大寬高比弧形鋼閘門流激振動數值分析

彭思賢，趙蘭浩，毛 佳

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

21世紀以來，我國對水環境和生態的要求日益提高，跨度較大、水頭較低的大寬高比弧形閘門不斷涌現[1]。但此類閘門結構剛度弱，動水啟閉時易產生強烈振動，同時水動力荷載作用形式復雜各異，誘發的結構強烈振動也表現出不同的振型和性質[2]。閘門的流激振動按激勵機制一般分為3種：外部誘發振動(EIE)、水流穩定性差異導致的振動(IIE)與結構自身相關的自激振動(MIE)[3-4]。總體而言，振動的主要原因是動水作用的不均衡[5-7]。目前，閘門振動特性的主要研究方法有原型觀測、模型試驗、數值模擬或模型試驗與數值模擬相結合。胡木生等[8]利用原型觀測的方法較為準確地測量出閘門的振動響應，蔣寅軍等[9]用完全水彈性模型試驗得到閘門不同開度下的動力響應，趙蘭浩等[10]提出基于模型試驗的物理模型-數學模型相結合的閘門流激振動計算方法，但研究的弧形閘門寬高比較小均在0.4～1.0之間，同時原型觀測無法對待建閘門研究，完全水彈性模型較難實現，數值模擬在現有技術下缺乏一定精度[11-12]，其他有關大跨度、寬高比大于3∶1的弧形閘門動力特性研究也較少[13]。

本文以閘門跨度為25.96 m，寬高比約為3.05的某節制閘為研究對象，該閘屬于低水頭大寬高比閘門，支臂支承桁架部位易發生失穩破壞[14-16]。針對閘門主體與易失穩的支臂部位，分別計算閘門有、無水體狀態下的自振特性，研究不同支臂設計厚度對結構振頻的影響，采用試驗結合數值模擬的方法，將模型試驗測得的脈動壓力轉化為節點荷載施加在數值模型上，通過隨機振動方法得到該閘門的流激振動響應，可對類似大寬高比閘門結構的設計與安全運行提供參考。……