基于ANSYS淺析露頂式弧形閘門支臂自振特性

楊 松，曾祥磊

弧形閘門作為現使用最為廣泛的門型之一，因其具有較好的水流條件和能承受較大的水壓力等優點被大量使用。結合國內外已發生的多起露頂式弧形閘門故障及失事事件[1～4]情況來看，引發弧形閘門失事的因素有很多，但主要破壞部位大都發生在弧形閘門支臂部位，其中部分破壞是由于振動誘發支臂失穩造成。

露頂式弧形閘門支臂間支承桁架結構中，斜腹桿在其中到底能夠起到何種作用還沒有定論有待研究。本文基于大型有限元分析軟件ANSYS建模模擬，對依托工程露頂式弧形閘門進行模態分析。

1 有限元模型的建立及分析方案的確立

1.1 有限元模型的建立

水工鋼閘門是一種典型的鋼結構，主要為空間薄壁結構體系[5～6]，根據閘門結構的受力特點，將整個閘門各部分均離散為殼單元。此次分析閘門所有結構均采用shell63單元建模，此單元能較好的模擬閘門薄壁結構體系的實際受力情況，據此所建立的有限元計算模型如圖1所示，經單元劃分，計算模型的節點總數59848個，單元總數60073個。此次分析按表孔弧形閘門的實際工況施加邊界條件，如圖2所示為約束施加示意圖，其中，閘門在支鉸處受X(逆水流方向)、Y(豎直方向)、Z(支鉸軸向)方向的平動約束，以及繞 X、Y軸的轉動約束；閘門在面板底緣即與底檻接觸處，施加Y方向的平動約束。

圖1 有限元模型

圖2 約束施加示意圖

1.2 分析方案的確立

將露頂式弧形閘門經典布置型式拆分為如圖3所示三種布置型式分別進行模擬對比，兩兩比較三種型式的模擬結果，以得到圖示斜撐一和斜撐二對露頂式弧形閘門支臂自振特性的影響。

圖3 三種布置型式

2 模態分析結果

2.1 有害振動的評價標準

引起閘門振動的因素有很多，比如閘門開度、下游淹沒水躍對閘門產生周期性的沖擊作用、止水漏水、閘門底緣型式、通氣孔尺寸過小及水流的脈動壓力等。對于水工鋼閘門，水的脈動作用，是導致閘門產生不同程度共振的主要誘因之一，也是設計時應該考慮的主要因素。

水流的脈動擾力在工程實際中是一個隨機荷載，我們常用數學統計的方法來找其主頻。經過大量的原型觀測和模型試驗測出的水流脈動主頻數值來看，約93%的閘門其水流脈動主頻率在1～20 Hz，有48.3%的閘門水流主頻在1～10 Hz，很少有水流主頻大于20 Hz的。在閘門結構設計中，我們希望其在1～20 Hz內的主頻越少越好，特別是1～10 Hz內的主頻尤為需要避免。

2.2 三種布置型式的低階模態

為對比分析三種布置型式在水流主頻1～20 Hz內的自振特性的差異，取三種布置方式的前20階（已囊括水流主頻）自振特性進行對比分析。表1統計了前20階自振特性的數據（振型圖未一一列出），如圖4～6所示為三種布置型式的二階模態振型。

表1 三種布置方式前20階自振特性

圖4 布置型式一二階模態

圖5 布置型式二二階模態

圖6 布置型式三二階模態

統計分析三種支臂布置型式在水流脈動主頻1～20 Hz范圍內的自振特性容易得到如下總結：

（1）支臂及其支承結構自振頻率范圍

支臂結構參與共振均在1～20 Hz以內且為主要參與結構，邊梁和縱隔板發生共振的自振頻率均在18 Hz以上，門葉結構的自振頻率分布大致相同，斜撐是否布置對支臂以外結構的自振頻率范圍基本沒有影響。

（2）水流脈動主頻內主要參與自振的階數

在水流脈動主頻1～20Hz范圍內三種布置型式的自振頻率分別有19階、15階、17階，其中，支臂部位主要參與的共振分別有3階、7階、7階，且頻率范圍越來越集中。總的來說，斜撐一和斜撐二的布置有利于減小支臂共振的概率，縮小共振頻率的范圍。

（3）水流脈動主頻內主要參與自振的部位

三種布置型式主要發生振動的部位分別為斜撐一、靠近豎撐一和豎撐二的支臂段、豎撐二及其附近支臂段。布置斜撐，有利于將支臂的振動轉化到斜撐上，同時減小整個支臂結構的振幅。

（4）水流脈動主頻內主要參與自振的方向

在水流脈動主頻1～20Hz范圍內，三種布置形式支臂及其間支承結構的主要振動方向分別為Z方向、Y方向和Z方向、Y方向。布置斜撐，有利于減少支臂在Y方向上的振動，而Y方向上支臂剛度較小，穩定性較差，最容易失穩，應該重點避免此方向上的振動。

3 結論

通過對露頂式弧形閘門支臂支承結構三種不同布置型式分別進行模態分析，發現水流脈動主頻范圍內，閘門產生共振的部位主要為支臂結構，支臂間支承結構的布置型式不同，對露頂式弧形閘門的自振特性影響較為顯著，主要表現在對閘門支臂自振特性的影響上。斜撐一和斜撐二的布置，能夠減小支臂共振的頻率范圍、發生共振的概率及支臂的振幅，同時改善共振的方向，使其在薄弱方向的振動減少，但對閘門門葉結構、縱隔板、邊梁的自振特性基本沒有影響。在露頂式弧形閘門的設計中，應該盡可能考慮合理布置支臂間的斜撐。

[1]湖南省水利發電工程學會,湖南省電力公司.水電站事故（障礙）案例與分析[M].北京:中國電力出版社,2004.

[2]葉華順,夏仕鋒.潘家口水庫底孔3#工作閘門支臂變形檢測與分析研究[J].海河水利,2010,(1):26-28.

[3]馮先明,李玉芷,南彥波.子洪水庫弧形閘門事故分析與處理[J].山西水力科技,1999(1):65-67.

[4]RobortVT.Folsom大壩溢洪道弧門失事[J].國外水電技術,1999,(1):21-29.

[5]Brown I E,Hutt J M.Salama A E.Finite element solution to dynamic stability of bars[J].1986,6(7):1423-1425.

[6]朱耿軍.基于ANSYS軟件平臺的弧形閘門結構優化設計[D].南京:南京水利科學研究院,2005:1-3.