柳江紅花二線船閘閥門(mén)結(jié)構(gòu)受力與自振特性分析

蔣春鋼　方愛(ài)華　傅陸志丹　 向茂銘　嚴(yán)瑞昕

摘要：紅花二線船閘工作水頭高，閘室規(guī)模大。文章針對(duì)高水頭閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)建立紅花船閘閥門(mén)三維有限元模型，對(duì)閥門(mén)在擋水、啟門(mén)、動(dòng)水閉門(mén)工況下的受力變形特性開(kāi)展空間三維結(jié)構(gòu)受力分析。同時(shí)，為保障高水頭閥門(mén)安全運(yùn)行，采用數(shù)值模擬方法對(duì)閥門(mén)結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，各工況下，閥門(mén)變形總體較小，數(shù)值計(jì)算獲得的閥門(mén)前幾階模態(tài)頻率較高，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求，紅花二線船閘閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體合理。

關(guān)鍵詞：船閘;反弧門(mén);結(jié)構(gòu)受力;自振特性

0 引言

紅花水利樞紐二線船閘工程為首批西江黃金水道建設(shè)項(xiàng)目，閘室規(guī)模大，有效尺度為280 m×34 m×5.8 m（長(zhǎng)×寬×門(mén)檻最小水深），最大工作水頭為

20.81 m，設(shè)計(jì)水頭及相關(guān)水力指標(biāo)均居于國(guó)內(nèi)前列，是典型的高水頭閥門(mén)[1]。針對(duì)此類(lèi)高水頭閥門(mén)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。此外，高水頭閥門(mén)的流激振動(dòng)特性關(guān)系其安全平穩(wěn)運(yùn)行，而閥門(mén)結(jié)構(gòu)的自振特性是振動(dòng)的內(nèi)因，要求基頻盡量脫離水流激勵(lì)的高能區(qū)，以免發(fā)生共振或劇烈振動(dòng)[2]。考慮到船閘的性能優(yōu)劣將直接影響柳江的航運(yùn)能否暢通，航運(yùn)地位十分重要，因此，需對(duì)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)受力和自振特性進(jìn)行研究，以確保船閘的安全高效運(yùn)行。

1 閥門(mén)結(jié)構(gòu)布置

紅花二線船閘最大工作水頭為20.81 m（上游正常蓄水位為77.50 m，下游最低通航水位為56.69 m），屬于典型的高水頭船閘，輸水系統(tǒng)工作閥門(mén)采用反弧門(mén)，閥門(mén)段孔口尺寸為4.5 m×6 m（寬×高），閥門(mén)結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)下頁(yè)圖1。閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)延續(xù)了以三峽為代表性的雙面板支臂全包的反弧門(mén)結(jié)構(gòu)形式。紅花二

線閥門(mén)外面板半徑為8.5 m，吊耳中心到底板距離為6.75 m，支鉸中心到底板距離為7.4 m，擺桿長(zhǎng)度為11.0 m，結(jié)構(gòu)總體布置滿(mǎn)足閘閥門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。門(mén)體考慮其他附件，總重約為73.5 t，另配11 t混凝土配重。根據(jù)閘閥門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范，容許應(yīng)力調(diào)整系數(shù)取0.9，鋼材抗拉、抗壓和抗彎容許應(yīng)力為220 MPa，則閥門(mén)主要構(gòu)件的容許應(yīng)力取值為198 MPa（鋼材容許應(yīng)力×調(diào)整系數(shù)）。

2 閥門(mén)結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 閥門(mén)有限元模型及計(jì)算方法

建立紅花閥門(mén)三維有限元模型，模型除鋼結(jié)構(gòu)外還有混凝土配重，各部分結(jié)構(gòu)均按設(shè)計(jì)精確模擬。坐標(biāo)系：X[WTBZ]軸為順?biāo)飨颍掠蚊姘逋夥ㄏ驗(yàn)檎?Y[WTBZ]軸為豎直向，向上為正;Z[WTBZ]軸為橫向，向右側(cè)為正。模型采用四面體實(shí)體單元離散，單元總數(shù)為339 821，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為670 715，閥門(mén)有限元模型見(jiàn)圖2。

計(jì)算中鋼材彈性模量取200 GPa，泊松比0.30，密度7 850 kg/m 3;混凝土彈性模量取30 GPa，泊松比0.18，密度2 300 kg/m 3。

靜力分析包括最大工作水頭條件下?lián)跛㈤T(mén)、動(dòng)水閉門(mén)工況，混凝土配重不考慮其與鋼結(jié)構(gòu)的粘結(jié)作用，僅考慮其質(zhì)量。具體工況如下：

（1）擋水工況：最大工作水頭（上游水位77.50 m，下游水位56.69 m）+閥門(mén)自重;閥門(mén)底止水向上約束。

（2）啟門(mén)工況：最大工作水頭（上游水位77.50 m，下游水位56.69 m）+閥門(mén)自重;吊耳施加豎直向約束，閥門(mén)底緣無(wú)約束。

（3）動(dòng)水閉門(mén)工況：1.8倍設(shè)計(jì)荷載+閥門(mén)自重;吊耳施加豎直向約束，閥門(mén)底緣無(wú)約束。

2.2 擋水工況受力變形

閥門(mén)正常擋水工況下，總體變形見(jiàn)圖3，在靜水荷載作用下，閥門(mén)總體向下游變形，其中，面板沿下游方向變形量較大且較為均勻。閥門(mén)變形位移呈對(duì)稱(chēng)分布，在梁格中心的面板位置位移較大，最大位移為0.98 mm，出現(xiàn)在下游閥門(mén)頂部第六、七橫梁之間面板內(nèi);支臂位移總體較小，在0.8 mm以?xún)?nèi)。正常擋水工況下，閥門(mén)變形較小。

閥門(mén)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。閥門(mén)在最大工作水頭靜水荷載作用下，整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最大值為69.7 MPa，出現(xiàn)左支臂開(kāi)孔位置處，為應(yīng)力集中。總體上看，閥門(mén)應(yīng)力水平較低，結(jié)構(gòu)較強(qiáng)。

2.3 啟門(mén)工況受力變形

在吊桿拉力、最大工作水頭及自重作用下，閥門(mén)處于剛開(kāi)啟狀態(tài)，底緣不受約束，該工況閥門(mén)變形及位移云圖見(jiàn)圖5。閥門(mén)最大位移為1.13 mm，出現(xiàn)在閥門(mén)底緣中心位置。

按第四強(qiáng)度理論計(jì)算閥門(mén)等效應(yīng)力，閥門(mén)整體應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。可以看出，閥門(mén)等效應(yīng)力最大值為72 MPa，出現(xiàn)在右側(cè)支臂開(kāi)孔位置，同樣為應(yīng)力集中。面板應(yīng)力明顯較小，在10 MPa左右。

2.4 動(dòng)水閉門(mén)工況受力變形

在自重1.8倍靜水壓力及吊桿拉力作用下，閥門(mén)處于剛開(kāi)啟狀態(tài)，有限元計(jì)算得到的閥門(mén)變形及位移云圖見(jiàn)下頁(yè)圖7。可以看出，閥門(mén)總體位移分布規(guī)律同啟門(mén)工況一致，最大位移為2.04 mm。總體上看，閥門(mén)位移不大，而且1.8的水動(dòng)力荷載系數(shù)偏安全（閥門(mén)常壓模型在閥門(mén)沒(méi)有安裝側(cè)止水及頂止水的情況下，試驗(yàn)獲得的系數(shù)約1.13[3]）。

閥門(mén)等效應(yīng)力云圖見(jiàn)下頁(yè)圖8，閥門(mén)最大等效應(yīng)力為125.6 MPa，出現(xiàn)在右側(cè)支臂開(kāi)孔位置，屬于應(yīng)力集中。面板應(yīng)力水平較低，在30 MPa內(nèi)。

從閥門(mén)各種工況受力分析可以看出，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體合理。

3 閥門(mén)自振特性分析

3.1 計(jì)算方法

有限元數(shù)值模擬是目前結(jié)構(gòu)自振特性分析的主要手段之一，本文采用以反冪法為基礎(chǔ)的直接濾頻法來(lái)計(jì)算閥門(mén)的自振頻率和振型，這個(gè)算法在求解少數(shù)幾個(gè)最低頻率和振型時(shí)具有收斂速度快、存貯小的優(yōu)點(diǎn)。

在實(shí)際工程中，阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率和振型的影響很小，可忽略阻尼力。由動(dòng)力平衡方程可得到無(wú)阻尼的自由振動(dòng)方程：

此時(shí)，以反冪法為基礎(chǔ)的直接濾頻法是一種簡(jiǎn)便而有效的方法。直接濾頻法求第r+1個(gè)特征值的濾項(xiàng)方程為：

3.2 閥門(mén)門(mén)體自振特性

開(kāi)展閥門(mén)門(mén)體自振特性分析，從吊耳是否約束來(lái)反映吊桿對(duì)門(mén)體的影響：當(dāng)?shù)醵鸁o(wú)約束時(shí)，即忽略了吊桿對(duì)門(mén)體的約束作用，單獨(dú)從門(mén)體來(lái)說(shuō)，其自振頻率偏低;當(dāng)?shù)醵捎霉潭s束，其約束作用強(qiáng)于吊桿對(duì)其實(shí)際的約束作用，其自振頻率偏高，因此，吊桿影響下門(mén)體的自振頻率介于兩種約束條件之間。

自振特性計(jì)算分析均為空氣中的干模態(tài)，不考慮水體的影響。計(jì)算有配重和無(wú)配重狀態(tài)下閥門(mén)前七階自振特性參數(shù)見(jiàn)表1。

可以看出，無(wú)配重閥門(mén)門(mén)體第一階頻率為12.435 Hz，面板以吊點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng);有配重閥門(mén)門(mén)體第一階頻率為10.264 Hz，較無(wú)配重閥門(mén)一階振頻有所下降，振型同樣為面板以吊點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)。無(wú)配重與有配重的閥門(mén)基頻高于水流脈動(dòng)壓力的高能區(qū)（3 Hz內(nèi)），不會(huì)發(fā)生共振或劇烈振動(dòng)。無(wú)配重與有配重二階振型也基本一致，振頻分別為40.705 Hz與39.858 Hz，表現(xiàn)面板以下面板為中心的轉(zhuǎn)動(dòng)變形。無(wú)配重與有配重閥門(mén)門(mén)體第三階振型有所區(qū)別，無(wú)配重閥門(mén)振型為支臂對(duì)稱(chēng)左右擺動(dòng)變形，有配重閥門(mén)振型為支臂對(duì)稱(chēng)左右擺動(dòng)并伴有面板上下振動(dòng)變形，其振頻分別為47.092 Hz與46.126 Hz。

對(duì)于紅花二線船閘閥門(mén)，數(shù)值計(jì)算獲得閥門(mén)前幾階模態(tài)頻率較高，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)三維有限元靜動(dòng)力數(shù)值分析，全面掌握了紅花二線船閘反弧門(mén)的受力變形特性及自振特性，研究表明：

（1）在擋水、啟門(mén)、動(dòng)水閉門(mén)工況下，閥門(mén)變形總體較小，最大位移為

2.04 mm，出現(xiàn)在閥門(mén)面板底止水中心位置，閥門(mén)等效應(yīng)力基本在100 MPa內(nèi)，最大等效應(yīng)力為125.6 MPa，出現(xiàn)在橫梁與面板連接位置，屬于應(yīng)力集中。最大位移和應(yīng)力均出現(xiàn)在按1.8動(dòng)力系數(shù)考慮的動(dòng)水閉門(mén)工況。

（2）動(dòng)特性試驗(yàn)獲得無(wú)配重與有配重閥門(mén)一階模態(tài)頻率分別為12.435 Hz與10.264 Hz，脫離水流激勵(lì)高能區(qū)，在水流隨機(jī)荷載作用下不會(huì)發(fā)生共振或劇烈振動(dòng)。

（3）閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]寧 武，宣國(guó)祥，祝 龍，等.柳江紅花水利樞紐二線船閘工程下游水位調(diào)整后的輸水系統(tǒng)布置及水力學(xué)模型試驗(yàn)研究[J].2017（10）：154-159.

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