浅析拱形闸门动力特性分析

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摘要:采用大跨度闸门,可以有效地提高河道过流面积,减少对河流生态的破坏,提高河流的通航等级,尤其是大跨度挡潮大闸在我国沿海地区江河入海口今后预期会有较多的需求,会得到越来越多关注。本文主要对拱形闸门动力特性分析利用水动力荷载实验和计算方法进行分析。

关键词:拱形闸门;动力特性;闸门振动;水动力载荷;数值计算

1 引言

闸门的动力性能研究是水工钢闸门的一个重要研究方向,在振动理论中,振动现象可以分成四种类型,即:自由振动、强迫振动、参数振动和自激振动。从闸门的振动情况来看,强迫振动是有可能出现的,但往往和自激振动交杂在一起。因为闸门的自激振动是由流体引起的,所以有时也把闸门的自激振动称为流激振动[1]。本文主要探讨了拱形闸门动力特性。

2. 引起闸门振动的原因

从目前已有的观测资料和运行实践分析,引起闸门振动的原因有很多[2]:(1)闸门开度作用引起闸门振动。在一定边界条件下闸门在某开度时发生振动,是若干因素的综合反映,如上下游水位差、进口形式、流态、孔口尺寸等。(2)下游淹没水跃对闸门产生周期性的冲击作用而引起闸门振动。闸门振动的条件具有明显的临界性(包括临界开度、临界上下游水深等),同时,国外资料研究了深孔弧形闸门产生自振的条件,认为深孔弧形闸门的自振,仅能在淹没出流的情况下产生。(3)由于止水漏水引起的闸门振动。闸门振动主要表现为顺水流向的大幅振动,且振动一般在大开度时发生。这是由于上游止水和高门楣结构相结合而发生的一种比较特殊的振动现象,防振、减振措施主要是力求破坏或减小缝隙水流形成的水锤压力和动水压力。(4)闸门底缘形式的影响。寻求合理的底缘型式是较为复杂的水力学研究课题,据试验和观测资料表明,闸门底缘型式设计不合理,不仅会产生较大的动水下拖力(或上托力),更会引起负压和空蚀,恶化水力条件,导致闸门产生振动。(5)通气孔尺寸过小的影响。深孔闸门后的充分通气是减轻闸门振动和空蚀等的一种有效措施。通气孔尺寸设计过小,形成门后排气不足,形成门后水力情况复杂,增加作用在闸门上的动水压力脉动值和门后负压。(6)水流作用力的影响。但是当闸门后水流进入明、满流交替状态时,产生大量旋辊,旋辊猛烈冲击闸门,导致闸门产生强烈振动。

闸门的振动是外界动力荷载和闸门自身互相作用的结果。脉动水压力是多种频率的随机组合,它可能把闸门的多个频率激发出来,形成不同频率上的共振。

3. 闸门水动力荷载试验

为了比较有效地模拟实际工程上水闸运行过程中的水动力荷载作用情况,选定几何比尺1:20进行水闸整体水动力模型试验。模型范围的选取考虑保证上游来流均匀、下游确保流态相似的原则。试验模型按重力相似设计,正态布置。研究水动力作用的闸门结构采用有机玻璃按几何相似制成。对水流流态、时均动水压力特征、水流脉动压力数字特征、水流脉动压力谱特征进行了研究。

当上游水位5.5m,下游水位2.77m时,闸门下游处于明流状态,闸门下游面未受到水流的动力作用,底缘下方无负压出现。在小开度(n=0.1)时闸门中断面底缘有最大压力3.6m水柱。

当上游水位5.5m,下游水位5.0m,闸门处于淹没出流状态,门后底缘受到下游水位的顶托,在底缘最下端达到最大,在小开度(n=0.1)时闸门中断面底缘有最大压力3.7m水柱。

测量水流脉动压力的信号采用微型脉动压力传感器测量,通过DH5938动态应变测量分析系统进行脉动数据的处理,获得脉动压力量级及其频域能量分布。试验表明除靠近两侧闸墩部分区域出现临界水跃外闸下大部分区域出于自由明流状态。

当上游水位5.5m,下游水位5.0m时,作用于门体的脉动量随开度的增加而加大,小开度时脉动量相对较小,至闸门开启至O.8开度时达到最大值,最大脉动压力均方根值为0.29m水柱,仍出现在闸门上游底缘处。闸门下游底缘的最大脉动压力脉动压力均方根值为0.28m水柱,出现在n=0.1开度;n=0.5开度时略小,约0.2m水柱。相对而言,底缘以上作用面上的脉动压力量值相对较小。

因此,作用于闸门上、下游底缘上的脉动荷载是诱发闸门振动的主要振源。作用于闸门体上下游底缘及上游面板诸部位上的水流脉动压力频域能量分布特征表现为:主能量频率分布集中在0~5HZ范围,优势频率一般为1～1.5HZ。上游底缘的脉动能频域相对较大。

4. 闸门动力特性的数值计算分析

将闸门结构按质量、刚度变化离散为由线弹性的板壳单元和梁单元组成的数学模型,利用有限元数值计算方法,分析闸门的动力特性。并与试验结果进行对照。计算按自由、支铰约束两种边界约束条件进行。

计算结果表明:若不考虑结构的刚移,闸门在无约束条件下的一阶频率为1.27HZ,反映门叶两端横向弯曲振动;二阶频率为2.5HZ,反映门叶两端弯扭振动变形;三阶以上频率对应的振型为高阶弯曲变形振动。当考虑闸门支铰三个线位移自由度约束条件时,闸门的一阶频率为1.17HZ,反映闸门面板的沿拱圈弯曲变形振动;二阶频率为1.35HZ,反映闸门面板的扭曲振动变形;三阶以上频率反映闸门的横向、切向高阶弯扭振动变形。

闸门结构的水动力试验表明,闸门运行时水流的脉动能在频域的分布范围在0~5Hz之间,优势频域约为1.0～1.5Hz左右,闸门的1阶基频在1.5Hz左右,水流脉动压力的高能区与闸门基频重合,容易诱发结构的低频共振。

5. 结语

拱形结构体系是一种合理的大跨度结构体系。对于承受均布水压力荷载的大跨度闸门来说,圆拱形闸门比平面闸门更能发挥材料的作用。水动力试验表明,本闸门运行时水流的脉动能在频域的分布范围在0~5Hz之间,优势频域约为1.0～1.5Hz左右,闸门的1阶基频在1.5Hz左右,水流脉动压力的高能区与闸门基频重合,容易诱发结构的低频共振。

参考文献:

[1] 严根华. 水动力荷载与闸门振动[J]. 水利水运工程学报, 2001(2).