嚴 根 華

(1.水利部 交通運輸部 國家能源局 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 江蘇 南京 210029)

大跨度特型閘門是我國水利工程界開始逐步采用的新型、特種門型，不斷誕生出現(xiàn)的新型閘門包括上翻式護鏡門(或上翻式拱形門)、平面有軌弧形雙開門、拱形桁架式平面閘門、底軸驅(qū)動式翻板門、立軸旋轉(zhuǎn)式鋼閘門、旋轉(zhuǎn)式下臥門等，這些閘門廣泛應用于城市河道的水環(huán)境整治，沿海擋潮閘以及內(nèi)河航道擋洪等功能建設，取得了重大環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。鑒于大跨度特型閘門跨度大、結(jié)構剛度小、基頻低，在動水作用下容易導致閘門結(jié)構強烈振動，甚至出現(xiàn)共振破壞。因此通過閘門振動模型試驗、理論分析、數(shù)值計算以及工程建成后的運行觀測等方法對大跨度特型閘門進行結(jié)構振動專項研究，揭示振動機理，發(fā)現(xiàn)存在問題，提出振動控制措施，從而確保工程安全。

1 大跨度特型閘門應用和發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，我國城市水環(huán)境水生態(tài)建設有了長足進展，尤其是大跨度特型閘門工程不斷涌現(xiàn)，閘門結(jié)構形式新穎，跨度不斷加大；功能也由單一防洪，開始向生態(tài)環(huán)境提升轉(zhuǎn)化。迄今為止，單孔跨度大于40 m的大跨度特型閘門已經(jīng)建成的水閘已超過10座以上。不斷誕生的新門型大大提高了我國城市水利工程建設的能力和水平：

(1) 上翻式護鏡門。該型閘門的成功案例為南京三汊河河口水閘，單孔凈寬40 m，門高7.00 m，內(nèi)河水位在5.15 m～6.65 m范圍內(nèi)可以按需調(diào)節(jié)，閘門主體采用半徑為22.00 m的半圓形三鉸拱結(jié)構。閘門在全關狀態(tài)時擋水，或通過設置在閘門上的6扇活動小門升降以調(diào)節(jié)水位門頂過流的水位和流量(見圖1、圖2)。該水利工程的成功建成可有效控制秦淮河水位，確保了城市水環(huán)境功能，大大提升了南京城區(qū)的生態(tài)環(huán)境和人文居住環(huán)境，取得良好的社會和經(jīng)濟效益。

圖1 閘門全關擋水狀態(tài)

圖2小門開啟調(diào)節(jié)水位溢流狀態(tài)

(2) 平面有軌弧形雙開門。平面有軌弧形雙開門已有跨度50 m～90 m寬度不等的工程建成，并投入運行。典型工程為常州鐘樓水閘，孔口尺寸90.0 m，門高7.5 m，單扇閘門弧面半徑60.0 m，外側(cè)面板弧長58.32 m，支臂采用鋼管組成的鋼構架體系，支鉸采用球關節(jié)軸承。圖3為水閘效果圖，建成后的閘門結(jié)構見圖4、圖5。

圖3 水閘效果圖

圖4 閘門全開位于門庫情景

圖5閘門關門過程

(3) 大型拱形桁架式閘門結(jié)構。大型拱形桁架式閘門結(jié)構的典型案例為浙江曹娥江大閘工程，該工程位于浙江紹興錢塘江支流曹娥江河口。大閘具有防洪、擋潮、治澇、改善水環(huán)境條件等多項功能。水閘共設二十八孔，單孔寬度20 m，凈寬560 m。工作閘門采用潛孔拱形桁架式平面滑動閘門，孔口尺寸20.0 m×5.0 m(見圖6、圖7)。是迄今為止國內(nèi)第一座采用拱形桁架式平面閘門結(jié)構布置的水閘工程。

(4) 底軸驅(qū)動式翻板門。底軸驅(qū)動式翻板門目前已在國內(nèi)得到較為廣泛的應用，其典型代表是上海蘇州河口水閘工程。該水閘采用單門設計，閘門寬度102 m，可雙向擋水，是我國跨度最大的底軸驅(qū)動式擋潮蓄水結(jié)構(見圖8和圖9)。水閘承擔最大外江高潮位、內(nèi)河低水位的反向擋潮以及外江最低潮位、內(nèi)河正常水位時擋水工況的運行操作，以確保蘇州河正常的水景觀和水環(huán)境水位。但該工程的泥沙淤積嚴重，對運行管理帶來較大不利影響。

圖6 曹娥江大閘下游實景

圖7 曹娥江大閘閘門結(jié)構實景

圖8 閘門直立全關擋潮或擋水狀態(tài)

圖9閘門全開臥倒情景

此外，安徽黃山市湖邊水利樞紐采用5孔、每孔寬度40 m的底軸驅(qū)動式翻板閘門(鋼板閘)(見圖10、圖11)。 但工程初期運行時出現(xiàn)閘門振動和底板消力池上翹失事事故，以及部分開度發(fā)生強烈振動問題，這需要引起工程設計部門的高度重視。

(5) 立柱旋轉(zhuǎn)式閘門。立柱旋轉(zhuǎn)式閘門是一種可以滿足雙向擋水的工程結(jié)構。其典型代表是安徽省合肥市塘西河水閘?？刂崎l特性數(shù)據(jù)：一孔凈寬30 m，底檻高程4.4 m，門檻高程5.0 m，門頂高程14.0 m，一孔工作閘門采用立柱式雙向旋轉(zhuǎn)鋼閘門，旋轉(zhuǎn)閘門直徑50 m，支臂采用行架式結(jié)構；在大門的上下游各設置12孔小門，且在上游面設置了宣泄微小流量的溢流堰。水閘共分上下二層。上層為旋轉(zhuǎn)平臺，可用于觀光、旋轉(zhuǎn)餐廳，具有生態(tài)、景觀和水位調(diào)節(jié)等功能(見圖12、圖13)。實現(xiàn)了水利工程人與自然和諧共處的現(xiàn)代應用目標。

圖10 閘門直立門頂溢流狀態(tài)

圖11 鋼壩閘工程現(xiàn)場

圖12 水閘效果圖

圖13室內(nèi)桁架結(jié)構

(6) 下臥式旋轉(zhuǎn)弧形閘門。下臥式旋轉(zhuǎn)弧形閘門最早應用于英國泰晤士河上游流域，主要用于擋潮。該型閘門全開狀態(tài)為全臥，其優(yōu)點是除閘墩外露外河面通透，無遮擋，適合于通航比較頻繁的河道。但該型閘門對泥沙淤積也比較敏感，尤其是強感潮河段容易淤積，因此比較適合于泥沙較少的河道上建閘。

2 閘門結(jié)構的流激振動特征

大跨度特型閘門一般具有跨度大、水頭低、結(jié)構整體剛度小的特點，閘門結(jié)構在某些運行工況下常常會產(chǎn)生結(jié)構的強烈振動，有的甚至出現(xiàn)結(jié)構共振現(xiàn)象，威脅水閘工程安全。已有工程的研究成果指出，不同類型的閘門結(jié)構具有各異的水動力荷載形式，其誘發(fā)的結(jié)構強烈振動也表現(xiàn)出不同的振型和性質(zhì)。認識各型閘門的流激振動特點，對閘門結(jié)構的抗振優(yōu)化設計具有重要意義。

2.1 上翻式護鏡門的流激振動特點

某工程上翻式護鏡門(或稱作上翻式拱形門)為月牙形孔口出流，排水和引水時流態(tài)不同，沿門寬方向的動水荷載具有非均勻特征，尤其是閘孔中部和閘門邊部差異較大，具有明顯的三維空間特征。圖14(b)繪出了正常運行工況和閘門結(jié)構出現(xiàn)共振狀態(tài)下的水流脈動壓力波形曲線，顯然閘門結(jié)構出現(xiàn)大幅度共振現(xiàn)象時其脈動壓力波幅大幅度增加，脈動壓力的主頻率接近或與閘門結(jié)構的一階基頻(或二階低頻相重合)。由此導致的閘門結(jié)構強烈振動表現(xiàn)出與水動力荷載類似的共振特點，圖14(c)為相應工況下閘門結(jié)構的振動響應時域過程。

原布置方案閘門水彈性模型在共振狀態(tài)下被破壞，模型實測最大振幅達到50 cm～100 cm。這種振動現(xiàn)象對工程安全構成嚴重威脅，必須采取有效措施予以解決。

2.2 平面有軌弧形雙開門

平面有軌弧形雙開門是一種比較適合于通航頻繁、河面通透、無障礙門型。平時閘門位于河道兩側(cè)的門庫，該型閘門實現(xiàn)了真正意義上的河道無障礙、視覺全通透的效果。但閘門關閉過程中其流場始終處于缺口溢流狀態(tài)，閘門結(jié)構在動水作用下產(chǎn)生強烈振動主要表現(xiàn)出整體扭轉(zhuǎn)振動振型。

常州鐘樓水閘在京杭運河上采用雙開門結(jié)構布置。模型試驗顯示，閘門運行過程中出現(xiàn)的強烈振動與閘門頭部體型和門體箱體液位密切相關，部分典型水位時門體箱內(nèi)液位與強振狀態(tài)具有如下規(guī)律：(1)上游水位5.98 m、下游水位4.7 m時，閘門出現(xiàn)強烈振動情況的門內(nèi)液位高度大致在3.56 m～3.60 m狀態(tài)；(2)H上=5.98 m、H下=4.3 m時門內(nèi)水位大致在3.22 m～3.24 m左右；(3)H上=5.38 m、H下=3.7 m時，閘門出現(xiàn)強烈振動情況的門內(nèi)水位大致在2.38 m～2.44 m狀態(tài)；(4)H上=5.38 m、H下=4.3 m時門內(nèi)水位大致在2.88 m～2.96 m左右。圖15～圖17繪出了閘門結(jié)構出現(xiàn)強烈震動的時域過程和功率譜密度曲線。出現(xiàn)強烈振動的后果是導致閘門底軌沖擊而破壞，閘門結(jié)構的強烈振動的形式表現(xiàn)為結(jié)構系統(tǒng)的整體扭轉(zhuǎn)共振，這是必須嚴格控制和避免的。

圖14排水發(fā)生共振工況典型測點脈動振動時域過程

圖15 典型閘門振動加速度時域過程圖

圖16 閘門發(fā)生強烈振動時振動功率譜密度

圖17閘門發(fā)生強烈振動時閘門振動加速度時頻分析

2.3 拱形桁架式結(jié)構的流激振動特征

該型閘門適合于閘門受到雙向水流動力作用的情況，尤其適合于涌潮等沖擊荷載作用的惡劣環(huán)境。曹娥江大閘采用該類門型，具有正向擋水泄流、反向擋潮的特點。閘門流激振動試驗成果指出，閘門結(jié)構在錢塘江涌潮沖擊產(chǎn)生較大振動響應，這是由于涌潮對胸墻和閘門結(jié)構產(chǎn)生沖擊作用的緣故。當錢塘江水位0.7 m、涌潮最大高度6.04 m時，涌潮最大速度達到6.25 m/s時，實測胸墻的涌潮沖擊壓力最大值約127.76 kPa，閘門沖擊壓力最大值為82.24 kPa，這比一般水動力荷載要大得多，這為工程結(jié)構的動力設計給出了動荷載取值依據(jù)。

涌潮沖擊荷載隨錢塘江水位升高和流速增加表現(xiàn)出增長趨勢，閘門振動量也隨之增加。而且斜向沖擊的涌潮荷載比水平?jīng)_擊為大。比如，當閘門受到的潮高3.5 m和潮速6.4 m/s的涌潮打擊時，閘門順流向、垂向及橫向三個方向的最大振動量分別達到11.62 m/s2、8.52 m/s2及5.97 m/s2。若涌潮高度和速度進一步加大至3.75 m和7.86 m/s時，閘門順流向振動量增加至13.89 m/s2。涌潮沖擊時作用于閘室底板的動水壓力、閘門結(jié)構振動加速度以及振動位移過程線見圖18～圖20，反映了涌潮對閘門結(jié)構的沖擊振動特征。

2.4 大型底軸驅(qū)動式翻板門的流激振動特征

該型閘門流激振動具有如下特征：

(1) 若門頂溢流時水舌摻氣不暢引發(fā)閘門的強烈振動。

(2) 閘室底板布置不當導致水動力荷載作用下的動力失穩(wěn)(見圖21)。此外還存在泥沙淤積問題。

圖18 涌潮高度5.0 m潮頭流速6.08 m/s情況下

圖19 典型涌潮荷載作用下閘門振動加速度時域過程

圖20 涌潮高度5.0 m、潮頭流速6.08 m/s情況下

圖21閘室底板消力池失穩(wěn)

2.5 大型立柱式旋轉(zhuǎn)閘門的流激振動特征

該型閘門在調(diào)節(jié)小門開啟泄流時，閘室內(nèi)水流較亂，紊動性較大(見圖22)。模型試驗中曾出現(xiàn)立柱動力失穩(wěn)斷裂的現(xiàn)象。這是在工程設計初期立柱結(jié)構僅考慮靜水荷載沒有考慮動水脈動荷載作用的緣故。此外模型試驗還獲得了小門全關、開啟大門泄流比小門全開、開啟大門所引起的閘門結(jié)構振動量要大得多的重要規(guī)律，典型振動特征見圖23。

3 閘門結(jié)構的振動控制研究

閘門結(jié)構的振動控制是水閘工程的重要安全目標之一。根據(jù)工程重要性和建設規(guī)模，一般重要工程均需通過閘門水力學和水彈性振動模型試驗進行科學試驗和論證，尋找存在問題，提出抗振優(yōu)化措施。

圖22 柱式旋轉(zhuǎn)閘門閘室流態(tài)

圖23立柱式旋轉(zhuǎn)閘門振動特征圖

3.1 閘門水彈性振動試驗基本理論與方法

大跨度特型閘門一般結(jié)構布置區(qū)別于常規(guī)設計，出流方式也有所不同，由此產(chǎn)生的水動力荷載特征也各不相同，誘發(fā)的閘門振動類型也各異。因此必須在遵循水彈性振動相似率基礎上進行閘門結(jié)構的水彈性模型的專項設計和制作，使之符合模型對原型閘門的振動預測要求。

動水作用下閘門結(jié)構的振動滿足如下運動方程：

{F}={F1}+{F2}

(1)

鑒于閘門流激振動模型試驗通常在水介質(zhì)中進行，閘門水彈性模型的制作需要同時滿足以下參數(shù)的相似性要求：幾何尺寸、質(zhì)量密度、阻尼、彈性模量、水流動力等參數(shù)。根據(jù)相似原理可獲得如下參數(shù)的相似比尺：幾何尺寸：Lr，應工程流體和模型流體均為水，則流固兩相的質(zhì)量密度比尺：ρr=1，由此推得材料彈模：Er=Lr，泊松比：μr=1，阻尼：Cr=Lr2.5或阻尼系數(shù)ξr=1。根據(jù)相似比尺要求，無法從市場上配置相關模型的型材，必須專門研制。該特種模型材料通過重金屬粉、高分子材料等進行專門配置，并進行力學性能測試，通過反復調(diào)整最終得到實現(xiàn)模型相似率要求的特種水彈性振動材料，并精密制作閘門水彈性振動試驗模型，該模型可實現(xiàn)對未來閘門運行時流激振動響應特性的正確預報。

3.2 閘門結(jié)構振動特性的數(shù)值模擬

閘門結(jié)構振動的數(shù)值模擬是結(jié)構流激振動研究的一種輔助手段，可以對振動模型試驗成果起到完善補充的作用。振動特性數(shù)值模擬分析包括結(jié)構固有特性分析和流激振動響應兩個組成部分，其中結(jié)構的動力特性包含固有頻率、振型等參數(shù)，是結(jié)構動力分析的基礎數(shù)據(jù)，流固耦合對結(jié)構動力特性的的影響是不可忽視的重要內(nèi)容，對水體對閘門的影響進行研究，以掌握其動力性態(tài)，為結(jié)構共振分析提供依據(jù)。

3.2.1 閘門結(jié)構的流固耦合自振特性分析

實際工程運行時，閘門結(jié)構始終處于動水作用之中，其動力性態(tài)受到較大改變，直接影響結(jié)構的固有頻率和振型等自振特性參數(shù)，這種流固耦合自振特性可用下式計算：

(2)

式中：[Mp]=[S][D][T]為流體附加質(zhì)量矩陣。計算分析時可簡化為如下特征值問題：

[K]{Φi}=λi[Mp]{Φi}

(3)

對上式進行分析計算可獲的結(jié)構自振頻率及相應階次的振型。

3.2.2 閘門結(jié)構的動力響應特性分析

閘門運行過程中的振動形態(tài)、性質(zhì)與水動力荷載作用型式密切相關，主要受控于水流作用荷載在頻域的分布特征和量級。作用力一般有水流脈動壓力荷載、水汽兩相沖擊性荷載、空化空蝕沖擊荷載、水封漏水產(chǎn)生的自激振動荷載以及涌潮沖擊荷載等等。在通過模型試驗完整取得水動力荷載和結(jié)構振動模態(tài)參數(shù)后，可通過數(shù)值模擬分析考查結(jié)構的振動響應。

結(jié)構振動響應與外動力作用荷載的關系可用下式表示：

(4)

經(jīng)推導運算可得閘門結(jié)構上任意一點k的位移響應隨時間的變化過程：

(5)

式中：q為模態(tài)階次，n為結(jié)構自由度數(shù)，則相應點的振動位移自相關函數(shù)Ruk為：

(6)

相應的位移譜密度在對上式進行付氏變換后獲得：

(7)

(8)

3.3 閘門結(jié)構的抗振優(yōu)化方法

鑒于閘門結(jié)構振動響應受控于水動力荷載作用特征以及結(jié)構的固有特性，調(diào)整泄水道體型、改善閘門結(jié)構的過流邊界、控制水動力荷載量級是抑制產(chǎn)生強烈閘門振動的主動措施，但在水動力荷載特性無法改變時,對閘門結(jié)構的動力特性進行調(diào)整和優(yōu)化，使之避開水流脈動壓力的高能區(qū)，也能起到重要的控振或減振作用。

工程運行實踐表明，閘門結(jié)構發(fā)生強烈振動的根本原因與泄水運行時作用于門體的水動力荷載與結(jié)構固有特性緊密相關。因此有效控制閘門振動的措施應當圍繞降低水流作用荷載和調(diào)整結(jié)構動力特征參數(shù)兩個方面進行。若工程布置無法改變流道體型和作用于閘門的水動力狀況，則調(diào)整結(jié)構模態(tài)動力參數(shù)成為重要選擇因素。

閘門結(jié)構振動模態(tài)參數(shù)包括固有頻率、結(jié)構振型、阻尼及其剛度質(zhì)量等。這些參數(shù)由系統(tǒng)傳遞函數(shù)(式(9))確定，并由式(8)分析計算水動力荷載作用下的動力響應。

(9)

對于弧形閘門而言，動態(tài)優(yōu)化的方向是要有效避免結(jié)構共振以及支臂的動力失穩(wěn)?？梢圆扇〉拇胧┌ㄕ{(diào)整結(jié)構的動力特性，減小振動量，避免結(jié)構應疲勞損傷而破壞；增強支臂抗彎剛度，避免支臂動力失穩(wěn)；選擇合理的止水體型、提高材料性能，確保安裝精度，嚴防止水發(fā)生有害自激振動等。采用靈敏度分析技術可以改變結(jié)構修改的盲目性，正確獲得結(jié)構動態(tài)薄弱環(huán)節(jié)，明確修改方向。模態(tài)參數(shù)靈敏度可以給出結(jié)構參數(shù)改變對振動模態(tài)參數(shù)的影響程度，參數(shù)間的影響關系由下式表示：

(10)

(11)

由此可對原結(jié)構進行動態(tài)修改，調(diào)整后的結(jié)構運動方程如下：

(12)

式中：M、C、K為原結(jié)構質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣；ΔM,ΔC,ΔK為質(zhì)量、阻尼及剛度的修改量。對式(12)作坐標和傅氏變換并進行系列運算可得：

(13)

其中

(14)

式中:W為結(jié)構系統(tǒng)的特征向量；A、B、D為修改調(diào)整后結(jié)構的振動模態(tài)參數(shù)。

3.4 結(jié)構控振措施及其效果

閘門結(jié)構的流激振動強度取決于水動力荷載作用量級和頻域的能量分布以及閘門結(jié)構的動力特性，以及兩者的耦合作用。因此，閘門結(jié)構的振動控制首先需要從水動力荷載振源作為主要控制手段進行源頭上的體型調(diào)整，以削弱強烈振動荷載的量級，其次對閘門結(jié)構的動力特性進行針對性優(yōu)化，使之避免產(chǎn)生結(jié)構共振。

3.4.1 泄水道和閘門結(jié)構體型的修改優(yōu)化

某工程水閘采用上翻式拱形閘門，結(jié)構在部分運行工況下出現(xiàn)強烈共振現(xiàn)象，最大振幅達到50 cm以上，嚴重威脅工程運行安全。模型試驗發(fā)現(xiàn)原設計閘門底緣雖然滿足規(guī)范傾角要求，但底緣下方出現(xiàn)不穩(wěn)定貼附的低頻大尺度漩渦，是造成閘門產(chǎn)生強烈震動的基本振源。鑒此，對閘門結(jié)構的底緣體型進行系列優(yōu)化調(diào)整(見圖24(a))，最終取得優(yōu)化推薦方案(見圖24(b))。該布置方案在任何運行工況下均未發(fā)現(xiàn)閘門出現(xiàn)強烈振動現(xiàn)象；說明閘門的體型修改對不同上下游水位和運行開度具有良好的適應性，有效消除了閘門的共振源。

3.4.2 大跨度底軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)式翻板門的流激振動控制措施

工程運行經(jīng)驗和模型試驗結(jié)果表明，底軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)式臥倒門的水動力荷載主要源于門后負壓空腔的不穩(wěn)定動力作用和下泄水流的波動荷載，而在閘門溢流工況下，當門頂破水器不能正常工作時，水流由于門后存在密閉空腔，易形成振蕩水流，一方面引起閘后流態(tài)紊亂，另一方面對閘門產(chǎn)生不利的強烈動力作用。因此修改優(yōu)化工作主要從破除密閉空腔和摻氣的角度出發(fā)，使下泄水流下部空腔與大氣連通，消除負壓，從而使閘下出流穩(wěn)定，減少水流對閘門的不利動力作用。根據(jù)上述修改方向，同時兼顧施工簡便、造價、結(jié)構等方面的要求，除了在門頂增設破水器外，在側(cè)壁還應當增加通氣孔。

圖24閘門結(jié)構底緣修改布置方案

當門頂高度較高，門頂水頭較低的時候，設計合理的門頂破水器能夠起到摻氣作用。而在閘門下臥、進行局部開度下泄流運行時，門頂溢流水舌厚度增大，導致門頂破水器常常失效，因此需要在閘墩側(cè)墻上沿水舌軌跡線下緣可設置多道通氣孔進行接力補氣，可起到較好的摻氣和穩(wěn)定水流運動的作用，起到良好的振動控制效果。對于大型工程通氣孔的個數(shù)、位置和尺寸可通過模型試驗確定。

另外，水閘底板設計時需要注意其整體性，結(jié)構分縫力求避免門頂溢流水舌軌跡線的水動力荷載直接沖砸，從而導致動水壓力進入消力池底板，形成遠大于穩(wěn)定設計的底板上舉力，造成消力池底板的動力失穩(wěn)破壞。

3.4.3 涌潮沖擊荷載作用下的閘門流激振動控制措施

魚式平面桁架式閘門結(jié)構具有雙向擋水功能，閘門的流激振動作用荷載也具有涌潮沖擊和泄水壓力脈動特點。閘門結(jié)構瞬態(tài)響應分析結(jié)果指出：在給定的涌潮荷載作用下，沖擊作用20 ms時，在閘門拱形桁架結(jié)構末端出現(xiàn)最大應力值620 MPa，這是門體應力向拱端傳遞的結(jié)果；桁架拱形管外側(cè)應力明顯減小，約為160.0 MPa；門體中斷面沖擊振動位移最大值為20.37 mm。隨著涌潮沖擊時間的延長，振動應力和位移逐漸減小，當閘門經(jīng)受涌潮沖擊52 ms時，門體拱形圓管末端最大應力為455.0 MPa,但仍然嚴重超標；桁架弓形管外側(cè)結(jié)點應力194.0 MPa，門體最大位移值22.4 mm。計算結(jié)果指出，在設計涌潮沖擊荷載作用下，閘門局部區(qū)域存在集中應力問題，需要妥善處理，以免因疲勞損傷造成門體結(jié)構破壞。

根據(jù)閘門結(jié)構的上述存在問題，對結(jié)構進行如下針對性修改優(yōu)化，以適應強涌潮沖擊荷載的作用。將門體拱形桁架圓管末端聯(lián)接板厚度由原來的25 mm調(diào)整為40 mm，在矩形管xb1和方管xb2的聯(lián)接處增加加強斜板，增加弓形圓管未端斜肋板、立肋板、底肋板的厚度等。通過這些改善措施，閘門結(jié)構內(nèi)力變化得到很大程度上的優(yōu)化調(diào)整，最大涌潮沖擊應力下降至156 MPa，進入容許應力范圍之內(nèi)，優(yōu)化效果明顯。

3.4.4 大跨度平面弧形雙開門的流激振動控制措施

鑒于該型水閘體型設計的特殊性，水閘水力學及閘門流激振動試驗采用非恒定流控制方法考查閘門開啟或關閉條件下的振動情況，開發(fā)研制閘門結(jié)構幾何尺寸、彈性模量、質(zhì)量密度等參數(shù)符合全相似要求的閘門水彈性振動模型，為全面研究閘門結(jié)構的振動特性提供了完善的保障條件，并實現(xiàn)較好預報閘門結(jié)構流激振動特性的目標。

閘門結(jié)構流固耦合振動特性研究指出，在門葉箱體部分利用浮力作用，部分充水和支鉸約束條件下，該閘門結(jié)構的固有振動頻率較低，振動基頻僅為0.161 Hz，表現(xiàn)為門葉上下抖動變形；前四階振動頻率均在5 Hz以內(nèi)，其中二階振動模態(tài)為閘門整體切向轉(zhuǎn)動變形，對應模態(tài)頻率為0.203 Hz；門葉整體扭轉(zhuǎn)振動變形頻率為0.241 Hz，反映三階模態(tài)特征；閘門支臂的彎曲變形振動頻率2.6 Hz；其它模態(tài)均表現(xiàn)為支臂對稱、反對稱彎曲變形振動；支臂與門葉箱體組合彎曲振動頻率為4.72 Hz。整體上說該型閘門的振動頻率偏低，結(jié)構抗振問題需要高度重視。

原布置方案閘門整體流激振動振動試驗結(jié)果顯示，水閘門葉箱體的浮力利用對閘門結(jié)構的運行平穩(wěn)性有著顯著影響，過小的下壓力會導致閘門結(jié)構出現(xiàn)強烈振動。隨著箱內(nèi)液位的下降(降低下壓力)，閘門將出現(xiàn)強烈振動。當門葉箱體下壓力(導軌處)由100 t下降至60 t時閘門由平穩(wěn)啟閉向強烈振動轉(zhuǎn)化。發(fā)生強振的形態(tài)為閘門整體出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動，并誘發(fā)上下游水面強烈波動，模型振動峰值頻率集中在1.1 Hz～1.5 Hz范圍內(nèi)(原型值約為0.246 Hz～0.336 Hz)，造成模型底部導軌振毀、門體斷裂現(xiàn)象。若處理不好，這種閘門結(jié)構的強烈振動現(xiàn)象必將對閘門結(jié)構、軌道系統(tǒng)等造成嚴重破壞，這是閘門結(jié)構動力安全設計需要解決的關鍵技術問題。

根據(jù)該型閘門的存在問題，在閘門水彈性振動模型上對原布置閘門結(jié)構的水流流態(tài)、水流脈動壓力荷載特性、流激振動特性、門體液位與閘門強烈振動的關系等進行深入研究和分析，對支臂結(jié)構、閘門端部底緣布置體型等部位進行了調(diào)整修改，以優(yōu)化水動力作用條件，改善閘門結(jié)構動力特性。試驗結(jié)果指出，調(diào)整后的支臂振動基頻為3.35 Hz，表現(xiàn)為彎曲振動變形，比閘門原設計方案的支臂基頻提高28%，對減小結(jié)構振動量有利。此外調(diào)整優(yōu)化后的閘門結(jié)構振動量較有明顯下降趨勢，約為原方案振動量的38%～63%；閘門端部的振動量值較原方案顯著減??；出現(xiàn)強烈振動的門體箱內(nèi)液也比原設計方案要低，說明推薦修改方案水動力、結(jié)構振動特性以及抗振性能等均比原方案優(yōu)越，抗振優(yōu)化效果明顯。

3.4.5 大型立柱式旋轉(zhuǎn)閘門的流激振動控制措施

立柱式旋轉(zhuǎn)閘門的流動形態(tài)具有如下特征：上、下游小門全關，大閘門局部開啟泄流時，水流經(jīng)上游孔口進入，圍繞閘門圓弧方向呈月牙狀向下游孔口宣泄，閘室后半部橫向流速較大，水流波動旋轉(zhuǎn)態(tài)勢增強。上游小門全開、下游小門局部開啟，隨著閘門開度的減小流量相應減小，閘室水位抬升，閘下落差增大，閘室水流平穩(wěn)，閘門支臂及支鉸承受的沖擊力減弱；隨著閘門開度的增大下泄流量增加，閘室水位降低，上游落差增大，閘室水流沖擊增強，流態(tài)紊亂；特別是下游小門全開，上游小門局部開啟運行時，閘室內(nèi)水深減小，流速增大，水流沖擊閘門支臂及立柱及支鉸現(xiàn)象突出，對閘門安全運行不利。模型試驗過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過立柱斷裂現(xiàn)象。因此，對于該類立柱式旋轉(zhuǎn)閘門的動力安全需要高度重視作用于立柱結(jié)構的水動力荷載，這不是一般設計規(guī)范的動力系數(shù)可以確定的，部分動荷載具有沖擊荷載特征。

模型試驗成果指出，對實測脈動壓力的均方根值，再考慮三倍均方根值計算獲得的最大值(即按均方根值計算3σ總荷載)作為立柱動力作用荷載的設計荷載，對確保立柱結(jié)構動力安全的是必要的，原型觀測結(jié)果證明也是安全可靠的。另外制定合理的運行操作規(guī)程也可較好控制最大水動力荷載的作用能量，比如大門開啟前首先開啟小門；大門關閉、小門開啟時可考慮上游小門全開、下游部分開啟等方式均對減小水動力荷載作用，控制閘門振動量具有較好效果。

4 結(jié) 語

近年來我國大跨度特型閘門的開發(fā)和應用速度迅猛，但也存在各種各樣的問題，特別是由于閘門跨度大，結(jié)構剛度和流激振動問題比較突出，需要認真對待。通過若干典型水閘工程的系統(tǒng)水彈性振動模型試驗研究，取得如下結(jié)論：

(1) 為確保閘門結(jié)構不產(chǎn)生強振破壞，首先需要解決閘門結(jié)構的水動力荷載的控制，因為導致產(chǎn)生閘門強烈振動的基本誘因是作用于閘門結(jié)構的不利水動力荷載，而閘門結(jié)構的體型布置不當是引起特殊水動力作用荷載的重要原因。

(2) 閘門結(jié)構的強烈振動與結(jié)構動力特性密切相關。通過優(yōu)化閘門結(jié)構的動力特性，避免閘門結(jié)構出現(xiàn)共振狀態(tài)，有效控制振幅，避免結(jié)構出現(xiàn)大幅度共振現(xiàn)象，是重要控振手段之一。

(3) 妥善解決結(jié)構應力集中問題。由于閘門結(jié)構是水利水電工程泄流量調(diào)節(jié)的主要“動部件”，而大跨度特型閘門的結(jié)構強度和剛度相對較弱，且經(jīng)常遭遇特殊動力荷載的作用，許多情況需要在局部開啟條件下運行，結(jié)構重要受力部位的應力集中和超標會加速結(jié)構的疲勞損傷和破壞，需要通過結(jié)構的優(yōu)化設計進行妥善處理。

(4) 在做好閘門結(jié)構的動力安全問題外，還需考慮水工結(jié)構的穩(wěn)定和安全，包括與閘門布置有關的閘室消力池結(jié)構的穩(wěn)定。

(5) 對于建于強感潮河段的擋潮閘工程，除還應認真對待擋潮閘泥沙淤積問題，不僅需要搞清泥沙輸送規(guī)律，更需采取針對性的閘門防淤積措施，避免閘門由于閘區(qū)泥沙的過度淤積導致閘門無法有效啟閉操作，確保閘門結(jié)構的運行安全。

鑒于不同門型所誘發(fā)的水動力荷載方式不同，閘門結(jié)構的動力特性有其各自的特殊性，最終引發(fā)的閘門強烈振動有其特定“個性”，因此需要針對具體工程結(jié)構體型設計和運行方式，開展系統(tǒng)的閘門水力學及流激振動與動態(tài)優(yōu)化設計研究工作，并在此基礎上，進行研究總結(jié)，積累經(jīng)驗，為今后類似大跨度閘門的動力安全設計及水閘工程的建設提供技術支撐。