翻板閘門流激振動(dòng)模型試驗(yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

阮穎穎

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州362000）

0 引 言

水工閘門是水利水電工程中常見的擋水結(jié)構(gòu)物，閘門在工作過程中因受到動(dòng)水作用必然表現(xiàn)出流激振動(dòng)，這種振動(dòng)對(duì)閘門可靠運(yùn)行較為不利。為研究水工閘門流激振動(dòng)，必須從結(jié)構(gòu)自身固有特性及外部激勵(lì)荷載出發(fā)，比較閘門自振頻率和作用水流的脈動(dòng)頻率，并使自振頻率與脈動(dòng)頻率遠(yuǎn)離，以防止產(chǎn)生共振后放大振動(dòng)影響程度，保證水工閘門結(jié)構(gòu)安全。為此，文章依托防洪排澇工程水工閘門實(shí)際，通過水力學(xué)試驗(yàn)展開對(duì)翻板閘門脈動(dòng)壓力特性的分析，并根據(jù)空間有限元及動(dòng)特性試驗(yàn)得出閘門自振特性，對(duì)流激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，提出閘門基頻及整體剛度提升、振動(dòng)響應(yīng)控制的優(yōu)化策略。

1 工程概況

福鼎城區(qū)南灣防洪排澇工程C3 標(biāo)（金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備及安裝工程）包括1 座水閘及泵站的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備及安裝工程。水閘主要采用上翻式翻板閘門，閘門設(shè)計(jì)寬度16.8m、高20.5m，閘門使用Q345B材料，彈性模量為206Gpa，泊松比0.25~0.30，密度7858kg/m3。該水工閘門主要用于防洪排澇，滿足上游灌溉及生態(tài)用水方面的需要，汛期則開閘泄洪，確保河道防洪安全。工程采用上翻式翻板閘門和溢流壩結(jié)合的設(shè)置形式，閘底板廊道段為空箱結(jié)構(gòu)。

2 水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

翻板閘門流激振動(dòng)以其所承受的動(dòng)水壓力為激振源，為研究其流激振動(dòng)特性，必須展開水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。動(dòng)水壓力包括脈動(dòng)壓力和時(shí)均壓力兩部分，脈動(dòng)壓力主要引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，且影響程度和水流紊動(dòng)有關(guān)；時(shí)均壓力則是進(jìn)行閘門結(jié)構(gòu)靜力設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，通常在閘門全關(guān)時(shí)達(dá)到最高水平。為得到該翻板閘門動(dòng)水時(shí)域幅值及頻域能量分布特性，按照《水工模型試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)要求，按照弗勞德相似定律設(shè)計(jì)并制作1 : 25 單體水工有機(jī)玻璃模型，展開水壓力試驗(yàn)[1]。電壓信號(hào)經(jīng)由動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀放大濾波處理后通過信號(hào)采集系統(tǒng)收集并存儲(chǔ)；脈動(dòng)壓力則通過壓阻式微脈動(dòng)壓力傳感器直接測量。典型測點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線和頻譜曲線具體見圖1，從圖中可知，翻板閘門具有較好的時(shí)均壓力分布規(guī)律，且動(dòng)水壓力屬于穩(wěn)定隨機(jī)過程；在閘門開啟過程中脈動(dòng)壓力呈增大趨勢，正常水位下脈動(dòng)壓力最大值為16.96kPa，最低水位下脈動(dòng)壓力最大值為18.96kPa，且均位于門葉下方。

圖1 測點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)程及頻譜曲線

2.1 閘門自振特性

通過對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行拉普拉斯轉(zhuǎn)換后得出翻板閘門振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)，具體如下：

Ar為r階模態(tài)留數(shù)矩陣；為r階模態(tài)留數(shù)矩陣共軛；λr為r階模態(tài)特征值；為r階模態(tài)特征值共軛；jω為翻板閘門振動(dòng)系統(tǒng)自變量。該閘門振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)涵蓋翻板閘門結(jié)構(gòu)全部模態(tài)參數(shù)，故在已知參數(shù)取值及結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)表達(dá)式后，便可得出翻板閘門結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性[2]。

根據(jù)彈性相似原理及Lr=20 的幾何比尺設(shè)計(jì)翻板閘門動(dòng)特性模型，結(jié)合閘門具體構(gòu)造，將其結(jié)構(gòu)離散成208 個(gè)節(jié)點(diǎn)，x、y、z軸分別表示水流向、橫向和豎向。依次對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加任意大小的激勵(lì)力，并記錄力的大小以及節(jié)點(diǎn)在3 個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；通過電荷放大器將振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)濾波放大處理后輸入系統(tǒng)，采用擬合方式推求出傳遞函數(shù)以及閘門模態(tài)頻率、阻尼、振型等參數(shù)。向節(jié)點(diǎn)施加激勵(lì)力時(shí)使用激振錘，通過錘頭所設(shè)置的傳感器測量力的大小，振動(dòng)響應(yīng)則通過三向加速度傳感器測量。試驗(yàn)所得翻板閘門前10 階自振頻率及阻尼比等參數(shù)值具體見表1，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該水工翻板閘門基頻較低，且1 階和2 階振型均沿面板法向振動(dòng)。

表1 閘門自振特性試驗(yàn)結(jié)果

1）干模態(tài)。構(gòu)建翻板閘門空間有限元模型，依次以水流向、橫河向及豎直向?yàn)閤軸、y軸和z軸，由于閘門面板、主次梁、邊梁等均采用薄板，故通過空間四邊形板單元展開翻板閘門模型離散，并對(duì)主次梁上翼緣連接面板處分為兩個(gè)單元，分開計(jì)算相應(yīng)剛度后疊加為結(jié)構(gòu)整體剛度[3]。通過分析閘門1 階及2 階振型得出相應(yīng)的振動(dòng)頻率為5.41Hz和22.38Hz。比較試驗(yàn)結(jié)果和模態(tài)分析結(jié)果看出，1 階和2 階振型完全吻合，且自振頻率偏差不超出10%，說明所得到的翻板閘門動(dòng)力特性參數(shù)值真實(shí)可靠。

2）濕模態(tài)。翻板閘門和水體耦合作用通過附加質(zhì)量法進(jìn)行研究。在流體表現(xiàn)出小振幅運(yùn)動(dòng)的過程中，動(dòng)水壓力變動(dòng)過程服從拉普拉斯方程，根據(jù)流固耦合界面條件便可推導(dǎo)出附加質(zhì)量矩陣和動(dòng)力控制方程；考慮到附加質(zhì)量矩陣屬于非對(duì)稱型，故應(yīng)通過Lanczos 法進(jìn)行方程求解[4]。閘門全關(guān)工況下1 階和2 階自振頻率依次為2.65Hz 和10.94Hz，均低于干模態(tài)情況，說明水流對(duì)翻板閘門固有頻率存在較大影響；但濕模態(tài)下閘門自振振型與干模態(tài)完全吻合。

2.2 閘門流激振動(dòng)特性

2.2.1 閘門流激振動(dòng)加速度

在閘門模型上相應(yīng)位置布設(shè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)見圖2，試驗(yàn)開始后依次測取各監(jiān)測點(diǎn)水流向、橫河向及豎直向的振動(dòng)量，按照隨機(jī)振動(dòng)理論和譜分析方法展開振動(dòng)數(shù)據(jù)分析處理，得出翻板閘門振動(dòng)期間數(shù)字特征和譜特征，并根據(jù)測試結(jié)果揭示出閘門振動(dòng)頻域能量分布規(guī)律[5]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在上下游水位分別為8.5m和6.8m的固定水位下，隨閘門開度減小，閘門振動(dòng)量及振動(dòng)響應(yīng)呈弱化趨勢。當(dāng)閘門開度位于10°~ 40°之間時(shí)，因閘門后方空腔穩(wěn)定性不良，故閘門振動(dòng)加速度均方根存在小幅度提升，此后快速下降；閘門面板頂部及兩側(cè)振動(dòng)量分別比底軸和中部振動(dòng)量大。x、y、z軸向閘門面板頂部振動(dòng)加速度最大值均方根分別為0.221m/s2、0.130m/s2、0.496m/s2；而x、y、z軸向閘門面板底部振動(dòng)加速度最大值均方根分別為0.058m/s2、0.123m/s2、0.051m/s2；門葉兩側(cè)及中部振動(dòng)加速度最大值均方根分別為0.485m/s2和0.134m/s2。

圖2 測點(diǎn)布置情況

在閘門開度固定為42°的工況下，隨上游水位的升高，閘門振動(dòng)量及振動(dòng)響應(yīng)不斷增強(qiáng)，且面板頂部、門葉兩側(cè)振動(dòng)量比底部、門葉中部大。閘門開度和下游水位不變，上游水位從7.5m增大至8.5m的過程中，x、y、z軸向閘門面板頂部振動(dòng)加速度最大值均方根分別為0.161m/s2、0.036m/s2、0.187m/s2；而x、y、z軸向閘門面板底部振動(dòng)加速度最大值均方根分別為0.026m/s2、0.014m/s2、0.019m/s2；門葉兩側(cè)及中部振動(dòng)加速度最大值均方根分別為0.178m/s2和0.067m/s2。閘門振動(dòng)加速度、時(shí)域過程、功率譜密度試驗(yàn)結(jié)果具體見圖3。

圖3 閘門振動(dòng)加速度、時(shí)域過程、功率譜密度曲線

2.2.2 閘門流激振動(dòng)位移

采用雙積分電荷放大器測取圖4 中5 個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)位移，為便于比較，每個(gè)測點(diǎn)均測取x、y、z軸向的動(dòng)位移值。按照隨機(jī)振動(dòng)理論和譜分析方法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出翻板閘門動(dòng)位移過程數(shù)字特征和譜特征，據(jù)此進(jìn)行閘門頻域能量分布和振動(dòng)位移分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在上下游水位固定的工況下，下泄流量隨閘門開度的減小而減小，振動(dòng)位移響應(yīng)也隨之減弱；x、y、z軸向閘門面板頂部振動(dòng)位移最大值均方根分別為1.9mm、0.97mm、4.8mm；而x、y、z軸向閘門面板底部振動(dòng)位移最大值均方根分別為0.61mm、1.4mm、1.39mm；門葉兩側(cè)及中部振動(dòng)位移最大值均方根分別為4.7mm 和1.8mm。

在閘門開度固定的工況下，下泄流量隨上游水位的升高而增大，振動(dòng)位移響應(yīng)也隨之增強(qiáng)。閘門開度和下游水位不變，上游水位從7.5m 增大至8.5m的過程中，x、y、z軸向閘門面板頂部振動(dòng)位移最大值均方根分別為0.948mm、0.821mm、1.231mm；閘門面板底部以及門葉兩側(cè)和中部振動(dòng)位移取值均接近零，故可忽略不計(jì)。

2.2.3 閘門流激振動(dòng)應(yīng)力

對(duì)該翻板閘門流激振動(dòng)應(yīng)力的測量與位移測量同步進(jìn)行，依次在彈性閘門面板、橫縱梁腹板、翼緣等處設(shè)置22 個(gè)動(dòng)應(yīng)力測點(diǎn)，并在處理后的閘門結(jié)構(gòu)表面直接粘貼應(yīng)變計(jì)，借助應(yīng)力應(yīng)變放大測量系統(tǒng)測取閘門動(dòng)態(tài)應(yīng)變值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，面板振動(dòng)應(yīng)力最大值均方根為0.397MPa，橫梁中斷面振動(dòng)應(yīng)力最大值均方根為0.910MPa，中斷面及邊斷面縱梁、橫梁邊斷面振動(dòng)應(yīng)力最大值均方根分別為0.504MPa、0.427MPa、0.321MPa。該翻板閘門具有較小的動(dòng)應(yīng)力，且均滿足安全運(yùn)行方面的規(guī)定。

3 閘門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合以上對(duì)翻板閘門泄水流態(tài)、脈動(dòng)壓力荷載、流激振動(dòng)響應(yīng)等過程的模擬分析，為控制和減小閘門振動(dòng)量，必須采取有效措施解決該水工翻板閘門門頂溢流下負(fù)壓空腔問題。

3.1 破水器優(yōu)化設(shè)計(jì)

閘門破水器主要起到在閘門低水位、小開度運(yùn)行下快速撕裂拋射水舌，同時(shí)向后空腔輸氣的作用。但是該水工翻板閘門破水器只在較低水位下發(fā)揮作用，隨著水位抬升后，破水器在水流流過時(shí)會(huì)自動(dòng)閉合，無法發(fā)揮撕裂水舌及輸氣等功能。為此，對(duì)破水器進(jìn)行了改進(jìn)，采用上游面寬200mm、高200cm 的三角形結(jié)構(gòu)，后部設(shè)置2 個(gè)平行翼板結(jié)構(gòu)，在閘門全關(guān)的情況下，破水器前后部頂高程分別為9.45m 和9.15m。改進(jìn)后的破水器在閘門開度固定、上游水位7.5m 以及閘門全關(guān)、上游水位8.5m 時(shí)，均能快速撕裂所流經(jīng)的水流，在閘門頂部按照均勻間距布置4 個(gè)破水器即能滿足破水及門后空腔輸氣等要求。

3.2 通氣孔優(yōu)化設(shè)置

翻板閘門開度在0°~ 50°范圍內(nèi)，閘門面板后方所拋射水舌會(huì)形成空腔，當(dāng)上游水位較低時(shí)，門頂破水器會(huì)撕開拋射水簾，并隨即向空腔內(nèi)補(bǔ)氣；而當(dāng)水位較高時(shí)，拋射水體厚度變大，撕裂水簾及補(bǔ)氣難度隨之增大，隨著空腔內(nèi)部空氣被下泄水流不斷帶走，空腔內(nèi)負(fù)壓升高且水體抬升。為保證空腔的穩(wěn)定性，必須在門葉下游面左右閘墩處增設(shè)直徑30cm 的向空腔內(nèi)補(bǔ)氣的通氣孔，實(shí)現(xiàn)翻板閘門運(yùn)行過程中輸氣、攜氣的動(dòng)態(tài)平衡。

具體而言，當(dāng)閘門開度在0°~ 10°范圍內(nèi)，閘門面板后空腔完全可借助破水器撕開拋射水流而自行補(bǔ)氣實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡；當(dāng)閘門開度在20°~30°范圍內(nèi)，應(yīng)通過1 道通氣孔補(bǔ)氣，補(bǔ)氣量控制在0.15~0.25m3/s；當(dāng)閘門開度位于30°~50°時(shí)，應(yīng)通過2 道通氣孔向閘門面板后空腔補(bǔ)氣，單孔補(bǔ)氣量應(yīng)為0.20~0.60m3/s。

4 結(jié) 論

綜上所述，該水工翻板閘門脈動(dòng)壓力呈平穩(wěn)隨機(jī)變動(dòng)，并隨閘門開度的增大而增大；根據(jù)空間有限元及動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果，閘門基頻較低，水流對(duì)閘門自振頻率存在較大影響，若忽略水流附加質(zhì)量后，閘門基頻會(huì)降低50%左右。該水工翻板閘門大開度運(yùn)行時(shí)振動(dòng)響應(yīng)較大，整體剛度較弱；閘門頂破水器隨著水位升高而失靈，因無法順利撕開拋射水簾并向空腔內(nèi)補(bǔ)氣而影響空腔穩(wěn)定。破水器及通氣孔優(yōu)化布置后閘門運(yùn)行過程中基本實(shí)現(xiàn)輸氣、攜氣動(dòng)態(tài)平衡，以上問題也得到較好解決，閘門基頻及整體剛度提升，閘門振動(dòng)響應(yīng)也得到一定程度控制。