水工鋼閘門振動頻率檢測技術研究

張建球，廖家艷，唐巾評

(廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

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水工鋼閘門振動頻率檢測技術研究

張建球，廖家艷，唐巾評

(廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

張建球(1987—)，碩士，助理工程師，主要從事水運工程結構檢測、評估與加固設計工作;

廖家艷(1992—)，助理工程師，主要從事試驗檢測、試驗檢測檔案管理等相關工作;

唐巾評(1988—)，碩士，助理工程師，主要從事水運工程結構檢測、安全生產評估工作。

摘要：準確掌握鋼閘門的動態特性參數，是分析其因結構破壞而出現振動現象的關鍵。文章根據現場檢測，從測點布置、檢測方法、振動方向及閘門前后水頭差等方面分析水工鋼閘門自振特性的規律，探討水工鋼閘門振動頻率檢測技術。

關鍵詞：水工閘門；振動頻率；激振法；頻譜；水流脈動；檢測技術

0引言

水工鋼閘門從門型特點分類約有幾十余種，在我國水運工程建設中，弧形鋼閘門和平面鋼閘門是常用的型式。水工鋼閘門在正常運行過程中，由于自身結構動力特性，閘門在水動力荷載作用下會出現振動現象。鋼閘門振動會使材料疲勞，長久的振動將致使水工結構損壞，閘門支撐失穩，甚至喪失其設計功能。因此，應準確掌握鋼閘門的動態特性參數，探明閘門自振特性的規律，以解決閘門因振動病害問題，為閘門的維修加固提供科學的依據。文章根據現場檢測情況，從測點布置、檢測方法、振動方向及閘門前后水頭差等方面對比閘門振動頻率檢測的影響進行探討。

1閘門頻率測試理論

1.1　閘門自振特性

閘門結構的自振特性是閘門振動現象研究的主要內容，是分析閘門結構對激勵動態的響應和結構其他動力特性的基礎。結構自振的動力方程為：

點加速度向量；

M——閘門的質量矩陣；

C——整體阻尼矩陣；

K——整體剛度矩陣；

F(t)——結點荷載向量。

令F(t)=0，則式(1)可簡化為閘門的自由振動方程。由于阻尼作用對閘門自振特性影響較小，故在解答其自振特性時，通常可不考慮阻尼因素。因此可得閘門的無阻尼自由振動方程：

(2)

假設閘門自由振動，其質點的振動為簡弦，則各質點的振幅可為：

δ=δ0cos(ωt)

(3)

式中：δ0——結點振幅列陣，即振型；

ω——與該振型對應的頻率。

將式(3)代入式(2)，可導出廣義特征方程：

(K-ω2M)×δ0=0

(4)

因結構為自由振動，其振幅位移有非0值，故式(4)的系數行列式必須為0，于是求解結構自振頻率的方程可表示為：

|K-ω2M|=0

(5)

可見式(5)稱為特征方程數學式，由于K(結構的勁度矩陣)和M(質量矩陣)都是n階的方陣，因此式(5)是關于ω2的n次代數式。式(5)求解出的n個特征值可表示為：

(6)

1.2　測試方法

2振動特性檢測結果與分析

本次閘門結構振動信號檢測儀選用北京東方振動和噪聲技術研究所研制的941B型超低頻測振儀，數據選用INV306智能信號采集系統采集及分析。

本次檢測共選取7扇剛安裝完成投入運行的水工鋼閘門，其中3扇為設計參數相同的弧形水工鋼閘門，尺寸為：21.97 m×16.00 m(寬×高)，半徑20.00 m；其余4扇為人字水工鋼閘門，1#人字門尺寸：23.00 m×13.02 m(寬×高)，2#人字門尺寸：23.00 m×23.32 m(寬×高)，3#人字門尺寸：34.00 m×18.58 m(寬×高)，4#人字門尺寸：34.00 m×31.60 m(寬×高)。由于文章篇幅限制，本文僅列出4#人字門和1#、2#弧形門自振頻率測試結果(見表1~4)。

表1　4#人字鋼閘門1#橫梁自振頻率測試結果表(Hz)

備注：列述頻率為實測結果的前三個頻率，下同。

表2　4#人字鋼閘門2#橫梁自振頻率測試結果表(Hz)

表3　4#人字鋼閘門3#橫梁自振頻率測試結果表(Hz)

表4　弧形門自振頻率測試結果表(Hz)

2.1　測點布置

鋼閘門門體是通過將各梁、板焊接及背拉桿預應力連接的整體。閘門不同結構及相同結構不同點的振動頻率變化關系在以往研究中未有詳細闡述，數值計算傾向于將閘門視為整體計算門體振動頻率，而現場測試傾向于分結構測試振動頻率。文章在人字門上選取3根橫梁的左、中、右(順水流方向)的3個點共9個點，在弧形門上選取上主橫梁均勻間距的4個點采集數據分析閘門測點布置與振動頻率的關系。

觀察本次現場測試結果發現，人字閘門相同鋼橫梁不同位置的振動響應相差較小，而弧形門響應相差較大。文章認為此次試驗的弧形鋼閘門相應階的固有頻率較人字閘門大，弧形閘門的剛度比人字閘門較大；同時弧形閘門單面積受水壓脈動作用和來自支撐結構及大地激勵作用較人字閘門大，所以布置測試點對外界荷載的振動響應較敏感。

2.2　測試方法

上文已論述閘門振動頻率檢測方法主要有錘擊激振法、脈動法和共振法。文章選用錘擊激振法、脈動法兩種方法測試閘門振動頻率，從振幅、信號響應等方面比較兩種方法的適用性，見圖1。

圖1　測量和分析系統示意圖

兩種測試方法對人字閘門的適用性分析：人字閘門在脈動法測試中對大地及靜水壓脈動響應非常小，拾振器水平向測試的頻譜縱向結果基本水平，難以分析其頻譜；拾振器鉛錘向測試結果稍好，但響應不穩定。人字閘門在激振法測試中對錘擊響應明顯，采集的波形穩定清晰，頻譜分析數據規律性較好。

兩種測試方法對弧形門的適用性分析：拾振器水平向在兩種測試方法中的頻譜分析結果相差較小，同時靜水脈動與動水脈動的測試頻譜分析結果基本相同；拾振器鉛錘向在激振法測試中分析的相同階結果比脈動法的稍微偏大，在閘門有開度時最為明顯。

本文發現激振法測試前選取的錘擊頻率對結構振動響應影響較大，本次測試錘擊周期分別選取了1 s、3 s、5 s、8 s、10 s、15 s。從采集的波形及頻譜分析比較，在周期為5~10 s時，測試結果較為滿意。

2.3　振動信號方向

結構在各方向均有振動，根據閘門的形狀及結構特點，其主要振動方向為豎向和鉛錘向。本文在相同的測點同時布置安裝水平向和鉛垂向的拾振器，探討分析平行和垂直于各構件的振動頻率情況。

根據本次測試，人字閘門鉛錘向振幅值與頻譜分析結果與水平向有一定差別，在脈動法測試中相差較為明顯，而弧形閘門在兩個方向頻譜數據相差較小。本文認為閘門不同方向的頻譜是不同的，弧形門頻譜之所以相差較小，是因為在檢測時由于開度及弧形門的結構特點，弧形門的上橫梁表面不是嚴格水平，而是有一定的傾斜角度。

2.4　作用水頭

根據流體力學，水流脈動壓力頻率區間一般在1~20 Hz之間，已有研究通過數值計算分析閘門固有頻譜受閘門上下游水位的影響，認為水位差增加時，其固有頻率會隨著增加。

根據本次測試結果，人字閘門和弧形閘門的頻譜分析均未發現此類現象，并且在閉門與閘門有開度的兩種工況下，弧形門的頻譜分析縱向軸形狀相似程度非常高。

圖2　1#弧形門0.9 m開度頻率分析圖

3結語

(1)本文詳細論述了7扇鋼閘門的現場振動頻率檢測情況，并從不同的檢測點、不同的檢測方法、不同振動方向及閘門前不同作用水頭的四個方面分析水工鋼閘門自振特性的規律。

(2)本文認為檢測時在對鋼閘門的振動節點不清楚的情況下，應在相同構件上不同位置布置拾振器，特別是體積較小的鋼閘門，這樣才能更好地測試到構件的不同階頻率。

(3)由于體積較大及外界脈沖作用有限，脈動法在人字閘門測試中不適用，本文認為人字閘門應使用激振法測試其振動頻率；兩種方法檢測弧形閘門振動頻率的結果差異不大，但相互補充作用較明顯，建議在檢測閘門多階頻率時，可同時采用兩種方法。

(4)通過檢測結果發現鋼閘門振動信號的不同方向具有不同的頻譜，建議檢測過程中根據閘門結構特點及檢測目的布置不同向的拾振器。本次檢測時發現閘門上下游作用水頭差對頻譜影響不大，建議與本次檢測工作類似閘門的振動頻率測試可不考慮作用水頭差的工況。

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Research on Detection Technology of Hydraulic Steel Gate Vibration Frequency

ZHANG Jian-qiu，LIAO Jia-yan，TANG Jin-ping

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：To accurately grasp the dynamic characteristic parameters of steel gates is the key to analyze its vibration phenomenon caused due to structural damage.According to field testing，this article analyzed the vibration characteristics regularity of hydraulic steel gate from the measuring point layout，detection methods，vibration direction，water head difference before and after the gate and other aspects，and discussed the vi-bration frequency detection technology of hydraulic steel gate.

Keywords：Hydraulic gates； Vibration frequency； Excitation method； Spectrum； Flow fluctuating； Detection technology

收稿日期：2015-05-04

文章編號：1673-4874(2015)05-0091-04

中圖分類號：U665.26

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.025

作者簡介