水工钢闸门振动频率检测技术研究

张建球，廖家艳，唐巾评

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



水工钢闸门振动频率检测技术研究

张建球，廖家艳，唐巾评

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

张建球(1987—)，硕士，助理工程师，主要从事水运工程结构检测、评估与加固设计工作;

廖家艳(1992—)，助理工程师，主要从事试验检测、试验检测档案管理等相关工作;

唐巾评(1988—)，硕士，助理工程师，主要从事水运工程结构检测、安全生产评估工作。

摘要：准确掌握钢闸门的动态特性参数，是分析其因结构破坏而出现振动现象的关键。文章根据现场检测，从测点布置、检测方法、振动方向及闸门前后水头差等方面分析水工钢闸门自振特性的规律，探讨水工钢闸门振动频率检测技术。

关键词：水工闸门；振动频率；激振法；频谱；水流脉动；检测技术

0引言

水工钢闸门从门型特点分类约有几十余种，在我国水运工程建设中，弧形钢闸门和平面钢闸门是常用的型式。水工钢闸门在正常运行过程中，由于自身结构动力特性，闸门在水动力荷载作用下会出现振动现象。钢闸门振动会使材料疲劳，长久的振动将致使水工结构损坏，闸门支撑失稳，甚至丧失其设计功能。因此，应准确掌握钢闸门的动态特性参数，探明闸门自振特性的规律，以解决闸门因振动病害问题，为闸门的维修加固提供科学的依据。文章根据现场检测情况，从测点布置、检测方法、振动方向及闸门前后水头差等方面对比闸门振动频率检测的影响进行探讨。

1闸门频率测试理论

1.1　闸门自振特性

闸门结构的自振特性是闸门振动现象研究的主要内容，是分析闸门结构对激励动态的响应和结构其他动力特性的基础。结构自振的动力方程为：

点加速度向量；

M——闸门的质量矩阵；

C——整体阻尼矩阵；

K——整体刚度矩阵；

F(t)——结点荷载向量。

令F(t)=0，则式(1)可简化为闸门的自由振动方程。由于阻尼作用对闸门自振特性影响较小，故在解答其自振特性时，通常可不考虑阻尼因素。因此可得闸门的无阻尼自由振动方程：

(2)

假设闸门自由振动，其质点的振动为简弦，则各质点的振幅可为：

δ=δ0cos(ωt)

(3)

式中：δ0——结点振幅列阵，即振型；

ω——与该振型对应的频率。

将式(3)代入式(2)，可导出广义特征方程：

(K-ω2M)×δ0=0

(4)

因结构为自由振动，其振幅位移有非0值，故式(4)的系数行列式必须为0，于是求解结构自振频率的方程可表示为：

|K-ω2M|=0

(5)

可见式(5)称为特征方程数学式，由于K(结构的劲度矩阵)和M(质量矩阵)都是n阶的方阵，因此式(5)是关于ω2的n次代数式。式(5)求解出的n个特征值可表示为：

(6)

1.2　测试方法

2振动特性检测结果与分析

本次闸门结构振动信号检测仪选用北京东方振动和噪声技术研究所研制的941B型超低频测振仪，数据选用INV306智能信号采集系统采集及分析。

本次检测共选取7扇刚安装完成投入运行的水工钢闸门，其中3扇为设计参数相同的弧形水工钢闸门，尺寸为：21.97 m×16.00 m(宽×高)，半径20.00 m；其余4扇为人字水工钢闸门，1#人字门尺寸：23.00 m×13.02 m(宽×高)，2#人字门尺寸：23.00 m×23.32 m(宽×高)，3#人字门尺寸：34.00 m×18.58 m(宽×高)，4#人字门尺寸：34.00 m×31.60 m(宽×高)。由于文章篇幅限制，本文仅列出4#人字门和1#、2#弧形门自振频率测试结果(见表1~4)。

表1　4#人字钢闸门1#横梁自振频率测试结果表(Hz)

备注：列述频率为实测结果的前三个频率，下同。

表2　4#人字钢闸门2#横梁自振频率测试结果表(Hz)

表3　4#人字钢闸门3#横梁自振频率测试结果表(Hz)

表4　弧形门自振频率测试结果表(Hz)

2.1　测点布置

钢闸门门体是通过将各梁、板焊接及背拉杆预应力连接的整体。闸门不同结构及相同结构不同点的振动频率变化关系在以往研究中未有详细阐述，数值计算倾向于将闸门视为整体计算门体振动频率，而现场测试倾向于分结构测试振动频率。文章在人字门上选取3根横梁的左、中、右(顺水流方向)的3个点共9个点，在弧形门上选取上主横梁均匀间距的4个点采集数据分析闸门测点布置与振动频率的关系。

观察本次现场测试结果发现，人字闸门相同钢横梁不同位置的振动响应相差较小，而弧形门响应相差较大。文章认为此次试验的弧形钢闸门相应阶的固有频率较人字闸门大，弧形闸门的刚度比人字闸门较大；同时弧形闸门单面积受水压脉动作用和来自支撑结构及大地激励作用较人字闸门大，所以布置测试点对外界荷载的振动响应较敏感。

2.2　测试方法

上文已论述闸门振动频率检测方法主要有锤击激振法、脉动法和共振法。文章选用锤击激振法、脉动法两种方法测试闸门振动频率，从振幅、信号响应等方面比较两种方法的适用性，见图1。

图1　测量和分析系统示意图

两种测试方法对人字闸门的适用性分析：人字闸门在脉动法测试中对大地及静水压脉动响应非常小，拾振器水平向测试的频谱纵向结果基本水平，难以分析其频谱；拾振器铅锤向测试结果稍好，但响应不稳定。人字闸门在激振法测试中对锤击响应明显，采集的波形稳定清晰，频谱分析数据规律性较好。

两种测试方法对弧形门的适用性分析：拾振器水平向在两种测试方法中的频谱分析结果相差较小，同时静水脉动与动水脉动的测试频谱分析结果基本相同；拾振器铅锤向在激振法测试中分析的相同阶结果比脉动法的稍微偏大，在闸门有开度时最为明显。

本文发现激振法测试前选取的锤击频率对结构振动响应影响较大，本次测试锤击周期分别选取了1 s、3 s、5 s、8 s、10 s、15 s。从采集的波形及频谱分析比较，在周期为5~10 s时，测试结果较为满意。

2.3　振动信号方向

结构在各方向均有振动，根据闸门的形状及结构特点，其主要振动方向为竖向和铅锤向。本文在相同的测点同时布置安装水平向和铅垂向的拾振器，探讨分析平行和垂直于各构件的振动频率情况。

根据本次测试，人字闸门铅锤向振幅值与频谱分析结果与水平向有一定差别，在脉动法测试中相差较为明显，而弧形闸门在两个方向频谱数据相差较小。本文认为闸门不同方向的频谱是不同的，弧形门频谱之所以相差较小，是因为在检测时由于开度及弧形门的结构特点，弧形门的上横梁表面不是严格水平，而是有一定的倾斜角度。

2.4　作用水头

根据流体力学，水流脉动压力频率区间一般在1~20 Hz之间，已有研究通过数值计算分析闸门固有频谱受闸门上下游水位的影响，认为水位差增加时，其固有频率会随着增加。

根据本次测试结果，人字闸门和弧形闸门的频谱分析均未发现此类现象，并且在闭门与闸门有开度的两种工况下，弧形门的频谱分析纵向轴形状相似程度非常高。

图2　1#弧形门0.9 m开度频率分析图

3结语

(1)本文详细论述了7扇钢闸门的现场振动频率检测情况，并从不同的检测点、不同的检测方法、不同振动方向及闸门前不同作用水头的四个方面分析水工钢闸门自振特性的规律。

(2)本文认为检测时在对钢闸门的振动节点不清楚的情况下，应在相同构件上不同位置布置拾振器，特别是体积较小的钢闸门，这样才能更好地测试到构件的不同阶频率。

(3)由于体积较大及外界脉冲作用有限，脉动法在人字闸门测试中不适用，本文认为人字闸门应使用激振法测试其振动频率；两种方法检测弧形闸门振动频率的结果差异不大，但相互补充作用较明显，建议在检测闸门多阶频率时，可同时采用两种方法。

(4)通过检测结果发现钢闸门振动信号的不同方向具有不同的频谱，建议检测过程中根据闸门结构特点及检测目的布置不同向的拾振器。本次检测时发现闸门上下游作用水头差对频谱影响不大，建议与本次检测工作类似闸门的振动频率测试可不考虑作用水头差的工况。

参考文献

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Research on Detection Technology of Hydraulic Steel Gate Vibration Frequency

ZHANG Jian-qiu，LIAO Jia-yan，TANG Jin-ping

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：To accurately grasp the dynamic characteristic parameters of steel gates is the key to analyze its vibration phenomenon caused due to structural damage.According to field testing，this article analyzed the vibration characteristics regularity of hydraulic steel gate from the measuring point layout，detection methods，vibration direction，water head difference before and after the gate and other aspects，and discussed the vi-bration frequency detection technology of hydraulic steel gate.

Keywords：Hydraulic gates； Vibration frequency； Excitation method； Spectrum； Flow fluctuating； Detection technology

收稿日期：2015-05-04

文章编号：1673-4874(2015)05-0091-04

中图分类号：U665.26

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.025

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