北引渠首泄洪閘弧形工作門結構震動分析研究

常宗濱，吳 紅

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080)

1 工程概況

北引渠首工程總體布置由土壩、泄洪閘、進水閘、預留船閘、溢流壩及固灘組成。泄洪閘位于嫩江主河槽樞紐軸線樁號2+473.5～2+697處，為平底板開敞式閘，共12孔，每孔凈寬16 m，總凈寬192 m，堰型采用寬頂堰，閘底板高程平河底高程為169.0 m。

泄洪閘弧形工作門閘門采用雙主橫梁斜支臂球型鉸結構，弧門半徑R=10.5 m，正常擋水高度H=7.2 m，用液壓啟閉機啟閉，液壓泵房設在墩頂處。工作門前設一道檢修門。

2 有限元數學計算模型

本次分析對象為泄洪閘露頂式球型柱鉸斜支臂弧形閘門。工作狀態下孔口寬度為16.0 m，閘門高度為7.7 m，設計水頭為7.7 m。

弧形閘門的有限元模型圖如圖1所示。

所建有限元模型共包括1 463個面，15 889個節點，16 306個單元，其中包括16 174個shell單元，132個beam188單元。整個有限元模型自由度數目為95 334。根據計算測得模型重量為48.607t。

3 閘門結構的動力特性分析

圖1 弧形閘門有限元模型圖

對該結構進行不同邊界條件下的模態分析，可獲知在不同工作狀態下結構的振動頻率和振動形態。本次分析共進行以下3種工況下結構模態分析。

3.1 閘門結構自由模態分析

該工況模型不施加任何約束條件，目的為計算結構自由狀態下的固有頻率和固有振型。

前6階模態均為剛體模態，對應頻率均為0，振型分別為沿3個坐標方向剛體平動和繞3個坐標軸的剛體轉動。

3.2 僅考慮閘門支鉸部位約束

對應邊界條件為:釋放支鉸部位繞軸轉動自由度。具體邊界條件示意圖如圖2所示。

3.3 同時考慮閘門支鉸部位約束和閘門面板二側約束作用

對應的邊界條件示意圖如圖3所示。

表1 前20階模態分析結果

圖2 釋放支鉸部位繞軸轉動自由度邊界條件示意圖

4 閘門結構靜力特性分析

4.1 閘門處于關閉狀態、兩側無約束狀態

閘門底緣支撐在地面上，門葉二側按自由考慮。

在閘門上游面加靜水壓力荷載，設計水頭7.7 m，靠近閘門底緣處壓強為0.077 MPa。

荷載校核:

資料上提供數據為:水平總壓力PS=4 743 kN;垂直水壓力VS=2 859 kN?？偹畨毫镻=6 646 kN。

圖3 考慮支鉸部位和閘門面板二側約束狀態邊界條件示意圖

圖4 閘門面板上應力分布云圖及具體數值圖

通過計算從有限元模型上獲取閘門支反力數值如下:

水平水壓力FX=－0.45359E+07N=－4 536 kN，與資料數據之間誤差為4.36%;垂直水壓力FY=－0.26632E+07N=－2 663 kN，與資料數據之間誤差為6.86%。其合力F=5259945N=5 260 kN，與5 538 kN數據之間誤差為5%。

該工況下，閘門最大變形值為11.092 mm，位于閘門面板中上部。

最大von Mises應力值為156.283 MPa，位于閘門上主橫梁與左側支臂連接部位的加強板上。次高應力值為153.899 MPa，位于閘門上主橫梁與右側支臂連接部位的加強板上，與左側對稱分布。

接下來，閘門次高應力值為141.609 MPa，位于閘門面板與右側支臂縱梁腹板交接之處，上下位置位于閘門上主橫梁處。接下來，閘門次高應力值為141.555 MPa，位于閘門面板與左側支臂縱梁腹板交接之處，上下位置位于閘門上主橫梁處，與右側為對稱分布。

圖4所示為面板上的應力分布云圖及具體數值圖，其上最大von Mises應力值為141.609 MPa。

4.2 閘門處于關閉、兩側考慮水封約束狀態

該工況為閘門底緣支撐在地面上，門葉二側按約束考慮。邊界條件如圖5所示。計算時，在4.1工況邊界條件下增加門葉二側平動自由度約束。

該工況下閘門最大變形值為10.354 mm，位于閘門面板中上部。

閘門最大von Mises應力值為150.882 MPa，次高應力值為149.175 MPa，對稱分布于閘門上主橫梁與左右側支臂連接部位的加強板上。

接下來，閘門次高應力值為147.669 MPa和147.595 MPa，對稱分布于閘門面板與左右側支臂縱梁腹板交接之處，上下位置位于閘門上主橫梁處。

圖6所示為面板上的應力分布云圖及具體數值圖，其上最大von Mises應力值為147.669 MPa。

圖5 門葉二側按約束考慮邊界條件示意圖

圖6 閘門面板上應力分布云圖及具體數值圖

5 結論與建議

1)通過對閘門進行兩種邊界條件下極限超高涌水工況靜態分析，閘門最大變形值為11.092 mm，位于閘門面板中上部，最大應力值為156.283 MPa，位于閘門上主橫梁與左側支臂連接部位的加強板上。次高應力值為153.899 MPa，位于閘門上主橫梁與右側支臂連接部位的加強板上。主梁等主要受力部位的應力值一般在150 MPa以內。因此閘門結構最大應力和變形值均小于其許用應力和許用變形，滿足結構強度和剛度要求;在正常工作狀態下閘門結構是安全的。

2)閘門結構動力特性分析結果表明，邊界約束條件對閘門結構動力特性有顯著影響。閘門自由狀態下，閘門結構的前三階低頻振動模態頻率分別為2.1551 Hz，3.446 Hz及5.74 Hz，反映面板上部二角點的彎曲變形振動，支臂端點的橫向彎曲振動變形。反映面板彎曲鼓脹和二個支臂端點的橫向彎曲振動變形頻率為21.173 Hz;當同時考慮支鉸和面板二側水封約束時，閘門結構的固有振動頻率明顯提高，前三階振動模態頻率上升為19.269 Hz、21.588 Hz及24.02 Hz?？紤]流固耦合振動基頻也在10 Hz左右。

3)根據工程經驗，作用于閘門結構的水流脈動壓力荷載的主能量一般分布在10 Hz之內的低頻區，優勢頻率在5 Hz范圍內，因此閘門結構在二側水封約束良好狀態下產生共振的可能性不大，目前的結構設計能夠滿足閘門的動力安全要求。

4)鑒于微小開度閘下出流不穩定容易引發閘門振動和引起溢流面空化空蝕破壞，因此建議避開20 cm以下的微小開度操作，此外在其它開度運行時若閘門出現強烈振動，應當避開在此開度下運行。并通過工程運行經驗的積累，制定合理操作規程，以確保工程安全。

[1]朱壯瑞，常宗濱.北引渠首泄洪閘門結構分析報告[R].南京:東南大學機械學院，2009.