水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門流激振動研究

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

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。工程實踐證明，閘門在動水啟閉過程及在某些局部開啟運行時由于水流的作用，都有不同程度的振動。在一些特定條件下，某些閘門曾產(chǎn)生較強烈的振動，少數(shù)閘門曾產(chǎn)生共振和動力失穩(wěn)現(xiàn)象。研究閘門流激振動機理，探討閘門振動規(guī)律，給出控制判據(jù)，對指導鋼結(jié)構(gòu)閘門設計是具有非常重要的意義。目前，由于閘門的結(jié)構(gòu)復雜，水流動力作用與閘門振動的關系尚未完全摸清，國內(nèi)外對閘門振動的研究仍屬初步階段，現(xiàn)行規(guī)范采用動力系數(shù)法，暫規(guī)定同一動力系數(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)閘門流激振動問題，有部分內(nèi)容從工程預報的需求，作了一定延拓，屬學術討論。論文綜述了水工弧形鋼閘門以往的研究工作，從振源，振動機制，數(shù)值模擬預報，物理模型預報，原型觀測五個方面敘述了閘門流激振動研究歷史與發(fā)展。論文結(jié)合石佛寺水庫弧形鋼閘門設計，探討弧形鋼閘門振動機理和特性，分別研究弧形鋼閘門的自由振動與受迫振動，自激振動和參數(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，預報石佛寺弧形閘門在水流脈動荷載作用下的強迫振動特性(EIE)。選用的技術路線為：用只滿足重力相似律的水力模型同步紀錄閘門面板上若干個面脈動壓力傳感器上的水流脈動荷載，然后再用大型結(jié)構(gòu)計算軟件確定閘門的動力響應。面脈動壓力傳感器的承壓面面積和結(jié)構(gòu)動力計算時的閘門面板有限元分割相應。因此迫振預報包括兩部分內(nèi)容：一是面脈動壓力測定，二是結(jié)構(gòu)動力計算。
2，為了方便設計人員初步判斷所設計的弧形閘門的動力特性，采用瑞利法，給出不同開度下弧門切向、徑向、側(cè)向三個自振頻率的簡單計算公式。利用這些公式，給出弧門設計的一個指標，如能滿足這個指標，那么弧形閘門不會產(chǎn)生顯著的強迫振動。3，利用關于弧形閘門水力負阻尼和計及阻尼時壓桿參數(shù)共振的已有研究成果，以及聯(lián)合考慮水力負阻尼與參數(shù)共振，討論了弧形閘門在三種典型工況下支臂動力失穩(wěn)的可能性及防止動力失穩(wěn)應采取的措施。
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預報方法是國內(nèi)外第一次使用。這種預報方法的概念在半個世紀前已經(jīng)提出。但本論文摒棄了傳統(tǒng)的水流點脈動壓力測量而代之以與結(jié)構(gòu)有限元計算閘門面板單元分割一致的相似面積作為承壓面，同步測量面脈動荷載，經(jīng)模型比尺換算后，直接作為動力計算的迫振力，充分發(fā)揮了水工模型與有限元計算的優(yōu)勢，也節(jié)省預報費用。
2、第一次定義了與參數(shù)共振相應的等效負阻尼，它的優(yōu)點是在某些工況下，可以簡單地把參數(shù)共振的等效負阻尼與水力負阻尼疊加，判斷兩種因素共同作用時低水頭水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門的動力穩(wěn)定性。
3、對低水頭水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門的三種典型工況，進行了動力穩(wěn)定性討論，定量給出了相應條件下動力穩(wěn)定所必須滿足的條件，指出了避免動力失穩(wěn)所應采取的措施。
4、給出了計及水體附加質(zhì)量時水工弧形鋼閘門切向、徑向和側(cè)向振動的三個基本自振頻率的計算式，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)生較強烈的流激振動，應控制的主橫梁靜力最大應變值。