趙振華 張宇飛 王山山

（河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，南京 210098）

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和人們需求的不斷增加，越來(lái)越多的閘門被用于水利工程當(dāng)中.由于弧形閘門不設(shè)門槽，啟閉力較小，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、水力學(xué)條件好并且能滿足各種類型泄水孔道需要的優(yōu)點(diǎn)［1］.弧形鋼閘門已經(jīng)成為水工建筑物中運(yùn)用最為廣泛的一種門型.縱觀國(guó)內(nèi)外水利樞紐中弧形閘門實(shí)際運(yùn)行中的情況，閘門在啟閉過(guò)程中或局部開(kāi)啟時(shí)，都可能發(fā)生振動(dòng)［2］.引起閘門振動(dòng)的原因來(lái)自許多方面，情況比較復(fù)雜.但綜合國(guó)內(nèi)外許多專家的研究認(rèn)為，閘門在啟閉運(yùn)行中的振動(dòng)都是由于動(dòng)水作用的不平穩(wěn)所引起的［3－4］.黃廷璞等［5］通過(guò)對(duì)我國(guó)20多座弧形閘門破壞事故的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)失事閘門均是在明顯的振動(dòng)荷載作用下引起閘門發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，從而造成弧形閘門支臂動(dòng)力失穩(wěn)而導(dǎo)致閘門破壞.因此，閘門在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題是水利工程中一個(gè)非常重要的研究課題［6］.

引起每個(gè)閘門振動(dòng)的外因雖有不同解釋［7］，諸如閘門開(kāi)度、后門淹沒(méi)水躍、止水漏水、閘門低緣型式等.但是引起閘門振動(dòng)的內(nèi)因都與閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率有關(guān).閘門的自振頻率是閘門結(jié)構(gòu)的固有屬性，與閘門結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布和材料屬性有關(guān).并且閘門振動(dòng)的大小取決于閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率與激勵(lì)頻率的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)的剛度與阻尼.當(dāng)作用力的激勵(lì)頻率接近或等于閘門的自振頻率時(shí)，閘門就會(huì)發(fā)生共振，從而使閘門受到損害.雖然關(guān)于閘門振動(dòng)的研究有多種方法，但由于諸多方面的原因現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)仍是研究閘門振動(dòng)的重要方法［8］.因此，為了確保閘門在運(yùn)行中的安全性，必須定期組織對(duì)閘門進(jìn)行全面深入的振動(dòng)試驗(yàn)研究.

1 工程概況及試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

太平哨水電站地處遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣東部山區(qū).電站為混合式開(kāi)發(fā)，水力樞紐由主壩、副壩、引水道和廠房等建筑物組成，水電站為二等工程，大壩為2級(jí)建筑物.大壩為混凝土重力壩，壩頂高程196.0m，壩頂全長(zhǎng)555.6m，最大壩高44.0m，頂寬8.0m，共36個(gè)壩段.主壩在3號(hào)－23號(hào)壩段設(shè)有開(kāi)敞式溢流口，布置20個(gè)工作門，門型為弧門，堰頂高程181.5m，孔口尺寸為12m×10.5m.為高孔泄洪，最大泄流量為18 600m3／s，挑流、面流消能方式.閘門全局現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示.

圖1 閘門現(xiàn)場(chǎng)圖

1.2 振動(dòng)試驗(yàn)方案

由于太平哨電站泄洪壩的20孔弧形閘門，其尺寸、材料均相同，并且避免20個(gè)閘門全部進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)水量損失過(guò)大.本次僅選取了兩個(gè)典型的閘門進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，壩中10號(hào)孔弧形閘門和平常開(kāi)啟噪聲較大的17號(hào)孔弧形閘門進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)研究.分別對(duì)這兩個(gè)閘門進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性試驗(yàn)（自振頻率、阻尼）和閘門啟閉過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)（加速度）試驗(yàn).

試驗(yàn)中在每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一枚CL－YD－103型壓電式加速度傳感器來(lái)測(cè)量布置點(diǎn)的加速度，經(jīng)由DH5857－1電荷適調(diào)器連接到DHDAS5920動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀，并由計(jì)算機(jī)來(lái)控制和數(shù)據(jù)保存.此外，在用瞬態(tài)激勵(lì)法做閘門動(dòng)力特性試驗(yàn)時(shí)，還采用了安裝有力傳感器的激勵(lì)力錘.10號(hào)和17號(hào)弧形閘門現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力特性試驗(yàn)加速度傳感器布置如圖2所示.

圖2 動(dòng)力特性試驗(yàn)傳感器布置圖

在做閘門的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)時(shí)考慮到閘門在啟閉運(yùn)行時(shí)水流脈動(dòng)壓力主要作用在閘門結(jié)構(gòu)的下部.根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和受力狀況，在閘門上下主梁共選擇7個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)布置加速度傳感器.10號(hào)和17號(hào)弧形閘門現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)加速度傳感器整體布置情況如圖3所示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度傳感器安裝效果如圖4所示.

圖3 動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)傳感器整體布置圖

圖4 傳感器現(xiàn)場(chǎng)布置 效果圖

2 閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

2.1 基本原理

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，可將無(wú)限自由度的閘門離散為有限自由度系統(tǒng)，其振動(dòng)微分方程為

式中，M、C和K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；｛¨X（t）｝、｛˙X（t）｝和｛X（t）｝分別為結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度、速度和位移列陣；｛F（t）｝為外荷載列陣.將式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換，得到系統(tǒng)在復(fù)域內(nèi)的傳遞函數(shù)：

式中，n為系統(tǒng)自由度；｛φi｝為第i階模態(tài)振型；Ki、Ci、mi分別為第i階模態(tài)剛度、阻尼和質(zhì)量；ω為圓頻率；J為虛數(shù).根據(jù)振型的正交性和互易原理，求得上述傳遞函數(shù)矩陣的任一列或任一行，就可構(gòu)成系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣，并通過(guò)迭代擬合，計(jì)算閘門結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)［9］.

本次試驗(yàn)采用多點(diǎn)激振單點(diǎn)響應(yīng)的方法.在試驗(yàn)中采用瞬態(tài)激勵(lì)法，用激勵(lì)力錘敲擊閘門，對(duì)閘門施加一脈沖力F（t），由于脈沖信號(hào)的頻率成份很豐富，在很寬的頻帶內(nèi)各頻率成分信號(hào)的能量幾乎相等，可將結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)激發(fā)出來(lái)［10］.通過(guò)固定在閘門上A點(diǎn)的加速度傳感器就可得到每次敲擊所對(duì)應(yīng)的加速度時(shí)程曲線.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 空載時(shí)弧形閘門的動(dòng)力特性

試驗(yàn)工況上下游均為無(wú)水狀態(tài)，用激勵(lì)力錘敲擊閘門.激勵(lì)力錘沖擊力典型時(shí)程曲線如圖5所示.

圖5 激勵(lì)力錘沖擊力典型時(shí)程曲線

測(cè)得10號(hào)和17號(hào)兩孔弧形閘門的基頻分別為16.58Hz和15.63Hz.同時(shí)計(jì)算得兩孔閘門的阻尼分別為1.6%和2.5%.10號(hào)閘門和17號(hào)閘門在空載下的加速度典型衰減曲線如圖6所示.

圖6 空載下閘門加速度衰減典型時(shí)程曲線

2.2.2 有載時(shí)弧形閘門的動(dòng)力特性

試驗(yàn)工況為上游充滿水，下游無(wú)水狀態(tài).按同樣的方法用激勵(lì)力錘敲擊閘門.測(cè)得10號(hào)和17號(hào)閘門的基頻分別為14.56Hz和13.67Hz.阻尼分別為2.4%和3.3%.10號(hào)閘門和17號(hào)閘門在有載下的加速度典型衰減曲線如圖7所示.

圖7 有載下閘門加速度衰減典型時(shí)程曲線

3 閘門啟閉過(guò)程的振動(dòng)響應(yīng)

閘門在開(kāi)啟過(guò)程中，受水流脈動(dòng)壓力的影響，閘門會(huì)產(chǎn)生振動(dòng).閘門結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性是影響閘門振動(dòng)的內(nèi)在因素，而水流脈動(dòng)壓力是影響閘門振動(dòng)的外部因素.脈動(dòng)壓力的大小和頻率對(duì)閘門振動(dòng)的量級(jí)起著至關(guān)重要的作用，它的形成又與閘門開(kāi)度，閘前水頭以及堰面曲線等因素有關(guān).由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制僅對(duì)10號(hào)和17號(hào)閘門在不同開(kāi)度的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn).

1）試驗(yàn)結(jié)果顯示，10號(hào)閘門在啟門過(guò)程中振動(dòng)加速度最大值為12.84m／s2，有效值為2.36m／s2，發(fā)生在下主梁3號(hào)點(diǎn)；閘門在閉門過(guò)程中振動(dòng)加速度最大值為8.30m／s2，有效值為1.85m／s2，發(fā)生在下主梁4號(hào)點(diǎn).啟門過(guò)程10號(hào)閘門加速度的典型時(shí)程曲線如圖8（a）所示.

2）試驗(yàn)結(jié)果顯示，17號(hào)閘門在啟門過(guò)程中振動(dòng)加速度最大值為8.85m／s2，有效值為2.85m／s2，發(fā)生在下主梁1號(hào)點(diǎn)；閘門在閉門過(guò)程中振動(dòng)加速度最大值為8.07m／s2，有效值為2.77m／s2，發(fā)生在下主梁3號(hào)點(diǎn).啟門過(guò)程17號(hào)閘門加速度的典型時(shí)程曲線如圖8（b）所示.

3）10號(hào)閘門在啟門過(guò)程中，在到達(dá)0.18m開(kāi)度時(shí)，加速度達(dá)到最大值.此后，閘門振動(dòng)加速度隨開(kāi)度的增加逐漸減小，至4m開(kāi)度以后逐漸變平緩.

圖8 閘門開(kāi)啟過(guò)程中典型加速度時(shí)程曲線

17號(hào)閘門在啟門過(guò)程中，在到達(dá)3.55m開(kāi)度時(shí)，加速度達(dá)到最大值.此后，閘門振動(dòng)加速度隨開(kāi)度的增加逐漸減小，至5.63m開(kāi)度以后逐漸變平緩.把10號(hào)和17號(hào)閘門下主梁中點(diǎn)實(shí)測(cè)加速度與閘門開(kāi)度關(guān)系繪制成曲線，如圖9所示.

圖9 振動(dòng)加速度與閘門開(kāi)度的關(guān)系

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)太平哨電站泄洪壩10號(hào)和17號(hào)弧形鋼閘門原型的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納整理，得到以下結(jié)論：

1）頻率和阻尼是反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的量化參數(shù).從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，空載工況下10號(hào)和17號(hào)閘門的基頻非常接近，分別為16.58Hz和15.63Hz，相對(duì)誤差為6.1%.盡管兩孔閘門尺寸和材料完全相同，但由于閘門在制作和安裝過(guò)程中存在的差異，以致于兩孔閘門的基頻不完全相同.

2）從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出閘門在有載工況下的基頻和阻尼與空載工況下的基頻和阻尼非常接近.并且由于有載工況下閘門門葉周邊約束相對(duì)加強(qiáng)，有載工況下第一階振型的阻尼要大于無(wú)載工況下相應(yīng)階次振型的阻尼，而有載工況下的基頻要小于無(wú)載工況下的基頻.

3）從圖9可看出，10號(hào)閘門在0.18m開(kāi)度時(shí)主梁出現(xiàn)加速度最大值，而17號(hào)閘門在3.55m開(kāi)度時(shí)主梁出現(xiàn)加速度最大值.10號(hào)和17號(hào)閘門的振動(dòng)加速度響應(yīng)與閘門開(kāi)度之間的關(guān)系曲線雖不完全相同，但閘門振動(dòng)加速度與閘門開(kāi)度的關(guān)系曲線變化趨勢(shì)總體都是臨界開(kāi)度以前，振動(dòng)加速度響應(yīng)隨開(kāi)度的增大而增大，在臨界開(kāi)度時(shí)達(dá)到最大值.當(dāng)超過(guò)臨界開(kāi)度后加速度響應(yīng)又隨開(kāi)度的增加而逐漸減小，至變化逐漸平緩.

4）兩扇弧形閘門的振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)值都不算特別大.鑒于目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的振動(dòng)允許標(biāo)準(zhǔn)，為了確保閘門在啟閉中的安全運(yùn)行，建議避免在0.1～5m開(kāi)度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行.

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