原型观测试验在泄洪闸门振动特性分析中的应用

蒲楠楠，柯亚唯

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 浙江 杭州 311122；2.华电电力科学研究院有限公司， 浙江 杭州 310030)

泄洪闸门振动涉及水流与闸门整体组成的流固耦合振动，是复杂的水力学问题，泄洪闸服役期间受环境激励，水流作用等因素影响，振动特性变化复杂[1-4]。目前，闸门动力特性研究方法有原型观测试验、数值仿真计算及物理模型试验等[5]，但数值仿真计算及物理模型试验均难以还原闸门实际运行中的真实振动情况。因此，为更全面掌握闸门实际运行中的动力特性，需要借助原型观测试验手段。

原型观测试验主要包括结构静力测试、动力特性测试、振动响应测试等项目。结构静力测试的目的是测得闸门主要受力部件应力情况，为闸门静态应力下结构刚度做出评价；动力特性测试应用模态分析技术，得到闸门结构自振频率、阻尼系数和振型等固有参数，从而获得闸门机械系统的动力特性；振动响应测试测得闸门不同开度下闸门振动位移、振动频率、动应力变化规律，对闸门启闭过程中安全运行进行评价[6-10]。

本文将利用原型观测试验方法，对泄洪闸弧形闸门动力特性进行分析评价，提出泄洪闸运行建议，降低运行风险。

1 工程概况

某工程水库以灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合效益。水库大坝为混凝土重力坝，大坝溢流表孔布置于大坝中部，安装5扇泄洪弧形闸门，闸门孔口尺寸为15.0 m×20.5 m(宽×高)，设计水头为20.30 m。泄洪闸门结构型式为三主横梁斜支臂弧形闸门，主框架为斜支臂π形框架。闸门门叶、主梁、次梁及支臂主材为Q345C，埋件主材为Q345B。

2 原型观测试验方法

2.1 闸门结构静力原型观测试验

结构应力测试采用传统的电阻应变测量方法，即通过粘贴在闸门受力构件上的电阻应变片获取信号，实现远距离监测[7]。

本次试验采用在检修闸门和泄洪闸门间充放水的方式模拟闸门从零水压到设计水位工况下挡水过程，泄洪闸应力变化情况。本次试验实际作用水头为19.21 m，接近设计水头。

结构静力试验测点布置在闸门结构典型的受力部位—支臂、面板、主梁、纵梁、边梁、腹板等部位，应力测点共39个。同时，应变测点布置在闸门主梁上，分别布置于上、中、下主梁3处。测点分布见图1、图2。

图1 支臂应力应变测点分布图

图2 闸门应力应变测点分布图

2.2 闸门动力特性原型观测试验

闸门动力特性测试主要包括闸门结构的自振频率、振型及其阻尼系数等基本参数测试[10-13]。由于本工程泄洪闸门体型庞大，常规的锤击法无法产生明显试验效果，本次试验采用外部工作环境激励法，通过关闭泄洪闸门，利用相邻闸孔泄流、闸前的波浪冲击作为荷载激励，获得泄洪闸固有特性。

闸门模态测试的测点布置充分遵循结构对称性原则，垂直水流水平方向模态测点共7个，测点布置支臂部位；水流方向模态测点共21个，测点按对称布置在门叶其中一侧。测点分布见图3。

图3 弧形闸门试验模态测点布置

2.3 闸门振动响应原型观测试验

闸门结构振动响应测试，测得闸门不同开度下振动情况，获得闸门振动位移、振动应力及振动加速度与闸门开度变化情况。本次闸门试验水头为20.13 m，闸门开度设定为每1.0 m一个开度，在振动能量较大区域，按0.5 m加密试验开度。

闸门振动响应测点主要布置在支臂及主梁上，振动应力测点同结构静力测点；振动响应测点同动力特性测点。

3 原型观测试验结果分析

3.1 闸门结构静力特性分析

如表1所示，在设计水头19.21 m工况下，泄洪闸由不挡水到挡水状态，测得支臂最大压应力106.3 MPa。中主梁翼板跨中部位拉应力84.3 MPa，面板中部拉应力114.3 MPa，各实测值及换算值均小于材料允许值(225 MPa)[14]。

表1 泄洪闸静态应力测试数据

如表2所示，支臂最大变形位移1.90 mm，平均变形位移1.86 mm；主梁跨中位移最大位移9.10 mm，平均变形位移8.80 mm，最大变形出现在下主梁跨中位置。按照线弹性变形，设计水头(20.30 m)下支臂最大变形位移2.01 mm，主梁跨中最大挠度值9.64 mm，小于最大挠度允许值(22 mm)[14]。

表2 泄洪闸静力变形测试数据

通过泄洪闸结构静力特性试验结果，泄洪闸在正常挡水工况，在结构自重及静水压力作用下，结构应力和变形值均满足设计要求，闸门结构的静态受力安全。

3.2 闸门结构动力特性分析

在泄洪闸结构动力特性原型观测试验的同时，进行了有限元模态分析，通过对泄洪闸在自由状态下模态分析，得出泄洪闸模态频率的计算结果见表3。

表3 泄洪闸固有频率分析结果

原型观测试验中，在泄洪闸挡水、邻孔闸门泄洪的工况下，试验测得泄洪闸自振频率及其阻尼比，并得到泄洪闸在实际运行中的基本振型。由于泄洪闸实际振动由前几阶振型发挥主导作用，本次分析选用闸门前6阶振型进行分析，见表4。

表4 泄洪闸整体工作模态测试数据

试验结果表明，泄洪闸的1、2阶振动频率为4.88 Hz和8.30 Hz，阻尼比在3.0～4.5之间，主振型表现为闸门整体扭翘振动(见图4—图5)；3阶振动频率为10.25 Hz，阻尼比为4.35，主振型表现为支臂横向弯曲振动(见图6)；4阶及以上振动频率则在20 Hz以上，阻尼比小于1.0，主振型表现为支臂横向弯曲振动(见图7—图9)。泄洪闸原型观测试验结果与动力特性有限元分析结果在前3阶较为吻合，高阶频率则出现较大差异，该差异主要为泄洪闸实体制造安装与设计结构之间的误差导致。

图4 泄洪闸1阶振型(门体扭翘振动)

图5 泄洪闸2阶振型(门体扭翘振动)

图6 泄洪闸3阶振型(支臂横向弯曲振动)

图7 泄洪闸4阶振型(支臂横向弯曲振动)

图8 泄洪闸5阶振型(支臂横向弯曲振动)

图9 泄洪闸6阶振型(支臂横向弯曲振动)

由于本工程泄洪闸门体体型庞大，结构刚度相对较小，门体结构基频低。泄洪闸前3阶自振频率接近及低于10 Hz，而水流脉动主频一般在10 Hz以下[15-17]，说明泄洪闸1～3阶振动易与水流脉动形成不利组合。

3.3 闸门振动响应试验结果分析

闸门结构动力特性分析，已得到闸门振动基频及主要振型。通过振动响应试验，可测得闸门在实际启闭过程中主要受力构件的动应力及振动响应规律，以分析闸门的安全可靠性。在本次振动响应试验中，试验水头稳定在20.13 m，综合各测点在不同开度下的振动特征参数及振动特性曲线，获得泄洪闸在泄流过程中振动趋势分析如下：

(1) 试验表明，泄洪闸的整体振动主要表现为侧向摆动。在开度2 m工况下，闸门门叶振动反应最大，侧向位移达到0.439 1 mm，均方根值为0.148 2 mm。根据美国阿肯色河通航枢纽中心提出的振动位移均方根值划分水工钢闸门振动强弱的标准，位移为0.000 0 mm～0.050 8 mm的振动可以忽略不计；位移为0.050 8 mm～0.254 0 mm的振动为微小；位移为0.254 0 mm～0.508 0 mm的振动为中等；位移大于0.508 0 mm的振动为严重。泄洪闸在全开度运行工况均属于微小等级以下振动，泄洪闸可安全运行。

(2) 泄洪闸结构振动加速度随开度变化关系显示(见图10—图13)，泄洪闸在开度0.0 m～14.0 m范围，闸门支臂及门叶结构振动加速度量值变化呈现小开度最大；随着开度的增加，振动量值逐渐减小；在接近全开时，振动量值略有回升的趋势。闸门下部振动明显强于上部振动。在0.0 m～4.0 m小开度，泄洪闸振动量最大，主频接近自振频率，最大振动量值出现在1.0 m开度闸门下主梁28#测点，加速度均方根最大值为0.712 m/s2；在4.0 m～8.0 m开度，泄洪闸振动量值逐渐减小，主频偏离自振频率；在9.0 m～14.0 m开度，泄洪闸振动量值逐渐回升。

图10 主梁振动加速度与开度关系曲线

图11 主梁振动加速度一阶主频与开度关系曲线

图12 支臂振动加速度与开度关系曲线

图13 支臂振动加速度一阶主频与开度关系曲线

(3) 泄洪闸结构振动位移随开度变化关系同样存在由大逐渐减小再回升的规律(见图14—图17)，闸门结构振动幅值呈现闸门在0.0 m～4.0 m小开度范围，振动幅值最大，一阶主频在5 Hz～7 Hz之间，接近闸门一阶自振频率。说明大能量水流脉动仅引起泄洪闸的受迫振动，并未产生共振现象。

图14 主梁振动位移与开度关系曲线

图15 主梁振动位移一阶主频与开度关系曲线

图16 支臂振动位移与开度关系曲线

图17 支臂振动位移一阶主频与开度关系曲线

(4) 实测泄洪闸在开启过程中各测点振动应力变化趋势与前述振动量随开度变化规律一致(见图18)，最大动应力为14.7 MPa，发生在0 m～4 m小开度工况的主梁部位，所有测点的实测振动应力均远小于钢材容许应力的20%(36 MPa)。泄洪闸动应力变化为平稳过程，未发现动应力剧烈变化现象。泄洪闸振动应力主能量主要集中在10 Hz以下低频振动范围内，反映了水力荷载的频率及闸门结构基频。

图18 闸门振动应力与开度关系曲线

(5) 分析引发该振动规律的原因，由于泄洪闸在小开度工况下，闸下出流存在不稳定射流，导致闸门振动响应在紊流影响下达到最大值；随着泄洪闸开度的增加，闸下出流逐渐变为明流，水流流态好转，泄洪闸趋于稳定运行；闸门接近全开工况下，下泄水流部分脱离闸门底缘，又造成泄洪闸短时振动[17]，但由于门体受到水压力减小，泄洪闸在大开度工况振动明显轻于小开度工况，应力值也小于小开度工况。

4 结 语

通过泄洪闸原型观测试验，获得闸门振动特性结果如下：

(1) 通过泄洪闸结构静态测试分析，泄洪闸支臂、主梁、次梁、面板等主要结构部件最大应力及最大挠度均未超过材料允许值，说明泄洪闸结构的静态受力安全，闸门刚度满足设计规范要求。

(2) 通过试验模态分析，泄洪闸前3阶自振频率接近及低于10 Hz，易与水流脉动形成不利组合。泄洪闸1～2阶主振型表现为闸门整体扭翘振动；3～6阶主振型表现为支臂横向弯曲振动。泄洪闸原型观测试验结果与动力特性有限元分析结果在前3阶较为吻合。

(3) 通过泄洪闸振动响应分析，泄洪闸的整体振动主要表现为门叶侧向摆动。各工况下，泄洪闸门叶及支臂振动位移及动应力均方根均未超过美国阿肯色河通航枢纽中心提出水工钢闸门振动幅值允许值。泄洪闸在全开度运行工况均属于微小等级以下振动，说明大能量水流脉动仅引起泄洪闸的受迫振动，未产生共振现象，泄洪闸可安全运行。

(4) 泄洪闸在小开度及大开度均存在明显振动，中间开度运行趋于平稳，振动加速度、振动位移及动应力均存体现该规律。由于泄洪闸在小开度工况下，闸下出流存在不稳定射流，导致闸门振动响应在紊流影响下达到最大值；随着泄洪闸开度的增加，闸下出流逐渐变为明流，水流流态好转，泄洪闸趋于稳定运行；闸门接近全开工况下，下泄水流部分脱离闸门底缘，又造成泄洪闸短时振动，但由于门体受到水压力减小，泄洪闸在大开度工况振动明显轻于小开度工况，应力值也小于小开度工况。

(5) 考虑闸门振动过程中的疲劳破坏，建议在泄洪闸启闭过程中尽量避免在大开度及小开度长时间运行，以确保泄洪闸结构安全。