論現(xiàn)代無金屬水工閘門

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1．前言

　　我們研究纖維增強聚合物（FRP）的應(yīng)用已有多年了，一直致力力于土木工程結(jié)構(gòu)FRP建造，倡導(dǎo)現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)。所謂現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)，就是用FRP替代結(jié)構(gòu)中的金屬，或仿制、增強非金屬材料，得到新型無金屬結(jié)構(gòu)。其概念含有民族科學(xué)文化內(nèi)涵。土木，“謂建筑之事也，如筑屋，架橋，筑堤，開路等工事是也（國語晉語九）”。顧名思義，中華土木工程結(jié)構(gòu)本意就與金屬無關(guān)，是無金屬結(jié)構(gòu)，符合中華古代“五行”理念。近代，鋼鐵等金屬材料大量應(yīng)用，使中華“營造法式”落伍了，但是，金屬結(jié)構(gòu)卻是短壽的。現(xiàn)代FRP越來越多地用于補強加固，纖維混凝土結(jié)構(gòu)建造設(shè)計試驗的成功確立了現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)概念的地位，2001年北戴河昌黎地磁觀測房屋的試制成功標(biāo)志著現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)在中國的誕生。

　　值得指出的是，我們在美國Hexcel公司復(fù)合纖維建筑加固性能研究實施期間，正值“98抗洪”時，美國的Gregory先生拿著解放軍抗洪“人背肩抗”的照片，表示一定要介紹Hexcel加固FRP材料給水利部門，以提高水工設(shè)施的安全度。中國水利專家表示如果美國已經(jīng)在水工建筑上使用了FRP材料，中國就立即可用。如果美國沒有用過，中國需要進行一定的試驗研究才可以用。帶著水利專家希望了解的問題，Hexcel公司方面后來回美國專門調(diào)研，結(jié)果表明，美國也沒有把FRP用于水工建造的事例，但為本文研究奠定了初步的思想基礎(chǔ)。2002年天津市水利局設(shè)立了現(xiàn)代無金屬水工閘門研究課題，2003年7月在天津津南小站北湖村雙橋河閘附近進行了該水工閘門的堆載檢測[1]，并于2004年該水工閘門下水試用成功。本文將就這一研究過程進行深入地闡述。

2．水工閘門現(xiàn)狀和現(xiàn)代無金屬水工閘門的研制問題

　　2.1 研究內(nèi)容和設(shè)計思想

　　現(xiàn)代水工建筑物中，大多含有鋼材，屬于有金屬結(jié)構(gòu)，水工建筑中也越來越多地使用了鋼材?，F(xiàn)代無金屬水工閘門就是研究在水工建筑中，采用復(fù)合碳纖維材料（非金屬材料）替代現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中的鋼材或增強非金屬結(jié)構(gòu)，制成纖維混凝土水工閘門，取代水工鋼閘門或水工鑄鐵閘門、以及鋼筋混凝土閘門，并在不增加造價的前提下明顯提高結(jié)構(gòu)綜合防災(zāi)能力。

　　天津市水工閘門有幾千座，大部分為全金屬的鋼鐵結(jié)構(gòu)閘門，極少有木結(jié)構(gòu)小閘門，也有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)閘門。在水工閘門中普遍存在著鋼鐵材料腐蝕，壽命短，維修費用高等問題。由于水位變化，在經(jīng)常處于濕、干交替環(huán)境中和空氣或水中各種化學(xué)介質(zhì)易產(chǎn)生電化學(xué)作用，閘門銹蝕很嚴(yán)重。應(yīng)用復(fù)合碳纖維材料將能很好地解決這一問題。同時可以充分發(fā)揮復(fù)合纖維材料受拉強度高和混凝土受壓強度高、價格低的優(yōu)點，組成具有重大技術(shù)經(jīng)濟潛力的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)，進而將其在水利行業(yè)中推廣，推動天津市水利工程技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。特別是2006年，“南水北調(diào)”工程將在天津全面展開，迫切需要新材料、新技術(shù)來更好地完成這一劃時代的水利工程。

　　然而，現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)新型水工閘門古今中外沒有先例，研制工作并不是很容易就能完成的，必然要根據(jù)具體實際情況，制訂了較為容易和可行的研究計劃，經(jīng)過努力創(chuàng)新的研究，就可以逐步滿足水利工程的實際需要，解決面臨的諸多實際問題。

　美國Hexcel公司根據(jù)1991—1997年所做的復(fù)合纖維增強工程歸納結(jié)果，提出了有意義的建議（如下表），我們據(jù)此對采用復(fù)合纖維代替在原有鋼筋混凝土閘門當(dāng)中的鋼筋而做成纖維混凝土水工閘門進行了可行性和合理性研究：

　本研究利用天津市津南區(qū)河道管理所管轄的雙橋河閘更換閘門的機會，研制纖維混凝土閘門替代原來的鋼閘門。通過調(diào)研，考慮到纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門的可行性在于：

　?。?） 津南區(qū)原來就有鋼絲網(wǎng)混凝土水工閘門，且已工作了十幾年，這便說明鋼筋混凝土閘門的應(yīng)用是有先例的，只不過我們要完成碳纖維材料替換鋼材的功能，使該閘門更具耐腐蝕能力，也能夠把閘門的尺寸做大，大到優(yōu)于鋼閘門。

　　（2） 鋼筋（絲網(wǎng)）混凝土閘門本身存在著很多局限性，例如，笨重，不適合反復(fù)啟閉，鋼閘門就輕些。又如，平時不能再做鋼筋的防腐處理，所以其使用過程中的安全度很難保證，而鋼閘門可隨時做除銹防腐處理，盡管這項工作量很大，但能保證閘門使用過程中的安全度。因此，我國目前還沒有鋼筋（絲網(wǎng)）混凝土閘門設(shè)計規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，只是在教科書上、或個別論文有關(guān)于鋼筋（絲網(wǎng)）混凝土閘門設(shè)計的技術(shù)方法介紹。這種情況說明了鋼筋（絲網(wǎng)）混凝土閘門設(shè)計建造研究是可行的，但沒有安全保障。顯然，纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門的設(shè)計、建造研究也是可行的，而且有可能形成國家有關(guān)部門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門的合理性主要在于：

　?。?） 鋼閘門在使用期內(nèi)需要做大量的除銹防腐維護工作，纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門從理論上說是可以終生免維護的。

　　（2） 野外使用的鋼閘門面臨著被偷盜賣廢鐵的社會問題，纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門可以避免類似問題的發(fā)生。

　?。?） 纖維混凝土的現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)理念正是中華土木工程的基本理念，這種結(jié)構(gòu)明確豎起了“無金屬”的大旗，即中華“五行”——金、木、水、火、土，《史記》說：“木生水，土生火”，土木工程用了“土”和“木”，也就是用了“水”和“火”，就是不用“金”，實際上幾千年的土木建筑都是無“金”的，因此是長壽的。現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)水工閘門首先是民族的、也一定是非常長壽的，這不僅有良好的經(jīng)濟效益，也會有長遠(yuǎn)的社會效益，將十分有力地支撐當(dāng)代社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

　　2.2 纖維混凝土水工閘門試制研究

　?。?）纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門的試制地點選在津南區(qū)雙橋河閘附近僅一華里的建筑工廠院內(nèi)，這主要是考慮到閘門混凝土澆鑄的方便和閘門成品運輸安裝的方便。

　　（2）閘門采用的陶?；炷恋呐浞接商旖蚴薪ㄖ?gòu)件廠試驗室協(xié)助提供，并指導(dǎo)閘門混凝土澆鑄施工，盡管該閘門是在初冬季節(jié)施工的，由于有混凝土專家的具體指導(dǎo)，有精心地養(yǎng)護，結(jié)果保證了混凝土的質(zhì)量。

　?。?）碳纖維筋的制作，仍采用本課題組過去成熟的方法制成，原材料生產(chǎn)廠家都提供了具體的材料性能檢測報告和環(huán)境保護方面的報告，提高了試制應(yīng)用的可信度。過去同類試制研究的試驗結(jié)果也得到了充分地參考和應(yīng)用。

　?。?）碳纖維筋的制作與以往不同的是，采用了一定的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，保證了碳纖維筋制作的質(zhì)量，顯然有利于纖維筋與混凝土之間的變形協(xié)調(diào)。

　?。?）試制工作對纖維筋的布設(shè)明顯采用了內(nèi)力大處多配置的優(yōu)化技術(shù)，使碳纖維材料能夠更好地發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

　?。?）繼承以往成功的經(jīng)驗，纖維混凝土內(nèi)也配置了短纖維，即美國的杜拉纖維，這便可明顯提高混凝土的抗微裂能力和抗凍融能力。

　　2.3 纖維混凝土水工閘門設(shè)計承載力試驗檢測研究

　?。?）閘門制作在現(xiàn)場附近，這也給閘門試驗檢測帶來不便，然而，作為科研課題，這一檢測又是十分必要的，為了完成檢測任務(wù)，不得已采用了最直觀的堆載方法。

　?。?）本堆載檢測工作最初擬聘請?zhí)旖蚴兴茖W(xué)研究所承擔(dān)，由于種種原因，最后由國內(nèi)結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)設(shè)備較為著名的廣州大學(xué)工程抗震研究中心協(xié)助檢測，這說明了試驗檢測還是有相當(dāng)大的工作量的，技術(shù)難度也很高。

　?。?）為了完成新試制閘門的檢測工作，必須精心設(shè)計檢測方案，保證工作中的安全，取得科學(xué)的、實事求是的檢測結(jié)果。

　　（4）檢測主要使用的法碼由天津市津南區(qū)技術(shù)監(jiān)督局提供，是可靠的。

　?。?）檢測的計量手段是國家有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的。

3．采用現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

　　現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)水工閘門一般采用纖維混凝土結(jié)構(gòu)形式，但對特殊需要的特大閘門，也可以采用纖維仿木結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計建造纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門替代鋼閘門，首先就明確了兩種閘門的設(shè)計技術(shù)參數(shù)應(yīng)該保持一致，且纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門的造價一定不高于鋼閘門，否則就沒有優(yōu)越性了。經(jīng)過對天津市津南區(qū)雙橋河閘幾次現(xiàn)場實地考察和測量實際閘室和閘門的尺寸，擬新建造的替換閘門的尺寸為3.15M高、3.3M寬，設(shè)計水頭為4M，因此，我們采用了如下鋼閘門定型產(chǎn)品的有關(guān)技術(shù)參數(shù)]進行了替代研究。　表2示出的鋼閘門的有關(guān)技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)起了參考和設(shè)計參數(shù)控制作用，設(shè)計的纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門具有如下特征，且具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。

　?。?） 采用陶粒混凝土，能使兩種閘門的重量基本保持一致，使原啟閉機能夠繼續(xù)得到使用。

　　（2） 采用空心板形式，保證在不增加重量的前提下，具有足夠的閘門厚度，滿足抗彎需要。

　?。?） 采用雙面配筋形式，提高為雙向使用功能，優(yōu)于表2所示的單向鋼閘門。

　?。?） 采用混凝土內(nèi)配置纖維筋，混凝土表面粘貼纖維布的方式，兩種抗拉形式材料配置量基本相等，但其中每一種的配置強度都不低于鋼閘門，即在設(shè)計上至少有兩倍的安全系數(shù)。

　?。?） 新型閘門的造價不高于表2所示的單向鋼閘門，而且在鋼閘門造價的一半以下。

　　這次全新研制的現(xiàn)代無金屬水工閘門，采用了纖維混凝土結(jié)構(gòu)形式，復(fù)合纖維布和纖維筋選用美國赫氏公司和臺灣塑料工業(yè)公司的原材料進行制作，材料拉伸強度在4000Mpa左右，混凝土選用陶?；炷?，試驗檢測強度為C25以上。閘門為寬330厘米、高315厘米、厚25厘米的空心板，總重量約3噸，設(shè)計荷載為4米高水頭，左、右和高三邊邊距15厘米處簡支，因此荷載面積為9平方米，平均每平方米2.5噸，最大受力位置在閘門底部中點。

　　閘門堆載檢測試驗采用了5級均勻加載，總荷載為22.5噸，加載重物四分之三為標(biāo)準(zhǔn)砝碼塊，四分之一為規(guī)整石條。試驗測點為9個應(yīng)變觀測點和1組撓曲變形觀測點。試驗計量設(shè)備為計算機自動數(shù)據(jù)采集靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、千分表和百分表。試驗從早7:30開始至晚18:00結(jié)束。檢測試驗結(jié)果表明，該閘門強度和剛度技術(shù)指標(biāo)均符合我國有關(guān)技術(shù)法規(guī)的要求，閘門研制獲得了成功。

　　參加本次試驗的工程技術(shù)人員也總結(jié)認(rèn)為，這種纖維混凝土的現(xiàn)代無金屬水工閘門研制成功在我國尚屬首次，試驗檢測表明該閘門具有很好的承載能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，加工技術(shù)可靠。這類閘門的造價明顯低于具有同樣功能的鋼閘門，耐腐蝕，耐老化，結(jié)構(gòu)終生免維護，而設(shè)計使用壽命可達50年，遠(yuǎn)長于鋼閘門壽命，同時該閘門的野外使用能夠避免偷盜閘門賣廢鐵的社會問題，具有明顯的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

　　雙橋河南閘自1970年修建以來，因其處于淡水、海水、污水交匯區(qū)域，水工建筑物受到很大的侵蝕破壞，閘門經(jīng)歷了多次的翻修維護，已不能正常工作。新研制的現(xiàn)代無金屬水工閘門于2004年初在雙橋河南閘下水投入使用，在使用期間對水位進行的觀測記錄。這次現(xiàn)代無金屬水工閘門試用觀測結(jié)果表明，該閘門經(jīng)過近一年的使用，特別是汛期的上下游高水位差及頻繁啟閉，閘門運行狀況良好，且沒有變形、老化、腐蝕現(xiàn)象，閘門表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，受到用戶——天津市津南區(qū)防汛抗旱指揮部辦公室的肯定。

4．結(jié)語

　　綜上所述，現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)水工閘門采用復(fù)合纖維代替鋼筋，是在新材料，新工藝應(yīng)用的一場技術(shù)變命，勢必推動現(xiàn)代土木、水利工程朝嶄新的方向發(fā)展，可以走出一條有中國特色的民族現(xiàn)代化工程之路。

　　本次也對雙橋河南閘的另外一孔換上了新的鋼閘門，以便于長時間與首座現(xiàn)代無金屬水工閘門進行綜合對比觀察，這種對比試驗顯然十分重要，是應(yīng)該得到各界支持的，但是還需要持續(xù)多年，我們期待著第一個現(xiàn)代無金屬水工閘門會有十分驚人的表現(xiàn)，這種優(yōu)良性能的表現(xiàn)在理論上應(yīng)該是以百年來度量的。

　　今后，我們將就現(xiàn)代無金屬水工閘門的設(shè)計、制作、檢測和試用另文做專門細(xì)致的研究介紹。

參考文獻

　　[1] 李大華，現(xiàn)代無金屬水工閘門問世，高科技纖維與應(yīng)用，第28卷，第5期，2003年。

　　[2] 天津市水利局科研項目技術(shù)報告，《現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)水工閘門的研究》，2003年8月。