北引渠首泄洪闸弧形工作门结构震动分析研究

常宗滨，吴 红

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 工程概况

北引渠首工程总体布置由土坝、泄洪闸、进水闸、预留船闸、溢流坝及固滩组成。泄洪闸位于嫩江主河槽枢纽轴线桩号2+473.5～2+697处，为平底板开敞式闸，共12孔，每孔净宽16 m，总净宽192 m，堰型采用宽顶堰，闸底板高程平河底高程为169.0 m。

泄洪闸弧形工作门闸门采用双主横梁斜支臂球型铰结构，弧门半径R=10.5 m，正常挡水高度H=7.2 m，用液压启闭机启闭，液压泵房设在墩顶处。工作门前设一道检修门。

2 有限元数学计算模型

本次分析对象为泄洪闸露顶式球型柱铰斜支臂弧形闸门。工作状态下孔口宽度为16.0 m，闸门高度为7.7 m，设计水头为7.7 m。

弧形闸门的有限元模型图如图1所示。

所建有限元模型共包括1 463个面，15 889个节点，16 306个单元，其中包括16 174个shell单元，132个beam188单元。整个有限元模型自由度数目为95 334。根据计算测得模型重量为48.607t。

3 闸门结构的动力特性分析

图1 弧形闸门有限元模型图

对该结构进行不同边界条件下的模态分析，可获知在不同工作状态下结构的振动频率和振动形态。本次分析共进行以下3种工况下结构模态分析。

3.1 闸门结构自由模态分析

该工况模型不施加任何约束条件，目的为计算结构自由状态下的固有频率和固有振型。

前6阶模态均为刚体模态，对应频率均为0，振型分别为沿3个坐标方向刚体平动和绕3个坐标轴的刚体转动。

3.2 仅考虑闸门支铰部位约束

对应边界条件为:释放支铰部位绕轴转动自由度。具体边界条件示意图如图2所示。

3.3 同时考虑闸门支铰部位约束和闸门面板二侧约束作用

对应的边界条件示意图如图3所示。

表1 前20阶模态分析结果

图2 释放支铰部位绕轴转动自由度边界条件示意图

4 闸门结构静力特性分析

4.1 闸门处于关闭状态、两侧无约束状态

闸门底缘支撑在地面上，门叶二侧按自由考虑。

在闸门上游面加静水压力荷载，设计水头7.7 m，靠近闸门底缘处压强为0.077 MPa。

荷载校核:

资料上提供数据为:水平总压力PS=4 743 kN;垂直水压力VS=2 859 kN。总水压力为P=6 646 kN。

图3 考虑支铰部位和闸门面板二侧约束状态边界条件示意图

图4 闸门面板上应力分布云图及具体数值图

通过计算从有限元模型上获取闸门支反力数值如下:

水平水压力FX=－0.45359E+07N=－4 536 kN，与资料数据之间误差为4.36%;垂直水压力FY=－0.26632E+07N=－2 663 kN，与资料数据之间误差为6.86%。其合力F=5259945N=5 260 kN，与5 538 kN数据之间误差为5%。

该工况下，闸门最大变形值为11.092 mm，位于闸门面板中上部。

最大von Mises应力值为156.283 MPa，位于闸门上主横梁与左侧支臂连接部位的加强板上。次高应力值为153.899 MPa，位于闸门上主横梁与右侧支臂连接部位的加强板上，与左侧对称分布。

接下来，闸门次高应力值为141.609 MPa，位于闸门面板与右侧支臂纵梁腹板交接之处，上下位置位于闸门上主横梁处。接下来，闸门次高应力值为141.555 MPa，位于闸门面板与左侧支臂纵梁腹板交接之处，上下位置位于闸门上主横梁处，与右侧为对称分布。

图4所示为面板上的应力分布云图及具体数值图，其上最大von Mises应力值为141.609 MPa。

4.2 闸门处于关闭、两侧考虑水封约束状态

该工况为闸门底缘支撑在地面上，门叶二侧按约束考虑。边界条件如图5所示。计算时，在4.1工况边界条件下增加门叶二侧平动自由度约束。

该工况下闸门最大变形值为10.354 mm，位于闸门面板中上部。

闸门最大von Mises应力值为150.882 MPa，次高应力值为149.175 MPa，对称分布于闸门上主横梁与左右侧支臂连接部位的加强板上。

接下来，闸门次高应力值为147.669 MPa和147.595 MPa，对称分布于闸门面板与左右侧支臂纵梁腹板交接之处，上下位置位于闸门上主横梁处。

图6所示为面板上的应力分布云图及具体数值图，其上最大von Mises应力值为147.669 MPa。

图5 门叶二侧按约束考虑边界条件示意图

图6 闸门面板上应力分布云图及具体数值图

5 结论与建议

1)通过对闸门进行两种边界条件下极限超高涌水工况静态分析，闸门最大变形值为11.092 mm，位于闸门面板中上部，最大应力值为156.283 MPa，位于闸门上主横梁与左侧支臂连接部位的加强板上。次高应力值为153.899 MPa，位于闸门上主横梁与右侧支臂连接部位的加强板上。主梁等主要受力部位的应力值一般在150 MPa以内。因此闸门结构最大应力和变形值均小于其许用应力和许用变形，满足结构强度和刚度要求;在正常工作状态下闸门结构是安全的。

2)闸门结构动力特性分析结果表明，边界约束条件对闸门结构动力特性有显著影响。闸门自由状态下，闸门结构的前三阶低频振动模态频率分别为2.1551 Hz，3.446 Hz及5.74 Hz，反映面板上部二角点的弯曲变形振动，支臂端点的横向弯曲振动变形。反映面板弯曲鼓胀和二个支臂端点的横向弯曲振动变形频率为21.173 Hz;当同时考虑支铰和面板二侧水封约束时，闸门结构的固有振动频率明显提高，前三阶振动模态频率上升为19.269 Hz、21.588 Hz及24.02 Hz。考虑流固耦合振动基频也在10 Hz左右。

3)根据工程经验，作用于闸门结构的水流脉动压力荷载的主能量一般分布在10 Hz之内的低频区，优势频率在5 Hz范围内，因此闸门结构在二侧水封约束良好状态下产生共振的可能性不大，目前的结构设计能够满足闸门的动力安全要求。

4)鉴于微小开度闸下出流不稳定容易引发闸门振动和引起溢流面空化空蚀破坏，因此建议避开20 cm以下的微小开度操作，此外在其它开度运行时若闸门出现强烈振动，应当避开在此开度下运行。并通过工程运行经验的积累，制定合理操作规程，以确保工程安全。

[1]朱壮瑞，常宗滨.北引渠首泄洪闸门结构分析报告[R].南京:东南大学机械学院，2009.