黃麗玲
(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,安徽 合肥 230088)
蒙城船閘上閘首弧形閘門振動(dòng)分析及更新改造設(shè)計(jì)
黃麗玲
(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,安徽 合肥230088)
摘 要:蒙城船閘上閘首采用的是下沉式弧形鋼閘門,2006年閘門經(jīng)過(guò)第1次加固處理后出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象,引起有關(guān)部門的高度重視。經(jīng)過(guò)多次召開(kāi)專家會(huì)議以及深入細(xì)致的研究,分析了該閘門振動(dòng)的原因,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出新的閘門。
關(guān)鍵詞:下沉式弧形閘門;導(dǎo)流板;流激振動(dòng);自振頻率;空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu);迷宮式止水
蒙城船閘始建于1969年3月,為渦河蒙城段水利樞紐的重要組成部分,除了滿足通航條件外,還需要考慮參與分洪和沖淤的功能。當(dāng)上游水位過(guò)高、節(jié)制閘和分洪閘泄洪流量不足以排洪或者引航道淤積需要沖刷時(shí),船閘開(kāi)始停航泄洪,此時(shí)閘門需要在動(dòng)水條件下運(yùn)行,因此上閘首閘門選擇了水力條件較好的弧形鋼閘門。
船閘上閘首孔口凈寬10 m,閘室有效長(zhǎng)度105 m,閘室入口處設(shè)消能室。上閘首采用弧形鋼閘門正向擋水,弧門底部設(shè)導(dǎo)流板,在充水過(guò)程中將通過(guò)閘門底部的紊流導(dǎo)入消能室,使水流相對(duì)平順地流入閘室,不會(huì)對(duì)閘室內(nèi)停泊的船只造成沖擊。閘室充水時(shí)閘門先漸升1.5 m,待閘室水位與上游平齊時(shí)再將閘門下沉落入消能平臺(tái)以下位置,船只通航。泄洪沖淤時(shí),閘門提出水面,以免水流激蕩門體造成破壞。
老閘門設(shè)計(jì)采用直支臂主橫梁弧形鋼閘門,縱、橫向撐架及支臂均為桁架結(jié)構(gòu),門體支臂支撐于兩側(cè)墻內(nèi)壁。啟閉橋面兩側(cè)為空箱墻墩,墻內(nèi)設(shè)平衡陀,可以減少啟閉機(jī)容量,啟閉機(jī)為2×15 t弧形門卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。下閘首兩側(cè)設(shè)短廊道輸水,輸水洞門采用平面直升式鋼閘門,工作閘門采用人字形鋼閘門。
經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行,工程設(shè)施、機(jī)電設(shè)備等老化,已不能滿足運(yùn)行要求。2006年,對(duì)蒙城船閘進(jìn)行了第1次加固處理,更換了閘門及啟閉機(jī)。其中,上閘首閘門更換為實(shí)腹式雙主梁弧形鋼閘門,門體重量增大;啟閉機(jī)更換為2×25 t弧形門卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī),平衡陀棄用。
2006年加固后的閘門投入使用后出現(xiàn)了強(qiáng)烈的振動(dòng),具體情況記述如下。
2.1放水過(guò)程中的振動(dòng)
2.1.1上游充水
小開(kāi)度開(kāi)啟弧形門充水之初,閘門不振動(dòng)。當(dāng)閘室水位上升至將要淹沒(méi)導(dǎo)流板時(shí),弧形門開(kāi)始振動(dòng)并逐步加強(qiáng),在淹沒(méi)下部主橫梁時(shí)最為強(qiáng)烈,同時(shí)主橫梁的開(kāi)孔處開(kāi)始往上噴水柱。隨著開(kāi)啟高度進(jìn)一步加大,振動(dòng)緩慢減弱并逐步消失。
2.1.2下游泄水
在下游輸水洞門開(kāi)啟泄水過(guò)程中,當(dāng)閘室水位降至弧形門上部主橫梁位置時(shí)出現(xiàn)異常振動(dòng),當(dāng)水位降至消力平臺(tái)以下時(shí),振動(dòng)逐步消失。
2.2擋水過(guò)程中的振動(dòng)
據(jù)管理單位反映,2007年9月10日,弧形門在關(guān)閉擋水的情況下突然出現(xiàn)劇烈振動(dòng),并引發(fā)岸墻、公路橋發(fā)生振動(dòng),岸邊數(shù)戶居民甚至誤以為是地震。隨后,開(kāi)啟閘門向閘室充水,振動(dòng)逐步消失。
現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn),閘門底止水漏水嚴(yán)重,弧門頂緣可見(jiàn)少量?jī)A斜。隨后,對(duì)開(kāi)啟行程作了適度調(diào)整,漏水量有所減少?,F(xiàn)場(chǎng)人員又重新調(diào)整了啟閉機(jī)雙吊點(diǎn)鋼絲繩的長(zhǎng)度,將閘門調(diào)平,然后在擋水的情況下進(jìn)行測(cè)試,閘門仍振動(dòng)。
3.1振動(dòng)機(jī)理簡(jiǎn)介
總體來(lái)說(shuō),閘門振動(dòng)是由于在動(dòng)水作用力下的不平穩(wěn)引起的。閘門由具有質(zhì)量的彈塑性材料制成,在外力的作用下能表現(xiàn)出彈性力、滯阻力和慣性力。如果外力是穩(wěn)定的、靜止的,那么在閘門結(jié)構(gòu)中只出現(xiàn)與之相平衡的彈性力;如果外力不是穩(wěn)定的,那么在閘門結(jié)構(gòu)中除了彈性力外,還將出現(xiàn)滯阻力和慣性力,它們都是時(shí)間的函數(shù),結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形也隨之成為時(shí)間的函數(shù),這樣就出現(xiàn)了振動(dòng)的現(xiàn)象。一般情況下,閘門在動(dòng)水中出現(xiàn)的振動(dòng)是輕微的,當(dāng)外力的激蕩頻率接近閘門結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí),無(wú)論激蕩頻率是外力固有的還是由于結(jié)構(gòu)與水流間發(fā)生反饋?zhàn)饔醚苌鰜?lái)的,振幅將很快增大,產(chǎn)生振動(dòng)。
水工鋼閘門的振動(dòng)類型主要是流激振動(dòng)。流激振動(dòng)的原因是流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性,即由層流過(guò)渡到紊流時(shí)能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。通過(guò)流體反饋控制作用,特別是流體彈性反饋控制作用,流體的波動(dòng)就自動(dòng)調(diào)整其波長(zhǎng)和頻率,使之與門體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率相耦合,此時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)就從流體獲得源源不斷的能量補(bǔ)給,從而使結(jié)構(gòu)振動(dòng)保持在很高的水平上。
3.2振動(dòng)原因分析
3.2.1布置型式
該閘門為下沉式弧門,與一般的弧門不同的是,只有在船只通航時(shí)閘門下沉進(jìn)入消能室,在擋水、充水和泄水過(guò)程中,閘門都是靠啟閉機(jī)鋼絲繩懸掛于某一開(kāi)度位置。邊界約束主要包括支鉸、鋼絲繩和側(cè)輪,門體可以繞著支鉸軸自由轉(zhuǎn)動(dòng),因側(cè)向留有一定的間隙,門體在垂直水流方向也可以有一定的位移。在水流沖擊下,門體具有一定的能量,就可能發(fā)生持續(xù)的振動(dòng)。
這種布置型式是由該船閘的功能決定的。近些年,新建的船閘基本上功能單一,無(wú)需參與泄洪,工作閘門均考慮在靜水條件下啟閉,采用的是人字門或者三角門的結(jié)構(gòu)型式,門體約束力較強(qiáng),也無(wú)需局部開(kāi)啟,這樣就能從根源上杜絕這種布置型式的弊端。
在新閘門設(shè)計(jì)時(shí),采取盡可能地減小側(cè)向間隙、鋼絲繩與吊點(diǎn)使用剛性連接等措施,可以減輕該布置型式本身造成的振動(dòng)問(wèn)題。
3.2.2自振頻率改變
老的弧形閘門為桁架式結(jié)構(gòu),支臂及縱、橫向撐架均采用由槽鋼或角鋼組成的桁架,主梁與支臂構(gòu)成的主框架剛度比較大,閘門重量較輕,老閘門的自振頻率相對(duì)較高。更換后的閘門主橫梁與縱向連接系及支臂全部采用實(shí)腹式結(jié)構(gòu),主梁與支臂構(gòu)成的主框架剛度比較小,閘門重量加重,閘門的自振頻率相對(duì)降低,容易與閘門局部調(diào)節(jié)流量時(shí)產(chǎn)生的低頻狀態(tài)振動(dòng)頻率相近,從而引發(fā)振動(dòng)。
3.2.3實(shí)腹式結(jié)構(gòu)
加固更換的閘門主、縱梁及支臂均為工字形斷面。由于多邊形結(jié)構(gòu)對(duì)水的阻力大,當(dāng)閘門處于水中,水的激振會(huì)引起閘門振動(dòng)。特別是在充水過(guò)程中,閘門底部過(guò)水,下游回水沖擊底梁腹板,容易引起閘門振動(dòng)。
3.2.4止水橡皮
止水橡皮產(chǎn)生的振動(dòng)可以細(xì)分為以下3個(gè)方面:
(1)閘門側(cè)、底止水均布置在面板上,由于閘門制造加工工藝問(wèn)題或者在水壓作用下導(dǎo)致門葉變形等原因,止水橡皮安裝座面并非是理想的圓弧面,止水安裝質(zhì)量不高。閘門在啟閉過(guò)程中,面板與止水橡皮間產(chǎn)生不均勻的強(qiáng)烈摩擦,可能引起閘門振動(dòng)。
(2)止水座板安裝不平直,或者止水選型不當(dāng)、材料柔性不夠,導(dǎo)致止水和止水座板之間呈不連續(xù)接觸而不能完全密封,在上游水壓力作用下,水就從止水與座板間隙中射出,射流在止水頭部形成負(fù)壓,使止水橡膠帶被吸向止水座,封閉了間隙,負(fù)壓消失,而止水由于本身的彈性被彈回,故又出現(xiàn)間隙,如此循環(huán)往復(fù),使止水以一定的頻率產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)止水的自激振動(dòng)頻率與門體自振頻率接近時(shí),就會(huì)引起閘門強(qiáng)烈的振動(dòng)。
(3)閘門底部止水橡皮磨損,漏水量較大,從閘門底止水射出的水流直接拍打在門葉背后的梁格上,引起閘門振動(dòng)。
3.2.5安裝誤差
閘門支鉸采用的是圓柱鉸,經(jīng)過(guò)檢測(cè),左右兩側(cè)高程相差12 mm,現(xiàn)行規(guī)范要求兩支鉸同心度誤差不得超過(guò)2 mm。支鉸座作為弧形閘門的重要組成部分,安裝質(zhì)量的好壞直接影響著弧形閘門運(yùn)行質(zhì)量。如果支鉸座的同心度、同軸度得不到保證,將影響閘門運(yùn)行的平穩(wěn)性,加快支鉸座及軸的磨損以及止水橡皮的磨損,引發(fā)閘門的振動(dòng)。
3.2.6淹沒(méi)水躍對(duì)導(dǎo)流板的作用
閘門開(kāi)始提升放水時(shí),門后水位還沒(méi)有淹沒(méi)閘門底部的導(dǎo)流板,此時(shí)無(wú)論閘門起始開(kāi)度如何,閘門都不會(huì)振動(dòng)。當(dāng)閘門下游水位升高至將要淹沒(méi)導(dǎo)流板時(shí),閘門開(kāi)始振動(dòng),并逐步加強(qiáng)。
此時(shí)閘門下游的淹沒(méi)水躍能量不能完全被消耗,回水躍產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力反復(fù)沖擊導(dǎo)流板,引起閘門振動(dòng)。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察并結(jié)合對(duì)閘門導(dǎo)流板在不同開(kāi)度下的角度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),閘門在0~1.2 m開(kāi)度時(shí),隨著開(kāi)度的增加,閘門導(dǎo)流板與底檻之間的角度沒(méi)有太大的變化,泄流量增加不大,增加了回水躍產(chǎn)生的脈動(dòng)沖擊導(dǎo)流板的時(shí)間,從而增加了閘門振動(dòng)的可能。
為了避免閘門發(fā)生振動(dòng),應(yīng)該使水流和結(jié)構(gòu)之間不產(chǎn)生反饋控制作用,使閘門的自振頻率遠(yuǎn)離水流的脈動(dòng)頻率。針對(duì)上述閘門振動(dòng)原因,采取了如下相對(duì)應(yīng)的措施。
4.1閘門結(jié)構(gòu)的改變
閘門振動(dòng)往往是由于個(gè)別構(gòu)件薄弱發(fā)生振動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)的。因此,若把結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)大一些、自振頻率設(shè)計(jì)高一些,就可能避免強(qiáng)烈的振動(dòng)。
新閘門設(shè)計(jì)上注意增加閘門的結(jié)構(gòu)剛度,減少結(jié)構(gòu)對(duì)水流的阻力。門葉改為由桁架梁組成的空間管網(wǎng)架結(jié)構(gòu),主、縱梁采用方鋼,支臂采用圓管,在支臂上部和下部分別增加空間網(wǎng)架支承,均由圓管焊接而成。這種結(jié)構(gòu)型式增加了門體的自振頻率,封閉圓滑截面的型鋼減少了對(duì)水的阻力,可以有效降低閘門振動(dòng)。
4.2止水的改變
側(cè)止水橡皮采用帶100°預(yù)壓角的L形止水橡皮,可以有效改善止水座面不平整產(chǎn)生的漏水現(xiàn)象。通過(guò)止水橡皮自帶的預(yù)壓角,使止水橡皮球頭與止水座板緊密貼合。為防止底止水漏水,采用迷宮式止水型式,由3道I8橡皮夾2道H5橡皮組合而成,止水預(yù)壓5 mm。止水橡皮改用聚四氟復(fù)合止水材料,具有低摩阻高耐磨的性能。閘門面板厚度增加,在制作過(guò)程中注意控制門體焊接變形。通過(guò)上述方法,減少或消除止水與基面、止水與座板之間的間隙,保證止水的嚴(yán)密性,避免因止水漏水引發(fā)閘門振動(dòng)。
4.3支鉸的改變
圓柱鉸和圓錐鉸對(duì)鉸軸偏斜或同心度誤差要求較高,而球鉸能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)心且便于安裝,因此將閘門支鉸改為球鉸,并采用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承。該軸承具有自動(dòng)調(diào)心、對(duì)偏斜不敏感、受力均勻、承載能力高、可同時(shí)承受一定的徑向和軸向荷載、自潤(rùn)滑等特性。如,某制造廠生產(chǎn)的關(guān)節(jié)鉸允許傾斜角度為2°,該產(chǎn)品近年來(lái)在水利工程中大量推廣應(yīng)用。
4.4門底導(dǎo)流板角度的改變
根據(jù)水工模型試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況分析,增大門底導(dǎo)流板與門體弧面切線的夾角,加快門后水位的上升速度,可以減少回水躍產(chǎn)生的脈沖壓力沖擊導(dǎo)流板的歷時(shí)。
4.5調(diào)整輸水時(shí)閘門開(kāi)度
管理人員在開(kāi)門輸水過(guò)程中應(yīng)密切關(guān)注門后水流流態(tài)是否正常,根據(jù)水流狀態(tài)隨時(shí)調(diào)整閘門開(kāi)度,規(guī)避振動(dòng)位置。尤其是上下游水位差較大的情況下,管理人員更需要嚴(yán)密關(guān)注,謹(jǐn)慎操作,防止閘門出現(xiàn)振動(dòng)。
新閘門較原閘門重量增加了10余t,原來(lái)2×25 t啟閉機(jī)啟門容量稍顯不足,若更換啟閉機(jī)勢(shì)必造成現(xiàn)有啟閉機(jī)房的破壞,加固成本增加較多。為此,考慮重新啟用2塊重達(dá)10 t的平衡陀,平衡陀通過(guò)鋼絲繩繞過(guò)閘門底部,可以有效地減少啟閉機(jī)容量。
新閘門已經(jīng)投入使用數(shù)年,每天過(guò)船多達(dá)20余次,閘門啟閉頻繁。實(shí)踐證明,上閘首弧形閘門在擋水、充水、泄水過(guò)程中的振動(dòng)現(xiàn)象得到了有效的控制。
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中圖分類號(hào):TV698.2+2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1004-7328(2016)02-0066-03
DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.022
收稿日期:2015—11—23
作者簡(jiǎn)介:黃麗玲(1976—),女,高級(jí)工程師,主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。