水工弧形鋼閘門振動及啟閉機械維護分析

鄧騰龍

（中國葛洲壩集團第三工程有限公司，陜西 西安 710076）

水工弧形鋼閘門是一種形式簡單且工作性能優的結構，廣泛用于各類型泄水建筑物結構設計，其運行狀態的可靠性對水工建筑物安全性具有重要意義。從現有監測資料與模型試驗分析結果可知，弧形鋼閘門存在振動現象。因此，弧形鋼閘門的結構設計應結合現場環境多方面、深層次、科學地查明與揭示結構振動效應的產生機制。

1 弧形鋼閘門結構設計

1.1 安裝過程控制

弧形鋼閘門主要由面板、主次梁及分隔板等部件焊接而成，采用平面假定體系進行允許應力與極限狀態下承載能力驗算。機械零部件主要有吊耳、吊軸、滾輪、滑塊等，用于鋼閘門運輸安裝、輔助正常工作以及便于維護維修等環節。

受場地條件限制，當前可采用公路架橋機進行快速安裝施工，主要是控制點的選擇與校核問題，支臂與鉸座、支腿與支臂、埋件與側軌等都需精準對接，門葉安裝包括腹板與隔板、面板、邊梁等位置的焊接。鋼閘門安裝焊接完成后，安裝人員可操作啟閉機械進行吊裝與測試。

1.2 焊接過程控制

材料間差異將導致焊接裂縫，影響結構使用并埋下安全隱患。主次梁與面板、翼板間的焊縫、翼板對接焊縫、充填坡口焊縫以及主次梁間組合角焊縫均可采用三角形或者U形構造，雙面焊接時應注意焊接縫形式設計與縫隙清理等工作，在條件允許的情況下可選擇焊前材料預熱，減少焊液滲漏與稀釋、冷裂紋等不利現象發生。焊接后，應核驗平整度與扭曲程度是否符合要求。

弧形鋼閘門整體裝配應力較大，需改善鋼材塑性與韌性；因此，采用超聲波檢測設備進行焊接縫裂紋缺陷檢測，若存在重大缺陷，應重新進行弧形鋼閘門缺陷矯正與整治。所有結構在缺陷與外觀均滿足規范要求后才進行后續工序。

2 弧形鋼閘門振動分析

環境邊界條件、閘前水流特性與結構自身形式等均影響弧形鋼閘門振動特性。根據過流狀態，水工鋼閘門振動有穩定流與非穩定流問題；按照激勵誘發機制，振動有荷載、運動與共振等；根據水流誘發振動類型分為強迫、自控與自激振動三種類型[1]。

2.1 結構固有特性

滑塊、球鉸等轉動部位與支臂間摩擦性能、上下游水位差與水動力荷載條件、弧形鋼閘門自身重量、支臂結構形式與剛度等方面均可減弱或消除閘門結構振動效應。現場觀測項目主要有不同啟閉弧度條件下結構靜動力應力、位移、振動幅度、頻率、阻尼系數、啟閉力等內容，這均與閘門所選材料、結構形式、構造連接等密切相關。

弧形閘門固有振動頻率很大程度上與其支臂的結構形式密切相關，動力模態分析表明，支臂橫向慣性矩對于低階振動頻率具有較大的控制效應，基頻也能較好地繞過流體動荷載高能共振響應；在于弧形鋼閘門面板相結合，可以橫向控制低階頻率下閘門結構的振動效應。

2.2 工作狀態分析

振動復雜程度還與工作狀態相關，在開啟過程中閘門振動效應要強于關閉過程，且更容易產生振動。動力條件閘門開啟、關閉以及局部開啟的工作性態是一項重要的測試內容，主要包括固有頻率、阻尼比與結構振型等參數。有限元動力分析對弧形閘門小于三階自振頻率模擬效果較優，高于三階后，現場與室內模擬結果相差較大，難以反映復雜工況下振動規律。現場監測資料表明，弧形鋼閘門在開啟并開度為60%～80%時是振動效應最為強烈的階段，支臂側向將承受來自結構的較大彎矩作用。因此，弧形鋼閘門在日常運行調節過程中應盡量避免小開度與60%～80%的開度范圍內長時間工作。

黃河某水電站弧形鋼閘門在無水落門過程中同樣存在劇烈振動現象，這給予了結構動力設計很大啟發[2]。模態分析表明，空載條件下該弧形鋼閘門的固有頻率接近，低階頻率下結構振動效應較弱，剛性部位在高階頻率下振動效應較為明顯；但三軸支臂與鉸座的動力測試結果表明，在其圍繞鉸座轉動過程中因變化不一且力矩短小的摩阻力效應而傳遞了橫向、切向與徑向的振動，導致了空載過程中弧形鋼閘門同樣存在振動現象。

2.3 水動力問題

當前，主要研究以復雜邊界條件與流固耦合相結合進行弧形鋼閘門振動問題的研究分析。水流場隨機荷載是引起弧形閘門振動或導致其共振的重要因素。弧形鋼閘門在水流場振動時，流體的彈性力、慣性力與阻尼力通過相互影響單元作用至結構上，使得弧形鋼閘門系統的剛度、強度、振動性質發生變化。從這個角度而言，弧形鋼閘門水流激振問題屬于水彈性耦合振動范疇。

根據現場監測資料分析發現，江蘇某一支臂弧形鋼閘門在日常運行中發現開啟高度、過閘水位、閘頂流態影響其振動振幅、振動頻率、位移、方向、加速度等參量變化規律[3]。

流態穩定時，脈動壓力約為總體水頭的3%；若存在空穴、氣囊及水躍回蕩等不穩定流態時，脈動壓力將呈現更為復雜的演化規律，此時水動力荷載比穩定流在量級上將出現顯著差異，所產生的巨大激振力作用于弧形閘門，誘發了結構強烈的振動效應。如何能有效降低或消除水流激勵力與脈動高能區對閘門啟閉影響是一項閘門結構設計需要考慮的重要內容。

3 閘門機械營運管理

3.1 設備優缺點分析

弧形鋼閘門啟閉機械通常分為卷揚式與液壓式兩種類型，前者控制閘門處于全開或全關兩種狀態，難以實現智能化操作；后者在閘門門槽結構中位置固定，可根據實際需要進行智能化調節[4]。

3.2 設備系統管理

1）日常維護。應根據河道的運營情況，在既有維護檢修的基礎上注意閘門前后空隙是否被河道漂浮物堵塞，閘墩、閘門表面等重要部分是否有吸附物、腐蝕破壞部位以及藻類等植物。對于開關、制動設備、供電設備與啟閉空間等至關重要的室內項目應逐條逐項地進行檢查，做好維護保養工作。

2）定期核查與維修。對于啟閉機械而言，啟閉機、傳動裝置及工作空間是否處于正常工作狀態將十分關鍵。齒輪變速器是否出現了斷齒、裂縫，卷揚機鋼絲繩是否老化、斷絲、干燥少油、生銹等，液壓傳動裝置是否能夠正常傳遞油壓、是否漏油、是否有裂縫等問題，應及時維修與更換，防止突發狀況下影響與妨礙閘門啟閉。因此，應定期對啟閉機械進行核查與維修。

3）除銹與防腐。對于外部閘門面板，由于長時間外漏，閘門因掉漆而存在腐蝕，若出現在重要部分，將直接影響正常工作性能。因此，根據河道水位運行與調節狀態，及時制定閘門除銹與防腐計劃。

4）反饋與優化。在結構設計中難免存在摩擦，利用現有結構進行適當優化，以調整閘門工作性態。隨著制造技術與日常運行智能化需求的提升，使用方可搜集并整理閘門及啟閉機械信息，及時與制造方溝通，在設備維護更換時也能更好地提升設備性能，達到反饋調節的目的，即饋控優化。

4 結論

環境邊界條件、閘前水流特性與結構自身形式等均影響弧形鋼閘門振動特性。閘門開啟角度、相對水深以及結構形式均對振動位移、振動加速度、基頻、自振頻率等有影響，相應的影響規律可以通過數值模擬計算與現場監測資料相結合進行分析。