北引渠首泄洪閘弧形工作門結(jié)構(gòu)震動分析研究

常宗濱，吳 紅

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱150080)

1 工程概況

北引渠首工程總體布置由土壩、泄洪閘、進水閘、預(yù)留船閘、溢流壩及固灘組成。泄洪閘位于嫩江主河槽樞紐軸線樁號2+473.5～2+697處，為平底板開敞式閘，共12孔，每孔凈寬16 m，總凈寬192 m，堰型采用寬頂堰，閘底板高程平河底高程為169.0 m。

泄洪閘弧形工作門閘門采用雙主橫梁斜支臂球型鉸結(jié)構(gòu)，弧門半徑R=10.5 m，正常擋水高度H=7.2 m，用液壓啟閉機啟閉，液壓泵房設(shè)在墩頂處。工作門前設(shè)一道檢修門。

2 有限元數(shù)學(xué)計算模型

本次分析對象為泄洪閘露頂式球型柱鉸斜支臂弧形閘門。工作狀態(tài)下孔口寬度為16.0 m，閘門高度為7.7 m，設(shè)計水頭為7.7 m。

弧形閘門的有限元模型圖如圖1所示。

所建有限元模型共包括1 463個面，15 889個節(jié)點，16 306個單元，其中包括16 174個shell單元，132個beam188單元。整個有限元模型自由度數(shù)目為95 334。根據(jù)計算測得模型重量為48.607t。

3 閘門結(jié)構(gòu)的動力特性分析

圖1 弧形閘門有限元模型圖

對該結(jié)構(gòu)進行不同邊界條件下的模態(tài)分析，可獲知在不同工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的振動頻率和振動形態(tài)。本次分析共進行以下3種工況下結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。

3.1 閘門結(jié)構(gòu)自由模態(tài)分析

該工況模型不施加任何約束條件，目的為計算結(jié)構(gòu)自由狀態(tài)下的固有頻率和固有振型。

前6階模態(tài)均為剛體模態(tài)，對應(yīng)頻率均為0，振型分別為沿3個坐標方向剛體平動和繞3個坐標軸的剛體轉(zhuǎn)動。

3.2 僅考慮閘門支鉸部位約束

對應(yīng)邊界條件為:釋放支鉸部位繞軸轉(zhuǎn)動自由度。具體邊界條件示意圖如圖2所示。

3.3 同時考慮閘門支鉸部位約束和閘門面板二側(cè)約束作用

對應(yīng)的邊界條件示意圖如圖3所示。

表1 前20階模態(tài)分析結(jié)果

圖2 釋放支鉸部位繞軸轉(zhuǎn)動自由度邊界條件示意圖

4 閘門結(jié)構(gòu)靜力特性分析

4.1 閘門處于關(guān)閉狀態(tài)、兩側(cè)無約束狀態(tài)

閘門底緣支撐在地面上，門葉二側(cè)按自由考慮。

在閘門上游面加靜水壓力荷載，設(shè)計水頭7.7 m，靠近閘門底緣處壓強為0.077 MPa。

荷載校核:

資料上提供數(shù)據(jù)為:水平總壓力PS=4 743 kN;垂直水壓力VS=2 859 kN?？偹畨毫镻=6 646 kN。

圖3 考慮支鉸部位和閘門面板二側(cè)約束狀態(tài)邊界條件示意圖

圖4 閘門面板上應(yīng)力分布云圖及具體數(shù)值圖

通過計算從有限元模型上獲取閘門支反力數(shù)值如下:

水平水壓力FX=－0.45359E+07N=－4 536 kN，與資料數(shù)據(jù)之間誤差為4.36%;垂直水壓力FY=－0.26632E+07N=－2 663 kN，與資料數(shù)據(jù)之間誤差為6.86%。其合力F=5259945N=5 260 kN，與5 538 kN數(shù)據(jù)之間誤差為5%。

該工況下，閘門最大變形值為11.092 mm，位于閘門面板中上部。

最大von Mises應(yīng)力值為156.283 MPa，位于閘門上主橫梁與左側(cè)支臂連接部位的加強板上。次高應(yīng)力值為153.899 MPa，位于閘門上主橫梁與右側(cè)支臂連接部位的加強板上，與左側(cè)對稱分布。

接下來，閘門次高應(yīng)力值為141.609 MPa，位于閘門面板與右側(cè)支臂縱梁腹板交接之處，上下位置位于閘門上主橫梁處。接下來，閘門次高應(yīng)力值為141.555 MPa，位于閘門面板與左側(cè)支臂縱梁腹板交接之處，上下位置位于閘門上主橫梁處，與右側(cè)為對稱分布。

圖4所示為面板上的應(yīng)力分布云圖及具體數(shù)值圖，其上最大von Mises應(yīng)力值為141.609 MPa。

4.2 閘門處于關(guān)閉、兩側(cè)考慮水封約束狀態(tài)

該工況為閘門底緣支撐在地面上，門葉二側(cè)按約束考慮。邊界條件如圖5所示。計算時，在4.1工況邊界條件下增加門葉二側(cè)平動自由度約束。

該工況下閘門最大變形值為10.354 mm，位于閘門面板中上部。

閘門最大von Mises應(yīng)力值為150.882 MPa，次高應(yīng)力值為149.175 MPa，對稱分布于閘門上主橫梁與左右側(cè)支臂連接部位的加強板上。

接下來，閘門次高應(yīng)力值為147.669 MPa和147.595 MPa，對稱分布于閘門面板與左右側(cè)支臂縱梁腹板交接之處，上下位置位于閘門上主橫梁處。

圖6所示為面板上的應(yīng)力分布云圖及具體數(shù)值圖，其上最大von Mises應(yīng)力值為147.669 MPa。

圖5 門葉二側(cè)按約束考慮邊界條件示意圖

圖6 閘門面板上應(yīng)力分布云圖及具體數(shù)值圖

5 結(jié)論與建議

1)通過對閘門進行兩種邊界條件下極限超高涌水工況靜態(tài)分析，閘門最大變形值為11.092 mm，位于閘門面板中上部，最大應(yīng)力值為156.283 MPa，位于閘門上主橫梁與左側(cè)支臂連接部位的加強板上。次高應(yīng)力值為153.899 MPa，位于閘門上主橫梁與右側(cè)支臂連接部位的加強板上。主梁等主要受力部位的應(yīng)力值一般在150 MPa以內(nèi)。因此閘門結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和變形值均小于其許用應(yīng)力和許用變形，滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度要求;在正常工作狀態(tài)下閘門結(jié)構(gòu)是安全的。

2)閘門結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果表明，邊界約束條件對閘門結(jié)構(gòu)動力特性有顯著影響。閘門自由狀態(tài)下，閘門結(jié)構(gòu)的前三階低頻振動模態(tài)頻率分別為2.1551 Hz，3.446 Hz及5.74 Hz，反映面板上部二角點的彎曲變形振動，支臂端點的橫向彎曲振動變形。反映面板彎曲鼓脹和二個支臂端點的橫向彎曲振動變形頻率為21.173 Hz;當同時考慮支鉸和面板二側(cè)水封約束時，閘門結(jié)構(gòu)的固有振動頻率明顯提高，前三階振動模態(tài)頻率上升為19.269 Hz、21.588 Hz及24.02 Hz?？紤]流固耦合振動基頻也在10 Hz左右。

3)根據(jù)工程經(jīng)驗，作用于閘門結(jié)構(gòu)的水流脈動壓力荷載的主能量一般分布在10 Hz之內(nèi)的低頻區(qū)，優(yōu)勢頻率在5 Hz范圍內(nèi)，因此閘門結(jié)構(gòu)在二側(cè)水封約束良好狀態(tài)下產(chǎn)生共振的可能性不大，目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足閘門的動力安全要求。

4)鑒于微小開度閘下出流不穩(wěn)定容易引發(fā)閘門振動和引起溢流面空化空蝕破壞，因此建議避開20 cm以下的微小開度操作，此外在其它開度運行時若閘門出現(xiàn)強烈振動，應(yīng)當避開在此開度下運行。并通過工程運行經(jīng)驗的積累，制定合理操作規(guī)程，以確保工程安全。

[1]朱壯瑞，常宗濱.北引渠首泄洪閘門結(jié)構(gòu)分析報告[R].南京:東南大學(xué)機械學(xué)院，2009.