趙勇 鄭圣義 蔡衛(wèi)江

摘要：弧形鋼閘門(mén)開(kāi)啟泄流過(guò)程中時(shí)常存在嚴(yán)重的振動(dòng)問(wèn)題，有必要研究此過(guò)程中水流誘發(fā)的振動(dòng)機(jī)理，避免閘門(mén)劇烈振動(dòng)。結(jié)合實(shí)際工程中某胸墻式弧形鋼閘門(mén)，考慮上下游水位工況，應(yīng)用ANSYS FLORTRAN多場(chǎng)耦合分析平臺(tái)，采用SOLID187實(shí)體單元模擬面板，建立多種開(kāi)度下的水體一弧門(mén)耦合模型。對(duì)該模型進(jìn)行瞬態(tài)求解，研究了閘下淹沒(méi)出流及考慮水體一弧門(mén)耦合作用時(shí)動(dòng)水壓力作用下弧形閘門(mén)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性。結(jié)果表明：在0.05 - 0.20開(kāi)度區(qū)間，面板中心節(jié)點(diǎn)振動(dòng)比較劇烈，且主要構(gòu)件的較大位移區(qū)域和較大應(yīng)力區(qū)域主要分布在構(gòu)件的上半部分;在某一瞬時(shí)（t=0.92 s），各主要構(gòu)件較大位移和較大應(yīng)力的分布區(qū)域隨開(kāi)度的遞增呈現(xiàn)自上而下移動(dòng)的變化規(guī)律;不同開(kāi)度下各主要構(gòu)件水流方向的位移最大，豎直方向的位移次之，側(cè)向位移最小;主要構(gòu)件中面板、主橫梁和縱梁位移相對(duì)較大，支臂位移最小;面板在0.20開(kāi)度下應(yīng)力達(dá)到最大值，主橫梁和支臂折算應(yīng)力在0.75開(kāi)度下達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：淹沒(méi)出流;弧形閘門(mén);流固耦合;結(jié)構(gòu)動(dòng)特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TV663

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j。issn.1000-1379.2020.01.020

水工鋼閘門(mén)的安全關(guān)系到人民生命、財(cái)產(chǎn)安全，而水流誘發(fā)的閘門(mén)劇烈振動(dòng)很容易造成閘門(mén)破壞[1-2]。閘門(mén)開(kāi)啟泄流時(shí)，周?chē)鲌?chǎng)運(yùn)動(dòng)因素不穩(wěn)定，閘門(mén)上出現(xiàn)脈動(dòng)荷載會(huì)引發(fā)閘門(mén)振動(dòng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[3]，我國(guó)失事的閘門(mén)中有20多起為水流誘發(fā)振動(dòng)，因此流激振動(dòng)應(yīng)予以高度重視。不同的水流特性和結(jié)構(gòu)特性情況下，閘門(mén)振動(dòng)的性質(zhì)不一樣。特定條件下，工作閘門(mén)若是局部開(kāi)啟，則閘后發(fā)生淹沒(méi)水躍[4-5]。淹沒(méi)水躍循環(huán)往復(fù)沖擊門(mén)葉結(jié)構(gòu)，旋滾渦流容易造成結(jié)構(gòu)空蝕及振動(dòng)，惡劣情況下閘門(mén)會(huì)因動(dòng)力失穩(wěn)而破壞。筆者應(yīng)用有限元數(shù)值理論，構(gòu)建流固耦合有限元模型，分析比較各工況下弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性，總結(jié)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性在各工況下的變化規(guī)律，獲得對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較大的閘門(mén)開(kāi)度區(qū)間。

1 閘門(mén)泄流振動(dòng)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)水流脈動(dòng)壓力形成機(jī)理進(jìn)行了研究，所采用的手段以模型試驗(yàn)為主。張聲?shū)Q[6]針對(duì)孔口自由出流，通過(guò)5個(gè)相對(duì)比尺共計(jì)132組模型試驗(yàn)，獲得了水躍區(qū)水流脈動(dòng)壓力資料。李小超等[7]借助水彈性模型試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了閘門(mén)面板上不同測(cè)點(diǎn)處的水流脈動(dòng)壓力數(shù)據(jù)，一方面得到了閘門(mén)板上脈動(dòng)壓力幅值與頻率的分布規(guī)律，另一方面得到了不同閘門(mén)開(kāi)度下脈動(dòng)壓力與上下游水位的變化規(guī)律。紀(jì)偉[8]通過(guò)制作平面鋼閘門(mén)水動(dòng)力模型，測(cè)量了閘門(mén)在不同開(kāi)度下的時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力，研究了不同開(kāi)度下門(mén)體時(shí)均壓力和頻率的變化情況。在針對(duì)閘孔淹沒(méi)出流情況的研究方面，多數(shù)學(xué)者借助水力學(xué)模型試驗(yàn)研究淹沒(méi)出流流量系數(shù)。胡肖峰等[9]對(duì)水力學(xué)能量公式進(jìn)行推導(dǎo)并應(yīng)用水力學(xué)模型試驗(yàn)得出淹沒(méi)出流情況下不同邊界情況的平面閘孔流量系數(shù)計(jì)算方法。毛潭等[10]通過(guò)建立平面閘門(mén)淹沒(méi)出流流量的水力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)平面閘門(mén)淹沒(méi)出流流態(tài)下的流量計(jì)算公式進(jìn)行了理論分析，總結(jié)得到了流量計(jì)算的最優(yōu)算法。劉亞云[11]借鑒南京水利科學(xué)研究院確立的淹沒(méi)系數(shù)與潛流比的關(guān)系曲線(xiàn)，獲得了適用于寬頂堰閘下淹沒(méi)出流的流量系數(shù)，同時(shí)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，得到了不同底坎條件下淹沒(méi)出流校正因子α變化規(guī)律。

近年來(lái)為數(shù)不多的學(xué)者采用數(shù)值分析的方法研究了閘孔淹沒(méi)出流情況。羌鑫梁等[12]對(duì)寬頂堰淹沒(méi)出流時(shí)水氣二相流展開(kāi)了VOF數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比模型試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者接近，說(shuō)明數(shù)值模擬方法對(duì)于解決寬頂堰淹沒(méi)出流時(shí)水氣二相流問(wèn)題比較適合。廖庭庭等[13]創(chuàng)新性地通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)淹沒(méi)式流態(tài)下的閘孔泄水能力、沖刷坑內(nèi)流態(tài)和機(jī)械能的變化進(jìn)行了探討。

縱觀(guān)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對(duì)淹沒(méi)出流情況下的水體一弧形閘門(mén)耦合結(jié)構(gòu)動(dòng)特性方面的研究很有必要且很有價(jià)值。筆者基于ANSYS FLOTRAN多場(chǎng)耦合分析平臺(tái)，對(duì)水體一弧形閘門(mén)耦合模型進(jìn)行了瞬態(tài)求解。在以往閘門(mén)結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元數(shù)值計(jì)算[3，14]中，面板一般采用殼單元模擬，筆者在處理水體一弧形閘門(mén)耦合計(jì)算時(shí)，為實(shí)現(xiàn)上下游兩側(cè)水體與弧形閘門(mén)面板兩側(cè)的耦合設(shè)置，采用實(shí)體單元模擬面板，取得了比較理想的效果。

2 水體一閘門(mén)耦合理論基礎(chǔ)與基本方程

水體一閘門(mén)耦合問(wèn)題屬于流固耦合問(wèn)題，在泄流過(guò)程中，水體與閘門(mén)面板間有明確的耦合界面，水體位移比較有限，且泄流過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)。水體一閘門(mén)耦合（流固耦合）基本方程包括流體控制方程、耦合界面節(jié)點(diǎn)動(dòng)壓力方程、等效節(jié)點(diǎn)荷載方程和結(jié)構(gòu)控制方程[15]。

3 模型建立

3.1 工程實(shí)例

以黃河某水電站胸墻式泄洪閘水體一弧形閘門(mén)為研究對(duì)象。針對(duì)該閘門(mén)開(kāi)啟泄流情況，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件ANSYS，建立水體一弧門(mén)耦合有限元模型，研究淹沒(méi)出流情況下流場(chǎng)的瞬態(tài)特性。胸墻式閘門(mén)為深孔閘門(mén)，正常水位下門(mén)后有一定深度的水體。

水庫(kù)正常蓄水位134.00 m，下游平均水位125.30m，高于溢流堰頂高程，水頭差8.70 m，閘門(mén)底檻高程為120.19 m。閘門(mén)運(yùn)行的水力特點(diǎn)是低水頭閘下淹沒(méi)出流，要求操作方式為動(dòng)水啟閉。實(shí)際運(yùn)行中，閘門(mén)常局部開(kāi)啟泄流，閘門(mén)泄流時(shí)門(mén)底后出現(xiàn)淹沒(méi)水躍，振動(dòng)問(wèn)題較為嚴(yán)重。

3.2 模型建立

為減小工作量，經(jīng)過(guò)反復(fù)試算，取上游段水體為孔口正前方水體，計(jì)算時(shí)賦予其自由液面以下的相應(yīng)水壓力，不影響計(jì)算結(jié)果。整個(gè)流體區(qū)域長(zhǎng)度為20. 60m，寬度為8.90 m;門(mén)前水體長(zhǎng)度為3.50 m，高度為4.16 m;門(mén)后水體長(zhǎng)度為17.10 m，高度為11.42 m。工作閘門(mén)尺寸8.904 mx5.977 m，面板前沿距離支鉸中心9.0 m，支鉸中心高程126.0 m.閘門(mén)設(shè)計(jì)水頭13.808m。坐標(biāo)原點(diǎn)取在兩支鉸中心線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)中心，x軸為水流方向，y軸為鉛直方向，z軸為主橫梁軸向。

工程實(shí)例的水體不考慮溫度，只需給出水的密度和黏度。鋼閘門(mén)為Q235鋼，彈性模量E=2.06×10⁵MPa，泊松比μ=0.3，容重y=78.5 kN/m3。弧形閘門(mén)是典型的空間薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，首次采用實(shí)體單元模擬面板，水體及弧形閘門(mén)各構(gòu)件模擬單元的選擇[16]見(jiàn)表1。不同區(qū)域采取不同網(wǎng)格密度，流固耦合交界面附近區(qū)域水體網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離交界面區(qū)域的水體網(wǎng)格相對(duì)稀疏。水體一弧形閘門(mén)耦合有限元模型如圖1所示。

3.3 邊界條件

流體（水體）邊界條件：假設(shè)底面和側(cè)面為無(wú)滑移固壁，即x、y、z向流動(dòng)速度均為零;考慮計(jì)算簡(jiǎn)便，上下游水體上表面設(shè)置為固壁邊界并施加滑移條件，確保有水流方向的速度。上游進(jìn)口為壓力入口，出口為自由出流。結(jié)構(gòu)（弧形閘門(mén)）邊界條件：閘門(mén)在支鉸孔和吊耳孔處受x、y、z方向位移約束。

選擇RNG k-8模型模擬流態(tài)，相比于標(biāo)準(zhǔn)k-8模型.RNG k-8模型在ε方程中增添用以反映主流時(shí)均應(yīng)變率的項(xiàng)，從而對(duì)耗散率方程的模擬實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，湍流的各向異性得以表達(dá)，非常適用于模擬水體的彎曲流動(dòng)。

4 水體一弧形閘門(mén)耦合結(jié)構(gòu)動(dòng)特性分析

4.1 主要構(gòu)件瞬態(tài)位移分析

弧形閘門(mén)瞬態(tài)位移分析就是分析各構(gòu)件上節(jié)點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化，獲取節(jié)點(diǎn)任意時(shí)刻的位移值。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不同開(kāi)度下各構(gòu)件節(jié)點(diǎn)位移振幅基本上在模型計(jì)算時(shí)間t為0.90 s以后趨于0。

t=0.92 s時(shí)弧形閘門(mén)不同開(kāi)度下主要構(gòu)件在不同方向上的最大位移見(jiàn)表2-表4。

（1）當(dāng)t=0.92 s時(shí)，弧形閘門(mén)在不同開(kāi)度下各主要構(gòu)件水流方向的位移最大，豎直方向的位移次之，側(cè)向位移最小。

（2）當(dāng)t=0.92 s時(shí)，各開(kāi)度下閘門(mén)主要構(gòu)件中面板、主橫梁和縱梁位移相對(duì)較大，支臂位移最小。

（3）當(dāng)t=0.92 s時(shí)，面板在開(kāi)度為0-0.20下的位移較大，0.10開(kāi)度時(shí)最大位移為6.97 mm.總體上開(kāi)度越大，面板位移越小。面板水流向的位移云圖（見(jiàn)圖2）反映出：小開(kāi)度時(shí)，上下游水體壓力同時(shí)作用，使得面板較大位移集中在面板上半部分，此時(shí)最大位移出現(xiàn)在兩側(cè)，部分梁格內(nèi)位移比較大：隨著開(kāi)度的增大，面板受下游水體壓力作用減小，主要承受上游的水壓力，于是較大位移向面板的下半部分轉(zhuǎn)移。各開(kāi)度下面板最大位移均位于兩側(cè)，并隨開(kāi)度增大呈現(xiàn)自上而下的變化，體現(xiàn)了相應(yīng)開(kāi)度下面板的變形特點(diǎn)，同時(shí)說(shuō)明面板兩側(cè)剛度不夠，需要再加設(shè)一定數(shù)量的勁板。

（4）當(dāng)t= 0.92 s時(shí)，主橫梁最大位移基本上隨著開(kāi)度的增大而減小，在0.10開(kāi)度時(shí)位移最大，為5.76mm。從主橫梁沿流向的位移云圖（見(jiàn)圖3）可以看出：在0-0.20開(kāi)度下，主橫梁最大位移均出現(xiàn)在上主橫梁前翼緣上，分別為5.68、5.76、5.54 mm;在開(kāi)度為0.375時(shí)，主橫梁最大位移出現(xiàn)在上主橫梁后翼緣兩側(cè)，為5.25 mm;在0.55開(kāi)度和0.75開(kāi)度下，主橫梁最大位移均出現(xiàn)在下主橫梁上，但位置存有差異，前者在下主橫梁的后翼緣上，為4.94 mm.后者在下主橫梁的前翼緣上，為4.62 mm。主橫梁出現(xiàn)最大位移的部位隨開(kāi)度增大呈現(xiàn)自上而下的變化，該變化符合相應(yīng)開(kāi)度下主橫梁的變形特點(diǎn)。

（5）在0.92 s時(shí)刻，縱梁最大位移基本上隨著開(kāi)度的增大而減小。由縱梁水流向位移云圖（見(jiàn)圖4）可知：在0.05開(kāi)度和0.10開(kāi)度下，縱梁最大位移分別為6.05 mm和6.17 mm.均出現(xiàn)在邊梁上，前者在邊梁的外腹板上，后者在邊梁的翼緣板上;當(dāng)開(kāi)度為0. 20、0.375和0.55時(shí)，縱梁最大位移均出現(xiàn)在中間縱梁的腹板上，分別為6.10、5.12、4.60 mm;0.75開(kāi)度對(duì)應(yīng)的縱梁最大位移為4.30 mm，位于邊梁外腹板的底部。整體上，隨著開(kāi)度的增大，縱梁產(chǎn)生最大位移的部位呈現(xiàn)自上而下移動(dòng)的變化，該變化符合相應(yīng)開(kāi)度下縱梁的變形特點(diǎn)。

選取面板中心位置處節(jié)點(diǎn)A，通過(guò)瞬態(tài)計(jì)算，得出各開(kāi)度下該節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線(xiàn)，其中水流向位移時(shí)程變化最為明顯（見(jiàn)圖5）。

由圖5可知：

（1）各開(kāi)度下節(jié)點(diǎn)A的位移出現(xiàn)了振動(dòng)，并且在最初較短時(shí)間內(nèi)，其位移波動(dòng)較為明顯。從振動(dòng)波形看，開(kāi)度為0.05、0.10、0.20時(shí)振動(dòng)波形相差不大，振動(dòng)變化比較急?。寒?dāng)開(kāi)度大于0.375時(shí)，波形出現(xiàn)了較明顯的變化，其振動(dòng)變得較為緩慢。

（2）對(duì)于0- 0.375開(kāi)度情況，節(jié)點(diǎn)A振動(dòng)周期較小，約為0.1 s（頻率接近10 Hz）。對(duì)于較大開(kāi)度情況，節(jié)點(diǎn)A振動(dòng)周期較大，0.75開(kāi)度下周期約為0.17 s，頻率約為5.8 Hz。在0.10開(kāi)度下0.07 s時(shí)位移最大，約為5 mm，其平衡位置在4.2 mm處，位移振動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定;而在0.75開(kāi)度下0.11 s時(shí)位移最大，約為3.1mm，其平衡位置在2.4 mm處，位移振動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）弧形閘門(mén)在0-0.20開(kāi)度下，水流動(dòng)壓力造成閘門(mén)面板振動(dòng)頻率（10 Hz）較高，根據(jù)弧形閘門(mén)模態(tài)分析中面板振動(dòng)對(duì)應(yīng)高階振頻可知，水流誘發(fā)面板振動(dòng)頻率一旦接近面板的自振頻率，容易引發(fā)閘門(mén)共振破壞。

4.2 主要構(gòu)件瞬態(tài)應(yīng)力分析

弧形閘門(mén)開(kāi)啟不同開(kāi)度泄流過(guò)程中，其主要構(gòu)件的應(yīng)力是隨時(shí)間變化的，通過(guò)計(jì)算分析閘門(mén)不同開(kāi)度下主要構(gòu)件的瞬態(tài)應(yīng)力，獲得主要構(gòu)件最大應(yīng)力及位置隨開(kāi)度的變化規(guī)律。各開(kāi)度下主要構(gòu)件最大應(yīng)力（t=0.92 s）見(jiàn)表5。

（1）t=0.92 s時(shí)，不同開(kāi)度下各主要構(gòu)件最大應(yīng)力呈現(xiàn)非線(xiàn)性變化。其中，面板折算應(yīng)力隨開(kāi)度的增大出現(xiàn)先增大后減少的情況，在0.20開(kāi)度下達(dá)到最大值，為183.6 MPa，小于應(yīng)力容許值（238.4 MPa）。其他構(gòu)件應(yīng)力隨開(kāi)度的增大則呈現(xiàn)先增大后減少再增大的現(xiàn)象?？v梁在0.10開(kāi)度時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大，最大折算應(yīng)力為96.4 MPa，主橫梁和支臂折算應(yīng)力在0.75開(kāi)度下達(dá)到最大值，分別為85.6 MPa和65.3 MPa。主橫梁、縱梁和支臂的最大折算應(yīng)力均未超過(guò)其容許值（ 158.8 MPa）。

（2）在t= 0.92 s時(shí)，由各開(kāi)度下面板折算應(yīng)力云圖（圖6）可以看出，其應(yīng)力分布基本對(duì)稱(chēng)，并且應(yīng)力較大區(qū)域隨開(kāi)度的遞增出現(xiàn)自上而下移動(dòng)的分布規(guī)律。該應(yīng)力分布規(guī)律基本反映了面板所承受的水壓力分布特點(diǎn)：小開(kāi)度下，面板同時(shí)承受上下游兩側(cè)水體壓力，于是下半部分的面板受力相對(duì)較小，面板應(yīng)力主要分布在上半部分;隨開(kāi)度的不斷增大，上游水體壓力逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，而下游水體壓力對(duì)面板的作用越來(lái)越不明顯。此外，各開(kāi)度下面板最大折算應(yīng)力出現(xiàn)的位置也各不相同。在0.05開(kāi)度下，最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在面板與2#、5#縱梁（從左至右編號(hào)為1# -6#）及上主橫梁連接區(qū)域;在0.10開(kāi)度下，最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在面板與4#縱梁和3#小橫梁（從上到下編號(hào)為1# -7#）連接區(qū)域;0.20開(kāi)度對(duì)應(yīng)最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在與3#小橫梁齊平的面板左右端;0.375開(kāi)度和0.55開(kāi)度對(duì)應(yīng)最大折算應(yīng)力均出現(xiàn)在與4#小橫梁基本齊平的面板左右端;閘門(mén)開(kāi)度為0.75時(shí)，最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在面板與2#、5#縱梁及下主橫梁連接區(qū)域。

（3）當(dāng)t= 0.92 s時(shí)，由各開(kāi)度下主橫梁折算應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖7）可知，其應(yīng)力分布基本對(duì)稱(chēng)，并且應(yīng)力較大區(qū)域隨開(kāi)度的遞增出現(xiàn)如下規(guī)律：開(kāi)度為0.05、0.10、0.20時(shí)，較大應(yīng)力主要分布在上主橫梁的前翼緣板上;0.375 -0.550開(kāi)度下，應(yīng)力較大區(qū)域遍布上下主橫梁;而當(dāng)開(kāi)度為0.75時(shí)，較大應(yīng)力主要分布在下主橫梁的前翼緣板上。此外，各開(kāi)度下主橫梁最大折算應(yīng)力出現(xiàn)的位置各不相同。開(kāi)度為0. 05、0.10、0.20時(shí)，主橫梁最大折算應(yīng)力均出現(xiàn)在上主橫梁前翼緣與2#、5#縱梁連接區(qū)域;0.375開(kāi)度對(duì)應(yīng)主橫梁最大折算應(yīng)力位于下主橫梁后翼緣與4#縱梁連接區(qū)域;0.55開(kāi)度對(duì)應(yīng)主橫梁最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在上主橫梁前翼緣與4#縱梁連接區(qū)域;開(kāi)度為0.75時(shí)，主橫梁最大折算應(yīng)力位于下主橫梁前翼緣與5#縱梁連接區(qū)域。

（4）在t=0.92 s時(shí)，由各開(kāi)度下縱梁折算應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖8）可知，其應(yīng)力分布基本對(duì)稱(chēng)，并且應(yīng)力較大區(qū)域隨開(kāi)度的遞增呈現(xiàn)自上而下移動(dòng)的分布規(guī)律。各開(kāi)度下縱梁最大折算應(yīng)力出現(xiàn)的位置也各不相同，0.05開(kāi)度對(duì)應(yīng)縱梁最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在2#小橫梁與上主橫梁之間的5#縱梁腹板前沿;0.10開(kāi)度和0.20開(kāi)度對(duì)應(yīng)縱梁最大折算應(yīng)力均出現(xiàn)在上主橫梁與3#小橫梁之間的2#縱梁腹板前沿;0.375開(kāi)度和0.55開(kāi)度對(duì)應(yīng)縱梁最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在4#、5#小橫梁之間的3#縱梁腹板的前沿;開(kāi)度為0.75時(shí)，縱梁最大折算應(yīng)力位于5#小橫梁與下主橫梁之間的4#縱梁腹板的前沿。

（5）分析t=0.92 s時(shí)各開(kāi)度下的支臂折算應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖9）可知，其應(yīng)力分布基本對(duì)稱(chēng)，同時(shí)應(yīng)力分布區(qū)域隨開(kāi)度變化而有所不同，表現(xiàn)為：0 - 0.375開(kāi)度下，較大應(yīng)力主要分布在上支臂前段，0.55開(kāi)度和0.75開(kāi)度對(duì)應(yīng)較大應(yīng)力主要位于下支臂前段，應(yīng)力分布規(guī)律符合相應(yīng)開(kāi)度下支臂的受力特點(diǎn)。

此外，各開(kāi)度下支臂最大折算應(yīng)力出現(xiàn)的位置有所不同。其中，0.05開(kāi)度和0.10開(kāi)度對(duì)應(yīng)支臂最大折算應(yīng)力均出現(xiàn)在上支臂與上主橫梁連接處的內(nèi)側(cè)翼緣板上;0.20開(kāi)度和0.375開(kāi)度對(duì)應(yīng)支臂最大折算應(yīng)力均出現(xiàn)在上支臂腹板的前沿，后者位置相對(duì)偏后;0.55開(kāi)度對(duì)應(yīng)支臂最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在下支臂腹板的前沿;當(dāng)開(kāi)度為0.75時(shí)，支臂最大折算應(yīng)力位于下支臂與下主橫梁連接處的外側(cè)翼緣板上。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)弧形閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，研究動(dòng)水壓力作用下弧門(mén)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。計(jì)算獲取了面板某節(jié)點(diǎn)各開(kāi)度下的位移時(shí)程變化和某時(shí)刻（t=0.92 s）主要構(gòu)件各開(kāi)度下的最大位移、最大應(yīng)力及其分布規(guī)律，主要得到以下結(jié)論。

（1）在0.05 -0.20開(kāi)度區(qū)間，面板節(jié)點(diǎn)位移波動(dòng)較為明顯，振動(dòng)波形相差不大，其振動(dòng)變化比較急劇;各開(kāi)度下面板節(jié)點(diǎn)振動(dòng)頻率變化范圍為5.8 - 10.0 Hz，接近面板的自然頻率，容易引發(fā)閘門(mén)共振破壞。

（2）在0.05 -0.20開(kāi)度區(qū)間，閘門(mén)受上下游水體壓力的同時(shí)作用，主要構(gòu)件的較大位移區(qū)域和較大應(yīng)力區(qū)域主要分布在構(gòu)件的上半部分;開(kāi)度大于0.375時(shí)，閘門(mén)受下游水體壓力作用減小，主要承受來(lái)自上游的水壓力，于是較大位移和較大應(yīng)力區(qū)域向構(gòu)件的下半部分轉(zhuǎn)移;在某一瞬時(shí)（ t=0.92 s），不同開(kāi)度下各主要構(gòu)件最大位移和最大應(yīng)力呈現(xiàn)非線(xiàn)性變化。各主要構(gòu)件較大位移和較大應(yīng)力的分布區(qū)域隨開(kāi)度的遞增呈現(xiàn)自上而下移動(dòng)的變化規(guī)律，符合相應(yīng)開(kāi)度下主要構(gòu)件受力變形特點(diǎn)。

（3）弧形閘門(mén)在不同開(kāi)度下各主要構(gòu)件水流向位移最大，豎直向位移次之，側(cè)向位移最小;主要構(gòu)件中面板、主橫梁和縱梁位移相對(duì)較大，支臂位移最小;應(yīng)力方面，面板在0.20開(kāi)度下應(yīng)力達(dá)到最大值，主橫梁和支臂折算應(yīng)力在0.75開(kāi)度下達(dá)到最大值。考慮到水流脈動(dòng)壓力較大，動(dòng)水中支臂的穩(wěn)定性應(yīng)予以注意。

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【責(zé)任編輯 張華巖】