原型觀測試驗(yàn)在泄洪閘門振動(dòng)特性分析中的應(yīng)用

蒲楠楠，柯亞唯

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 浙江 杭州 311122；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司， 浙江 杭州 310030)

泄洪閘門振動(dòng)涉及水流與閘門整體組成的流固耦合振動(dòng)，是復(fù)雜的水力學(xué)問題，泄洪閘服役期間受環(huán)境激勵(lì)，水流作用等因素影響，振動(dòng)特性變化復(fù)雜[1-4]。目前，閘門動(dòng)力特性研究方法有原型觀測試驗(yàn)、數(shù)值仿真計(jì)算及物理模型試驗(yàn)等[5]，但數(shù)值仿真計(jì)算及物理模型試驗(yàn)均難以還原閘門實(shí)際運(yùn)行中的真實(shí)振動(dòng)情況。因此，為更全面掌握閘門實(shí)際運(yùn)行中的動(dòng)力特性，需要借助原型觀測試驗(yàn)手段。

原型觀測試驗(yàn)主要包括結(jié)構(gòu)靜力測試、動(dòng)力特性測試、振動(dòng)響應(yīng)測試等項(xiàng)目。結(jié)構(gòu)靜力測試的目的是測得閘門主要受力部件應(yīng)力情況，為閘門靜態(tài)應(yīng)力下結(jié)構(gòu)剛度做出評(píng)價(jià)；動(dòng)力特性測試應(yīng)用模態(tài)分析技術(shù)，得到閘門結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等固有參數(shù)，從而獲得閘門機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力特性；振動(dòng)響應(yīng)測試測得閘門不同開度下閘門振動(dòng)位移、振動(dòng)頻率、動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)閘門啟閉過程中安全運(yùn)行進(jìn)行評(píng)價(jià)[6-10]。

本文將利用原型觀測試驗(yàn)方法，對(duì)泄洪閘弧形閘門動(dòng)力特性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，提出泄洪閘運(yùn)行建議，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

某工程水庫以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益。水庫大壩為混凝土重力壩，大壩溢流表孔布置于大壩中部，安裝5扇泄洪弧形閘門，閘門孔口尺寸為15.0 m×20.5 m(寬×高)，設(shè)計(jì)水頭為20.30 m。泄洪閘門結(jié)構(gòu)型式為三主橫梁斜支臂弧形閘門，主框架為斜支臂π形框架。閘門門葉、主梁、次梁及支臂主材為Q345C，埋件主材為Q345B。

2 原型觀測試驗(yàn)方法

2.1 閘門結(jié)構(gòu)靜力原型觀測試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試采用傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變測量方法，即通過粘貼在閘門受力構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片獲取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測[7]。

本次試驗(yàn)采用在檢修閘門和泄洪閘門間充放水的方式模擬閘門從零水壓到設(shè)計(jì)水位工況下?lián)跛^程，泄洪閘應(yīng)力變化情況。本次試驗(yàn)實(shí)際作用水頭為19.21 m，接近設(shè)計(jì)水頭。

結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)測點(diǎn)布置在閘門結(jié)構(gòu)典型的受力部位—支臂、面板、主梁、縱梁、邊梁、腹板等部位，應(yīng)力測點(diǎn)共39個(gè)。同時(shí)，應(yīng)變測點(diǎn)布置在閘門主梁上，分別布置于上、中、下主梁3處。測點(diǎn)分布見圖1、圖2。

圖1 支臂應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)分布圖

圖2 閘門應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)分布圖

2.2 閘門動(dòng)力特性原型觀測試驗(yàn)

閘門動(dòng)力特性測試主要包括閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型及其阻尼系數(shù)等基本參數(shù)測試[10-13]。由于本工程泄洪閘門體型龐大，常規(guī)的錘擊法無法產(chǎn)生明顯試驗(yàn)效果，本次試驗(yàn)采用外部工作環(huán)境激勵(lì)法，通過關(guān)閉泄洪閘門，利用相鄰閘孔泄流、閘前的波浪沖擊作為荷載激勵(lì)，獲得泄洪閘固有特性。

閘門模態(tài)測試的測點(diǎn)布置充分遵循結(jié)構(gòu)對(duì)稱性原則，垂直水流水平方向模態(tài)測點(diǎn)共7個(gè)，測點(diǎn)布置支臂部位；水流方向模態(tài)測點(diǎn)共21個(gè)，測點(diǎn)按對(duì)稱布置在門葉其中一側(cè)。測點(diǎn)分布見圖3。

圖3 弧形閘門試驗(yàn)?zāi)B(tài)測點(diǎn)布置

2.3 閘門振動(dòng)響應(yīng)原型觀測試驗(yàn)

閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)測試，測得閘門不同開度下振動(dòng)情況，獲得閘門振動(dòng)位移、振動(dòng)應(yīng)力及振動(dòng)加速度與閘門開度變化情況。本次閘門試驗(yàn)水頭為20.13 m，閘門開度設(shè)定為每1.0 m一個(gè)開度，在振動(dòng)能量較大區(qū)域，按0.5 m加密試驗(yàn)開度。

閘門振動(dòng)響應(yīng)測點(diǎn)主要布置在支臂及主梁上，振動(dòng)應(yīng)力測點(diǎn)同結(jié)構(gòu)靜力測點(diǎn)；振動(dòng)響應(yīng)測點(diǎn)同動(dòng)力特性測點(diǎn)。

3 原型觀測試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 閘門結(jié)構(gòu)靜力特性分析

如表1所示，在設(shè)計(jì)水頭19.21 m工況下，泄洪閘由不擋水到擋水狀態(tài)，測得支臂最大壓應(yīng)力106.3 MPa。中主梁翼板跨中部位拉應(yīng)力84.3 MPa，面板中部拉應(yīng)力114.3 MPa，各實(shí)測值及換算值均小于材料允許值(225 MPa)[14]。

表1 泄洪閘靜態(tài)應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

如表2所示，支臂最大變形位移1.90 mm，平均變形位移1.86 mm；主梁跨中位移最大位移9.10 mm，平均變形位移8.80 mm，最大變形出現(xiàn)在下主梁跨中位置。按照線彈性變形，設(shè)計(jì)水頭(20.30 m)下支臂最大變形位移2.01 mm，主梁跨中最大撓度值9.64 mm，小于最大撓度允許值(22 mm)[14]。

表2 泄洪閘靜力變形測試數(shù)據(jù)

通過泄洪閘結(jié)構(gòu)靜力特性試驗(yàn)結(jié)果，泄洪閘在正常擋水工況，在結(jié)構(gòu)自重及靜水壓力作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形值均滿足設(shè)計(jì)要求，閘門結(jié)構(gòu)的靜態(tài)受力安全。

3.2 閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

在泄洪閘結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性原型觀測試驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，通過對(duì)泄洪閘在自由狀態(tài)下模態(tài)分析，得出泄洪閘模態(tài)頻率的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 泄洪閘固有頻率分析結(jié)果

原型觀測試驗(yàn)中，在泄洪閘擋水、鄰孔閘門泄洪的工況下，試驗(yàn)測得泄洪閘自振頻率及其阻尼比，并得到泄洪閘在實(shí)際運(yùn)行中的基本振型。由于泄洪閘實(shí)際振動(dòng)由前幾階振型發(fā)揮主導(dǎo)作用，本次分析選用閘門前6階振型進(jìn)行分析，見表4。

表4 泄洪閘整體工作模態(tài)測試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，泄洪閘的1、2階振動(dòng)頻率為4.88 Hz和8.30 Hz，阻尼比在3.0～4.5之間，主振型表現(xiàn)為閘門整體扭翹振動(dòng)(見圖4—圖5)；3階振動(dòng)頻率為10.25 Hz，阻尼比為4.35，主振型表現(xiàn)為支臂橫向彎曲振動(dòng)(見圖6)；4階及以上振動(dòng)頻率則在20 Hz以上，阻尼比小于1.0，主振型表現(xiàn)為支臂橫向彎曲振動(dòng)(見圖7—圖9)。泄洪閘原型觀測試驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)力特性有限元分析結(jié)果在前3階較為吻合，高階頻率則出現(xiàn)較大差異，該差異主要為泄洪閘實(shí)體制造安裝與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間的誤差導(dǎo)致。

圖4 泄洪閘1階振型(門體扭翹振動(dòng))

圖5 泄洪閘2階振型(門體扭翹振動(dòng))

圖6 泄洪閘3階振型(支臂橫向彎曲振動(dòng))

圖7 泄洪閘4階振型(支臂橫向彎曲振動(dòng))

圖8 泄洪閘5階振型(支臂橫向彎曲振動(dòng))

圖9 泄洪閘6階振型(支臂橫向彎曲振動(dòng))

由于本工程泄洪閘門體體型龐大，結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小，門體結(jié)構(gòu)基頻低。泄洪閘前3階自振頻率接近及低于10 Hz，而水流脈動(dòng)主頻一般在10 Hz以下[15-17]，說明泄洪閘1～3階振動(dòng)易與水流脈動(dòng)形成不利組合。

3.3 閘門振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果分析

閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，已得到閘門振動(dòng)基頻及主要振型。通過振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，可測得閘門在實(shí)際啟閉過程中主要受力構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力及振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，以分析閘門的安全可靠性。在本次振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)中，試驗(yàn)水頭穩(wěn)定在20.13 m，綜合各測點(diǎn)在不同開度下的振動(dòng)特征參數(shù)及振動(dòng)特性曲線，獲得泄洪閘在泄流過程中振動(dòng)趨勢分析如下：

(1) 試驗(yàn)表明，泄洪閘的整體振動(dòng)主要表現(xiàn)為側(cè)向擺動(dòng)。在開度2 m工況下，閘門門葉振動(dòng)反應(yīng)最大，側(cè)向位移達(dá)到0.439 1 mm，均方根值為0.148 2 mm。根據(jù)美國阿肯色河通航樞紐中心提出的振動(dòng)位移均方根值劃分水工鋼閘門振動(dòng)強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)，位移為0.000 0 mm～0.050 8 mm的振動(dòng)可以忽略不計(jì)；位移為0.050 8 mm～0.254 0 mm的振動(dòng)為微?。晃灰茷?.254 0 mm～0.508 0 mm的振動(dòng)為中等；位移大于0.508 0 mm的振動(dòng)為嚴(yán)重。泄洪閘在全開度運(yùn)行工況均屬于微小等級(jí)以下振動(dòng)，泄洪閘可安全運(yùn)行。

(2) 泄洪閘結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度隨開度變化關(guān)系顯示(見圖10—圖13)，泄洪閘在開度0.0 m～14.0 m范圍，閘門支臂及門葉結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度量值變化呈現(xiàn)小開度最大；隨著開度的增加，振動(dòng)量值逐漸減?。辉诮咏_時(shí)，振動(dòng)量值略有回升的趨勢。閘門下部振動(dòng)明顯強(qiáng)于上部振動(dòng)。在0.0 m～4.0 m小開度，泄洪閘振動(dòng)量最大，主頻接近自振頻率，最大振動(dòng)量值出現(xiàn)在1.0 m開度閘門下主梁28#測點(diǎn)，加速度均方根最大值為0.712 m/s2；在4.0 m～8.0 m開度，泄洪閘振動(dòng)量值逐漸減小，主頻偏離自振頻率；在9.0 m～14.0 m開度，泄洪閘振動(dòng)量值逐漸回升。

圖10 主梁振動(dòng)加速度與開度關(guān)系曲線

圖11 主梁振動(dòng)加速度一階主頻與開度關(guān)系曲線

圖12 支臂振動(dòng)加速度與開度關(guān)系曲線

圖13 支臂振動(dòng)加速度一階主頻與開度關(guān)系曲線

(3) 泄洪閘結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移隨開度變化關(guān)系同樣存在由大逐漸減小再回升的規(guī)律(見圖14—圖17)，閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值呈現(xiàn)閘門在0.0 m～4.0 m小開度范圍，振動(dòng)幅值最大，一階主頻在5 Hz～7 Hz之間，接近閘門一階自振頻率。說明大能量水流脈動(dòng)僅引起泄洪閘的受迫振動(dòng)，并未產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

圖14 主梁振動(dòng)位移與開度關(guān)系曲線

圖15 主梁振動(dòng)位移一階主頻與開度關(guān)系曲線

圖16 支臂振動(dòng)位移與開度關(guān)系曲線

圖17 支臂振動(dòng)位移一階主頻與開度關(guān)系曲線

(4) 實(shí)測泄洪閘在開啟過程中各測點(diǎn)振動(dòng)應(yīng)力變化趨勢與前述振動(dòng)量隨開度變化規(guī)律一致(見圖18)，最大動(dòng)應(yīng)力為14.7 MPa，發(fā)生在0 m～4 m小開度工況的主梁部位，所有測點(diǎn)的實(shí)測振動(dòng)應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鋼材容許應(yīng)力的20%(36 MPa)。泄洪閘動(dòng)應(yīng)力變化為平穩(wěn)過程，未發(fā)現(xiàn)動(dòng)應(yīng)力劇烈變化現(xiàn)象。泄洪閘振動(dòng)應(yīng)力主能量主要集中在10 Hz以下低頻振動(dòng)范圍內(nèi)，反映了水力荷載的頻率及閘門結(jié)構(gòu)基頻。

圖18 閘門振動(dòng)應(yīng)力與開度關(guān)系曲線

(5) 分析引發(fā)該振動(dòng)規(guī)律的原因，由于泄洪閘在小開度工況下，閘下出流存在不穩(wěn)定射流，導(dǎo)致閘門振動(dòng)響應(yīng)在紊流影響下達(dá)到最大值；隨著泄洪閘開度的增加，閘下出流逐漸變?yōu)槊髁?，水流流態(tài)好轉(zhuǎn)，泄洪閘趨于穩(wěn)定運(yùn)行；閘門接近全開工況下，下泄水流部分脫離閘門底緣，又造成泄洪閘短時(shí)振動(dòng)[17]，但由于門體受到水壓力減小，泄洪閘在大開度工況振動(dòng)明顯輕于小開度工況，應(yīng)力值也小于小開度工況。

4 結(jié) 語

通過泄洪閘原型觀測試驗(yàn)，獲得閘門振動(dòng)特性結(jié)果如下：

(1) 通過泄洪閘結(jié)構(gòu)靜態(tài)測試分析，泄洪閘支臂、主梁、次梁、面板等主要結(jié)構(gòu)部件最大應(yīng)力及最大撓度均未超過材料允許值，說明泄洪閘結(jié)構(gòu)的靜態(tài)受力安全，閘門剛度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

(2) 通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，泄洪閘前3階自振頻率接近及低于10 Hz，易與水流脈動(dòng)形成不利組合。泄洪閘1～2階主振型表現(xiàn)為閘門整體扭翹振動(dòng)；3～6階主振型表現(xiàn)為支臂橫向彎曲振動(dòng)。泄洪閘原型觀測試驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)力特性有限元分析結(jié)果在前3階較為吻合。

(3) 通過泄洪閘振動(dòng)響應(yīng)分析，泄洪閘的整體振動(dòng)主要表現(xiàn)為門葉側(cè)向擺動(dòng)。各工況下，泄洪閘門葉及支臂振動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)力均方根均未超過美國阿肯色河通航樞紐中心提出水工鋼閘門振動(dòng)幅值允許值。泄洪閘在全開度運(yùn)行工況均屬于微小等級(jí)以下振動(dòng)，說明大能量水流脈動(dòng)僅引起泄洪閘的受迫振動(dòng)，未產(chǎn)生共振現(xiàn)象，泄洪閘可安全運(yùn)行。

(4) 泄洪閘在小開度及大開度均存在明顯振動(dòng)，中間開度運(yùn)行趨于平穩(wěn)，振動(dòng)加速度、振動(dòng)位移及動(dòng)應(yīng)力均存體現(xiàn)該規(guī)律。由于泄洪閘在小開度工況下，閘下出流存在不穩(wěn)定射流，導(dǎo)致閘門振動(dòng)響應(yīng)在紊流影響下達(dá)到最大值；隨著泄洪閘開度的增加，閘下出流逐漸變?yōu)槊髁?，水流流態(tài)好轉(zhuǎn)，泄洪閘趨于穩(wěn)定運(yùn)行；閘門接近全開工況下，下泄水流部分脫離閘門底緣，又造成泄洪閘短時(shí)振動(dòng)，但由于門體受到水壓力減小，泄洪閘在大開度工況振動(dòng)明顯輕于小開度工況，應(yīng)力值也小于小開度工況。

(5) 考慮閘門振動(dòng)過程中的疲勞破壞，建議在泄洪閘啟閉過程中盡量避免在大開度及小開度長時(shí)間運(yùn)行，以確保泄洪閘結(jié)構(gòu)安全。