翻板闸门流激振动模型试验及优化设计

阮颖颖

（福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州362000）

0 引 言

水工闸门是水利水电工程中常见的挡水结构物，闸门在工作过程中因受到动水作用必然表现出流激振动，这种振动对闸门可靠运行较为不利。为研究水工闸门流激振动，必须从结构自身固有特性及外部激励荷载出发，比较闸门自振频率和作用水流的脉动频率，并使自振频率与脉动频率远离，以防止产生共振后放大振动影响程度，保证水工闸门结构安全。为此，文章依托防洪排涝工程水工闸门实际，通过水力学试验展开对翻板闸门脉动压力特性的分析，并根据空间有限元及动特性试验得出闸门自振特性，对流激振动响应进行了动力时程分析，提出闸门基频及整体刚度提升、振动响应控制的优化策略。

1 工程概况

福鼎城区南湾防洪排涝工程C3 标（金属结构设备及安装工程）包括1 座水闸及泵站的金属结构设备及安装工程。水闸主要采用上翻式翻板闸门，闸门设计宽度16.8m、高20.5m，闸门使用Q345B材料，弹性模量为206Gpa，泊松比0.25~0.30，密度7858kg/m³。该水工闸门主要用于防洪排涝，满足上游灌溉及生态用水方面的需要，汛期则开闸泄洪，确保河道防洪安全。工程采用上翻式翻板闸门和溢流坝结合的设置形式，闸底板廊道段为空箱结构。

2 水动力学试验

翻板闸门流激振动以其所承受的动水压力为激振源，为研究其流激振动特性，必须展开水动力学试验。动水压力包括脉动压力和时均压力两部分，脉动压力主要引起结构振动，且影响程度和水流紊动有关；时均压力则是进行闸门结构静力设计的主要参数，通常在闸门全关时达到最高水平。为得到该翻板闸门动水时域幅值及频域能量分布特性，按照《水工模型试验规程》相关要求，按照弗劳德相似定律设计并制作1 : 25 单体水工有机玻璃模型，展开水压力试验[1]。电压信号经由动态电阻应变仪放大滤波处理后通过信号采集系统收集并存储；脉动压力则通过压阻式微脉动压力传感器直接测量。典型测点脉动压力时程曲线和频谱曲线具体见图1，从图中可知，翻板闸门具有较好的时均压力分布规律，且动水压力属于稳定随机过程；在闸门开启过程中脉动压力呈增大趋势，正常水位下脉动压力最大值为16.96kPa，最低水位下脉动压力最大值为18.96kPa，且均位于门叶下方。

图1 测点脉动压力时程及频谱曲线

2.1 闸门自振特性

通过对结构动力学方程进行拉普拉斯转换后得出翻板闸门振动系统结构传递函数，具体如下：

Ar为r阶模态留数矩阵；为r阶模态留数矩阵共轭；λr为r阶模态特征值；为r阶模态特征值共轭；jω为翻板闸门振动系统自变量。该闸门振动系统结构传递函数涵盖翻板闸门结构全部模态参数，故在已知参数取值及结构传递函数表达式后，便可得出翻板闸门结构的动力特性[2]。

根据弹性相似原理及Lr=20 的几何比尺设计翻板闸门动特性模型，结合闸门具体构造，将其结构离散成208 个节点，x、y、z轴分别表示水流向、横向和竖向。依次对每个节点施加任意大小的激励力，并记录力的大小以及节点在3 个方向的振动响应信号；通过电荷放大器将振动响应信号滤波放大处理后输入系统，采用拟合方式推求出传递函数以及闸门模态频率、阻尼、振型等参数。向节点施加激励力时使用激振锤，通过锤头所设置的传感器测量力的大小，振动响应则通过三向加速度传感器测量。试验所得翻板闸门前10 阶自振频率及阻尼比等参数值具体见表1，根据试验结果，该水工翻板闸门基频较低，且1 阶和2 阶振型均沿面板法向振动。

表1 闸门自振特性试验结果

1）干模态。构建翻板闸门空间有限元模型，依次以水流向、横河向及竖直向为x轴、y轴和z轴，由于闸门面板、主次梁、边梁等均采用薄板，故通过空间四边形板单元展开翻板闸门模型离散，并对主次梁上翼缘连接面板处分为两个单元，分开计算相应刚度后叠加为结构整体刚度[3]。通过分析闸门1 阶及2 阶振型得出相应的振动频率为5.41Hz和22.38Hz。比较试验结果和模态分析结果看出，1 阶和2 阶振型完全吻合，且自振频率偏差不超出10%，说明所得到的翻板闸门动力特性参数值真实可靠。

2）湿模态。翻板闸门和水体耦合作用通过附加质量法进行研究。在流体表现出小振幅运动的过程中，动水压力变动过程服从拉普拉斯方程，根据流固耦合界面条件便可推导出附加质量矩阵和动力控制方程；考虑到附加质量矩阵属于非对称型，故应通过Lanczos 法进行方程求解[4]。闸门全关工况下1 阶和2 阶自振频率依次为2.65Hz 和10.94Hz，均低于干模态情况，说明水流对翻板闸门固有频率存在较大影响；但湿模态下闸门自振振型与干模态完全吻合。

2.2 闸门流激振动特性

2.2.1 闸门流激振动加速度

在闸门模型上相应位置布设5个监测点见图2，试验开始后依次测取各监测点水流向、横河向及竖直向的振动量，按照随机振动理论和谱分析方法展开振动数据分析处理，得出翻板闸门振动期间数字特征和谱特征，并根据测试结果揭示出闸门振动频域能量分布规律[5]。根据试验结果，在上下游水位分别为8.5m和6.8m的固定水位下，随闸门开度减小，闸门振动量及振动响应呈弱化趋势。当闸门开度位于10°~ 40°之间时，因闸门后方空腔稳定性不良，故闸门振动加速度均方根存在小幅度提升，此后快速下降；闸门面板顶部及两侧振动量分别比底轴和中部振动量大。x、y、z轴向闸门面板顶部振动加速度最大值均方根分别为0.221m/s2、0.130m/s2、0.496m/s2；而x、y、z轴向闸门面板底部振动加速度最大值均方根分别为0.058m/s2、0.123m/s2、0.051m/s2；门叶两侧及中部振动加速度最大值均方根分别为0.485m/s2和0.134m/s2。

图2 测点布置情况

在闸门开度固定为42°的工况下，随上游水位的升高，闸门振动量及振动响应不断增强，且面板顶部、门叶两侧振动量比底部、门叶中部大。闸门开度和下游水位不变，上游水位从7.5m增大至8.5m的过程中，x、y、z轴向闸门面板顶部振动加速度最大值均方根分别为0.161m/s2、0.036m/s2、0.187m/s2；而x、y、z轴向闸门面板底部振动加速度最大值均方根分别为0.026m/s2、0.014m/s2、0.019m/s2；门叶两侧及中部振动加速度最大值均方根分别为0.178m/s2和0.067m/s2。闸门振动加速度、时域过程、功率谱密度试验结果具体见图3。

图3 闸门振动加速度、时域过程、功率谱密度曲线

2.2.2 闸门流激振动位移

采用双积分电荷放大器测取图4 中5 个测点的振动位移，为便于比较，每个测点均测取x、y、z轴向的动位移值。按照随机振动理论和谱分析方法处理试验数据，得出翻板闸门动位移过程数字特征和谱特征，据此进行闸门频域能量分布和振动位移分析。根据试验结果，在上下游水位固定的工况下，下泄流量随闸门开度的减小而减小，振动位移响应也随之减弱；x、y、z轴向闸门面板顶部振动位移最大值均方根分别为1.9mm、0.97mm、4.8mm；而x、y、z轴向闸门面板底部振动位移最大值均方根分别为0.61mm、1.4mm、1.39mm；门叶两侧及中部振动位移最大值均方根分别为4.7mm 和1.8mm。

在闸门开度固定的工况下，下泄流量随上游水位的升高而增大，振动位移响应也随之增强。闸门开度和下游水位不变，上游水位从7.5m 增大至8.5m的过程中，x、y、z轴向闸门面板顶部振动位移最大值均方根分别为0.948mm、0.821mm、1.231mm；闸门面板底部以及门叶两侧和中部振动位移取值均接近零，故可忽略不计。

2.2.3 闸门流激振动应力

对该翻板闸门流激振动应力的测量与位移测量同步进行，依次在弹性闸门面板、横纵梁腹板、翼缘等处设置22 个动应力测点，并在处理后的闸门结构表面直接粘贴应变计，借助应力应变放大测量系统测取闸门动态应变值。根据试验结果，面板振动应力最大值均方根为0.397MPa，横梁中断面振动应力最大值均方根为0.910MPa，中断面及边断面纵梁、横梁边断面振动应力最大值均方根分别为0.504MPa、0.427MPa、0.321MPa。该翻板闸门具有较小的动应力，且均满足安全运行方面的规定。

3 闸门结构优化设计

结合以上对翻板闸门泄水流态、脉动压力荷载、流激振动响应等过程的模拟分析，为控制和减小闸门振动量，必须采取有效措施解决该水工翻板闸门门顶溢流下负压空腔问题。

3.1 破水器优化设计

闸门破水器主要起到在闸门低水位、小开度运行下快速撕裂抛射水舌，同时向后空腔输气的作用。但是该水工翻板闸门破水器只在较低水位下发挥作用，随着水位抬升后，破水器在水流流过时会自动闭合，无法发挥撕裂水舌及输气等功能。为此，对破水器进行了改进，采用上游面宽200mm、高200cm 的三角形结构，后部设置2 个平行翼板结构，在闸门全关的情况下，破水器前后部顶高程分别为9.45m 和9.15m。改进后的破水器在闸门开度固定、上游水位7.5m 以及闸门全关、上游水位8.5m 时，均能快速撕裂所流经的水流，在闸门顶部按照均匀间距布置4 个破水器即能满足破水及门后空腔输气等要求。

3.2 通气孔优化设置

翻板闸门开度在0°~ 50°范围内，闸门面板后方所抛射水舌会形成空腔，当上游水位较低时，门顶破水器会撕开抛射水帘，并随即向空腔内补气；而当水位较高时，抛射水体厚度变大，撕裂水帘及补气难度随之增大，随着空腔内部空气被下泄水流不断带走，空腔内负压升高且水体抬升。为保证空腔的稳定性，必须在门叶下游面左右闸墩处增设直径30cm 的向空腔内补气的通气孔，实现翻板闸门运行过程中输气、携气的动态平衡。

具体而言，当闸门开度在0°~ 10°范围内，闸门面板后空腔完全可借助破水器撕开抛射水流而自行补气实现动态平衡；当闸门开度在20°~30°范围内，应通过1 道通气孔补气，补气量控制在0.15~0.25m³/s；当闸门开度位于30°~50°时，应通过2 道通气孔向闸门面板后空腔补气，单孔补气量应为0.20~0.60m³/s。

4 结 论

综上所述，该水工翻板闸门脉动压力呈平稳随机变动，并随闸门开度的增大而增大；根据空间有限元及动特性试验结果，闸门基频较低，水流对闸门自振频率存在较大影响，若忽略水流附加质量后，闸门基频会降低50%左右。该水工翻板闸门大开度运行时振动响应较大，整体刚度较弱；闸门顶破水器随着水位升高而失灵，因无法顺利撕开抛射水帘并向空腔内补气而影响空腔稳定。破水器及通气孔优化布置后闸门运行过程中基本实现输气、携气动态平衡，以上问题也得到较好解决，闸门基频及整体刚度提升，闸门振动响应也得到一定程度控制。