新型无金属水工闸门开发应用研究（杨秀富 王传龄 张金鹏 李大华）

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1、新型无金属水工闸门开发应用研究（杨秀富王传龄张金鹏李大华）　　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

2、益，推广应用前景也十分广阔。 关键词：新型无金属结构水工闸门应用研究 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

3、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。 １．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与环氧树脂胶的胶合体，通常称为纤维强聚合物，简记为FRP；也有的称为复合纤维强材料，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

4、　　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

5、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

6、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： 　　实践证明，独

7、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。 　　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

8、本课题研究