新型无金属水工闸门开发应用研究
摘要：随着科技不断发展，新材料、新技术的应用越来越广泛。采用纳米碳纤维新型材料替代结构中的金属，开发一种新型无金属结构。即纤维混凝土结构、纤维砌块结构和纯复合纤维结构，借鉴钢筋混凝土结构设计理论和复合纤维强混凝土结构的设计理论，进行复合纤维混凝土结构设计。结合津南区双桥河闸更换闸门机会，按钢筋混凝土结构的设计理论研制复合纤维混凝土水工闸门；按有关规范要求，对该闸门的承载能力指标进行试验检测；并在实际运行中对其耐久性、防腐蚀能力等与水工钢闸门进行对照比较分析。该项技术具有十分显著的社会经济效益和环境保护效益，推广应用前景也十分广阔。
一、新型无金属结构与天津市水闸的基本状况
纳米技术作为一种高新技术，国内外已经广泛应用于航空航天、能源交通、石油化工、军用装备、纺织机械、建筑材料、电子工程、医疗器械、文体器材等领域。其中复合纤维材料在建筑中已得到广泛应用，许多国家已将很多桥梁工程中使用复合纤维，取得了良好的效果。我国起步之初，主要研究碳纤维，并应用到实际当中去。随着社会的进步，科学技术的发展，复合碳纤维已在更多的领域中应用。但是在水利工程中应用很少，而本次研究的纳米复合纤维水工闸门，是一项新技术。随着复合碳纤维在水工闸门上的应用，其优越性能将得到充分体现，复合纤维材料将在水利工程中得到广泛的推广。
2.新型无金属结构的基本概念
所谓无金属结构，就是用复合纤维替代结构中的金属，或仿制、强非金属材料，得到新型无金属结构。
新型无金属结构所研究的复合纤维是指长纤维（几十厘米以上）与环氧树脂胶的胶合体，通常称为纤维强聚合物（FiberReinforcedPolymers），简记为FRP；也有的称为复合纤维强材料（FiberReinforcedComposites），简记为FRC。高级的纤维材料和环氧树脂胶都是纳米级高科技材料,用它们复合而成的FRP具有纳米材料的性能。复合纤维材料物理力学性能有别于传统的“土木”工程材料，用复合纤维替代金属材料建造的结构称为新型无金属结构。
2.天津市水闸的基本状况
天津市水工闸门3千多座，大部分为金属的钢铁结构闸门，少部分为木结构闸门，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很好的解决这一问题。同时可充分发挥复合纤维材料受拉强度高和混凝土受压强度高的优点，组成具有重大技术经济潜力的组合结构，进而将其在水利行业中推广，推动天津市水利工程技术得到创新和发展，使水利工程技术提高到一个崭新的水平。
二、新型无金属水工闸门研究的主要内容与关键技术创新
现代水工建筑物中，大多含有钢材，属于金属结构，水工建筑中也越来越多地使用钢材。但是钢材在应用上也存在着弊端，不仅易腐蚀使用寿命短、且安装制造难度大造价高。经过大量的调研和前期试验研究我们选用纳米复合碳纤维材料替代钢材，不仅材料性能优于钢材、安装制造方便，造价也有降低的空间。本课题以水工闸门为研究重点，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强非金属结构，制成纤维混凝土结构水工闸门，取代水工钢闸门和水工铸铁闸门，并在不加造价的前提下明显提高结构各项技术指标和综合防灾能力。下一步还将在其他无金属水工结构中进行研究应用与推广。具体研究内容包括以下几个方面：
1.复合纤维混凝土水工闸门结构设计理论研究
本课题研究的复合纤维混凝土水工闸门设计理念主要是借鉴钢筋混凝土结构设计理论。钢筋混凝土水工闸门，由于应用范围较小，没有相应的设计规范标准。根据以往钢筋混凝土水工闸门设计经验，可以将钢筋混凝土水工闸门作为钢筋混凝土板梁结构，把闸门划分为若干叠加梁，对每一根梁，根据其受力情况，分别进行设计。最后将设计钢筋配筋量，根据钢筋和复合纤维筋抗拉强度设计值，换算成复合纤维筋配筋量。
2.复合纤维混凝土水工闸门制造工艺研究
复合纤维混凝土水工闸门模板制作、混凝土配比、浇注和养护与一般钢筋混凝土相同。不同点在于复合纤维筋制作处理上：
（1）实践证明，独立的纤维丝是不能很好地发挥其抗拉强度高的优点，一般将其与环氧树脂复合加工成复合纤维筋作为复合纤维混凝土中的主要受拉材料。同时在制作复合纤维筋时，施加第一层次预应力。
（2）为了解决复合纤维混凝土结构握裹力不足问题，在加工过程中把复合纤维制作成复合纤维环筋和复合纤维锚筋。
3.复合纤维混凝土水工闸门性能测试研究
模拟闸门入水后最不利受力工况，通过预先安装的应变片和千分表，根据有关规范要求，对复合纤维混凝土水工闸门变形进行监测。通过测试数据分析闸门受力变形趋势，并根据该闸门实际应用效果，对纤维混凝土水工闸门综合性能作出评价。
4.现代无金属结构应用推广价值
通过本课题研究说明现代无金属结构具有性能好、造价低、免维修、可替代钢材和部分木材等社会、经济和环保效益。并通过复合纤维材料在水工闸门上的应用，结合纤维材料具备的优良性能和实际应用效果，对现代无金属结构在工业与民用建筑工程、水利工程、海洋工程、监测与通讯工程等诸多领域的应用推广价值进行评价。
三、无金属水工闸门设计及指标
本项目研究的无金属水工闸门为复合纤维混凝土闸门，无金属水工闸门设计即指复合纤维混凝土闸门设计。目前，复合纤维混凝土结构设计还没有国家或部颁标准，其主要设计理念来自钢筋混凝土结构设计原理。
主要包括闸门的孔口形式主要尺寸和拟采用的结构形式，以用来确定计算模型；采用的主要材料，以用来确定采用的主要设计理论和材料的力学指标；原始水文资料，以用来确定荷载情况；水闸的运行环境、主要建筑物级别和结构安全等级。
复合纤维混凝土结构设计理论是借鉴钢筋混凝土结构的设计原理并结合复合纤维混凝土结构加固应用实例研究逐渐发展形成的。本课题所研究的现代无金属水工闸门的复合纤维混凝土结构设计同样先按照钢筋混凝土结构设计方法进行配筋，然后按照复合纤维和钢筋的抗拉强度进行截面面积换算出所需的复合纤维。
由于钢筋混凝土水工闸门应用较少，目前还没有部颁标准，根据以往钢筋混凝土水工闸门设计经验，可以把其作为一板梁结构，即根据闸门结构尺寸和截面形式，将钢筋混凝土闸门沿竖直方向分成若干叠加梁，就每一根梁根据其所受的荷载，分别进行配筋设计。
1．主要设计指标
（1）材料性能指标
复合纤维性能指标包括：抗拉强度指标和弹性模量。混凝土性能指标包括：混凝土强度等级、抗渗等级、抗冻等级。
（2）水工闸门性能指标
闸门性能指标包括：允许挠度、耐久性、防腐能力。
2．结构测试设计
测试的主要目的是模拟水工闸门下水后的，在最不利工况下的极限受力情况，来检验闸门的可靠性。主要测试指标是复合纤维混凝土闸门的检测部位的应变和挠度。试验按时间顺序分为测试仪表安装、预载和标准荷载三步。
（1）测试仪表安装
该项内容包括应变片粘贴和百分表安装。
按计划先粘贴应变片，沿着水闸门中心线布置若干个测点，每个测点沿横向粘贴1个应变片。在闸门中心线两侧对称布设若干个百分表。
粘贴应变片分为以下几个步骤：
a应变片检查分送：包括外观检查、阻值检查等。
b测点处理：测点检查、打磨、清洗打底、测线定位等。
c应变片粘贴：分别为上胶、挤压、加压。
d固化处理，采用自然干燥的方式。
e粘贴质量检查：外观检查，阻值检查，绝缘度检查。
f导线连接：引出线绝缘，固定点设置，导线焊接。
g防潮防护，用胶类防潮剂浇注或加布带绑扎。
（2）测试仪表预载
预载加载方式为沿着水闸门中心线对称布载，仿照闸门在水中极限受力的方式，梯形布载。加载程序分为预载、标准荷载两个阶段。
预载的目的在于：a使试件各部分接触良好，进入工作状态，荷载与变形关系趋于稳定。b检验全部试验装置的可靠性。c检验全部观测仪表工作正常与否。d检查现场组织工作和人员的工作情况，起演习作用。
预载分可三级进行，每级取标准荷载值的20％；加至标准荷载的60％后停歇20h，然后再分级卸载，每级取标准荷载值的20％；每加（卸）一级，停歇10h。
通过预载试验可以发现一些潜在的问题，并把它解决在正式开始之前，对于保证试验工作顺利进行具有重要意义。
（3）标准荷载试验
加载分五级进行，每级取标准荷载值的20％，每加载一级停歇15h，恒载时间为30h。
卸载分五级进行，每级取标准荷载值的20％，每卸载一级停歇15h；空载时间为30h。最后再撤下支撑。
（4）试验结果分析
通过分析实验数据，可以判断闸门随荷载加的变形趋势，并可根据有关规范判断闸门在极限荷载作用下的变形是否满足使用要求。
四、新型无金属水工闸门应用
本项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，研制出纤维混凝土闸门替代原来的钢闸门。通过主要材料的选择和实验；无金属闸门的结构设计；无金属闸门的现场制作；无金属闸门承载力模拟测试与分析。本课题研制的现代无金属水工闸门于2004年4月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。
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，闸门经历了多次翻修维护，已不能正常使用。本次对双桥河南闸其中一孔更换成无金属水工闸门，经过试用观测，闸门表现出优良的性能，受到用户——津南区防汛抗旱指挥部办公室的肯定。
五、结语
这次全新研制的现代无金属结构水工闸门的研究过程，得到如下具有说服力的结论。
1.这次全新研制的现代无金属结构水工闸门，采用了纤维混凝土结构形式，碳纤维布和碳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，材料拉压强度在4000Mpa左右，混凝土选用陶粒混凝土，试验检测强度为C25以上。研究结果表明，材料的选用是较为经济合理的。
2.本课题研究的水工结构纤维混凝土闸门。从设计上具有以下特点：
(1)设计形式新颖、简洁，结构尺寸明显含有民族特征；
(2)结构受力明确，强度大，闸门板、梁、柱浑然一体，抗渗强；
(3)设计赋予闸门的抗腐蚀性能优良，以确保寿命长，
(4)设计控制的闸门经济造价较低，可以达到比较经济的效果；
(5)设计较为充分地考虑了闸门加工施工的方便。
3.本课题从事的这种纤维混凝土结构水工闸门的研制在我国尚属首次，该闸门强度和刚度技术指标均已符合我国有关技术法规的要求，并且通过了检测试验，结果表明，该闸门研制获得了成功。这也标志着现代无金属水工闸门问世。
4.现场堆载试验检测表明本课题研制的水工闸门具有很好的承载能力，进一步证明了该闸门结构设计合理，加工技术可靠。
5.本课题研究的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。因此，具有明显的经济和环境效益。
该项成果2005年进行了国内外技术成果查询并于2005年底通过了由天津市科委组织的专家鉴定，专家对此项创新性较高的技术成果相当关注并评价为国际先进水平。该项成果获得2006年度天津市水利科技进步三等奖，2007年和2008年分别获得国家发明专利2项、实用新型专利2项。为了更好的应用推广这项技术项目组准备立项开展“无金属水工结构操作规程研究”。
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