三支臂弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)自振特性研究

謝智雄，梁明輝，胡霜天

(1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022;2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100038)

0 引言

某水電站設(shè)12孔沖沙泄洪閘，孔口尺寸均為14 m×25 m(寬×高，下同)，工作閘門(mén)均采用三支臂弧形工作閘門(mén)，每孔1扇，共設(shè)置12扇，閘門(mén)高25 m，弧門(mén)半徑為30 m，設(shè)計(jì)水頭25 m，采用上懸掛式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。對(duì)于這樣的大型閘門(mén)，需要對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行分析。閘門(mén)結(jié)構(gòu)相關(guān)計(jì)算的傳統(tǒng)方法多是將各部分作為平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，但不能反映結(jié)構(gòu)部件的空間效應(yīng)，實(shí)際上，三支臂弧形閘門(mén)為一空間板梁結(jié)構(gòu)。本文運(yùn)用ANSYS軟件，按平面計(jì)算體系和空間結(jié)構(gòu)體系分4種計(jì)算模式(桿件質(zhì)量體系、支臂體系、主框架體系及空間結(jié)構(gòu)體系)，對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的啟閉桿、面板以及支臂3大結(jié)構(gòu)部件的自振特性進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)不同模式下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，從而較為全面地把握了閘門(mén)結(jié)構(gòu)的自振特性。

1 計(jì)算模式

1.1 桿件質(zhì)量體系

對(duì)于三支臂弧形閘門(mén)，可將啟閉桿和支臂簡(jiǎn)化為桿件，將面板梁格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量集中點(diǎn)。該體系有3種簡(jiǎn)化模式:

(1)桿系1:啟閉桿和支臂簡(jiǎn)化為1個(gè)桿件，面板梁格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)放在支臂柱頭上，如圖1a所示。

(2)桿系2:支臂簡(jiǎn)化為3個(gè)桿件，面板梁格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)放在中間支臂柱頭上，如圖1b所示。

(3)桿系3:支臂簡(jiǎn)化為3個(gè)桿件，面板梁格結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為3個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，分別放在3個(gè)支臂柱頭上，如圖1c所示。

3種計(jì)算體系均在啟閉桿上端與支鉸處受到鉸約束。

1.2 支臂體系

將支臂結(jié)構(gòu)取出單獨(dú)分析，按單個(gè)支臂(取1根支臂)和支臂架(取3個(gè)支臂)2種計(jì)算體系，分別按一端固定一端鉸接和兩端鉸接2種邊界約束條件進(jìn)行計(jì)算，該體系又可分為4種計(jì)算模式:

(1)單個(gè)支臂1，兩端鉸接，如圖2a所示。

(2)單個(gè)支臂2，一端鉸接，一端固定，如圖2b所示。

(3)支臂架體系1，支臂架兩端鉸接，如圖2c所示。

圖1 桿件質(zhì)量體系

(4)支臂架體系2，支臂架一端鉸接，一端固定，如圖2d所示。

圖2 支臂體系

1.3 主框架體系

主框架體系可分為平面框架體系和空間框架體系2種:

(1)平面框架體系:由2根支臂和1根主橫梁構(gòu)成一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，如圖3a所示。

(2)空間框架體系:由閘門(mén)面板、支臂、主梁構(gòu)成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，如圖3b所示。

主框架體系的邊界約束條件均為支鉸處受到鉸約束。

1.4 空間整體結(jié)構(gòu)體系

空間整體結(jié)構(gòu)體系采用四節(jié)點(diǎn)板單元模擬閘門(mén)面板梁格及支臂結(jié)構(gòu)，采用空間梁?jiǎn)卧M支臂連接系，閘門(mén)結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4所示。計(jì)算時(shí)分2種情況:空間結(jié)構(gòu)1和空間結(jié)構(gòu)2?？臻g結(jié)構(gòu)1不考慮附加水體作用，空間結(jié)構(gòu)2考慮附加水體作用。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 啟閉桿及面板梁格沿切向的自振特性

不同計(jì)算模式下啟閉桿及面板梁格沿切向的一階自振頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，從表1可以看出:

(1)啟閉桿單獨(dú)發(fā)生的橫向彎曲振動(dòng)，其頻率在各種計(jì)算模式下相同，由此可見(jiàn)，啟閉桿的自振頻率不受計(jì)算模式和附加水體的影響。

(2)面板梁格沿切向振動(dòng)的自振頻率，3種桿系模式計(jì)算結(jié)果與空間結(jié)構(gòu)1的結(jié)果分別相差17.7%，21.6%和13.6%。桿系3的計(jì)算結(jié)果比桿系1、桿系2的計(jì)算結(jié)果更接近空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，但仍然存在一定差異。因此，可采用桿系3作為近似計(jì)算模型，若需精確結(jié)果還需要建立空間結(jié)構(gòu)模型。

圖3 主框架體系

圖4 空間整體結(jié)構(gòu)體系

表1 啟閉桿及面板梁格沿切向的一階自振頻率 Hz

(3)面板梁格沿切向振動(dòng)的自振頻率，空間結(jié)構(gòu)1和空間結(jié)構(gòu)2的計(jì)算結(jié)果基本相同，這是由于附加水體質(zhì)量?jī)H沿閘門(mén)徑向分布，水、固接觸面只發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。

2.2 支臂的自振特性

對(duì)于支臂振動(dòng)，主要考慮其側(cè)向振動(dòng)和切向振動(dòng)，而不考慮其徑向振動(dòng)。從單個(gè)支臂來(lái)看，側(cè)向振動(dòng)均以主框架平面內(nèi)的振動(dòng)為主，振型為一個(gè)或者幾個(gè)正諧波，典型的振型圖如圖5所示;切向振動(dòng)從單個(gè)支臂來(lái)看均以支臂架平面內(nèi)的振動(dòng)為主，振型為一個(gè)或者幾個(gè)正諧波，典型的振型圖如圖6所示。各種計(jì)算模式下，支臂一階振動(dòng)頻率見(jiàn)表2。

圖6 支臂的切向振動(dòng)

表2 支臂一階自振頻率Hz

2.2.1 支臂的側(cè)向振動(dòng)

表2中平面框架體系的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)2種情況。

空間框架體系包括上、中、下3個(gè)平面框架體系，表2列出的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)以下振型:

(1)上、中、下主框架對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，振動(dòng)方向相同。

(2)上、中、下主框架反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，振動(dòng)方向相同。

(3)上、下主框架對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，振動(dòng)方向相反。

(4)上、下主框架反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，振動(dòng)方向相反。

(5)上、下主框架對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，方向相同;同時(shí)，中間主框架對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，方向與上、下主框架相反。

(6)上、下主框架反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，方向相同;同時(shí)，中間主框架反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，方向與上、下主框架相反。

空間結(jié)構(gòu)的情況類(lèi)同，由于出現(xiàn)板件局部振動(dòng)后需進(jìn)行計(jì)算的階次過(guò)多，所以表2只列了較小的2個(gè)數(shù)值，對(duì)應(yīng)于圖5a、圖5b 2種振動(dòng)情況。

2.2.2 支臂的切向振動(dòng)

表2中支臂架1和支臂架2的結(jié)果對(duì)應(yīng)于反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)的情況。空間主框架結(jié)構(gòu)包括左、右2個(gè)支臂架，因此產(chǎn)生了2種情況，表2中所列的空間主框架2個(gè)數(shù)值分別對(duì)應(yīng)如下2種振動(dòng)情況:

(1)左、右支臂架反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，振動(dòng)方向相同。

(2)左、右支臂架反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)，振動(dòng)方向相反。

空間體系情況類(lèi)同，由于考慮空間結(jié)構(gòu)2附加水體左右需要計(jì)算的階數(shù)過(guò)多，所以，表2中只列出了2個(gè)較小的數(shù)值，對(duì)應(yīng)于圖6a、圖6b 2種振動(dòng)情況。從表2的計(jì)算結(jié)果來(lái)看:

(1)按支臂計(jì)算時(shí)，其自振頻率與其他計(jì)算模式相差較大，其原因在于沒(méi)有考慮支臂間連接系的作用。

(2)按平面主框架體系計(jì)算時(shí)，一階側(cè)向自振頻率與空間主框體系相差14.3%，與空間體系1相差6.3%?？梢?jiàn)，計(jì)算支臂側(cè)向振動(dòng)時(shí)，可采用平面主框架體系作為近似計(jì)算模型。

(3)按支臂架體系計(jì)算時(shí)，支臂架1與支臂架2的一階切向自振頻率計(jì)算結(jié)果與空間主框體系分別相差6.2%和3.3%，與空間體系1分別相差8.8%和12.2%。

(4)按空間主框架體系計(jì)算時(shí)，與空間體系1相比，一階側(cè)向自振頻率相差6.9%，一階切向自振頻率相差6.2%?？梢?jiàn)，計(jì)算支臂切向振動(dòng)時(shí)，可采用空間主框架體系作為近似計(jì)算模型。

(5)空間結(jié)構(gòu)1與空間結(jié)構(gòu)2相比，一階側(cè)向自振頻率相差2.6%，一階切向自振頻率相差3.9%。

2.3 面板梁格沿徑向的自振特性

閘門(mén)結(jié)構(gòu)上部懸臂尺寸較大，因此，上部主橫梁以上的懸臂端面板梁格首先振動(dòng)，然后是中下部面板的整體振動(dòng)，主要振型為對(duì)稱(chēng)振動(dòng)和反對(duì)稱(chēng)振動(dòng)。在空間結(jié)構(gòu)體系下以及去掉支臂將面板梁格單獨(dú)取出按不考慮附加水體作用時(shí)的面板梁格自振頻率計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出:

(1)面板梁格單獨(dú)取出計(jì)算與空間結(jié)構(gòu)1的計(jì)算結(jié)果比較，上、中、下3部分面板自振頻率分別相差5.10%，0%和0.52%，結(jié)果基本一致，因此，可將面板梁格單獨(dú)取出計(jì)算其沿徑向的自振頻率。

(2)考慮附加水體作用后，面板徑向振動(dòng)頻率降低了37.2%～41.7%，這是由于附加水體質(zhì)量只沿徑向分布，只影響到面板梁格徑向的振動(dòng)，造成面板梁格徑向振動(dòng)頻率大幅度降低;此外，在面板梁格各階振動(dòng)模態(tài)之間，還分布有較密集的面板區(qū)格局部振動(dòng)頻率帶。

表3 面板梁格一階徑向振動(dòng)頻率 Hz

3 結(jié)論

本文將閘門(mén)結(jié)構(gòu)分為啟閉桿件、支臂和面板梁格3大部件，采取4種計(jì)算模式來(lái)計(jì)算閘門(mén)結(jié)構(gòu)的自振頻率并分析其振型，較為全面地把握了整個(gè)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的自振特性。通過(guò)對(duì)不同模式下計(jì)算結(jié)果的比較，可得出如下結(jié)論:

(1)啟閉桿橫向彎曲振動(dòng)自振頻率在各種計(jì)算模式下相同，可見(jiàn)，啟閉桿的自振頻率不受計(jì)算模式和附加水體的影響。

(2)面板梁格沿切向振動(dòng)的自振頻率，可采用桿系3作為近似計(jì)算模型。

(3)面板梁格沿徑向振動(dòng)的自振頻率可將面板梁格單獨(dú)作為近似計(jì)算模型來(lái)計(jì)算。

(4)由于支臂間連接系的作用，采用單個(gè)支臂體系計(jì)算模式計(jì)算的支臂側(cè)向和切向振動(dòng)結(jié)果與空間結(jié)構(gòu)相比誤差較大，不適合用作簡(jiǎn)化模型。

(5)計(jì)算支臂切向振動(dòng)時(shí)，可采用空間主框架體系作為近似計(jì)算模型。

(6)計(jì)算支臂側(cè)向振動(dòng)時(shí)，可采用平面主框架體系作為近似計(jì)算模型。

以上計(jì)算若需精確結(jié)果還需要建立空間結(jié)構(gòu)模型。

［1］謝智雄，周建方.大型弧形閘門(mén)靜力特性有限元分析［J］.水利電力機(jī)械，2006，28(4):21－24.

［2］謝智雄，周建方.大型弧形閘門(mén)自振特性的計(jì)算［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào)，2006(3):25－28.

［3］水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè):金屬結(jié)構(gòu)(一)［M］.北京:水利電力出版社，1988.

［4］DL/T 5013—1995，水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.