水工金屬結(jié)構(gòu)鋼閘門振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)研究

上官林建，許 闖，孔垂雨

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 鄭州 450044)

云南瀾滄江糯扎渡水電站位于云南省思茅市，是瀾滄江中下游梯級(jí)規(guī)劃二庫(kù)八級(jí)電站的第五級(jí)，糯扎渡水電站多年平均流量1730m3/s，水庫(kù)總庫(kù)容237.03×108m3，電站裝機(jī)總?cè)萘渴?850MW，多年平均發(fā)電量是239.12×108kW·h。電站金屬結(jié)構(gòu)根據(jù)水工樞紐建筑物的總體布置，有引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)、泄洪系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)三部分。金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備工程量約為30609.925t。其中，泄洪消能建筑物由左岸開(kāi)敞式溢洪道、左岸泄洪隧洞、右岸泄洪隧洞組成。電站于2012年9月首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2014年6月最后1臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電工程完建。

為保證水電站的安全運(yùn)行，在庫(kù)水位805.93m下，利用振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試閘門運(yùn)行過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移等流激振動(dòng)響應(yīng)參數(shù)，分析和研究閘門的抗振能力。

1 觀測(cè)設(shè)備及觀測(cè)點(diǎn)布置

本次觀測(cè)試驗(yàn)工況為：在庫(kù)水位805.93m下對(duì)閘門進(jìn)行啟閉操作，閘門啟閉過(guò)程經(jīng)歷全關(guān)—20%開(kāi)度—40%開(kāi)度—60%開(kāi)度—80%開(kāi)度—全開(kāi)—全關(guān)工況，每個(gè)工況停留5min。檢測(cè)儀器采用3560C PLUS振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，3560C PULSE系統(tǒng)具有FFT(傅立葉分析)、CPB(1/n倍頻程分析)、總級(jí)值分析儀等功能[1]，采集前端的數(shù)據(jù)通過(guò)LAN傳輸至PC，通信距離可達(dá)150米，可測(cè)量高達(dá)40次的諧波信號(hào)。B&K加速度傳感器性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 B&k加速度傳感器參數(shù)表

根據(jù)泄洪洞弧形工作閘門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行工況，試驗(yàn)布置采用5個(gè)無(wú)線采集終端，每組8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。其中上支臂和上橫梁的測(cè)點(diǎn)如圖2所示，下支臂和下橫梁的測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

圖1 閘門主縱梁振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)布置圖

圖2 閘門上支臂和上橫梁振動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 閘門下支臂和下橫梁振動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置圖

2 分析方法

針對(duì)糯扎渡水電站閘門的結(jié)構(gòu)大、模態(tài)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)中含噪聲成份復(fù)雜等特點(diǎn)，糯扎渡水電站閘門振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)采用改進(jìn)隨機(jī)子空間方法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)參數(shù)的辨識(shí)。分析過(guò)程包括三個(gè)步驟：首先，通過(guò)Gabor展開(kāi)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；其次，采用改進(jìn)時(shí)域隨機(jī)子空間辨識(shí)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的辨識(shí)；最后，通過(guò)穩(wěn)定圖剔除辨識(shí)結(jié)果中的虛假信息[2]。

(1)基于Gabor展開(kāi)的多分量時(shí)域?yàn)V波信號(hào)預(yù)處理

在對(duì)信號(hào)進(jìn)行零均值處理后，采用時(shí)頻Gabor展開(kāi)法，分離多分量信號(hào)中的各種頻率成分，并對(duì)分離的信號(hào)分量進(jìn)行時(shí)域重構(gòu)，完成多分量信號(hào)的時(shí)頻濾波。Gabor展開(kāi)是通過(guò)信號(hào)的時(shí)間平移和頻率調(diào)制進(jìn)行時(shí)頻域分析，在一個(gè)時(shí)頻譜中，可以得到與固有頻率相對(duì)應(yīng)的信號(hào)頻率信息。對(duì)該特征頻率附近的區(qū)域?yàn)V波，完成信號(hào)的預(yù)處理。

(2)基于改進(jìn)隨機(jī)子空間辨識(shí)方法的模態(tài)參數(shù)辨識(shí)

子空間算法不需預(yù)先對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化，僅利用QRD或SVD等線性代數(shù)運(yùn)算進(jìn)行模態(tài)辨識(shí)。一個(gè)n自由度的線性系統(tǒng)表示成連續(xù)時(shí)間狀態(tài)空間模型如下：

(1)

辨識(shí)系統(tǒng)矩陣A和輸出矩陣C，即完成對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)。

第一步：對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，用響應(yīng)信號(hào)的自相關(guān)矩陣構(gòu)建Hankel矩陣，系統(tǒng)矩陣A和輸出矩陣C都可以從Hankel陣H中獲得；

第二步：對(duì)Hankel陣H進(jìn)行SVD分解(即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次維納濾波，剔除與輸入輸出特性無(wú)關(guān)的隨機(jī)噪聲)[3]，取出分解后矩陣的一個(gè)子矩陣，定義為系統(tǒng)矩陣A的估計(jì)矩陣，其特征值即系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。

(3)作穩(wěn)定圖剔除虛假模態(tài)

穩(wěn)定圖可以反映出強(qiáng)噪聲干擾下弱小特征或密集特征[4]。通過(guò)改變系統(tǒng)階次繪制穩(wěn)定圖(橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是系數(shù)α，即子矩陣行數(shù))，取出其中穩(wěn)定的物理模態(tài)，最終得到系統(tǒng)的真實(shí)的固有頻率和相應(yīng)的阻尼比。

采用幅值譜(或功率譜)圖，基于兩種頻域分析方法所獲得的信息的融合，最終確定閘門的結(jié)構(gòu)模態(tài)，包括振動(dòng)固有頻率及相應(yīng)的模態(tài)阻尼[5]。

3 閘門振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果分析

泄洪洞弧形工作閘門振動(dòng)響應(yīng)傳感器布置完畢并調(diào)至初始狀態(tài)，隨后進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，得到如下測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 泄洪洞弧形閘門不同開(kāi)度時(shí)的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

圖4 弧形工作閘門振動(dòng)全過(guò)程趨勢(shì)圖

圖5 上橫梁各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)特征值比較分析

圖6 下支臂各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)特征值比較分析

圖7 閘門左下支臂- 閘墩- 垂直流向測(cè)點(diǎn)處的第2開(kāi)度頻譜分析

綜合各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)程曲線，對(duì)閘門在泄水過(guò)程中振動(dòng)趨勢(shì)的特點(diǎn)分析如下：

(1)泄洪洞弧形工作閘門的上橫梁各點(diǎn)在泄水過(guò)程的振動(dòng)規(guī)律較為明顯，全過(guò)程分為如圖4所示的七個(gè)開(kāi)度；第一階段為閘門開(kāi)啟前的穩(wěn)定階段；第二階段為閘門20%開(kāi)度狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)約5min；第三、四階段分別為40%、60%開(kāi)度，均持續(xù)3min；第五階段為80%開(kāi)度，狀態(tài)持續(xù)4min；第六階段為最大開(kāi)度，持續(xù)50min。之后閘門開(kāi)始關(guān)閉，第七階段為事故檢修門開(kāi)始下落，此時(shí)閘門開(kāi)度為4.5m。

(2)以圖4中所劃分的七個(gè)階段的振動(dòng)幅值的有效值(RMS)來(lái)比較分析泄洪洞弧形工作閘門上橫梁的振動(dòng)情況。上橫梁各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)特征值比較如圖5所示，從圖5中可知，上橫梁各測(cè)點(diǎn)位置的振動(dòng)趨勢(shì)大體相同，隨著閘門提升高度的增加，各點(diǎn)振動(dòng)情況逐漸減小，在2.7m時(shí)振動(dòng)最為劇烈。在各開(kāi)度下支臂節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)明顯比其它地方的振動(dòng)都要大。

(3)下支臂各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)特征值比較分析如圖6所示。下支臂上的各測(cè)點(diǎn)在閘門啟閉過(guò)程中的振動(dòng)趨勢(shì)相似，在閘門提升到2.7m開(kāi)度，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)幅度達(dá)到最大，這是由于2.7m開(kāi)度下激流會(huì)對(duì)閘門進(jìn)行沖擊行成水流脈動(dòng)高能區(qū)。在閘門之后提升過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)逐漸脫離水流使得振動(dòng)逐漸減小。在各開(kāi)度下，支臂橫梁的振動(dòng)比腹板和翼板強(qiáng)烈。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)從以上頻譜分析可以看出，隨著開(kāi)度的增大，水流脈動(dòng)的壓力幅值也逐漸增大，脈動(dòng)主能量集中在17Hz以內(nèi)。由于該弧形工作閘門的各階計(jì)算和測(cè)試自振頻率均大于35Hz，因此該弧形閘門具有很好的安全可靠性。

(2)在試驗(yàn)過(guò)程中閘門沒(méi)有產(chǎn)生劇烈振動(dòng)的現(xiàn)象，這是由于水流形成的動(dòng)水載荷高能區(qū)沒(méi)有長(zhǎng)期位于閘門的低頻區(qū)。閘門在操作時(shí)應(yīng)當(dāng)注意防止水流在閘前產(chǎn)生漩渦運(yùn)動(dòng)，破壞穩(wěn)定流態(tài)而引起閘門振動(dòng)。(3)通過(guò)對(duì)弧形閘門上主梁和下支臂在不同開(kāi)度下的分析看出，弧形閘門隨著開(kāi)度增大，其振動(dòng)特征值也不斷減小，因此水工鋼閘門在運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免在小開(kāi)度下運(yùn)行，防止水工鋼閘門發(fā)生激流共振，影響鋼閘門的安全可靠性。

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