排放标准》（GB8978-96）规定的一级标准后方可排放。

9.3按照《工业企业噪声卫生标准》，合理安排工作人员减少接触噪声的时间，对距噪声源较近的施工人员，除采取戴防护耳塞等劳动保护用品外，还要适当缩短劳动时间。

10.效益分析

一般人字门体积较大，受力较大，每天启闭数多，在启闭运行中承受巨大的水压力和雍水作用，结构的抗扭转及应力，变形动力问题相当复杂。

特别是在双层多根背拉杆的调试难度更大。

在对人字门水弹性试验研究基础上的优化合理的结构设计，精确的应力计算，加上正确的施工方法，严格的施工工艺，使得背拉杆施工工期短、操作简便、质量高、安全可靠、一次成功率高、测量精确度高等特点。

三峡永久船闸12套人字门、江西万安电厂上下闸首人字门全部采用此方法施工，取得很好的经济及社会效果，为其他人字门提供可靠的经验、借鉴价值。

11.应用实例

三峡永久船闸为双线、平行、对称、连续阶梯布置的五级特大型船闸，分南北两线。

每线由五个闸室、六个闸首组成。

共设有12套（24扇）人字门。

每扇人字门门体分12节运抵工地，现场直立状态拼焊为一整体。

人字门由刚度较大的门轴柱、斜接柱、中间部位门体及背拉杆、顶枢拉杆等组成。

所施工的人字门主要技术参数见表10。

表10人字门主要技术参数

最大挡水高度（m）

门高（m）

门宽（m）

门厚（m）

单扇门重（t）

垂直止水型式

36.75

38.5

20.2

3.0

838.1

支枕块兼刚性止水

上游最高通航水位（m）

底坎止水面高程（m）

风压力（KN/m2）

雍水高度（m）

175.75

139.0

0.4

0.2，0.4

11.1背拉杆调试前人字门几何形体尺寸

北一闸首左门在解除门体底部安装支承、背拉杆全自由状态时，在自重作用下斜接柱端点下垂及扭曲分别为△X=8.9mm、△Y=80.5mm向上游扭转；门轴柱向下游扭转△Y`=8.5mm。

若在风、水压力及雍水力工作状态下，这种几何变形将更加明显，抗疲劳能力也明显下降。

因此设计通过在人字门下游面加设上、下双层交叉背拉杆（具体布置见图4），并在杆件中施加一定的预应力预先消除或减小门体由于自重作用产生的变形来改善门体的几何形状，提高抗扭转能力。

11.2背拉杆预应力施加结果

11.2.1北一闸首左侧人字门预应力及门体变形

北一闸首左侧门体背拉杆预应力张拉结果见表10.2.1-1、表10.2.1-2，从表中的数值可以看到各背拉杆的预应力值与门体几何形体的对应关系及变形的改善情况。

从宏观上看斜接柱向面面板侧弓成“（”形；门轴柱由于顶底枢的约束成“3”形。

底主梁的水平度△X由下垂变为上翘1.9mm。

最终满足了安装技术要求。

11.2.2背拉杆预应力施工与门体支枕垫块安装

对背拉杆施加预应力改善门体的几何变形，其主要目的之一是考虑后续支枕垫块安装及两侧环氧垫层的填充间隙。

现实际上两端柱侧向垂直度控制在8mm以内，对两侧环氧垫层的填充不成问题，并已满足安装技术要求。

支枕垫块自重在斜接柱端产生的力矩和门重引起的相比非常小，可以不考虑支枕垫块自重对形体的影响。

因此背拉杆预应力施工完后再挂装支枕垫块、号孔是有利的。

表10.2.1-1三峡北一闸首人字门左侧背拉杆予应力张拉值（MPa）

编号

调

零

前

调

零

第一循环

第二循环

第三循环

第四循环

一次微调

二次微调

稳定

观测

上主加力

下主加力

上副加力

下副加力

湿度％100%

90

68

81

81

90

80

90

90

65

65

70

80

温度0C

6.5

4.5

6.5

6.5

5

5.5

6

6

8.5

8.5

6

5.5

上主1

0

2

27

23

25

26

45

60

77

90

90

90

上主2

0

1

24

21

23

23

47

62

76

90

89

89

上主3

-0.6

3

25

21

23

24

47

59

75

89

89

89

上主4

0

2

27

22

23

24

46

61

76

89

89

89

上副1

0.3

3

16

19

20

20

35

47

58

57

56

56

上副2

-0.2

2

14

18

21

21

37

49

60

56

55

55

上副3

0

2

9

12

22

21

36

48

58

56

56

56

下主1

0

3

-3

33

34

37

54

78

93

95

97

97

下主2

0

3

-1

37

37

40

54

76

93

97

97

97

下主3

0

3

-3

37

38

40

54

78

94

96

98

98

下主4

0

1

-1

33

33

36

55

77

93

98

98

98

下副1

0

2

4

18

18

26

37

51

61

66

66

66

下副2

0

1

1

16

16

24

35

47

52

66

67

67

下副3

0

1

4

16

15

26

36

48

58

67

66

66

表10.2.1-2三峡北一闸首人字门左侧背拉杆门体变形数据表（mm）

部位

斜接柱

门轴柱

底主梁水平

状态

自由状态

调试完毕

自由状态

调试完毕

自由状态

调试完毕

序号

正

侧

正

侧

正

侧

正

侧

下垂：

-10

下垂：

+2.4

9

130

0

130.5

0

130

0

0

0

8

140

10

136.5

1

129

-4

2.5

-0.5

7

144

27

137

6.5

129

-7.5

2.5

-1.0

6

143

36

134

6

131

-10

2.5

-1.0

5

147

45

135

4

134

-10.5

2.5

-3.0

4

152

55

136

6.5

131

-6

2.5

3

3

154

65

136

5.0

132

-8

-0.5

1

2

155

74

131

4.5

134

-9

0

0

1

155

82

127

0

130

-8

-4.0

-4

11.3万安船闸人字门背拉杆预应力施工简介

江西省万安水电站船闸，下闸首人字门的门叶厚度为1.5m，门叶高度为36.25m，单扇门宽8.93m，高宽比为4:

1，重223.34t，承受的最大水压为55000KN。

下闸首人字门是一典型的狭长型薄壁窨结构。

安装的技术要求高，施工难度大。

安装后顶底枢不同部位精度要求均小于2mm，斜拉柱上任一点的跳动量要求小于1mm，枕垫块间隙要在0.1mm以内。

下闸首人字门背拉杆的布置：

在门叶的整个背水面，分三层，每层布置一对交叉形的钢板条，材质为16锰钢，断面尺寸为300mm×30mm，万安下闸首人字门背拉杆预应力施工也是利用上述施工方法、并结合门体结构的具体特点进行了优化，取得了理想效果。

万安下闸首人字门背拉杆调试成果及门体安装精度具体见表10.3-1、表10.3-2。

表10.3-1万安下闸首人字门背拉杆调试成果（单位mm）

项目

上层背拉杆

中间层背拉杆

下层背拉杆

斜接柱跳动量

1

2

3

4

5

6

主杆

副杆

主杆

副杆

主杆

副杆

设计计算值

478

440

500

460

533

474

1

左门

500

443

499

460

562

491

0.2

右门

440

480

434

512

463

494

0

说明

设计允许预应力与设计值误差为±50

表10.3-2万安背拉杆预应力前后门体安装精度（单位mm）

部位

状

类别态

左门

右门

允许

调试前

调试后

允许

调试前

调试后

门叶竖向弯曲度

4

1.5

3

4

6.5

6

门叶横向弯曲度

5

2

1.5

5

3.5

3

斜接柱正面弯曲度

±5

±1

1

±5

-0.5

±2.5

扭曲度

6

0.5

±0.5

6

1

0.5

注：

表中数值为测量中的最大值。

人字门背拉杆预应力施工工法图片资料

人字门安装图片1

人字门安装照片2

人字门安装照片3

人字门安装照片4

人字门安装照片5

人字门安装照片6

人字门安装照片7

人字门安装照片8

人字门安装照片9

人字门安装照片10

人字门安装照片11

人字门安装照片12