水利工程論文-論現(xiàn)代無金屬水工閘門摘要：本文論證了現(xiàn)代無金屬水工閘門的可行性和合理性，并根據(jù)水工閘門的設(shè)計(jì)、制作、檢測及試用四個(gè)階段進(jìn)行了一些關(guān)鍵問題的闡述，結(jié)果表明現(xiàn)代無金屬水工閘門具有較高的科技含量和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：現(xiàn)代無金屬結(jié)構(gòu)水工閘門復(fù)合纖維纖維混凝土1前言我們研究纖維增強(qiáng)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(qiáng)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，有金屬結(jié)構(gòu)卻是短壽的?，F(xiàn)代FRP越來越多地用于補(bǔ)強(qiáng)加固，纖維混凝土結(jié)構(gòu)建造設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(shí)施期間，正值“98抗洪”時(shí)，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(jìn)行一定的試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(qiáng)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(jià)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(fèi)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(shí)可以充分發(fā)揮復(fù)合纖維材料受拉強(qiáng)度高和混凝土受壓強(qiáng)度高、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，組成具有重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)潛力的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將其在水利行業(yè)中推廣，推動(dòng)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(shí)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(shí)際情況，制訂了較為容易和可行的研究計(jì)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(shí)際需要，解決面臨的諸多實(shí)際問題。圖1鋼閘門銹蝕問題十分嚴(yán)重美國Hexcel公司根據(jù)19911997年所做的復(fù)合纖維增強(qiáng)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(duì)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(jìn)行了可行性和合理性研究：表1各種用途的纖維選擇條件玻璃纖維芳倫纖維碳纖維被動(dòng)荷載施加纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)支撐主動(dòng)荷載主體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力小于許用25%主體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力為許用2580%水下結(jié)構(gòu)完全浸沒或長期潮濕防護(hù)板區(qū)域強(qiáng)度控制應(yīng)用剛度控制應(yīng)用地下結(jié)構(gòu)反復(fù)潮濕條件；濕或干極高沖擊狀態(tài)電磁傳導(dǎo)或電池有關(guān)條件現(xiàn)澆混凝土內(nèi)部或外部應(yīng)用老齡混凝土或封閉混凝土高堿條件；PH9.513.5高酸條件；PH2.07.0低應(yīng)力、高周期反復(fù)循環(huán)破壞高應(yīng)力、高周期反復(fù)循環(huán)破壞高壓應(yīng)力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(jī)會(huì)，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：（1）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(shí)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(shí)做除銹防腐處理，盡管這項(xiàng)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(jì)規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，只是在教科書上、或個(gè)別論文有關(guān)于鋼筋（絲網(wǎng)）混凝土閘門設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)、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：（1）鋼閘門在使用期內(nèi)需要做大量的除銹防腐維護(hù)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(hù)的。（2）野外使用的鋼閘門面臨著被偷盜賣廢鐵的社會(huì)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。（3）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(shí)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(jì)效益，也會(huì)有長遠(yuǎn)的社會(huì)效益，將十分有力地支撐當(dāng)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。2.2纖維混凝土水工閘門試制研究（1）纖維混凝土結(jié)構(gòu)閘門的試制地點(diǎn)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(yùn)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(yàn)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(hù)，結(jié)果保證了混凝土的質(zhì)量。（3）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(bào)告和環(huán)境保護(hù)方面的報(bào)告，提高了試制應(yīng)用的