柳江紅花二線船閘閥門結構受力與自振特性分析

蔣春鋼　方愛華　傅陸志丹　 向茂銘　嚴瑞昕

摘要：紅花二線船閘工作水頭高，閘室規模大。文章針對高水頭閥門結構設計要求，通過建立紅花船閘閥門三維有限元模型，對閥門在擋水、啟門、動水閉門工況下的受力變形特性開展空間三維結構受力分析。同時，為保障高水頭閥門安全運行，采用數值模擬方法對閥門結構的自振特性進行研究。研究結果表明，各工況下，閥門變形總體較小，數值計算獲得的閥門前幾階模態頻率較高，滿足結構抗震設計要求，紅花二線船閘閥門結構設計總體合理。

關鍵詞：船閘;反弧門;結構受力;自振特性

0 引言

紅花水利樞紐二線船閘工程為首批西江黃金水道建設項目，閘室規模大，有效尺度為280 m×34 m×5.8 m（長×寬×門檻最小水深），最大工作水頭為

20.81 m，設計水頭及相關水力指標均居于國內前列，是典型的高水頭閥門[1]。針對此類高水頭閥門，在結構設計時應滿足強度、剛度和穩定性要求。此外，高水頭閥門的流激振動特性關系其安全平穩運行，而閥門結構的自振特性是振動的內因，要求基頻盡量脫離水流激勵的高能區，以免發生共振或劇烈振動[2]。考慮到船閘的性能優劣將直接影響柳江的航運能否暢通，航運地位十分重要，因此，需對閥門的結構受力和自振特性進行研究，以確保船閘的安全高效運行。

1 閥門結構布置

紅花二線船閘最大工作水頭為20.81 m（上游正常蓄水位為77.50 m，下游最低通航水位為56.69 m），屬于典型的高水頭船閘，輸水系統工作閥門采用反弧門，閥門段孔口尺寸為4.5 m×6 m（寬×高），閥門結構布置見下頁圖1。閥門結構設計延續了以三峽為代表性的雙面板支臂全包的反弧門結構形式。紅花二

線閥門外面板半徑為8.5 m，吊耳中心到底板距離為6.75 m，支鉸中心到底板距離為7.4 m，擺桿長度為11.0 m，結構總體布置滿足閘閥門設計規范要求。門體考慮其他附件，總重約為73.5 t，另配11 t混凝土配重。根據閘閥門設計規范，容許應力調整系數取0.9，鋼材抗拉、抗壓和抗彎容許應力為220 MPa，則閥門主要構件的容許應力取值為198 MPa（鋼材容許應力×調整系數）。

2 閥門結構受力分析

2.1 閥門有限元模型及計算方法

建立紅花閥門三維有限元模型，模型除鋼結構外還有混凝土配重，各部分結構均按設計精確模擬。坐標系：X[WTBZ]軸為順水流向，下游面板外法向為正;Y[WTBZ]軸為豎直向，向上為正;Z[WTBZ]軸為橫向，向右側為正。模型采用四面體實體單元離散，單元總數為339 821，節點總數為670 715，閥門有限元模型見圖2。

計算中鋼材彈性模量取200 GPa，泊松比0.30，密度7 850 kg/m 3;混凝土彈性模量取30 GPa，泊松比0.18，密度2 300 kg/m 3。

靜力分析包括最大工作水頭條件下擋水、啟門、動水閉門工況，混凝土配重不考慮其與鋼結構的粘結作用，僅考慮其質量。具體工況如下：

（1）擋水工況：最大工作水頭（上游水位77.50 m，下游水位56.69 m）+閥門自重;閥門底止水向上約束。

（2）啟門工況：最大工作水頭（上游水位77.50 m，下游水位56.69 m）+閥門自重;吊耳施加豎直向約束，閥門底緣無約束。

（3）動水閉門工況：1.8倍設計荷載+閥門自重;吊耳施加豎直向約束，閥門底緣無約束。

2.2 擋水工況受力變形

閥門正常擋水工況下，總體變形見圖3，在靜水荷載作用下，閥門總體向下游變形，其中，面板沿下游方向變形量較大且較為均勻。閥門變形位移呈對稱分布，在梁格中心的面板位置位移較大，最大位移為0.98 mm，出現在下游閥門頂部第六、七橫梁之間面板內;支臂位移總體較小，在0.8 mm以內。正常擋水工況下，閥門變形較小。

閥門結構等效應力云圖見圖4。閥門在最大工作水頭靜水荷載作用下，整體結構等效應力最大值為69.7 MPa，出現左支臂開孔位置處，為應力集中。總體上看，閥門應力水平較低，結構較強。

2.3 啟門工況受力變形

在吊桿拉力、最大工作水頭及自重作用下，閥門處于剛開啟狀態，底緣不受約束，該工況閥門變形及位移云圖見圖5。閥門最大位移為1.13 mm，出現在閥門底緣中心位置。

按第四強度理論計算閥門等效應力，閥門整體應力云圖見圖6。可以看出，閥門等效應力最大值為72 MPa，出現在右側支臂開孔位置，同樣為應力集中。面板應力明顯較小，在10 MPa左右。

2.4 動水閉門工況受力變形

在自重1.8倍靜水壓力及吊桿拉力作用下，閥門處于剛開啟狀態，有限元計算得到的閥門變形及位移云圖見下頁圖7。可以看出，閥門總體位移分布規律同啟門工況一致，最大位移為2.04 mm。總體上看，閥門位移不大，而且1.8的水動力荷載系數偏安全（閥門常壓模型在閥門沒有安裝側止水及頂止水的情況下，試驗獲得的系數約1.13[3]）。

閥門等效應力云圖見下頁圖8，閥門最大等效應力為125.6 MPa，出現在右側支臂開孔位置，屬于應力集中。面板應力水平較低，在30 MPa內。

從閥門各種工況受力分析可以看出，結構設計總體合理。

3 閥門自振特性分析

3.1 計算方法

有限元數值模擬是目前結構自振特性分析的主要手段之一，本文采用以反冪法為基礎的直接濾頻法來計算閥門的自振頻率和振型，這個算法在求解少數幾個最低頻率和振型時具有收斂速度快、存貯小的優點。

在實際工程中，阻尼對結構自振頻率和振型的影響很小，可忽略阻尼力。由動力平衡方程可得到無阻尼的自由振動方程：

此時，以反冪法為基礎的直接濾頻法是一種簡便而有效的方法。直接濾頻法求第r+1個特征值的濾項方程為：

3.2 閥門門體自振特性

開展閥門門體自振特性分析，從吊耳是否約束來反映吊桿對門體的影響：當吊耳無約束時，即忽略了吊桿對門體的約束作用，單獨從門體來說，其自振頻率偏低;當吊耳采用固定約束，其約束作用強于吊桿對其實際的約束作用，其自振頻率偏高，因此，吊桿影響下門體的自振頻率介于兩種約束條件之間。

自振特性計算分析均為空氣中的干模態，不考慮水體的影響。計算有配重和無配重狀態下閥門前七階自振特性參數見表1。

可以看出，無配重閥門門體第一階頻率為12.435 Hz，面板以吊點為旋轉中心的轉動;有配重閥門門體第一階頻率為10.264 Hz，較無配重閥門一階振頻有所下降，振型同樣為面板以吊點為旋轉中心的轉動。無配重與有配重的閥門基頻高于水流脈動壓力的高能區（3 Hz內），不會發生共振或劇烈振動。無配重與有配重二階振型也基本一致，振頻分別為40.705 Hz與39.858 Hz，表現面板以下面板為中心的轉動變形。無配重與有配重閥門門體第三階振型有所區別，無配重閥門振型為支臂對稱左右擺動變形，有配重閥門振型為支臂對稱左右擺動并伴有面板上下振動變形，其振頻分別為47.092 Hz與46.126 Hz。

對于紅花二線船閘閥門，數值計算獲得閥門前幾階模態頻率較高，滿足結構抗震設計要求。

4 結語

本文通過三維有限元靜動力數值分析，全面掌握了紅花二線船閘反弧門的受力變形特性及自振特性，研究表明：

（1）在擋水、啟門、動水閉門工況下，閥門變形總體較小，最大位移為

2.04 mm，出現在閥門面板底止水中心位置，閥門等效應力基本在100 MPa內，最大等效應力為125.6 MPa，出現在橫梁與面板連接位置，屬于應力集中。最大位移和應力均出現在按1.8動力系數考慮的動水閉門工況。

（2）動特性試驗獲得無配重與有配重閥門一階模態頻率分別為12.435 Hz與10.264 Hz，脫離水流激勵高能區，在水流隨機荷載作用下不會發生共振或劇烈振動。

（3）閥門結構設計總體合理。

參考文獻：

[1]寧 武，宣國祥，祝 龍，等.柳江紅花水利樞紐二線船閘工程下游水位調整后的輸水系統布置及水力學模型試驗研究[J].2017（10）：154-159.

[2]王 新，胡亞安，陸 陽，等.考慮門桿耦合效應的反弧門自振特性分析[J].水運工程，2016（12）：26-30.