懷洪新河西壩口閘閘門有限元分析

常銀兵

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司,安徽 合肥 230088)

1 概述

懷洪新河西壩口節(jié)制閘位于懷洪新河新澮河段安徽省五河縣城西北1.0km處，用于控制懷洪新河香澗湖的蓄水位，改善灌溉及航運(yùn)條件，同時(shí)控制懷洪新河新澮河分洪水位和流量，是懷洪新河上的一座大型跨河建筑物。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)5年一遇除澇流量1450m3/s，淮河干流百年一遇洪水及遇內(nèi)水40年一遇洪水，分洪流量2550m3/s，設(shè)計(jì)閘上蓄水位14.67m。水閘等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)。工程區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。西壩口閘為16孔10m寬開敞式水閘，平面鋼閘門尺寸為10m×5.8m(寬×高)，閘門采用雙主梁結(jié)構(gòu)。水閘運(yùn)行21年，運(yùn)管單位在日常運(yùn)行管理工作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上下游水位差達(dá)到2m左右時(shí)，部分閘門在啟閉過程中(小開度運(yùn)行)會(huì)出現(xiàn)較為明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，并引發(fā)橋面震動(dòng)?！稇押樾潞游鲏慰陂l現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)報(bào)告》(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司工程質(zhì)量檢測(cè)所，2020.6)對(duì)閘門的振動(dòng)分析成果如下：西壩口節(jié)制閘工作閘門在0.2～0.7m開度下，振動(dòng)響應(yīng)最大時(shí)的頻率和水流脈動(dòng)壓力頻率最大的頻率都接近閘門一階固有頻率，已發(fā)生強(qiáng)烈受迫振動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著工程的安全運(yùn)行。建議對(duì)閘門進(jìn)行合理調(diào)度運(yùn)行，盡快對(duì)閘門進(jìn)行改造加固或更換。文章結(jié)合西壩口閘安全鑒定對(duì)閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

2 計(jì)算方法

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，即結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型等，無阻尼結(jié)構(gòu)體系的自振運(yùn)動(dòng)方程為：

[M]{ü}+[K]{u}=0

(1)

諧響應(yīng)分析能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性，從而克服結(jié)構(gòu)的共振、疲勞以及其他受迫振動(dòng)引起的不良影響。以單自由度體系為例，體系的運(yùn)動(dòng)方程為：

mü+cü+ku=F0cosΩt

(2)

閘門振動(dòng)是一種復(fù)雜的運(yùn)行問題，涉及閘門結(jié)構(gòu)自重、水體及其相互作用，屬流體誘發(fā)振動(dòng)。因?yàn)榱黧w與閘門結(jié)構(gòu)是相互作用的，閘門振動(dòng)分析考慮水的作用時(shí)，可采用附加質(zhì)量法，根據(jù)閘門面板水壓力分布大小確定附加質(zhì)量大小進(jìn)行等效計(jì)算?？紤]水對(duì)閘門的約束為垂直面板方向，附加質(zhì)量只給定垂直面板向的加速度。

濕模態(tài)以附加質(zhì)量的形式考慮流體的影響，進(jìn)行閘門在水中的自振頻率計(jì)算時(shí)，考慮到閘門屬于小阻尼系統(tǒng)，阻尼影響可忽略不計(jì)，令外力項(xiàng)為零。閘門材料彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。結(jié)合閘門的實(shí)際運(yùn)行情況，分別按不考慮閘門結(jié)構(gòu)與水體的耦合效應(yīng)(干模態(tài))和考慮閘門結(jié)構(gòu)與水體的耦合效應(yīng)(濕模態(tài))兩種情況，對(duì)閘門結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行了計(jì)算。

振動(dòng)常與不利的水流條件相關(guān)，此閘門經(jīng)檢測(cè)，止水良好，底緣形式亦比較常規(guī)，故考慮震動(dòng)為閘后流態(tài)引起。

3 計(jì)算過程

根據(jù)平面鋼閘門受力特點(diǎn)及計(jì)算精度要求，本閘門有限元選擇三維實(shí)體有限元模型，采用solid45單元建立水閘整體模型。使用掃掠網(wǎng)格對(duì)形體簡(jiǎn)單的構(gòu)件進(jìn)行劃分，采用自動(dòng)網(wǎng)格對(duì)形體復(fù)雜的構(gòu)件進(jìn)行劃分，共劃分單元139318個(gè)，節(jié)點(diǎn)271572個(gè)。

3.1 閘門模態(tài)分析

經(jīng)計(jì)算，閘門固有的一階振動(dòng)頻率為18.76Hz，二階振動(dòng)頻率為20.81Hz，三階振動(dòng)頻率為56.53Hz?？紤]水對(duì)閘門固有頻率影響，采用附加質(zhì)量法進(jìn)行耦合作用下的閘門模態(tài)分析(濕態(tài))，閘門前三階頻率為5.25、9.98、15.23Hz。

考慮閘門與水體的耦合效應(yīng)后模態(tài)頻率明顯減小，上游水位愈高，閘門自振頻率愈小。

不考慮閘門與水體耦合時(shí)，閘門第一階振型主要時(shí)順?biāo)鞣较虻恼駝?dòng)且振動(dòng)幅值最大的位置位于閘門頂部。分析是由于閘門頂部的總體順?biāo)飨騽偠容^底部偏小，故整體模態(tài)分析振幅最大位置位于頂部。如圖1所示。

圖1

考慮水流的附加質(zhì)量作用時(shí)，閘門第一階振型主要是順?biāo)鞣较虻恼駝?dòng)且振動(dòng)幅值最大的位置位于閘門底部。分析是由于考慮閘門與水體耦合后，附加的質(zhì)量作用在順?biāo)?，且作用質(zhì)量分布按水壓力分布，作用在閘門底部的附加質(zhì)量相對(duì)較大，故閘門底部更易產(chǎn)生較大振幅。

根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)-金屬結(jié)構(gòu)一》(水利電力出版社1988年版)中對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外15個(gè)模型實(shí)驗(yàn)資料和14個(gè)原型觀測(cè)資料的水流脈動(dòng)主頻數(shù)值統(tǒng)計(jì)，93%的閘門在啟閉過程中水流脈動(dòng)主頻率范圍在1～20Hz之間，因此本次有限元諧相應(yīng)分析選取閘門在水流脈動(dòng)壓力作用下脈動(dòng)激振的頻率范圍為1Hz～60Hz，根據(jù)《安徽省懷洪新河西壩口節(jié)制閘閘門振動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告》(水利部水工金屬機(jī)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心2019年10月)本次閘門下游底緣脈動(dòng)壓力值取0.007MPa，計(jì)算成果如圖2所示。

圖2 諧相應(yīng)分析結(jié)果

3.2 閘門結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

設(shè)計(jì)工況下(閘上15.17m，閘下12.37m)，閘門主梁跨中最大正應(yīng)力為122.78MPa，跨中最大撓度為11.06mm。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3

3.3 閘門結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

閘門設(shè)計(jì)的最大水位差為上游15.17m，下游水位12.37m，高差2.8m。實(shí)測(cè)最大水位差情況下主梁強(qiáng)度計(jì)算如下：

(1)跨中截面

由圖4可知：

圖4 主梁跨中截面和支承端截面(單位:mm)

跨中截面邊緣距離距主軸距離y1、y2 單位:mm

(2)慣性矩：

(3)

(3)中和軸處

(4)

(4)跨中正應(yīng)力

(5)

(5)主梁最大撓度

α=(Im-I0)/I0=2.36

(6)

(7)

4 計(jì)算結(jié)果分析

水閘門后水流對(duì)閘門作用的壓力變化頻率在1～20Hz之間，閘門小開度泄水條件下，閘后紊動(dòng)水流對(duì)門體產(chǎn)生脈動(dòng)壓力，故考慮是由于水流對(duì)閘門作用壓力的頻率在變化過程中與閘門的固有頻率相同時(shí)，對(duì)閘門產(chǎn)生較大的振動(dòng)，隨著閘門不斷增加開啟高度，水流的脈動(dòng)壓力值逐漸減弱且頻率也隨之變化，閘門在考慮水的耦合作用下的固有頻率相應(yīng)降低，閘門的振動(dòng)現(xiàn)象也隨之減弱。

振動(dòng)響應(yīng)分析成果表明，水流激振作用產(chǎn)生的門體振動(dòng)響應(yīng)為門體的較低階頻率值(6～8Hz)，振動(dòng)響應(yīng)幅值2.7mm，而實(shí)際閘門運(yùn)行過程中水流的激振頻率和壓力都是在不斷變化的，水流的激振頻率與閘門的自振頻率出現(xiàn)相同的幾率很小且作用時(shí)間較短，故綜合分析水流對(duì)門體產(chǎn)生共振的影響較小。從檢測(cè)結(jié)果分析，雖然閘門振動(dòng)明顯，但是閘門結(jié)構(gòu)本身沒有產(chǎn)生失穩(wěn)、破壞，水閘整體結(jié)構(gòu)亦沒有產(chǎn)生振動(dòng)破壞。閘門正常情況下，低水頭水流隨機(jī)脈動(dòng)力激勵(lì)產(chǎn)生的閘門振動(dòng)不會(huì)對(duì)閘門造成嚴(yán)重危害。

采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法跨中正應(yīng)力為147.18MPa，最大撓度為15.9mm。本次復(fù)核計(jì)算采用ANSYS有限元技術(shù)建立水閘整體模型分析，根據(jù)有限元分析計(jì)算閘門主梁跨中最大應(yīng)力為122.78MPa，撓度為11.06mm小于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果分析。是由于在ANSYS整體結(jié)構(gòu)分析中綜合考慮了面板、縱橫向次梁與主梁的聯(lián)合作用與閘門的實(shí)際受力相符，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法是通過近似簡(jiǎn)化將閘門面板承受的作用力傳遞到主梁上，對(duì)主梁按簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。故有限元計(jì)算結(jié)果小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算結(jié)果，計(jì)算較為合理。

5 總結(jié)

結(jié)合《懷洪新河西壩口閘現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)報(bào)告》的成果，以及本次有限元分析計(jì)算，西壩口節(jié)制閘工作閘門在小開度下，水流產(chǎn)生脈動(dòng)壓力頻率值和閘門固有頻率值相同時(shí)，閘門震動(dòng)過程中受迫疊加導(dǎo)致出現(xiàn)較大震幅；而閘門實(shí)際運(yùn)行中亦發(fā)生強(qiáng)烈受迫振動(dòng)現(xiàn)象，水閘交通橋上有明顯震感，建議盡早對(duì)閘門進(jìn)行加固處理。