謝智雄，梁明輝，胡霜天

(1.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022;2.中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院，北京 100038)

0 引言

某水電站設(shè)12孔沖沙泄洪閘，孔口尺寸均為14 m×25 m(寬×高，下同)，工作閘門均采用三支臂弧形工作閘門，每孔1扇，共設(shè)置12扇，閘門高25 m，弧門半徑為30 m，設(shè)計水頭25 m，采用上懸掛式液壓啟閉機(jī)。對于這樣的大型閘門，需要對其動力特性進(jìn)行分析。閘門結(jié)構(gòu)相關(guān)計算的傳統(tǒng)方法多是將各部分作為平面問題進(jìn)行計算，但不能反映結(jié)構(gòu)部件的空間效應(yīng)，實(shí)際上，三支臂弧形閘門為一空間板梁結(jié)構(gòu)。本文運(yùn)用ANSYS軟件，按平面計算體系和空間結(jié)構(gòu)體系分4種計算模式(桿件質(zhì)量體系、支臂體系、主框架體系及空間結(jié)構(gòu)體系)，對閘門結(jié)構(gòu)的啟閉桿、面板以及支臂3大結(jié)構(gòu)部件的自振特性進(jìn)行了分析計算，對不同模式下的計算結(jié)果進(jìn)行了比較，從而較為全面地把握了閘門結(jié)構(gòu)的自振特性。

1 計算模式

1.1 桿件質(zhì)量體系

對于三支臂弧形閘門，可將啟閉桿和支臂簡化為桿件，將面板梁格結(jié)構(gòu)簡化為一個質(zhì)量集中點(diǎn)。該體系有3種簡化模式:

(1)桿系1:啟閉桿和支臂簡化為1個桿件，面板梁格結(jié)構(gòu)簡化為質(zhì)量點(diǎn)放在支臂柱頭上，如圖1a所示。

(2)桿系2:支臂簡化為3個桿件，面板梁格結(jié)構(gòu)簡化為質(zhì)量點(diǎn)放在中間支臂柱頭上，如圖1b所示。

(3)桿系3:支臂簡化為3個桿件，面板梁格結(jié)構(gòu)簡化為3個質(zhì)量點(diǎn)，分別放在3個支臂柱頭上，如圖1c所示。

3種計算體系均在啟閉桿上端與支鉸處受到鉸約束。

1.2 支臂體系

將支臂結(jié)構(gòu)取出單獨(dú)分析，按單個支臂(取1根支臂)和支臂架(取3個支臂)2種計算體系，分別按一端固定一端鉸接和兩端鉸接2種邊界約束條件進(jìn)行計算，該體系又可分為4種計算模式:

(1)單個支臂1，兩端鉸接，如圖2a所示。

(2)單個支臂2，一端鉸接，一端固定，如圖2b所示。

(3)支臂架體系1，支臂架兩端鉸接，如圖2c所示。

圖1 桿件質(zhì)量體系

(4)支臂架體系2，支臂架一端鉸接，一端固定，如圖2d所示。

圖2 支臂體系

1.3 主框架體系

主框架體系可分為平面框架體系和空間框架體系2種:

(1)平面框架體系:由2根支臂和1根主橫梁構(gòu)成一個平面結(jié)構(gòu)，如圖3a所示。

(2)空間框架體系:由閘門面板、支臂、主梁構(gòu)成一個空間結(jié)構(gòu)，如圖3b所示。

主框架體系的邊界約束條件均為支鉸處受到鉸約束。

1.4 空間整體結(jié)構(gòu)體系

空間整體結(jié)構(gòu)體系采用四節(jié)點(diǎn)板單元模擬閘門面板梁格及支臂結(jié)構(gòu)，采用空間梁單元模擬支臂連接系，閘門結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4所示。計算時分2種情況:空間結(jié)構(gòu)1和空間結(jié)構(gòu)2?？臻g結(jié)構(gòu)1不考慮附加水體作用，空間結(jié)構(gòu)2考慮附加水體作用。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 啟閉桿及面板梁格沿切向的自振特性

不同計算模式下啟閉桿及面板梁格沿切向的一階自振頻率計算結(jié)果見表1，從表1可以看出:

(1)啟閉桿單獨(dú)發(fā)生的橫向彎曲振動，其頻率在各種計算模式下相同，由此可見，啟閉桿的自振頻率不受計算模式和附加水體的影響。

(2)面板梁格沿切向振動的自振頻率，3種桿系模式計算結(jié)果與空間結(jié)構(gòu)1的結(jié)果分別相差17.7%，21.6%和13.6%。桿系3的計算結(jié)果比桿系1、桿系2的計算結(jié)果更接近空間結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，但仍然存在一定差異。因此，可采用桿系3作為近似計算模型，若需精確結(jié)果還需要建立空間結(jié)構(gòu)模型。

圖3 主框架體系

圖4 空間整體結(jié)構(gòu)體系

表1 啟閉桿及面板梁格沿切向的一階自振頻率 Hz

(3)面板梁格沿切向振動的自振頻率，空間結(jié)構(gòu)1和空間結(jié)構(gòu)2的計算結(jié)果基本相同，這是由于附加水體質(zhì)量僅沿閘門徑向分布，水、固接觸面只發(fā)生相對滑動。

2.2 支臂的自振特性

對于支臂振動，主要考慮其側(cè)向振動和切向振動，而不考慮其徑向振動。從單個支臂來看，側(cè)向振動均以主框架平面內(nèi)的振動為主，振型為一個或者幾個正諧波，典型的振型圖如圖5所示;切向振動從單個支臂來看均以支臂架平面內(nèi)的振動為主，振型為一個或者幾個正諧波，典型的振型圖如圖6所示。各種計算模式下，支臂一階振動頻率見表2。

圖6 支臂的切向振動

表2 支臂一階自振頻率Hz

2.2.1 支臂的側(cè)向振動

表2中平面框架體系的數(shù)據(jù)對應(yīng)于對稱和反對稱振動2種情況。

空間框架體系包括上、中、下3個平面框架體系，表2列出的數(shù)據(jù)對應(yīng)以下振型:

(1)上、中、下主框架對稱振動，振動方向相同。

(2)上、中、下主框架反對稱振動，振動方向相同。

(3)上、下主框架對稱振動，振動方向相反。

(4)上、下主框架反對稱振動，振動方向相反。

(5)上、下主框架對稱振動，方向相同;同時，中間主框架對稱振動，方向與上、下主框架相反。

(6)上、下主框架反對稱振動，方向相同;同時，中間主框架反對稱振動，方向與上、下主框架相反。

空間結(jié)構(gòu)的情況類同，由于出現(xiàn)板件局部振動后需進(jìn)行計算的階次過多，所以表2只列了較小的2個數(shù)值，對應(yīng)于圖5a、圖5b 2種振動情況。

2.2.2 支臂的切向振動

表2中支臂架1和支臂架2的結(jié)果對應(yīng)于反對稱振動的情況?？臻g主框架結(jié)構(gòu)包括左、右2個支臂架，因此產(chǎn)生了2種情況，表2中所列的空間主框架2個數(shù)值分別對應(yīng)如下2種振動情況:

(1)左、右支臂架反對稱振動，振動方向相同。

(2)左、右支臂架反對稱振動，振動方向相反。

空間體系情況類同，由于考慮空間結(jié)構(gòu)2附加水體左右需要計算的階數(shù)過多，所以，表2中只列出了2個較小的數(shù)值，對應(yīng)于圖6a、圖6b 2種振動情況。從表2的計算結(jié)果來看:

(1)按支臂計算時，其自振頻率與其他計算模式相差較大，其原因在于沒有考慮支臂間連接系的作用。

(2)按平面主框架體系計算時，一階側(cè)向自振頻率與空間主框體系相差14.3%，與空間體系1相差6.3%?？梢姡嬎阒П蹅?cè)向振動時，可采用平面主框架體系作為近似計算模型。

(3)按支臂架體系計算時，支臂架1與支臂架2的一階切向自振頻率計算結(jié)果與空間主框體系分別相差6.2%和3.3%，與空間體系1分別相差8.8%和12.2%。

(4)按空間主框架體系計算時，與空間體系1相比，一階側(cè)向自振頻率相差6.9%，一階切向自振頻率相差6.2%。可見，計算支臂切向振動時，可采用空間主框架體系作為近似計算模型。

(5)空間結(jié)構(gòu)1與空間結(jié)構(gòu)2相比，一階側(cè)向自振頻率相差2.6%，一階切向自振頻率相差3.9%。

2.3 面板梁格沿徑向的自振特性

閘門結(jié)構(gòu)上部懸臂尺寸較大，因此，上部主橫梁以上的懸臂端面板梁格首先振動，然后是中下部面板的整體振動，主要振型為對稱振動和反對稱振動。在空間結(jié)構(gòu)體系下以及去掉支臂將面板梁格單獨(dú)取出按不考慮附加水體作用時的面板梁格自振頻率計算，結(jié)果見表3。從表3可以看出:

(1)面板梁格單獨(dú)取出計算與空間結(jié)構(gòu)1的計算結(jié)果比較，上、中、下3部分面板自振頻率分別相差5.10%，0%和0.52%，結(jié)果基本一致，因此，可將面板梁格單獨(dú)取出計算其沿徑向的自振頻率。

(2)考慮附加水體作用后，面板徑向振動頻率降低了37.2%～41.7%，這是由于附加水體質(zhì)量只沿徑向分布，只影響到面板梁格徑向的振動，造成面板梁格徑向振動頻率大幅度降低;此外，在面板梁格各階振動模態(tài)之間，還分布有較密集的面板區(qū)格局部振動頻率帶。

表3 面板梁格一階徑向振動頻率 Hz

3 結(jié)論

本文將閘門結(jié)構(gòu)分為啟閉桿件、支臂和面板梁格3大部件，采取4種計算模式來計算閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率并分析其振型，較為全面地把握了整個閘門結(jié)構(gòu)的自振特性。通過對不同模式下計算結(jié)果的比較，可得出如下結(jié)論:

(1)啟閉桿橫向彎曲振動自振頻率在各種計算模式下相同，可見，啟閉桿的自振頻率不受計算模式和附加水體的影響。

(2)面板梁格沿切向振動的自振頻率，可采用桿系3作為近似計算模型。

(3)面板梁格沿徑向振動的自振頻率可將面板梁格單獨(dú)作為近似計算模型來計算。

(4)由于支臂間連接系的作用，采用單個支臂體系計算模式計算的支臂側(cè)向和切向振動結(jié)果與空間結(jié)構(gòu)相比誤差較大，不適合用作簡化模型。

(5)計算支臂切向振動時，可采用空間主框架體系作為近似計算模型。

(6)計算支臂側(cè)向振動時，可采用平面主框架體系作為近似計算模型。

以上計算若需精確結(jié)果還需要建立空間結(jié)構(gòu)模型。

［1］謝智雄，周建方.大型弧形閘門靜力特性有限元分析［J］.水利電力機(jī)械，2006，28(4):21－24.

［2］謝智雄，周建方.大型弧形閘門自振特性的計算［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報，2006(3):25－28.

［3］水電站機(jī)電設(shè)計手冊編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計手冊:金屬結(jié)構(gòu)(一)［M］.北京:水利電力出版社，1988.

［4］DL/T 5013—1995，水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范［S］.