水工弧形钢闸门振动及启闭机械维护分析

邓腾龙

（中国葛洲坝集团第三工程有限公司，陕西 西安 710076）

水工弧形钢闸门是一种形式简单且工作性能优的结构，广泛用于各类型泄水建筑物结构设计，其运行状态的可靠性对水工建筑物安全性具有重要意义。从现有监测资料与模型试验分析结果可知，弧形钢闸门存在振动现象。因此，弧形钢闸门的结构设计应结合现场环境多方面、深层次、科学地查明与揭示结构振动效应的产生机制。

1 弧形钢闸门结构设计

1.1 安装过程控制

弧形钢闸门主要由面板、主次梁及分隔板等部件焊接而成，采用平面假定体系进行允许应力与极限状态下承载能力验算。机械零部件主要有吊耳、吊轴、滚轮、滑块等，用于钢闸门运输安装、辅助正常工作以及便于维护维修等环节。

受场地条件限制，当前可采用公路架桥机进行快速安装施工，主要是控制点的选择与校核问题，支臂与铰座、支腿与支臂、埋件与侧轨等都需精准对接，门叶安装包括腹板与隔板、面板、边梁等位置的焊接。钢闸门安装焊接完成后，安装人员可操作启闭机械进行吊装与测试。

1.2 焊接过程控制

材料间差异将导致焊接裂缝，影响结构使用并埋下安全隐患。主次梁与面板、翼板间的焊缝、翼板对接焊缝、充填坡口焊缝以及主次梁间组合角焊缝均可采用三角形或者U形构造，双面焊接时应注意焊接缝形式设计与缝隙清理等工作，在条件允许的情况下可选择焊前材料预热，减少焊液渗漏与稀释、冷裂纹等不利现象发生。焊接后，应核验平整度与扭曲程度是否符合要求。

弧形钢闸门整体装配应力较大，需改善钢材塑性与韧性；因此，采用超声波检测设备进行焊接缝裂纹缺陷检测，若存在重大缺陷，应重新进行弧形钢闸门缺陷矫正与整治。所有结构在缺陷与外观均满足规范要求后才进行后续工序。

2 弧形钢闸门振动分析

环境边界条件、闸前水流特性与结构自身形式等均影响弧形钢闸门振动特性。根据过流状态，水工钢闸门振动有稳定流与非稳定流问题；按照激励诱发机制，振动有荷载、运动与共振等；根据水流诱发振动类型分为强迫、自控与自激振动三种类型[1]。

2.1 结构固有特性

滑块、球铰等转动部位与支臂间摩擦性能、上下游水位差与水动力荷载条件、弧形钢闸门自身重量、支臂结构形式与刚度等方面均可减弱或消除闸门结构振动效应。现场观测项目主要有不同启闭弧度条件下结构静动力应力、位移、振动幅度、频率、阻尼系数、启闭力等内容，这均与闸门所选材料、结构形式、构造连接等密切相关。

弧形闸门固有振动频率很大程度上与其支臂的结构形式密切相关，动力模态分析表明，支臂横向惯性矩对于低阶振动频率具有较大的控制效应，基频也能较好地绕过流体动荷载高能共振响应；在于弧形钢闸门面板相结合，可以横向控制低阶频率下闸门结构的振动效应。

2.2 工作状态分析

振动复杂程度还与工作状态相关，在开启过程中闸门振动效应要强于关闭过程，且更容易产生振动。动力条件闸门开启、关闭以及局部开启的工作性态是一项重要的测试内容，主要包括固有频率、阻尼比与结构振型等参数。有限元动力分析对弧形闸门小于三阶自振频率模拟效果较优，高于三阶后，现场与室内模拟结果相差较大，难以反映复杂工况下振动规律。现场监测资料表明，弧形钢闸门在开启并开度为60%～80%时是振动效应最为强烈的阶段，支臂侧向将承受来自结构的较大弯矩作用。因此，弧形钢闸门在日常运行调节过程中应尽量避免小开度与60%～80%的开度范围内长时间工作。

黄河某水电站弧形钢闸门在无水落门过程中同样存在剧烈振动现象，这给予了结构动力设计很大启发[2]。模态分析表明，空载条件下该弧形钢闸门的固有频率接近，低阶频率下结构振动效应较弱，刚性部位在高阶频率下振动效应较为明显；但三轴支臂与铰座的动力测试结果表明，在其围绕铰座转动过程中因变化不一且力矩短小的摩阻力效应而传递了横向、切向与径向的振动，导致了空载过程中弧形钢闸门同样存在振动现象。

2.3 水动力问题

当前，主要研究以复杂边界条件与流固耦合相结合进行弧形钢闸门振动问题的研究分析。水流场随机荷载是引起弧形闸门振动或导致其共振的重要因素。弧形钢闸门在水流场振动时，流体的弹性力、惯性力与阻尼力通过相互影响单元作用至结构上，使得弧形钢闸门系统的刚度、强度、振动性质发生变化。从这个角度而言，弧形钢闸门水流激振问题属于水弹性耦合振动范畴。

根据现场监测资料分析发现，江苏某一支臂弧形钢闸门在日常运行中发现开启高度、过闸水位、闸顶流态影响其振动振幅、振动频率、位移、方向、加速度等参量变化规律[3]。

流态稳定时，脉动压力约为总体水头的3%；若存在空穴、气囊及水跃回荡等不稳定流态时，脉动压力将呈现更为复杂的演化规律，此时水动力荷载比稳定流在量级上将出现显著差异，所产生的巨大激振力作用于弧形闸门，诱发了结构强烈的振动效应。如何能有效降低或消除水流激励力与脉动高能区对闸门启闭影响是一项闸门结构设计需要考虑的重要内容。

3 闸门机械营运管理

3.1 设备优缺点分析

弧形钢闸门启闭机械通常分为卷扬式与液压式两种类型，前者控制闸门处于全开或全关两种状态，难以实现智能化操作；后者在闸门门槽结构中位置固定，可根据实际需要进行智能化调节[4]。

3.2 设备系统管理

1）日常维护。应根据河道的运营情况，在既有维护检修的基础上注意闸门前后空隙是否被河道漂浮物堵塞，闸墩、闸门表面等重要部分是否有吸附物、腐蚀破坏部位以及藻类等植物。对于开关、制动设备、供电设备与启闭空间等至关重要的室内项目应逐条逐项地进行检查，做好维护保养工作。

2）定期核查与维修。对于启闭机械而言，启闭机、传动装置及工作空间是否处于正常工作状态将十分关键。齿轮变速器是否出现了断齿、裂缝，卷扬机钢丝绳是否老化、断丝、干燥少油、生锈等，液压传动装置是否能够正常传递油压、是否漏油、是否有裂缝等问题，应及时维修与更换，防止突发状况下影响与妨碍闸门启闭。因此，应定期对启闭机械进行核查与维修。

3）除锈与防腐。对于外部闸门面板，由于长时间外漏，闸门因掉漆而存在腐蚀，若出现在重要部分，将直接影响正常工作性能。因此，根据河道水位运行与调节状态，及时制定闸门除锈与防腐计划。

4）反馈与优化。在结构设计中难免存在摩擦，利用现有结构进行适当优化，以调整闸门工作性态。随着制造技术与日常运行智能化需求的提升，使用方可搜集并整理闸门及启闭机械信息，及时与制造方沟通，在设备维护更换时也能更好地提升设备性能，达到反馈调节的目的，即馈控优化。

4 结论

环境边界条件、闸前水流特性与结构自身形式等均影响弧形钢闸门振动特性。闸门开启角度、相对水深以及结构形式均对振动位移、振动加速度、基频、自振频率等有影响，相应的影响规律可以通过数值模拟计算与现场监测资料相结合进行分析。