论现代无金属水工闸门

摘要：本文论证了现代无金属水工闸门的可行性和合理性，并根据水工闸门的设计、制作、检测及试用四个阶段进行了一些关键问题的阐述，结果表明现代无金属水工闸门具有较高的科技含量和明显的经济效益。

关键词：现代无金属结构 水工闸门 复合纤维 纤维混凝土

1．前言

我们研究纤维增强聚合物（FRP）的应用已有多年了，一直致力力于土木工程结构FRP建造，倡导现代无金属结构。所谓现代无金属结构，就是用FRP替代结构中的金属，或仿制、增强非金属材料，得到新型无金属结构。其概念含有民族科学文化内涵。土木，“谓建筑之事也，如筑屋，架桥，筑堤，开路等工事是也（国语晋语九）”。顾名思义，中华土木工程结构本意就与金属无关，是无金属结构，符合中华古代“五行”理念。近代，钢铁等金属材料大量应用，使中华“营造法式”落伍了，但是，有金属结构却是短寿的。现代FRP越来越多地用于补强加固，纤维混凝土结构建造设计试验的成功确立了现代无金属结构概念的地位，2001年北戴河昌黎地磁观测房屋的试制成功标志着现代无金属结构在中国的诞生。

值得指出的是，我们在美国Hexcel公司复合纤维建筑加固性能研究实施期间，正值“98抗洪”时，美国的Gregory先生拿着抗洪“人背肩抗”的照片，表示一定要介绍Hexcel加固FRP材料给水利部门，以提高水工设施的安全度。中国水利专家表示如果美国已经在水工建筑上使用了FRP材料，中国就立即可用。如果美国没有用过，中国需要进行一定的试验研究才可以用。带着水利专家希望了解的问题，Hexcel公司方面后来回美国专门调研，结果表明，美国也没有把FRP用于水工建造的事例，但为本文研究奠定了初步的思想基础。2002年天津市水利局设立了现代无金属水工闸门研究课题，2003年7月在天津津南小站北湖村双桥河闸附近进行了该水工闸门的堆载检测[1]，并于2004年该水工闸门下水试用成功。本文将就这一研究过程进行深入地阐述。

2．水工闸门现状和现代无金属水工闸门的研制问题

2.1 研究内容和设计思想

现代水工建筑物中，大多含有钢材，属于有金属结构，水工建筑中也越来越多地使用了钢材。现代无金属水工闸门就是研究在水工建筑中，采用复合碳纤维材料（非金属材料）替代现代结构中的钢材或增强非金属结构，制成纤维混凝土水工闸门，取代水工钢闸门或水工铸铁闸门、以及钢筋混凝土闸门，并在不增加造价的前提下明显提高结构综合防灾能力。

天津市水工闸门有几千座，大部分为全金属的钢铁结构闸门，极少有木结构小闸门，也有钢筋混凝土结构闸门。在水工闸门中普遍存在着钢铁材料腐蚀，寿命短，维修费用高等问题。由于水位变化，在经常处于湿、干交替环境中和空气或水中各种化学介质易产生电化学作用，闸门锈蚀很严重。应用复合碳纤维材料将能很好地解决这一问题。同时可以充分发挥复合纤维材料受拉强度高和混凝土受压强度高、价格低的优点，组成具有重大技术经济潜力的新型复合结构，进而将其在水利行业中推广，推动天津市水利工程技术的创新和发展。特别是2006年，“南水北调”工程将在天津全面展开，迫切需要新材料、新技术来更好地完成这一划时代的水利工程。

然而，现代无金属结构新型水工闸门古今中外没有先例，研制工作并不是很容易就能完成的，必然要根据具体实际情况，制订了较为容易和可行的研究计划，经过努力创新的研究，就可以逐步满足水利工程的实际需要，解决面临的诸多实际问题。

图1 钢闸门锈蚀问题十分严重

美国Hexcel公司根据1991—1997年所做的复合纤维增强工程归纳结果，提出了有意义的建议（如下表），我们据此对采用复合纤维代替在原有钢筋混凝土闸门当中的钢筋而做成纤维混凝土水工闸门进行了可行性和合理性研究：

表1 各种用途的纤维选择

条 件

玻璃纤维

芳伦纤维

碳纤维

被动荷载—施加纤维增强结构支撑

主动荷载—主体结构，应力小于许用25%

—主体结构，应力为许用25—80%

水下结构—完全浸没或长期潮湿

—防护板区域

强度控制应用

刚度控制应用

地下结构—反复潮湿条件;湿或干

极高冲击状态

电磁传导或电池有关条件

现浇混凝土—内部或外部应用

老龄混凝土或封闭混凝土

高碱条件; PH 9.5—13.5

高酸条件; PH 2.0—7.0

低应力、高周期反复循环破坏

高应力、高周期反复循环破坏

高压应力

本研究利用天津市津南区河道管理所管辖的双桥河闸更换闸门的机会，研制纤维混凝土闸门替代原来的钢闸门。通过调研，考虑到纤维混凝土结构闸门的可行性在于：

（1） 津南区原来就有钢丝网混凝土水工闸门，且已工作了十几年，这便说明钢筋混凝土闸门的应用是有先例的，只不过我们要完成碳纤维材料替换钢材的功能，使该闸门更具耐腐蚀能力，也能够把闸门的尺寸做大，大到优于钢闸门。

（2） 钢筋（丝网）混凝土闸门本身存在着很多局限性，例如，笨重，不适合反复启闭，钢闸门就轻些。又如，平时不能再做钢筋的防腐处理，所以其使用过程中的安全度很难保证，而钢闸门可随时做除锈防腐处理，尽管这项工作量很大，但能保证闸门使用过程中的安全度。因此，我国目前还没有钢筋（丝网）混凝土闸门设计规范的技术标准，只是在教科书上、或个别论文有关于钢筋（丝网）混凝土闸门设计的技术方法介绍。这种情况说明了钢筋（丝网）混凝土闸门设计建造研究是可行的，但没有安全保障。显然，纤维混凝土结构闸门的设计、建造研究也是可行的，而且有可能形成国家有关部门的技术标准。

纤维混凝土结构闸门的合理性主要在于：

（1） 钢闸门在使用期内需要做大量的除锈防腐维护工作，纤维混凝土结构闸门从理论上说是可以终生免维护的。

（2） 野外使用的钢闸门面临着被偷盗卖废铁的社会问题，纤维混凝土结构闸门可以避免类似问题的发生。

（3） 纤维混凝土的现代无金属结构理念正是中华土木工程的基本理念，这种结构明确竖起了“无金属”的大旗，即中华“五行”——金、木、水、火、土，《史记》说：“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”，实际上几千年的土木建筑都是无“金”的，因此是长寿的。现代无金属结构水工闸门首先是民族的、也一定是非常长寿的，这不仅有良好的经济效益，也会有长远的社会效益，将十分有力地支撑当代社会和经济的可持续发展。

2.2 纤维混凝土水工闸门试制研究

（1）纤维混凝土结构闸门的试制地点选在津南区双桥河闸附近仅一华里的建筑工厂院内，这主要是考虑到闸门混凝土浇铸的方便和闸门成品运输安装的方便。

（2）闸门采用的陶粒混凝土的配方由天津市建筑构件厂试验室协助提供，并指导闸门混凝土浇铸施工，尽管该闸门是在初冬季节施工的，由于有混凝土专家的具体指导，有精心地养护，结果保证了混凝土的质量。

（3）碳纤维筋的制作，仍采用本课题组过去成熟的方法制成，原材料生产厂家都提供了具体的材料性能检测报告和环境保护方面的报告，提高了试制应用的可信度。过去同类试制研究的试验结果也得到了充分地参考和应用。

（4）碳纤维筋的制作与以往不同的是，采用了一定的预应力技术，保证了碳纤维筋制作的质量，显然有利于纤维筋与混凝土之间的变形协调。

（5）试制工作对纤维筋的布设明显采用了内力大处多配置的优化技术，使碳纤维材料能够更好地发挥出应有的作用。

（6）继承以往成功的经验，纤维混凝土内也配置了短纤维，即美国的杜拉纤维，这便可明显提高混凝土的抗微裂能力和抗冻融能力。

2.3 纤维混凝土水工闸门设计承载力试验检测研究

（1）闸门制作在现场附近，这也给闸门试验检测带来不便，然而，作为科研课题，这一检测又是十分必要的，为了完成检测任务，不得已采用了最直观的堆载方法。

（2）本堆载检测工作最初拟聘请天津市水利科学研究所承担，由于种种原因，最后由国内结构检测技术设备较为著名的广州大学工程抗震研究中心协助检测，这说明了试验检测还是有相当大的工作量的，技术难度也很高。

（3）为了完成新试制闸门的检测工作，必须精心设计检测方案，保证工作中的安全，取得科学的、实事求是的检测结果。

（4）检测主要使用的法码由天津市津南区技术监督局提供，是可靠的。

（5）检测的计量手段是国家有关技术标准认可的。

3．采用现代无金属结构的优势

现代无金属结构水工闸门一般采用纤维混凝土结构形式，但对特殊需要的特大闸门，也可以采用纤维仿木结构形式。设计建造纤维混凝土结构闸门替代钢闸门，首先就明确了两种闸门的设计技术参数应该保持一致，且纤维混凝土结构闸门的造价一定不高于钢闸门，否则就没有优越性了。经过对天津市津南区双桥河闸几次现场实地考察和测量实际闸室和闸门的尺寸，拟新建造的替换闸门的尺寸为3.15M高、3.3M宽，设计水头为4M，因此，我们采用了如下钢闸门定型产品的有关技术参数]进行了替代研究。

表2 钢闸门定型产品的有关技术参数

规格

尺寸

高 ? 宽 ? 厚

适用水头（M）

闸板重

（kg）

单 价

（元）

PGZ 3 ? 3

3000 ? 3000 ? 275

4

3200

33496

表2示出的钢闸门的有关技术参数和经济指标起了参考和设计参数控制作用，设计的纤维混凝土结构闸门具有如下特征，且具有明显的技术和经济优势。

（1） 采用陶粒混凝土，能使两种闸门的重量基本保持一致，使原启闭机能够继续得到使用。

（2） 采用空心板形式，保证在不增加重量的前提下，具有足够的闸门厚度，满足抗弯需要。

（3） 采用双面配筋形式，提高为双向使用功能，优于表2所示的单向钢闸门。

（4） 采用混凝土内配置纤维筋，混凝土表面粘贴纤维布的方式，两种抗拉形式材料配置量基本相等，但其中每一种的配置强度都不低于钢闸门，即在设计上至少有两倍的安全系数。

（5） 新型闸门的造价不高于表2所示的单向钢闸门，而且在钢闸门造价的一半以下。

这次全新研制的现代无金属水工闸门，采用了纤维混凝土结构形式，复合纤维布和纤维筋选用美国赫氏公司和台湾塑料工业公司的原材料进行制作，材料拉伸强度在4000Mpa左右，混凝土选用陶粒混凝土，试验检测强度为C25以上。闸门为宽330厘米、高315厘米、厚25厘米的空心板，总重量约3吨，设计荷载为4米高水头，左、右和高三边边距15厘米处简支，因此荷载面积为9平方米，平均每平方米2.5吨，最大受力位置在闸门底部中点。

闸门堆载检测试验采用了5级均匀加载，总荷载为22.5吨，加载重物四分之三为标准砝码块，四分之一为规整石条。试验测点为9个应变观测点和1组挠曲变形观测点。试验计量设备为计算机自动数据采集静态电阻应变仪、千分表和百分表。试验从早7:30开始至晚18:00结束。检测试验结果表明，该闸门强度和刚度技术指标均符合我国有关技术法规的要求，闸门研制获得了成功。

参加本次试验的工程技术人员也总结认为，这种纤维混凝土的现代无金属水工闸门研制成功在我国尚属首次，试验检测表明该闸门具有很好的承载能力，结构设计合理，加工技术可靠。这类闸门的造价明显低于具有同样功能的钢闸门，耐腐蚀，耐老化，结构终生免维护，而设计使用寿命可达50年，远长于钢闸门寿命，同时该闸门的野外使用能够避免偷盗闸门卖废铁的社会问题，具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。

双桥河南闸自1970年修建以来，因其处于淡水、海水、污水交汇区域，水工建筑物受到很大的侵蚀破坏，闸门经历了多次的翻修维护，已不能正常工作。新研制的现代无金属水工闸门于2004年初在双桥河南闸下水投入使用，在使用期间对水位进行的观测记录。这次现代无金属水工闸门试用观测结果表明，该闸门经过近一年的使用，特别是汛期的上下游高水位差及频繁启闭，闸门运行状况良好，且没有变形、老化、腐蚀现象，闸门表现出优良的性能，受到用户——天津市津南区防汛抗旱指挥部办公室的肯定。

4．结语

综上所述，现代无金属结构水工闸门采用复合纤维代替钢筋，是在新材料，新工艺应用的一场技术变命，势必推动现代土木、水利工程朝崭新的方向发展，可以走出一条有中国特色的民族现代化工程之路。

本次也对双桥河南闸的另外一孔换上了新的钢闸门，以便于长时间与首座现代无金属水工闸门进行综合对比观察，这种对比试验显然十分重要，是应该得到各界支持的，但是还需要持续多年，我们期待着第一个现代无金属水工闸门会有十分惊人的表现，这种优良性能的表现在理论上应该是以百年来度量的。

今后，我们将就现代无金属水工闸门的设计、制作、检测和试用另专门细致的研究介绍。

参考文献

[1] 李大华，现代无金属水工闸门问世，高科技纤维与应用，第28卷，第5期，2003年。

[2] 天津市水利局科研项目技术报告，《现代无金属结构水工闸门的研究》，2003年8月。

[3] Fred Isley，Earthquakes, Buildings and the Public Trust, Hexcel Co. Report,1997.

On the modern nonmetallic hydraulic gate

Abstract:. The paper proves the feasible and reasonable research for the modern nonmetallic structure hydraulic gate. And according to the hydraulic gate design, manufacture, examination and test use, the four stages to carry on, some key problems is introduced. The result indicates modern nonmetallic structure hydraulic gate to have the high technology content and the obvious economic efficiency.

Key words: modern nonmetallic structure, hydraulic gate, composition fiber, fiber reinforced concrete