高聳、薄壁水工建筑物流激振動(dòng)數(shù)值模擬分析方法初探

劉 鵬,何小敏，王 靜,儲(chǔ)文兵,袁志丹

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200135;3.沙漏軟件科技有限公司，江蘇省蘇州市 215101)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)05—0067—04

高聳、薄壁水工建筑物流激振動(dòng)數(shù)值模擬分析方法初探

劉 鵬1,何小敏1，王 靜1,儲(chǔ)文兵2,袁志丹3

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200135;3.沙漏軟件科技有限公司，江蘇省蘇州市 215101)

目前水工建筑物流激振動(dòng)的研究方法主要有原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)及數(shù)值分析法，筆者應(yīng)用流固耦合理論采用三維有限元法對(duì)流激振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析成果與原型觀測(cè)成果相統(tǒng)一，驗(yàn)證了研究方法的可行性，可為后續(xù)類似工程分析提供參考。

流激振動(dòng);流固耦合;數(shù)值分析；高聳；薄壁；水工建筑物

0 前 言

在水利水電工程中，水流誘發(fā)建筑物振動(dòng)(即流激振動(dòng))時(shí)有發(fā)生，而且多發(fā)生在薄壁、高聳水工建筑物中，如閘門、閘墩、導(dǎo)墻等。流激振動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的實(shí)例也不在少數(shù)。在美國(guó)，一些工程的消力池導(dǎo)墻由于消力池中水流強(qiáng)烈紊動(dòng)所產(chǎn)生的脈動(dòng)荷載、隨機(jī)振動(dòng)而遭到破壞。前蘇聯(lián)也有類似的事故，如伏爾加水電站攔魚墩倒坍，在大洪水時(shí)水電站廠房、各壩段產(chǎn)生同步振動(dòng)，就是距大壩3.2 km處的居民樓也有震感。中國(guó)也有貴州山坳拱壩溢流時(shí)強(qiáng)烈振動(dòng)和萬(wàn)安水利樞紐溢洪道導(dǎo)墻倒坍的實(shí)例。大化水電站溢流壩閘墩，當(dāng)泄流量超過(guò)7 000 m3/s時(shí)觀測(cè)到最大雙倍振幅達(dá)3 mm，大大超過(guò)允許值。烏江渡水電站1982年原型觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)左岸滑雪道右導(dǎo)墻有強(qiáng)烈“拍振”現(xiàn)象，墻頂一排鐵護(hù)攔的“拍振”如同蛇行，閘門開度越大越明顯。1987年8月進(jìn)一步觀測(cè)顯示：當(dāng)閘門全開時(shí)，最大雙倍振幅達(dá)3.1 mm，也曾發(fā)現(xiàn)左導(dǎo)墻出現(xiàn)上下的貫通縫。這些工程都是做了專門處理才得以安全運(yùn)行。中國(guó)正在設(shè)計(jì)和建設(shè)中的高拱壩群，高度已達(dá)300 m級(jí)，1.0～3.0萬(wàn)m3/s的壩身泄洪流量，幾千萬(wàn)甚至上億千瓦的泄洪功率，早已成為世界筑壩史上之最。同時(shí)，高壩的修建也存在泄洪振動(dòng)安全隱患和對(duì)本身、周邊環(huán)境影響問(wèn)題。

1 流激振動(dòng)機(jī)制及研究方法

泄流誘發(fā)水工結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究，最重要的是正確判斷產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)制。已有研究成果表明，流激振動(dòng)的誘因主要有：① 外部誘發(fā)的振動(dòng)；② 不確定誘發(fā)的振動(dòng)；③ 運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的振動(dòng)。其中最主要的是外部誘發(fā)的振動(dòng)，它是由水流或壓強(qiáng)脈動(dòng)引起的，并不是振動(dòng)系統(tǒng)所固有的，對(duì)此，人們最關(guān)心的是接近建筑物固有頻率所傳給建筑物的能量。對(duì)于水工建筑物(閘墩、導(dǎo)墻、隔墻等)來(lái)說(shuō)，振動(dòng)都是小量級(jí)的，都是在其平衡位置附近做相對(duì)微幅振動(dòng)，結(jié)構(gòu)多處在彈性階段的工作狀態(tài)，是常系數(shù)線性系統(tǒng)，即響應(yīng)是可以疊加而又是齊次的；系統(tǒng)具有常系數(shù)，系統(tǒng)的所有基本性質(zhì)都不隨時(shí)間變化；常系數(shù)的線形系統(tǒng)應(yīng)具有頻率保持性，輸出與輸入的區(qū)別僅改變了振幅和相位。因?yàn)榧?lì)作用可視為各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，所以其過(guò)程可以由頻率的響應(yīng)函數(shù)來(lái)描述。

Gy(f)=|H(f)|2Gx(f)

(1)

研究可采用的方法，一是在模型中直接測(cè)量水流誘發(fā)力F(t)的譜密度Gx(f)、應(yīng)用頻響函數(shù)H(f)，計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的譜密度Gy(f)；二是在水彈性模型(或原型)上直接量測(cè)建筑物響應(yīng)。

式(1)中頻響函數(shù)也稱傳遞函數(shù)。泄洪振動(dòng)研究主要是研究這3個(gè)量，因?yàn)槎际窃陬l率域，概念清楚。知道其中2個(gè)量就可以算出第3個(gè)量，所以就有3類問(wèn)題：① 已知水流荷載譜和傳遞函數(shù)求響應(yīng)譜，即正問(wèn)題；② 已知?jiǎng)恿憫?yīng)譜Gy(f)和傳遞函數(shù)求荷載譜Gx(f)，即第1類反問(wèn)題；③ 已知荷載譜和動(dòng)力響應(yīng)譜求傳遞函數(shù)中的頻率、振型和材料特性等，是第2類反問(wèn)題。

目前，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)流激振動(dòng)無(wú)規(guī)定，但工程界對(duì)流激振動(dòng)的研究一直在探索。主要采用的方法有原型觀測(cè)反分析法、模型試驗(yàn)及數(shù)值分析方法等。對(duì)于原型觀測(cè)及模型試驗(yàn)，這2種方法測(cè)得的數(shù)值較可靠，可為工程設(shè)計(jì)提供參考，但常花費(fèi)大量的人力物力，周期較長(zhǎng)，隨著計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，數(shù)值分析越來(lái)越得到重視和肯定。針對(duì)流激振動(dòng)采用的數(shù)值分析方法主要有小波分析法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。

本文以具體工程為案例，按流固耦合理論采用三維有限元法對(duì)泄洪閘流激振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，一是與原型觀測(cè)結(jié)果作對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算方法的可行性，二是可為其他后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 流固耦合基本原理

流體與工程結(jié)構(gòu)是相互作用的2個(gè)系統(tǒng)，它們間的相互作用是動(dòng)態(tài)的。流體作用在結(jié)構(gòu)上的力把這2個(gè)系統(tǒng)聯(lián)結(jié)在一起，流體力使工程結(jié)構(gòu)變形，而工程結(jié)構(gòu)變形時(shí)又改變了流場(chǎng)，于是流體力又發(fā)生了變化。這種流體與固體耦聯(lián)作用給研究流體誘發(fā)振動(dòng)問(wèn)題帶來(lái)極大的困難。流固耦聯(lián)作用可用具有單自由度的振動(dòng)系統(tǒng)來(lái)表征：

(2)

式中:m′、c′、k′分別為振動(dòng)系統(tǒng)的附加質(zhì)量、附加阻尼、附加剛度。

3 振動(dòng)危害控制標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)危害分為2種：一是對(duì)建筑物本身的危害，主要指疲勞破壞；二是對(duì)工作環(huán)境或人體的危害。水工建筑物泄流振動(dòng)現(xiàn)象普遍存在，但現(xiàn)行規(guī)范中尚無(wú)對(duì)此進(jìn)行規(guī)定，因此振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)無(wú)章可循。目前主要從應(yīng)力強(qiáng)度及振動(dòng)位移兩方面對(duì)振動(dòng)危害進(jìn)行評(píng)價(jià)，已有研究成果表明：

(1) 混凝土的疲勞破壞強(qiáng)度大致可以取泄洪振動(dòng)的“允許應(yīng)力”為0.45倍的靜力允許應(yīng)力值[1]。若靜力條件下允許拉應(yīng)力[σ]取2.00 MPa，則泄洪振動(dòng)的允許拉應(yīng)力可取0.9 MPa。

(2) 前蘇聯(lián)的一些學(xué)者曾提出按水工建筑物的高度的10萬(wàn)分之一作為“允許振幅”，但這個(gè)指標(biāo)沒(méi)有反映頻率變化對(duì)允許振幅的影響以及建筑物本身的重要性和功能。對(duì)于人體的振動(dòng)感覺(jué)而言，單純的動(dòng)位移響應(yīng)的大小還不能說(shuō)明問(wèn)題，還應(yīng)將振動(dòng)頻率考慮進(jìn)來(lái)。對(duì)于相同的振動(dòng)位移來(lái)說(shuō)，振動(dòng)頻率越高，人就越感覺(jué)不舒服。關(guān)于振動(dòng)對(duì)人體產(chǎn)生的影響，Meister等在試驗(yàn)中取得的研究結(jié)果目前為各個(gè)領(lǐng)域所采用。圖1就是著名的Meister感覺(jué)曲線。

4 工程實(shí)例分析

4.1 工程概況

蜀河水電站為河床式電站，樞紐建筑物從右至左由右副壩、垂直升船機(jī)壩段(兼作泄洪閘)、泄洪閘、縱向?qū)Α㈦娬緩S房壩段及安裝間、左副壩等組成。

泄洪閘布置于右副壩段與廠房壩段之間，由5孔組成，孔口尺寸均為13 m×23.80 m(寬×高)，設(shè)平板檢修門和弧形工作門各1道，閘墩邊、中墩厚度均為4.5 m。泄洪建筑物前沿總長(zhǎng)110.5 m，建筑物從右至左共分成4個(gè)壩段。泄洪閘壩段共設(shè)永久縫4道，其位置從左至右依次為:1號(hào)泄洪閘左邊墩(含大導(dǎo)墻)與廠房右邊墩之間、2號(hào)和4號(hào)泄洪閘底板中間、垂直升船機(jī)(兼泄洪閘)右邊墩與右副壩表孔左邊墩之間；3號(hào)泄洪閘底板中間設(shè)施工縫1道。閘墩最大高度為40.2 m，厚高比約1∶9。

圖1 Meister感覺(jué)曲線圖

2010年汛期電站尚未完工期間和完工后的2011年汛期，連續(xù)2 a經(jīng)歷了幾場(chǎng)較大洪水。2010年7·18洪水最大入庫(kù)洪峰流量為24 000 m3/s左右，約30年一遇。2011年汛期，蜀河水庫(kù)出現(xiàn)了3次洪峰，其中最大的為第3次，最大入庫(kù)洪峰流量17 793 m3/s(2011-09-19)，同時(shí)最大出庫(kù)流量達(dá)到了17 760 m3/s。

2011年泄洪期間，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查發(fā)現(xiàn)，泄洪閘壩段泄洪時(shí)閘墩發(fā)生有感振動(dòng)現(xiàn)象，越靠近下游，振感越強(qiáng)烈。通過(guò)壩頂結(jié)構(gòu)縫張合情況，目測(cè)最大振幅約4 mm。

4.2 數(shù)值模擬分析

為研究泄洪期間閘墩的振動(dòng)情況，本文按流固耦合理論采用三維有限元法對(duì)閘墩流激振動(dòng)做了數(shù)值模擬研究，模擬的工況為2011年洪水工況，主要目的是驗(yàn)證研究方法的合理性及可行性，另外可為閘墩后續(xù)加固、類似工程分析方法提供依據(jù)。

4.2.1 分析模型

研究流激振動(dòng)的有限元結(jié)構(gòu)模型如圖2，模型單元總數(shù)為2.2萬(wàn)。模型范圍：順河向，閘室段+消力池段；橫河向，1孔+2個(gè)半孔；高程向，地基至壩頂。邊界條件：堰體及消力池底面、側(cè)面法向約束，其它邊界自由，過(guò)流面為流固耦合邊界，與水體相互作用。結(jié)構(gòu)模型按工程實(shí)際按線彈性混凝土材料考慮。

研究流激振動(dòng)的有限元流體模型如圖3，模型單元總數(shù)為5.6萬(wàn)。模型范圍：順河向，閘前50 m至消力池下500 m；橫河向，與結(jié)構(gòu)模型相同；高程向，過(guò)流面至洪水位。邊界條件：上游面為壓力進(jìn)口，下游面為自由出口，側(cè)面為墻體邊界，底面為流固耦合邊界，與結(jié)構(gòu)相互作用。流體模型按工程實(shí)際按不可壓縮水體考慮。

圖2 泄洪閘結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 泄洪閘流體模型圖

4.2.2 分析工況

分析工況采用2011年期間泄洪工況，洪峰流量按實(shí)際測(cè)值17 760 m3/s，約為5年一遇洪水，對(duì)應(yīng)的上下游水位如表1。

表1 5年一遇洪水工況上、下游水位表

4.2.3 研究假定

(1) 不考慮壩頂預(yù)制梁、板對(duì)閘墩的約束作用；

(2) 限于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)配置，不考慮地基對(duì)閘墩振動(dòng)的影響；

(3) 混凝土結(jié)構(gòu)按線彈性，水體按K-E湍流模型考慮；

(4) 閘門處于擋水狀態(tài)，閘門開啟為瞬間全部開啟，不考慮局開歷時(shí)影響。

圖4 洪水經(jīng)過(guò)閘室過(guò)程形態(tài)圖

圖5 左、右閘墩振動(dòng)相對(duì)位移過(guò)程線圖

4.2.4 研究成果

按照流固耦合理論，采用大型通用有限元程序?qū)κ窈铀娬?011年洪水期間閘墩振動(dòng)進(jìn)行了流固耦合分析。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，閘門開啟后，洪水9 s到達(dá)消力池末端，隨后下游水深逐漸增加，47 s后消力池內(nèi)水躍到達(dá)閘墩末端，95 s后基本形成下游穩(wěn)定水深，上下游水位差約為3 m，整個(gè)洪水經(jīng)過(guò)閘室過(guò)程形態(tài)如圖4。

經(jīng)過(guò)分析，泄洪期間左、右閘墩下游振動(dòng)相對(duì)位移過(guò)程線如圖5，泄洪期間閘墩振動(dòng)最大位移時(shí)刻閘墩主拉應(yīng)力如圖6。

圖6 閘墩振動(dòng)主拉力云圖

經(jīng)過(guò)分析，可以得出如下結(jié)論：

(1) 洪水期間，閘墩受水流脈動(dòng)壓力的作用會(huì)發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)過(guò)程為不平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。

(2) 振動(dòng)期間，整個(gè)閘墩動(dòng)應(yīng)力不大，不到0.3 MPa，滿足動(dòng)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 閘墩振幅較大，最大為8 mm，平均振幅為3 mm，不滿足前蘇聯(lián)振幅控制標(biāo)準(zhǔn)(10萬(wàn)分之一建筑物高度)。

(4) 從振動(dòng)位移過(guò)程線可知，閘墩振動(dòng)為非結(jié)構(gòu)共振，振動(dòng)頻率不到1 Hz，從感覺(jué)曲線可以判斷閘墩振動(dòng)處于強(qiáng)烈感覺(jué)到狀態(tài)。

(5) 考慮閘墩振動(dòng)期間混凝土疲勞強(qiáng)度，建議對(duì)閘墩進(jìn)行加固處理。

5 結(jié) 語(yǔ)

水工建筑物流激振動(dòng)現(xiàn)象普遍存在，尤其對(duì)于高聳、薄壁水工建筑物流激振動(dòng)更為明顯。隨著高壩的修建，泄洪功率越發(fā)增大，流激振動(dòng)將可能威脅建筑物的安全，因此對(duì)于流激振動(dòng)的研究倍受關(guān)注。目前規(guī)范中尚無(wú)流激振動(dòng)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定，但有關(guān)流激振動(dòng)的研究一直在摸索中前行。本文按照流固耦合理論，采用三維有限元法對(duì)實(shí)際工程的閘墩振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了模擬分析，分析成果與現(xiàn)場(chǎng)人為感覺(jué)相近，驗(yàn)證了本文研究方法的可行性，同時(shí)該研究方法可為后續(xù)類似工程分析提供參考。

本文后續(xù)仍有大量工作需要開展，如有限元網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算精度的影響、地基對(duì)流激振動(dòng)的影響、不同洪水工況下流激振動(dòng)響應(yīng)以及閘墩加固后效果評(píng)價(jià)等，希望能從中得出一些普遍規(guī)律，供工程設(shè)計(jì)參考，也期待理論及工程實(shí)踐完善后納入規(guī)范進(jìn)行修訂。

[1] 車宏亞.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)原理[D].天津：天津大學(xué)出版社,1990.

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Study on Analyzing Method for Value Simulation of Flow-induced Vibration of High and Thin Wall Hydraulic Structure

LIU Peng1, HE Xiao-min1, WANG Jing1, CHU Wen-bing2, YUAN Zhi-dan3

(1. POWERCHINA Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065，China;2. China Construction 8th Engineering Division Co., Ltd., Shanghai 200135，China;3. Hourglass Engineering Technology Co., Ltd., Suzhou, Jiangsu 215101，China)

The study methods of the flow-induced vibration of hydraulic structures typically include prototype observation, model test and value analysis. In this paper, the fluid-solid coupling theory and 3D finite element method are applied for the value simulation study on the flow-induced vibration. The study results are in compliance with those of the prototype observation. This verifies the feasibility of the study method. It provides analysis of the similar projects in the future with reference.Key words:flow-induced vibration; fluid-solid coupling; value analysis; high; thin wall; hydraulic structure

2015-04-13

劉鵬(1981- )，男，遼寧省新民市人，高級(jí)工程師，從事水工建筑物設(shè)計(jì)工作.

TV222.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.020