張建球，廖家艷，唐巾評(píng)

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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水工鋼閘門(mén)振動(dòng)頻率檢測(cè)技術(shù)研究

張建球，廖家艷，唐巾評(píng)

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

張建球(1987—)，碩士，助理工程師，主要從事水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)、評(píng)估與加固設(shè)計(jì)工作;

廖家艷(1992—)，助理工程師，主要從事試驗(yàn)檢測(cè)、試驗(yàn)檢測(cè)檔案管理等相關(guān)工作;

唐巾評(píng)(1988—)，碩士，助理工程師，主要從事水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)、安全生產(chǎn)評(píng)估工作。

摘要：準(zhǔn)確掌握鋼閘門(mén)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，是分析其因結(jié)構(gòu)破壞而出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象的關(guān)鍵。文章根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，從測(cè)點(diǎn)布置、檢測(cè)方法、振動(dòng)方向及閘門(mén)前后水頭差等方面分析水工鋼閘門(mén)自振特性的規(guī)律，探討水工鋼閘門(mén)振動(dòng)頻率檢測(cè)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：水工閘門(mén)；振動(dòng)頻率；激振法；頻譜；水流脈動(dòng)；檢測(cè)技術(shù)

0引言

水工鋼閘門(mén)從門(mén)型特點(diǎn)分類(lèi)約有幾十余種，在我國(guó)水運(yùn)工程建設(shè)中，弧形鋼閘門(mén)和平面鋼閘門(mén)是常用的型式。水工鋼閘門(mén)在正常運(yùn)行過(guò)程中，由于自身結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，閘門(mén)在水動(dòng)力荷載作用下會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。鋼閘門(mén)振動(dòng)會(huì)使材料疲勞，長(zhǎng)久的振動(dòng)將致使水工結(jié)構(gòu)損壞，閘門(mén)支撐失穩(wěn)，甚至喪失其設(shè)計(jì)功能。因此，應(yīng)準(zhǔn)確掌握鋼閘門(mén)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，探明閘門(mén)自振特性的規(guī)律，以解決閘門(mén)因振動(dòng)病害問(wèn)題，為閘門(mén)的維修加固提供科學(xué)的依據(jù)。文章根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，從測(cè)點(diǎn)布置、檢測(cè)方法、振動(dòng)方向及閘門(mén)前后水頭差等方面對(duì)比閘門(mén)振動(dòng)頻率檢測(cè)的影響進(jìn)行探討。

1閘門(mén)頻率測(cè)試?yán)碚?/p>

1.1　閘門(mén)自振特性

閘門(mén)結(jié)構(gòu)的自振特性是閘門(mén)振動(dòng)現(xiàn)象研究的主要內(nèi)容，是分析閘門(mén)結(jié)構(gòu)對(duì)激勵(lì)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)和結(jié)構(gòu)其他動(dòng)力特性的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)自振的動(dòng)力方程為：

點(diǎn)加速度向量；

M——閘門(mén)的質(zhì)量矩陣；

C——整體阻尼矩陣；

K——整體剛度矩陣；

F(t)——結(jié)點(diǎn)荷載向量。

令F(t)=0，則式(1)可簡(jiǎn)化為閘門(mén)的自由振動(dòng)方程。由于阻尼作用對(duì)閘門(mén)自振特性影響較小，故在解答其自振特性時(shí)，通?？刹豢紤]阻尼因素。因此可得閘門(mén)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程：

(2)

假設(shè)閘門(mén)自由振動(dòng)，其質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)為簡(jiǎn)弦，則各質(zhì)點(diǎn)的振幅可為：

δ=δ0cos(ωt)

(3)

式中：δ0——結(jié)點(diǎn)振幅列陣，即振型；

ω——與該振型對(duì)應(yīng)的頻率。

將式(3)代入式(2)，可導(dǎo)出廣義特征方程：

(K-ω2M)×δ0=0

(4)

因結(jié)構(gòu)為自由振動(dòng)，其振幅位移有非0值，故式(4)的系數(shù)行列式必須為0，于是求解結(jié)構(gòu)自振頻率的方程可表示為：

|K-ω2M|=0

(5)

可見(jiàn)式(5)稱為特征方程數(shù)學(xué)式，由于K(結(jié)構(gòu)的勁度矩陣)和M(質(zhì)量矩陣)都是n階的方陣，因此式(5)是關(guān)于ω2的n次代數(shù)式。式(5)求解出的n個(gè)特征值可表示為：

(6)

1.2　測(cè)試方法

2振動(dòng)特性檢測(cè)結(jié)果與分析

本次閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)儀選用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所研制的941B型超低頻測(cè)振儀，數(shù)據(jù)選用INV306智能信號(hào)采集系統(tǒng)采集及分析。

本次檢測(cè)共選取7扇剛安裝完成投入運(yùn)行的水工鋼閘門(mén)，其中3扇為設(shè)計(jì)參數(shù)相同的弧形水工鋼閘門(mén)，尺寸為：21.97 m×16.00 m(寬×高)，半徑20.00 m；其余4扇為人字水工鋼閘門(mén)，1#人字門(mén)尺寸：23.00 m×13.02 m(寬×高)，2#人字門(mén)尺寸：23.00 m×23.32 m(寬×高)，3#人字門(mén)尺寸：34.00 m×18.58 m(寬×高)，4#人字門(mén)尺寸：34.00 m×31.60 m(寬×高)。由于文章篇幅限制，本文僅列出4#人字門(mén)和1#、2#弧形門(mén)自振頻率測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表1~4)。

表1　4#人字鋼閘門(mén)1#橫梁自振頻率測(cè)試結(jié)果表(Hz)

備注：列述頻率為實(shí)測(cè)結(jié)果的前三個(gè)頻率，下同。

表2　4#人字鋼閘門(mén)2#橫梁自振頻率測(cè)試結(jié)果表(Hz)

表3　4#人字鋼閘門(mén)3#橫梁自振頻率測(cè)試結(jié)果表(Hz)

表4　弧形門(mén)自振頻率測(cè)試結(jié)果表(Hz)

2.1　測(cè)點(diǎn)布置

鋼閘門(mén)門(mén)體是通過(guò)將各梁、板焊接及背拉桿預(yù)應(yīng)力連接的整體。閘門(mén)不同結(jié)構(gòu)及相同結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)的振動(dòng)頻率變化關(guān)系在以往研究中未有詳細(xì)闡述，數(shù)值計(jì)算傾向于將閘門(mén)視為整體計(jì)算門(mén)體振動(dòng)頻率，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試傾向于分結(jié)構(gòu)測(cè)試振動(dòng)頻率。文章在人字門(mén)上選取3根橫梁的左、中、右(順?biāo)鞣较?的3個(gè)點(diǎn)共9個(gè)點(diǎn)，在弧形門(mén)上選取上主橫梁均勻間距的4個(gè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)分析閘門(mén)測(cè)點(diǎn)布置與振動(dòng)頻率的關(guān)系。

觀察本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人字閘門(mén)相同鋼橫梁不同位置的振動(dòng)響應(yīng)相差較小，而弧形門(mén)響應(yīng)相差較大。文章認(rèn)為此次試驗(yàn)的弧形鋼閘門(mén)相應(yīng)階的固有頻率較人字閘門(mén)大，弧形閘門(mén)的剛度比人字閘門(mén)較大；同時(shí)弧形閘門(mén)單面積受水壓脈動(dòng)作用和來(lái)自支撐結(jié)構(gòu)及大地激勵(lì)作用較人字閘門(mén)大，所以布置測(cè)試點(diǎn)對(duì)外界荷載的振動(dòng)響應(yīng)較敏感。

2.2　測(cè)試方法

上文已論述閘門(mén)振動(dòng)頻率檢測(cè)方法主要有錘擊激振法、脈動(dòng)法和共振法。文章選用錘擊激振法、脈動(dòng)法兩種方法測(cè)試閘門(mén)振動(dòng)頻率，從振幅、信號(hào)響應(yīng)等方面比較兩種方法的適用性，見(jiàn)圖1。

圖1　測(cè)量和分析系統(tǒng)示意圖

兩種測(cè)試方法對(duì)人字閘門(mén)的適用性分析：人字閘門(mén)在脈動(dòng)法測(cè)試中對(duì)大地及靜水壓脈動(dòng)響應(yīng)非常小，拾振器水平向測(cè)試的頻譜縱向結(jié)果基本水平，難以分析其頻譜；拾振器鉛錘向測(cè)試結(jié)果稍好，但響應(yīng)不穩(wěn)定。人字閘門(mén)在激振法測(cè)試中對(duì)錘擊響應(yīng)明顯，采集的波形穩(wěn)定清晰，頻譜分析數(shù)據(jù)規(guī)律性較好。

兩種測(cè)試方法對(duì)弧形門(mén)的適用性分析：拾振器水平向在兩種測(cè)試方法中的頻譜分析結(jié)果相差較小，同時(shí)靜水脈動(dòng)與動(dòng)水脈動(dòng)的測(cè)試頻譜分析結(jié)果基本相同；拾振器鉛錘向在激振法測(cè)試中分析的相同階結(jié)果比脈動(dòng)法的稍微偏大，在閘門(mén)有開(kāi)度時(shí)最為明顯。

本文發(fā)現(xiàn)激振法測(cè)試前選取的錘擊頻率對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)影響較大，本次測(cè)試錘擊周期分別選取了1 s、3 s、5 s、8 s、10 s、15 s。從采集的波形及頻譜分析比較，在周期為5~10 s時(shí)，測(cè)試結(jié)果較為滿意。

2.3　振動(dòng)信號(hào)方向

結(jié)構(gòu)在各方向均有振動(dòng)，根據(jù)閘門(mén)的形狀及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其主要振動(dòng)方向?yàn)樨Q向和鉛錘向。本文在相同的測(cè)點(diǎn)同時(shí)布置安裝水平向和鉛垂向的拾振器，探討分析平行和垂直于各構(gòu)件的振動(dòng)頻率情況。

根據(jù)本次測(cè)試，人字閘門(mén)鉛錘向振幅值與頻譜分析結(jié)果與水平向有一定差別，在脈動(dòng)法測(cè)試中相差較為明顯，而弧形閘門(mén)在兩個(gè)方向頻譜數(shù)據(jù)相差較小。本文認(rèn)為閘門(mén)不同方向的頻譜是不同的，弧形門(mén)頻譜之所以相差較小，是因?yàn)樵跈z測(cè)時(shí)由于開(kāi)度及弧形門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，弧形門(mén)的上橫梁表面不是嚴(yán)格水平，而是有一定的傾斜角度。

2.4　作用水頭

根據(jù)流體力學(xué)，水流脈動(dòng)壓力頻率區(qū)間一般在1~20 Hz之間，已有研究通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析閘門(mén)固有頻譜受閘門(mén)上下游水位的影響，認(rèn)為水位差增加時(shí)，其固有頻率會(huì)隨著增加。

根據(jù)本次測(cè)試結(jié)果，人字閘門(mén)和弧形閘門(mén)的頻譜分析均未發(fā)現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象，并且在閉門(mén)與閘門(mén)有開(kāi)度的兩種工況下，弧形門(mén)的頻譜分析縱向軸形狀相似程度非常高。

圖2　1#弧形門(mén)0.9 m開(kāi)度頻率分析圖

3結(jié)語(yǔ)

(1)本文詳細(xì)論述了7扇鋼閘門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)頻率檢測(cè)情況，并從不同的檢測(cè)點(diǎn)、不同的檢測(cè)方法、不同振動(dòng)方向及閘門(mén)前不同作用水頭的四個(gè)方面分析水工鋼閘門(mén)自振特性的規(guī)律。

(2)本文認(rèn)為檢測(cè)時(shí)在對(duì)鋼閘門(mén)的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)不清楚的情況下，應(yīng)在相同構(gòu)件上不同位置布置拾振器，特別是體積較小的鋼閘門(mén)，這樣才能更好地測(cè)試到構(gòu)件的不同階頻率。

(3)由于體積較大及外界脈沖作用有限，脈動(dòng)法在人字閘門(mén)測(cè)試中不適用，本文認(rèn)為人字閘門(mén)應(yīng)使用激振法測(cè)試其振動(dòng)頻率；兩種方法檢測(cè)弧形閘門(mén)振動(dòng)頻率的結(jié)果差異不大，但相互補(bǔ)充作用較明顯，建議在檢測(cè)閘門(mén)多階頻率時(shí)，可同時(shí)采用兩種方法。

(4)通過(guò)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼閘門(mén)振動(dòng)信號(hào)的不同方向具有不同的頻譜，建議檢測(cè)過(guò)程中根據(jù)閘門(mén)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及檢測(cè)目的布置不同向的拾振器。本次檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)閘門(mén)上下游作用水頭差對(duì)頻譜影響不大，建議與本次檢測(cè)工作類(lèi)似閘門(mén)的振動(dòng)頻率測(cè)試可不考慮作用水頭差的工況。

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Research on Detection Technology of Hydraulic Steel Gate Vibration Frequency

ZHANG Jian-qiu，LIAO Jia-yan，TANG Jin-ping

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：To accurately grasp the dynamic characteristic parameters of steel gates is the key to analyze its vibration phenomenon caused due to structural damage.According to field testing，this article analyzed the vibration characteristics regularity of hydraulic steel gate from the measuring point layout，detection methods，vibration direction，water head difference before and after the gate and other aspects，and discussed the vi-bration frequency detection technology of hydraulic steel gate.

Keywords：Hydraulic gates； Vibration frequency； Excitation method； Spectrum； Flow fluctuating； Detection technology

收稿日期：2015-05-04

文章編號(hào)：1673-4874(2015)05-0091-04

中圖分類(lèi)號(hào)：U665.26

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.025

作者簡(jiǎn)介