柳江红花二线船闸阀门结构受力与自振特性分析

蒋春钢　方爱华　傅陆志丹　 向茂铭　严瑞昕

摘要：红花二线船闸工作水头高，闸室规模大。文章针对高水头阀门结构设计要求，通过建立红花船闸阀门三维有限元模型，对阀门在挡水、启门、动水闭门工况下的受力变形特性开展空间三维结构受力分析。同时，为保障高水头阀门安全运行，采用数值模拟方法对阀门结构的自振特性进行研究。研究结果表明，各工况下，阀门变形总体较小，数值计算获得的阀门前几阶模态频率较高，满足结构抗震设计要求，红花二线船闸阀门结构设计总体合理。

关键词：船闸;反弧门;结构受力;自振特性

0 引言

红花水利枢纽二线船闸工程为首批西江黄金水道建设项目，闸室规模大，有效尺度为280 m×34 m×5.8 m（长×宽×门槛最小水深），最大工作水头为

20.81 m，设计水头及相关水力指标均居于国内前列，是典型的高水头阀门[1]。针对此类高水头阀门，在结构设计时应满足强度、刚度和稳定性要求。此外，高水头阀门的流激振动特性关系其安全平稳运行，而阀门结构的自振特性是振动的内因，要求基频尽量脱离水流激励的高能区，以免发生共振或剧烈振动[2]。考虑到船闸的性能优劣将直接影响柳江的航运能否畅通，航运地位十分重要，因此，需对阀门的结构受力和自振特性进行研究，以确保船闸的安全高效运行。

1 阀门结构布置

红花二线船闸最大工作水头为20.81 m（上游正常蓄水位为77.50 m，下游最低通航水位为56.69 m），属于典型的高水头船闸，输水系统工作阀门采用反弧门，阀门段孔口尺寸为4.5 m×6 m（宽×高），阀门结构布置见下页图1。阀门结构设计延续了以三峡为代表性的双面板支臂全包的反弧门结构形式。红花二

线阀门外面板半径为8.5 m，吊耳中心到底板距离为6.75 m，支铰中心到底板距离为7.4 m，摆杆长度为11.0 m，结构总体布置满足闸阀门设计规范要求。门体考虑其他附件，总重约为73.5 t，另配11 t混凝土配重。根据闸阀门设计规范，容许应力调整系数取0.9，钢材抗拉、抗压和抗弯容许应力为220 MPa，则阀门主要构件的容许应力取值为198 MPa（钢材容许应力×调整系数）。

2 阀门结构受力分析

2.1 阀门有限元模型及计算方法

建立红花阀门三维有限元模型，模型除钢结构外还有混凝土配重，各部分结构均按设计精确模拟。坐标系：X[WTBZ]轴为顺水流向，下游面板外法向为正;Y[WTBZ]轴为竖直向，向上为正;Z[WTBZ]轴为横向，向右侧为正。模型采用四面体实体单元离散，单元总数为339 821，节点总数为670 715，阀门有限元模型见图2。

计算中钢材弹性模量取200 GPa，泊松比0.30，密度7 850 kg/m 3;混凝土弹性模量取30 GPa，泊松比0.18，密度2 300 kg/m 3。

静力分析包括最大工作水头条件下擋水、启门、动水闭门工况，混凝土配重不考虑其与钢结构的粘结作用，仅考虑其质量。具体工况如下：

（1）挡水工况：最大工作水头（上游水位77.50 m，下游水位56.69 m）+阀门自重;阀门底止水向上约束。

（2）启门工况：最大工作水头（上游水位77.50 m，下游水位56.69 m）+阀门自重;吊耳施加竖直向约束，阀门底缘无约束。

（3）动水闭门工况：1.8倍设计荷载+阀门自重;吊耳施加竖直向约束，阀门底缘无约束。

2.2 挡水工况受力变形

阀门正常挡水工况下，总体变形见图3，在静水荷载作用下，阀门总体向下游变形，其中，面板沿下游方向变形量较大且较为均匀。阀门变形位移呈对称分布，在梁格中心的面板位置位移较大，最大位移为0.98 mm，出现在下游阀门顶部第六、七横梁之间面板内;支臂位移总体较小，在0.8 mm以内。正常挡水工况下，阀门变形较小。

阀门结构等效应力云图见图4。阀门在最大工作水头静水荷载作用下，整体结构等效应力最大值为69.7 MPa，出现左支臂开孔位置处，为应力集中。总体上看，阀门应力水平较低，结构较强。

2.3 启门工况受力变形

在吊杆拉力、最大工作水头及自重作用下，阀门处于刚开启状态，底缘不受约束，该工况阀门变形及位移云图见图5。阀门最大位移为1.13 mm，出现在阀门底缘中心位置。

按第四强度理论计算阀门等效应力，阀门整体应力云图见图6。可以看出，阀门等效应力最大值为72 MPa，出现在右侧支臂开孔位置，同样为应力集中。面板应力明显较小，在10 MPa左右。

2.4 动水闭门工况受力变形

在自重1.8倍静水压力及吊杆拉力作用下，阀门处于刚开启状态，有限元计算得到的阀门变形及位移云图见下页图7。可以看出，阀门总体位移分布规律同启门工况一致，最大位移为2.04 mm。总体上看，阀门位移不大，而且1.8的水动力荷载系数偏安全（阀门常压模型在阀门没有安装侧止水及顶止水的情况下，试验获得的系数约1.13[3]）。

阀门等效应力云图见下页图8，阀门最大等效应力为125.6 MPa，出现在右侧支臂开孔位置，属于应力集中。面板应力水平较低，在30 MPa内。

从阀门各种工况受力分析可以看出，结构设计总体合理。

3 阀门自振特性分析

3.1 计算方法

有限元数值模拟是目前结构自振特性分析的主要手段之一，本文采用以反幂法为基础的直接滤频法来计算阀门的自振频率和振型，这个算法在求解少数几个最低频率和振型时具有收敛速度快、存贮小的优点。

在实际工程中，阻尼对结构自振频率和振型的影响很小，可忽略阻尼力。由动力平衡方程可得到无阻尼的自由振动方程：

此时，以反幂法为基础的直接滤频法是一种简便而有效的方法。直接滤频法求第r+1个特征值的滤项方程为：

3.2 阀门门体自振特性

开展阀门门体自振特性分析，从吊耳是否约束来反映吊杆对门体的影响：当吊耳无约束时，即忽略了吊杆对门体的约束作用，单独从门体来说，其自振频率偏低;当吊耳采用固定约束，其约束作用强于吊杆对其实际的约束作用，其自振频率偏高，因此，吊杆影响下门体的自振频率介于两种约束条件之间。

自振特性计算分析均为空气中的干模态，不考虑水体的影响。计算有配重和无配重状态下阀门前七阶自振特性参数见表1。

可以看出，无配重阀门门体第一阶频率为12.435 Hz，面板以吊点为旋转中心的转动;有配重阀门门体第一阶频率为10.264 Hz，较无配重阀门一阶振频有所下降，振型同样为面板以吊点为旋转中心的转动。无配重与有配重的阀门基频高于水流脉动压力的高能区（3 Hz内），不会发生共振或剧烈振动。无配重与有配重二阶振型也基本一致，振频分别为40.705 Hz与39.858 Hz，表现面板以下面板为中心的转动变形。无配重与有配重阀门门体第三阶振型有所区别，无配重阀门振型为支臂对称左右摆动变形，有配重阀门振型为支臂对称左右摆动并伴有面板上下振动变形，其振频分别为47.092 Hz与46.126 Hz。

对于红花二线船闸阀门，数值计算获得阀门前几阶模态频率较高，满足结构抗震设计要求。

4 结语

本文通过三维有限元静动力数值分析，全面掌握了红花二线船闸反弧门的受力变形特性及自振特性，研究表明：

（1）在挡水、启门、动水闭门工况下，阀门变形总体较小，最大位移为

2.04 mm，出现在阀门面板底止水中心位置，阀门等效应力基本在100 MPa内，最大等效应力为125.6 MPa，出现在横梁与面板连接位置，属于应力集中。最大位移和应力均出现在按1.8动力系数考虑的动水闭门工况。

（2）动特性试验获得无配重与有配重阀门一阶模态频率分别为12.435 Hz与10.264 Hz，脱离水流激励高能区，在水流随机荷载作用下不会发生共振或剧烈振动。

（3）阀门结构设计总体合理。

参考文献：

[1]寧 武，宣国祥，祝 龙，等.柳江红花水利枢纽二线船闸工程下游水位调整后的输水系统布置及水力学模型试验研究[J].2017（10）：154-159.

[2]王 新，胡亚安，陆 阳，等.考虑门杆耦合效应的反弧门自振特性分析[J].水运工程，2016（12）：26-30.