翻板閘門流激振動模型試驗及優化設計

阮穎穎

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州362000）

0 引 言

水工閘門是水利水電工程中常見的擋水結構物，閘門在工作過程中因受到動水作用必然表現出流激振動，這種振動對閘門可靠運行較為不利。為研究水工閘門流激振動，必須從結構自身固有特性及外部激勵荷載出發，比較閘門自振頻率和作用水流的脈動頻率，并使自振頻率與脈動頻率遠離，以防止產生共振后放大振動影響程度，保證水工閘門結構安全。為此，文章依托防洪排澇工程水工閘門實際，通過水力學試驗展開對翻板閘門脈動壓力特性的分析，并根據空間有限元及動特性試驗得出閘門自振特性，對流激振動響應進行了動力時程分析，提出閘門基頻及整體剛度提升、振動響應控制的優化策略。

1 工程概況

福鼎城區南灣防洪排澇工程C3 標（金屬結構設備及安裝工程）包括1 座水閘及泵站的金屬結構設備及安裝工程。水閘主要采用上翻式翻板閘門，閘門設計寬度16.8m、高20.5m，閘門使用Q345B材料，彈性模量為206Gpa，泊松比0.25~0.30，密度7858kg/m3。該水工閘門主要用于防洪排澇，滿足上游灌溉及生態用水方面的需要，汛期則開閘泄洪，確保河道防洪安全。工程采用上翻式翻板閘門和溢流壩結合的設置形式，閘底板廊道段為空箱結構。

2 水動力學試驗

翻板閘門流激振動以其所承受的動水壓力為激振源，為研究其流激振動特性，必須展開水動力學試驗。動水壓力包括脈動壓力和時均壓力兩部分，脈動壓力主要引起結構振動，且影響程度和水流紊動有關；時均壓力則是進行閘門結構靜力設計的主要參數，通常在閘門全關時達到最高水平。為得到該翻板閘門動水時域幅值及頻域能量分布特性，按照《水工模型試驗規程》相關要求，按照弗勞德相似定律設計并制作1 : 25 單體水工有機玻璃模型，展開水壓力試驗[1]。電壓信號經由動態電阻應變儀放大濾波處理后通過信號采集系統收集并存儲；脈動壓力則通過壓阻式微脈動壓力傳感器直接測量。典型測點脈動壓力時程曲線和頻譜曲線具體見圖1，從圖中可知，翻板閘門具有較好的時均壓力分布規律，且動水壓力屬于穩定隨機過程；在閘門開啟過程中脈動壓力呈增大趨勢，正常水位下脈動壓力最大值為16.96kPa，最低水位下脈動壓力最大值為18.96kPa，且均位于門葉下方。

圖1 測點脈動壓力時程及頻譜曲線

2.1 閘門自振特性

通過對結構動力學方程進行拉普拉斯轉換后得出翻板閘門振動系統結構傳遞函數，具體如下：

Ar為r階模態留數矩陣；為r階模態留數矩陣共軛；λr為r階模態特征值；為r階模態特征值共軛；jω為翻板閘門振動系統自變量。該閘門振動系統結構傳遞函數涵蓋翻板閘門結構全部模態參數，故在已知參數取值及結構傳遞函數表達式后，便可得出翻板閘門結構的動力特性[2]。

根據彈性相似原理及Lr=20 的幾何比尺設計翻板閘門動特性模型，結合閘門具體構造，將其結構離散成208 個節點，x、y、z軸分別表示水流向、橫向和豎向。依次對每個節點施加任意大小的激勵力，并記錄力的大小以及節點在3 個方向的振動響應信號；通過電荷放大器將振動響應信號濾波放大處理后輸入系統，采用擬合方式推求出傳遞函數以及閘門模態頻率、阻尼、振型等參數。向節點施加激勵力時使用激振錘，通過錘頭所設置的傳感器測量力的大小，振動響應則通過三向加速度傳感器測量。試驗所得翻板閘門前10 階自振頻率及阻尼比等參數值具體見表1，根據試驗結果，該水工翻板閘門基頻較低，且1 階和2 階振型均沿面板法向振動。

表1 閘門自振特性試驗結果

1）干模態。構建翻板閘門空間有限元模型，依次以水流向、橫河向及豎直向為x軸、y軸和z軸，由于閘門面板、主次梁、邊梁等均采用薄板，故通過空間四邊形板單元展開翻板閘門模型離散，并對主次梁上翼緣連接面板處分為兩個單元，分開計算相應剛度后疊加為結構整體剛度[3]。通過分析閘門1 階及2 階振型得出相應的振動頻率為5.41Hz和22.38Hz。比較試驗結果和模態分析結果看出，1 階和2 階振型完全吻合，且自振頻率偏差不超出10%，說明所得到的翻板閘門動力特性參數值真實可靠。

2）濕模態。翻板閘門和水體耦合作用通過附加質量法進行研究。在流體表現出小振幅運動的過程中，動水壓力變動過程服從拉普拉斯方程，根據流固耦合界面條件便可推導出附加質量矩陣和動力控制方程；考慮到附加質量矩陣屬于非對稱型，故應通過Lanczos 法進行方程求解[4]。閘門全關工況下1 階和2 階自振頻率依次為2.65Hz 和10.94Hz，均低于干模態情況，說明水流對翻板閘門固有頻率存在較大影響；但濕模態下閘門自振振型與干模態完全吻合。

2.2 閘門流激振動特性

2.2.1 閘門流激振動加速度

在閘門模型上相應位置布設5個監測點見圖2，試驗開始后依次測取各監測點水流向、橫河向及豎直向的振動量，按照隨機振動理論和譜分析方法展開振動數據分析處理，得出翻板閘門振動期間數字特征和譜特征，并根據測試結果揭示出閘門振動頻域能量分布規律[5]。根據試驗結果，在上下游水位分別為8.5m和6.8m的固定水位下，隨閘門開度減小，閘門振動量及振動響應呈弱化趨勢。當閘門開度位于10°~ 40°之間時，因閘門后方空腔穩定性不良，故閘門振動加速度均方根存在小幅度提升，此后快速下降；閘門面板頂部及兩側振動量分別比底軸和中部振動量大。x、y、z軸向閘門面板頂部振動加速度最大值均方根分別為0.221m/s2、0.130m/s2、0.496m/s2；而x、y、z軸向閘門面板底部振動加速度最大值均方根分別為0.058m/s2、0.123m/s2、0.051m/s2；門葉兩側及中部振動加速度最大值均方根分別為0.485m/s2和0.134m/s2。

圖2 測點布置情況

在閘門開度固定為42°的工況下，隨上游水位的升高，閘門振動量及振動響應不斷增強，且面板頂部、門葉兩側振動量比底部、門葉中部大。閘門開度和下游水位不變，上游水位從7.5m增大至8.5m的過程中，x、y、z軸向閘門面板頂部振動加速度最大值均方根分別為0.161m/s2、0.036m/s2、0.187m/s2；而x、y、z軸向閘門面板底部振動加速度最大值均方根分別為0.026m/s2、0.014m/s2、0.019m/s2；門葉兩側及中部振動加速度最大值均方根分別為0.178m/s2和0.067m/s2。閘門振動加速度、時域過程、功率譜密度試驗結果具體見圖3。

圖3 閘門振動加速度、時域過程、功率譜密度曲線

2.2.2 閘門流激振動位移

采用雙積分電荷放大器測取圖4 中5 個測點的振動位移，為便于比較，每個測點均測取x、y、z軸向的動位移值。按照隨機振動理論和譜分析方法處理試驗數據，得出翻板閘門動位移過程數字特征和譜特征，據此進行閘門頻域能量分布和振動位移分析。根據試驗結果，在上下游水位固定的工況下，下泄流量隨閘門開度的減小而減小，振動位移響應也隨之減弱；x、y、z軸向閘門面板頂部振動位移最大值均方根分別為1.9mm、0.97mm、4.8mm；而x、y、z軸向閘門面板底部振動位移最大值均方根分別為0.61mm、1.4mm、1.39mm；門葉兩側及中部振動位移最大值均方根分別為4.7mm 和1.8mm。

在閘門開度固定的工況下，下泄流量隨上游水位的升高而增大，振動位移響應也隨之增強。閘門開度和下游水位不變，上游水位從7.5m 增大至8.5m的過程中，x、y、z軸向閘門面板頂部振動位移最大值均方根分別為0.948mm、0.821mm、1.231mm；閘門面板底部以及門葉兩側和中部振動位移取值均接近零，故可忽略不計。

2.2.3 閘門流激振動應力

對該翻板閘門流激振動應力的測量與位移測量同步進行，依次在彈性閘門面板、橫縱梁腹板、翼緣等處設置22 個動應力測點，并在處理后的閘門結構表面直接粘貼應變計，借助應力應變放大測量系統測取閘門動態應變值。根據試驗結果，面板振動應力最大值均方根為0.397MPa，橫梁中斷面振動應力最大值均方根為0.910MPa，中斷面及邊斷面縱梁、橫梁邊斷面振動應力最大值均方根分別為0.504MPa、0.427MPa、0.321MPa。該翻板閘門具有較小的動應力，且均滿足安全運行方面的規定。

3 閘門結構優化設計

結合以上對翻板閘門泄水流態、脈動壓力荷載、流激振動響應等過程的模擬分析，為控制和減小閘門振動量，必須采取有效措施解決該水工翻板閘門門頂溢流下負壓空腔問題。

3.1 破水器優化設計

閘門破水器主要起到在閘門低水位、小開度運行下快速撕裂拋射水舌，同時向后空腔輸氣的作用。但是該水工翻板閘門破水器只在較低水位下發揮作用，隨著水位抬升后，破水器在水流流過時會自動閉合，無法發揮撕裂水舌及輸氣等功能。為此，對破水器進行了改進，采用上游面寬200mm、高200cm 的三角形結構，后部設置2 個平行翼板結構，在閘門全關的情況下，破水器前后部頂高程分別為9.45m 和9.15m。改進后的破水器在閘門開度固定、上游水位7.5m 以及閘門全關、上游水位8.5m 時，均能快速撕裂所流經的水流，在閘門頂部按照均勻間距布置4 個破水器即能滿足破水及門后空腔輸氣等要求。

3.2 通氣孔優化設置

翻板閘門開度在0°~ 50°范圍內，閘門面板后方所拋射水舌會形成空腔，當上游水位較低時，門頂破水器會撕開拋射水簾，并隨即向空腔內補氣；而當水位較高時，拋射水體厚度變大，撕裂水簾及補氣難度隨之增大，隨著空腔內部空氣被下泄水流不斷帶走，空腔內負壓升高且水體抬升。為保證空腔的穩定性，必須在門葉下游面左右閘墩處增設直徑30cm 的向空腔內補氣的通氣孔，實現翻板閘門運行過程中輸氣、攜氣的動態平衡。

具體而言，當閘門開度在0°~ 10°范圍內，閘門面板后空腔完全可借助破水器撕開拋射水流而自行補氣實現動態平衡；當閘門開度在20°~30°范圍內，應通過1 道通氣孔補氣，補氣量控制在0.15~0.25m3/s；當閘門開度位于30°~50°時，應通過2 道通氣孔向閘門面板后空腔補氣，單孔補氣量應為0.20~0.60m3/s。

4 結 論

綜上所述，該水工翻板閘門脈動壓力呈平穩隨機變動，并隨閘門開度的增大而增大；根據空間有限元及動特性試驗結果，閘門基頻較低，水流對閘門自振頻率存在較大影響，若忽略水流附加質量后，閘門基頻會降低50%左右。該水工翻板閘門大開度運行時振動響應較大，整體剛度較弱；閘門頂破水器隨著水位升高而失靈，因無法順利撕開拋射水簾并向空腔內補氣而影響空腔穩定。破水器及通氣孔優化布置后閘門運行過程中基本實現輸氣、攜氣動態平衡，以上問題也得到較好解決，閘門基頻及整體剛度提升，閘門振動響應也得到一定程度控制。