懷洪新河西壩口閘閘門有限元分析

常銀兵

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司,安徽 合肥 230088)

1 概述

懷洪新河西壩口節制閘位于懷洪新河新澮河段安徽省五河縣城西北1.0km處，用于控制懷洪新河香澗湖的蓄水位，改善灌溉及航運條件，同時控制懷洪新河新澮河分洪水位和流量，是懷洪新河上的一座大型跨河建筑物。設計標準5年一遇除澇流量1450m3/s，淮河干流百年一遇洪水及遇內水40年一遇洪水，分洪流量2550m3/s，設計閘上蓄水位14.67m。水閘等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級。工程區抗震設防烈度為Ⅶ度。西壩口閘為16孔10m寬開敞式水閘，平面鋼閘門尺寸為10m×5.8m(寬×高)，閘門采用雙主梁結構。水閘運行21年，運管單位在日常運行管理工作中發現，當上下游水位差達到2m左右時，部分閘門在啟閉過程中(小開度運行)會出現較為明顯的振動現象，并引發橋面震動。《懷洪新河西壩口閘現場安全檢測報告》(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司工程質量檢測所，2020.6)對閘門的振動分析成果如下：西壩口節制閘工作閘門在0.2～0.7m開度下，振動響應最大時的頻率和水流脈動壓力頻率最大的頻率都接近閘門一階固有頻率，已發生強烈受迫振動現象，嚴重影響著工程的安全運行。建議對閘門進行合理調度運行，盡快對閘門進行改造加固或更換。文章結合西壩口閘安全鑒定對閘門結構進行有限元分析。

2 計算方法

模態分析用于確定結構的動力特性，即結構的自振頻率和振型等，無阻尼結構體系的自振運動方程為：

[M]{ü}+[K]{u}=0

(1)

諧響應分析能夠預測結構的持續動力特性，從而克服結構的共振、疲勞以及其他受迫振動引起的不良影響。以單自由度體系為例，體系的運動方程為：

mü+cü+ku=F0cosΩt

(2)

閘門振動是一種復雜的運行問題，涉及閘門結構自重、水體及其相互作用，屬流體誘發振動。因為流體與閘門結構是相互作用的，閘門振動分析考慮水的作用時，可采用附加質量法，根據閘門面板水壓力分布大小確定附加質量大小進行等效計算。考慮水對閘門的約束為垂直面板方向，附加質量只給定垂直面板向的加速度。

濕模態以附加質量的形式考慮流體的影響，進行閘門在水中的自振頻率計算時，考慮到閘門屬于小阻尼系統，阻尼影響可忽略不計，令外力項為零。閘門材料彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3。結合閘門的實際運行情況，分別按不考慮閘門結構與水體的耦合效應(干模態)和考慮閘門結構與水體的耦合效應(濕模態)兩種情況，對閘門結構的自振特性進行了計算。

振動常與不利的水流條件相關，此閘門經檢測，止水良好，底緣形式亦比較常規，故考慮震動為閘后流態引起。

3 計算過程

根據平面鋼閘門受力特點及計算精度要求，本閘門有限元選擇三維實體有限元模型，采用solid45單元建立水閘整體模型。使用掃掠網格對形體簡單的構件進行劃分，采用自動網格對形體復雜的構件進行劃分，共劃分單元139318個，節點271572個。

3.1 閘門模態分析

經計算，閘門固有的一階振動頻率為18.76Hz，二階振動頻率為20.81Hz，三階振動頻率為56.53Hz。考慮水對閘門固有頻率影響，采用附加質量法進行耦合作用下的閘門模態分析(濕態)，閘門前三階頻率為5.25、9.98、15.23Hz。

考慮閘門與水體的耦合效應后模態頻率明顯減小，上游水位愈高，閘門自振頻率愈小。

不考慮閘門與水體耦合時，閘門第一階振型主要時順水流方向的振動且振動幅值最大的位置位于閘門頂部。分析是由于閘門頂部的總體順水流向剛度較底部偏小，故整體模態分析振幅最大位置位于頂部。如圖1所示。

圖1

考慮水流的附加質量作用時，閘門第一階振型主要是順水流方向的振動且振動幅值最大的位置位于閘門底部。分析是由于考慮閘門與水體耦合后，附加的質量作用在順水流，且作用質量分布按水壓力分布，作用在閘門底部的附加質量相對較大，故閘門底部更易產生較大振幅。

根據《水電站機電設計手冊-金屬結構一》(水利電力出版社1988年版)中對現有國內外15個模型實驗資料和14個原型觀測資料的水流脈動主頻數值統計，93%的閘門在啟閉過程中水流脈動主頻率范圍在1～20Hz之間，因此本次有限元諧相應分析選取閘門在水流脈動壓力作用下脈動激振的頻率范圍為1Hz～60Hz，根據《安徽省懷洪新河西壩口節制閘閘門振動檢測項目技術報告》(水利部水工金屬機構質量檢驗測試中心2019年10月)本次閘門下游底緣脈動壓力值取0.007MPa，計算成果如圖2所示。

圖2 諧相應分析結果

3.2 閘門結構有限元計算

設計工況下(閘上15.17m，閘下12.37m)，閘門主梁跨中最大正應力為122.78MPa，跨中最大撓度為11.06mm。計算結果如圖3所示。

圖3

3.3 閘門結構經驗公式計算

閘門設計的最大水位差為上游15.17m，下游水位12.37m，高差2.8m。實測最大水位差情況下主梁強度計算如下：

(1)跨中截面

由圖4可知：

圖4 主梁跨中截面和支承端截面(單位:mm)

跨中截面邊緣距離距主軸距離y1、y2 單位:mm

(2)慣性矩：

(3)

(3)中和軸處

(4)

(4)跨中正應力

(5)

(5)主梁最大撓度

α=(Im-I0)/I0=2.36

(6)

(7)

4 計算結果分析

水閘門后水流對閘門作用的壓力變化頻率在1～20Hz之間，閘門小開度泄水條件下，閘后紊動水流對門體產生脈動壓力，故考慮是由于水流對閘門作用壓力的頻率在變化過程中與閘門的固有頻率相同時，對閘門產生較大的振動，隨著閘門不斷增加開啟高度，水流的脈動壓力值逐漸減弱且頻率也隨之變化，閘門在考慮水的耦合作用下的固有頻率相應降低，閘門的振動現象也隨之減弱。

振動響應分析成果表明，水流激振作用產生的門體振動響應為門體的較低階頻率值(6～8Hz)，振動響應幅值2.7mm，而實際閘門運行過程中水流的激振頻率和壓力都是在不斷變化的，水流的激振頻率與閘門的自振頻率出現相同的幾率很小且作用時間較短，故綜合分析水流對門體產生共振的影響較小。從檢測結果分析，雖然閘門振動明顯，但是閘門結構本身沒有產生失穩、破壞，水閘整體結構亦沒有產生振動破壞。閘門正常情況下，低水頭水流隨機脈動力激勵產生的閘門振動不會對閘門造成嚴重危害。

采用傳統結構力學計算方法跨中正應力為147.18MPa，最大撓度為15.9mm。本次復核計算采用ANSYS有限元技術建立水閘整體模型分析，根據有限元分析計算閘門主梁跨中最大應力為122.78MPa，撓度為11.06mm小于傳統的簡化計算方法的計算結果分析。是由于在ANSYS整體結構分析中綜合考慮了面板、縱橫向次梁與主梁的聯合作用與閘門的實際受力相符，傳統的結構力學計算方法是通過近似簡化將閘門面板承受的作用力傳遞到主梁上，對主梁按簡支結構進行計算分析。故有限元計算結果小于傳統結構力學方法計算結果，計算較為合理。

5 總結

結合《懷洪新河西壩口閘現場安全檢測報告》的成果，以及本次有限元分析計算，西壩口節制閘工作閘門在小開度下，水流產生脈動壓力頻率值和閘門固有頻率值相同時，閘門震動過程中受迫疊加導致出現較大震幅；而閘門實際運行中亦發生強烈受迫振動現象，水閘交通橋上有明顯震感，建議盡早對閘門進行加固處理。