水工弧形鋼閘門自振特性研究

程志新，張港

（華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045）

引言

弧形閘門因無門槽、啟門力小、操作方便等優點而大量用于各種水道工作[1]。在水利工程運行過程中，弧形閘門受到水流的脈動作用會產生不同程度的振動，這種閘門與水流相互耦合產生的閘門振動稱為流激振動，結構會發生變形、磨損以及腐蝕的現象[2]，這些都是引起弧形閘門失事破壞的源頭[3]。為避免其遭受破壞，可以從兩個方面入手：一是改善閘門進出水流流態，盡量避免異常水流荷載的產生；二是優化其結構，改變自身固有頻率來避免水激勵力的高能區作用。但是由于改變水流流態一定會引起其它水工結構的改變，實施起來較為困難。因此，首要研究的是弧形閘門結構和動力特性，以便有效減少弧形閘門的失事破壞現象的發生。

1 研究方法

由于弧形閘門是復雜的空間板梁結構，也很難測定作用其上的水流脈動壓力，所以在對弧形閘門進行動力分析時，大都是先計算弧形閘門的自振頻率，在與作用水流的脈動頻率相比較，來使其自振頻率遠離高能脈動頻率區，確保閘門工作環境的安全[4]。

許多實驗資料表明現在已經能準確得到水流脈動頻率，水流脈動主頻率主要在1至20Hz之間浮動，其中有48.3%在1至10Hz之間變化，超過20Hz的很少。閘門結構在水中的振動屬于流體彈與性理論研究的內容，閘門的振動是兩者協同作用的結果，所以要用彈性結構與流體的耦聯振動理論來分析其振動特性。但是閘門振動本身就是一個很復雜的問題，所以目前普遍采用理論分析的方法，計算閘門在空氣中的自振頻率，再通過水力學試驗測定振動擾力，即水流總脈動壓力的幅值和頻率，以檢驗閘門是否發生共振[5]。

由于作用于門體的水動力載荷難以采用函數式表示，載荷作用機理尚不完全清晰，并且弧形閘門承受的動水壓力是一個連續波動的過程，時均壓力上下波動的水流作用力就是脈動壓力。因此，在對弧形閘門自振特性進行研究時，采用有限元模態計算與原型觀測試驗相結合的方法，即簡化邊界條件，設定理論分析的工況參數，在有限元模態計算的基礎上，通過原型觀測試驗，對理論計算分析和設計計算的成果進行驗證。

2 工程實例

2.1 工程概況

本文以陜西漢江蜀河水電站泄洪閘弧形工作閘門為研究對象，孔口尺寸13.0×24.3m（寬×高），弧形閘門半徑32m，底檻高程193.5m，支鉸高程217.6m，設計水頭23.8m。整體采用的是三支臂結構、球鉸支承，使用懸掛式液壓啟閉機啟閉，啟閉機容量為2×4000kN。本文主要對弧形閘門在動水試驗水位216.15m下的自振頻率和模態進行了計算分析。

2.2 有限元計算

2.2.1 有限元模型

采用AUTODESK公司商業軟件Inventor 2011建立弧形閘門有限元模型，對閘門的部分結構進行了一定簡化，例如省略了止水部件、側輪裝置、所有螺栓螺母、欄桿等，建立的模型如圖 1所示。弧形閘門有限元計算選取四面體單元（Solid187 element）和六面體單元（Solid186 element）混合而成的組合有限元模型，單元的劃分基本上按弧形閘門結構布置上的特點采用自然離散的方式，將面板、橫梁腹板、橫梁翼板、縱梁腹板、縱梁翼板、吊耳、支臂腹板、支臂連接桿等構件劃分為六面體單元，支鉸、軸承、鉸軸劃分為四面體單元。

圖1 弧形閘門有限元模型

2.2.2 邊界條件

（1）水壓力載荷

水壓力直接作用于面板外壁上，水體密度取 1000kg/m3[5]，面板分布水壓力根據水頭按下式計算：

靜力擋水工況閘門水頭為22.65m，荷載動力系數取1.0。水壓力寬度范圍為面板寬度 12.9m，高度范圍為面板底緣到正常高水位 22.65m，水壓力從頂部的 0逐漸增加到底部的221970Pa。

（2）閘門自重

閘門自重方向向下，由三維建模軟件自動計算，閘門門葉重 165724kg，支臂重 198623kg，支鉸（鉸座+鉸軸）重53000kg，軸承重 2194kg，（門葉+支臂+鉸鏈+鉸軸）為419541kg。

（3）止水摩擦力

考慮側止水橡皮的摩阻力，側橡膠止水型號為 L60（SF6674），預壓縮 4mm，橡皮頭部寬 60mm，與不銹鋼摩擦系數為0.5。

3 試驗結果與討論

3.1 有限元計算結果

通過有限元計算得到弧形閘門在動水試驗水位下的模態振型和參數，這里取前4階。其前4階自振特性分析結果如表1所示，振型圖取前3階圖3所示。

表1 閘門結構自振頻率 單位：Hz

模態分析結果表明，閘門全閉擋水工況的基頻在 4.4Hz左右。由圖2可以看出，弧形閘門的第一階振型以門葉扭曲為主；第二階振型以支臂部分的彎曲為主，彎曲方向向內，呈靠攏趨勢；第三階振型以支臂和門葉部分同時彎曲為主，彎曲方向為Z向。

圖2 弧形閘門振型圖

3.2 原型觀測試驗結果

通過改進隨機子空間法得到弧形閘門的自振頻率，經計算整理，結果如表2所示。

表2 弧形閘門自振頻率

由表2可以看出，主梁的自振頻率要大于支臂，其中支臂的自振頻率從一階到四階增加較為穩定，而主梁的自振頻率在第三階和第四階之間有較大增加。

3.3 結果對比分析

對弧形閘門自振頻率的有限元模態計算結果和模態測試結果進行整理，如表3所示。

表3 弧形閘門自振頻率模態計算結果與測試結果對比表

由表3可以看出，主梁測試所得到的自振頻率值最大，閘門經計算得到的自振頻率值最小。弧形閘門前三階，也就是在低階階段的自振頻率計算值與測試值契合度較高。但是弧形閘門存在制造和裝配誤差，運行條件無法預判等問題，實際運行工況下的邊界條件遠遠要比理論計算繁瑣，使得四階（含四階）以上自振頻率測試值高于計算值，但都有一致增大趨勢[6]。

4 結語

本文對弧形閘門自振特性進行了研究，提出了一種將有限元模態計算與原型觀測試驗相結合的方法，并以蜀河水電站弧形閘門為例展開算例分析，先通過有限元模態計算得到弧形閘門的自振頻率，然后通過原型觀測試驗中的模態測試進行驗證與分析。本文所提出的方法能極大滿足水工閘門工程分析的要求，計算結果為弧形閘門振動故障診斷及預報及其結構動力特性的優化設計提供了依據，可供同類型閘門振動穩定性研究借鑒。