水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門流激振動(dòng)研究

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水利工程弧形鋼閘門，主要用于水庫的控制泄洪，是保證大壩安全的最重要建筑物之一。工程實(shí)踐證明，閘門在動(dòng)水啟閉過程及在某些局部開啟運(yùn)行時(shí)由于水流的作用，都有不同程度的振動(dòng)。在一些特定條件下，某些閘門曾產(chǎn)生較強(qiáng)烈的振動(dòng)，少數(shù)閘門曾產(chǎn)生共振和動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。研究閘門流激振動(dòng)機(jī)理，探討閘門振動(dòng)規(guī)律，給出控制判據(jù)，對(duì)指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)閘門設(shè)計(jì)是具有非常重要的意義。目前，由于閘門的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水流動(dòng)力作用與閘門振動(dòng)的關(guān)系尚未完全摸清，國內(nèi)外對(duì)閘門振動(dòng)的研究仍屬初步階段，現(xiàn)行規(guī)范采用動(dòng)力系數(shù)法，暫規(guī)定同一動(dòng)力系數(shù)取值范圍，根據(jù)水流條件、閘門型式選取，近似考慮振動(dòng)的影響。
本論文的主體是研究遼寧省石佛寺水庫低水頭水工弧形鋼結(jié)構(gòu)閘門流激振動(dòng)問題，有部分內(nèi)容從工程預(yù)報(bào)的需求，作了一定延拓，屬學(xué)術(shù)討論。論文綜述了水工弧形鋼閘門以往的研究工作，從振源，振動(dòng)機(jī)制，數(shù)值模擬預(yù)報(bào)，物理模型預(yù)報(bào)，原型觀測(cè)五個(gè)方面敘述了閘門流激振動(dòng)研究歷史與發(fā)展。論文結(jié)合石佛寺水庫弧形鋼閘門設(shè)計(jì)，探討弧形鋼閘門振動(dòng)機(jī)理和特性，分別研究弧形鋼閘門的自由振動(dòng)與受迫振動(dòng)，自激振動(dòng)和參數(shù)共振，給出定量分析方法和結(jié)果，本文主要研究內(nèi)容包括：
1，預(yù)報(bào)石佛寺弧形閘門在水流脈動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)特性(EIE)。選用的技術(shù)路線為：用只滿足重力相似律的水力模型同步紀(jì)錄閘門面板上若干個(gè)面脈動(dòng)壓力傳感器上的水流脈動(dòng)荷載，然后再用大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件確定閘門的動(dòng)力響應(yīng)。面脈動(dòng)壓力傳感器的承壓面面積和結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算時(shí)的閘門面板有限元分割相應(yīng)。因此迫振預(yù)報(bào)包括兩部分內(nèi)容：一是面脈動(dòng)壓力測(cè)定，二是結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算。
2，為了方便設(shè)計(jì)人員初步判斷所設(shè)計(jì)的弧形閘門的動(dòng)力特性，采用瑞利法，給出不同開度下弧門切向、徑向、側(cè)向三個(gè)自振頻率的簡單計(jì)算公式。利用這些公式，給出弧門設(shè)計(jì)的一個(gè)指標(biāo)，如能滿足這個(gè)指標(biāo)，那么弧形閘門不會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)迫振動(dòng)。3，利用關(guān)于弧形閘門水力負(fù)阻尼和計(jì)及阻尼時(shí)壓桿參數(shù)共振的已有研究成果，以及聯(lián)合考慮水力負(fù)阻尼與參數(shù)共振，討論了弧形閘門在三種典型工況下支臂動(dòng)力失穩(wěn)的可能性及防止動(dòng)力失穩(wěn)應(yīng)采取的措施。
本文創(chuàng)新性的工作內(nèi)容包括：
1、本文所采用的閘門流激振動(dòng)預(yù)報(bào)方法是國內(nèi)外第一次使用。這種預(yù)報(bào)方法的概念在半個(gè)世紀(jì)前已經(jīng)提出。但本論文摒棄了傳統(tǒng)的水流點(diǎn)脈動(dòng)壓力測(cè)量而代之以與結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算閘門面板單元分割一致的相似面積作為承壓面，同步測(cè)量面脈動(dòng)荷載，經(jīng)模型比尺換算后，直接作為動(dòng)力計(jì)算的迫振力，充分發(fā)揮了水工模型與有限元計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，也節(jié)省預(yù)報(bào)費(fèi)用。
2、第一次定義了與參數(shù)共振相應(yīng)的等效負(fù)阻尼，它的優(yōu)點(diǎn)是在某些工況下，可以簡單地把參數(shù)共振的等效負(fù)阻尼與水力負(fù)阻尼疊加，判斷兩種因素共同作用時(shí)低水頭水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門的動(dòng)力穩(wěn)定性。
3、對(duì)低水頭水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門的三種典型工況，進(jìn)行了動(dòng)力穩(wěn)定性討論，定量給出了相應(yīng)條件下動(dòng)力穩(wěn)定所必須滿足的條件，指出了避免動(dòng)力失穩(wěn)所應(yīng)采取的措施。
4、給出了計(jì)及水體附加質(zhì)量時(shí)水工弧形鋼閘門切向、徑向和側(cè)向振動(dòng)的三個(gè)基本自振頻率的計(jì)算式，并由此得出了為避免低水頭水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門發(fā)生較強(qiáng)烈的流激振動(dòng)，應(yīng)控制的主橫梁靜力最大應(yīng)變值。