新型無金屬水工閘門開發應用研究
摘要：隨著科技不斷發展，新材料、新技術的應用越來越廣泛。采用納米碳纖維新型材料替代結構中的金屬，開發一種新型無金屬結構。即纖維混凝土結構、纖維砌塊結構和純復合纖維結構，借鑒鋼筋混凝土結構設計理論和復合纖維強混凝土結構的設計理論，進行復合纖維混凝土結構設計。結合津南區雙橋河閘更換閘門機會，按鋼筋混凝土結構的設計理論研制復合纖維混凝土水工閘門；按有關規范要求，對該閘門的承載能力指標進行試驗檢測；并在實際運行中對其耐久性、防腐蝕能力等與水工鋼閘門進行對照比較分析。該項技術具有十分顯著的社會經濟效益和環境保護效益，推廣應用前景也十分廣闊。
一、新型無金屬結構與天津市水閘的基本狀況
納米技術作為一種高新技術，國內外已經廣泛應用于航空航天、能源交通、石油化工、軍用裝備、紡織機械、建筑材料、電子工程、醫療器械、文體器材等領域。其中復合纖維材料在建筑中已得到廣泛應用，許多國家已將很多橋梁工程中使用復合纖維，取得了良好的效果。我國起步之初，主要研究碳纖維，并應用到實際當中去。隨著社會的進步，科學技術的發展，復合碳纖維已在更多的領域中應用。但是在水利工程中應用很少，而本次研究的納米復合纖維水工閘門，是一項新技術。隨著復合碳纖維在水工閘門上的應用，其優越性能將得到充分體現，復合纖維材料將在水利工程中得到廣泛的推廣。
2.新型無金屬結構的基本概念
所謂無金屬結構，就是用復合纖維替代結構中的金屬，或仿制、強非金屬材料，得到新型無金屬結構。
新型無金屬結構所研究的復合纖維是指長纖維（幾十厘米以上）與環氧樹脂膠的膠合體，通常稱為纖維強聚合物（FiberReinforcedPolymers），簡記為FRP；也有的稱為復合纖維強材料（FiberReinforcedComposites），簡記為FRC。高級的纖維材料和環氧樹脂膠都是納米級高科技材料,用它們復合而成的FRP具有納米材料的性能。復合纖維材料物理力學性能有別于傳統的“土木”工程材料，用復合纖維替代金屬材料建造的結構稱為新型無金屬結構。
2.天津市水閘的基本狀況
天津市水工閘門3千多座，大部分為金屬的鋼鐵結構閘門，少部分為木結構閘門，也有鋼筋混凝土結構閘門。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，在經常處于濕干交替環境中和空氣或水中各種化學介質易產生電化學作用，閘門銹蝕很嚴重。應用復合碳纖維材料將很好的解決這一問題。同時可充分發揮復合纖維材料受拉強度高和混凝土受壓強度高的優點，組成具有重大技術經濟潛力的組合結構，進而將其在水利行業中推廣，推動天津市水利工程技術得到創新和發展，使水利工程技術提高到一個嶄新的水平。
二、新型無金屬水工閘門研究的主要內容與關鍵技術創新
現代水工建筑物中，大多含有鋼材，屬于金屬結構，水工建筑中也越來越多地使用鋼材。但是鋼材在應用上也存在著弊端，不僅易腐蝕使用壽命短、且安裝制造難度大造價高。經過大量的調研和前期試驗研究我們選用納米復合碳纖維材料替代鋼材，不僅材料性能優于鋼材、安裝制造方便，造價也有降低的空間。本課題以水工閘門為研究重點，采用復合碳纖維材料（非金屬材料）替代現代結構中的鋼材或強非金屬結構，制成纖維混凝土結構水工閘門，取代水工鋼閘門和水工鑄鐵閘門，并在不加造價的前提下明顯提高結構各項技術指標和綜合防災能力。下一步還將在其他無金屬水工結構中進行研究應用與推廣。具體研究內容包括以下幾個方面：
1.復合纖維混凝土水工閘門結構設計理論研究
本課題研究的復合纖維混凝土水工閘門設計理念主要是借鑒鋼筋混凝土結構設計理論。鋼筋混凝土水工閘門，由于應用范圍較小，沒有相應的設計規范標準。根據以往鋼筋混凝土水工閘門設計經驗，可以將鋼筋混凝土水工閘門作為鋼筋混凝土板梁結構，把閘門劃分為若干疊加梁，對每一根梁，根據其受力情況，分別進行設計。最后將設計鋼筋配筋量，根據鋼筋和復合纖維筋抗拉強度設計值，換算成復合纖維筋配筋量。
2.復合纖維混凝土水工閘門制造工藝研究
復合纖維混凝土水工閘門模板制作、混凝土配比、澆注和養護與一般鋼筋混凝土相同。不同點在于復合纖維筋制作處理上：
（1）實踐證明，獨立的纖維絲是不能很好地發揮其抗拉強度高的優點，一般將其與環氧樹脂復合加工成復合纖維筋作為復合纖維混凝土中的主要受拉材料。同時在制作復合纖維筋時，施加第一層次預應力。
（2）為了解決復合纖維混凝土結構握裹力不足問題，在加工過程中把復合纖維制作成復合纖維環筋和復合纖維錨筋。
3.復合纖維混凝土水工閘門性能測試研究
模擬閘門入水后最不利受力工況，通過預先安裝的應變片和千分表，根據有關規范要求，對復合纖維混凝土水工閘門變形進行監測。通過測試數據分析閘門受力變形趨勢，并根據該閘門實際應用效果，對纖維混凝土水工閘門綜合性能作出評價。
4.現代無金屬結構應用推廣價值
通過本課題研究說明現代無金屬結構具有性能好、造價低、免維修、可替代鋼材和部分木材等社會、經濟和環保效益。并通過復合纖維材料在水工閘門上的應用，結合纖維材料具備的優良性能和實際應用效果，對現代無金屬結構在工業與民用建筑工程、水利工程、海洋工程、監測與通訊工程等諸多領域的應用推廣價值進行評價。
三、無金屬水工閘門設計及指標
本項目研究的無金屬水工閘門為復合纖維混凝土閘門，無金屬水工閘門設計即指復合纖維混凝土閘門設計。目前，復合纖維混凝土結構設計還沒有國家或部頒標準，其主要設計理念來自鋼筋混凝土結構設計原理。
主要包括閘門的孔口形式主要尺寸和擬采用的結構形式，以用來確定計算模型；采用的主要材料，以用來確定采用的主要設計理論和材料的力學指標；原始水文資料，以用來確定荷載情況；水閘的運行環境、主要建筑物級別和結構安全等級。
復合纖維混凝土結構設計理論是借鑒鋼筋混凝土結構的設計原理并結合復合纖維混凝土結構加固應用實例研究逐漸發展形成的。本課題所研究的現代無金屬水工閘門的復合纖維混凝土結構設計同樣先按照鋼筋混凝土結構設計方法進行配筋，然后按照復合纖維和鋼筋的抗拉強度進行截面面積換算出所需的復合纖維。
由于鋼筋混凝土水工閘門應用較少，目前還沒有部頒標準，根據以往鋼筋混凝土水工閘門設計經驗，可以把其作為一板梁結構，即根據閘門結構尺寸和截面形式，將鋼筋混凝土閘門沿豎直方向分成若干疊加梁，就每一根梁根據其所受的荷載，分別進行配筋設計。
1．主要設計指標
（1）材料性能指標
復合纖維性能指標包括：抗拉強度指標和彈性模量。混凝土性能指標包括：混凝土強度等級、抗滲等級、抗凍等級。
（2）水工閘門性能指標
閘門性能指標包括：允許撓度、耐久性、防腐能力。
2．結構測試設計
測試的主要目的是模擬水工閘門下水后的，在最不利工況下的極限受力情況，來檢驗閘門的可靠性。主要測試指標是復合纖維混凝土閘門的檢測部位的應變和撓度。試驗按時間順序分為測試儀表安裝、預載和標準荷載三步。
（1）測試儀表安裝
該項內容包括應變片粘貼和百分表安裝。
按計劃先粘貼應變片，沿著水閘門中心線布置若干個測點，每個測點沿橫向粘貼1個應變片。在閘門中心線兩側對稱布設若干個百分表。
粘貼應變片分為以下幾個步驟：
a應變片檢查分送：包括外觀檢查、阻值檢查等。
b測點處理：測點檢查、打磨、清洗打底、測線定位等。
c應變片粘貼：分別為上膠、擠壓、加壓。
d固化處理，采用自然干燥的方式。
e粘貼質量檢查：外觀檢查，阻值檢查，絕緣度檢查。
f導線連接：引出線絕緣，固定點設置，導線焊接。
g防潮防護，用膠類防潮劑澆注或加布帶綁扎。
（2）測試儀表預載
預載加載方式為沿著水閘門中心線對稱布載，仿照閘門在水中極限受力的方式，梯形布載。加載程序分為預載、標準荷載兩個階段。
預載的目的在于：a使試件各部分接觸良好，進入工作狀態，荷載與變形關系趨于穩定。b檢驗全部試驗裝置的可靠性。c檢驗全部觀測儀表工作正常與否。d檢查現場組織工作和人員的工作情況，起演習作用。
預載分可三級進行，每級取標準荷載值的20％；加至標準荷載的60％后停歇20h，然后再分級卸載，每級取標準荷載值的20％；每加（卸）一級，停歇10h。
通過預載試驗可以發現一些潛在的問題，并把它解決在正式開始之前，對于保證試驗工作順利進行具有重要意義。
（3）標準荷載試驗
加載分五級進行，每級取標準荷載值的20％，每加載一級停歇15h，恒載時間為30h。
卸載分五級進行，每級取標準荷載值的20％，每卸載一級停歇15h；空載時間為30h。最后再撤下支撐。
（4）試驗結果分析
通過分析實驗數據，可以判斷閘門隨荷載加的變形趨勢，并可根據有關規范判斷閘門在極限荷載作用下的變形是否滿足使用要求。
四、新型無金屬水工閘門應用
本項研究利用天津市津南區河道管理所管轄的雙橋河閘更換閘門的機會，研制出纖維混凝土閘門替代原來的鋼閘門。通過主要材料的選擇和實驗；無金屬閘門的結構設計；無金屬閘門的現場制作；無金屬閘門承載力模擬測試與分析。本課題研制的現代無金屬水工閘門于2004年4月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。
這次現代無金屬水工閘門試用觀測結果表明，該閘門經過近一年的使用，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、腐蝕現象。
雙橋河南閘自1970年修建以來，因其處于淡水、海水、污水交匯區域，水工建筑物受到很大的侵蝕破壞，閘門經歷了多次翻修維護，已不能正常使用。本次對雙橋河南閘其中一孔更換成無金屬水工閘門，經過試用觀測，閘門表現出優良的性能，受到用戶——津南區防汛抗旱指揮部辦公室的肯定。
五、結語
這次全新研制的現代無金屬結構水工閘門的研究過程，得到如下具有說服力的結論。
1.這次全新研制的現代無金屬結構水工閘門，采用了纖維混凝土結構形式，碳纖維布和碳纖維筋選用美國赫氏公司和臺灣塑料工業公司的原材料進行制作，材料拉壓強度在4000Mpa左右，混凝土選用陶粒混凝土，試驗檢測強度為C25以上。研究結果表明，材料的選用是較為經濟合理的。
2.本課題研究的水工結構纖維混凝土閘門。從設計上具有以下特點：
(1)設計形式新穎、簡潔，結構尺寸明顯含有民族特征；
(2)結構受力明確，強度大，閘門板、梁、柱渾然一體，抗滲強；
(3)設計賦予閘門的抗腐蝕性能優良，以確保壽命長，
(4)設計控制的閘門經濟造價較低，可以達到比較經濟的效果；
(5)設計較為充分地考慮了閘門加工施工的方便。
3.本課題從事的這種纖維混凝土結構水工閘門的研制在我國尚屬首次，該閘門強度和剛度技術指標均已符合我國有關技術法規的要求，并且通過了檢測試驗，結果表明，該閘門研制獲得了成功。這也標志著現代無金屬水工閘門問世。
4.現場堆載試驗檢測表明本課題研制的水工閘門具有很好的承載能力，進一步證明了該閘門結構設計合理，加工技術可靠。
5.本課題研究的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，結構終生免維護，而設計使用壽命可達50年，遠長于鋼閘門壽命。因此，具有明顯的經濟和環境效益。
該項成果2005年進行了國內外技術成果查詢并于2005年底通過了由天津市科委組織的專家鑒定，專家對此項創新性較高的技術成果相當關注并評價為國際先進水平。該項成果獲得2006年度天津市水利科技進步三等獎，2007年和2008年分別獲得國家發明專利2項、實用新型專利2項。為了更好的應用推廣這項技術項目組準備立項開展“無金屬水工結構操作規程研究”。
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