高水头弧形闸门的自振特性研究

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1、ｄｏｉ：１０３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１９２３５２０１４０４０２１２０１４年第４期·ＰＥＡＲＬＲＩＶＥＲ人民珠江高水头弧形闸门的自振特性研究尚宪锋，李绪芳（山东省莱芜市雪野水库管理处，山东莱芜２７１１９９）摘要：以某水利枢纽工程高水头弧形闸门为例，应用ＡＮＳＹＳ软件对闸门在不同开度情况下干湿模态特征进行了计算分析，为设计方案的提供了依据，同时也对同类闸门的设计提供了参考。关键词：弧形闸门；干模态；湿模态；自振频率＋中图分类号：ＴＶ６３３．２文献标识码：Ｂ文章编号：１００１９２３５（２０１４）０４００６３０３０前言１闸门阵型分析弧形闸门因其没有门槽、启闭力小

2、和操作运行方便等特水工弧形闸门本身是一个复杂的空间结构，一般由面点，被广泛地应用于水利工程中。随着高坝建设的发展，弧板、梁格及支臂构成。闸门系统由启闭杆（包括油缸）、支臂形闸门的工作水头不断提高，闸门的尺寸也日趋加大。当闸及面板梁格系统三大部件组成，三大部件的刚度比为：Ｉ杆＜门关闭挡水时，闸门的设计一般都满足静力要求，然而闸门Ｉ支臂＜Ｉ面板。弧形闸门虽然是比较复杂的空间结构，但是它的在局部开启运行时，在动水作用下发生强烈振动的情况时有前几阶振型可明显地区别为：①启闭杆低阶弯曲自振；②以发生。振动给人们带来噪音和不安全感，甚至引起闸门动力启闭杆（或缆）为主要弹性元件，近似以闸门

3、为刚性元件绕支失稳，带来严重的损失。结合某水利枢纽工程，应用ＡＮＳＹＳ铰的旋转振动，即切向振动；③有侧移的框架振动，即侧向振软件对其弧形闸门的动力特性进行了研究，为设计方案的提动；④以支臂及主横梁为主要弹性元件的无侧移振动，即径供了依据，同时也对同类闸门的设计提供了参考。该水利枢向振动。纽工程在泄洪洞出口闸室设一扇弧形工作闸门，孔口尺寸２计算模型（宽×高）＝５ｍ×５５ｍ，设计水头为８８ｍ，相应设计泄量根据该弧形闸门的特点，为真实反映闸门结构的工作和３６９９ｍ／ｓ，运行工况为相对开度０２５、０５、０７５、１０，弧形闸受力状态，对闸门结构进行详细的有限元剖分，面板、梁格

4、以门布置见图１。及支臂用三维板壳单元，启闭杆采用三维梁单元模拟，整个结构共分为１９２２１个单元，１８４００个节点，每个节点共有６个自由度，见图２；水体区域共划分４１０４个水体单元，４６９３个节点，见图３。闸门两侧施加侧向的位移约束；支铰处施加沿垂直支铰平面及径向位移约束，不约束其旋转；油缸铰接点不约束其沿水流方向旋转，其他５个自由度全部约束。图１弧形闸门布置图２弧形闸门有限单元网格收稿日期：２０１４０１０４作者简介：尚宪锋，男，山东莱芜人，主要从事水利工程建设和管理工作。６３表２闸门振动干、湿模态特征（闸门开度ｅ／ｈ＝０５）Ｈｚ阶次干模态干模态振型特征湿模态湿模态振型特

5、征１３６３０启闭杆沿水流方向一阶振动３６３０启闭杆沿水流方向一阶振动２１２９０４启闭杆垂直水流方向一阶振动１２９０４启闭杆垂直水流方向一阶振动闸门整体绕支铰沿水流方向振闸门整体绕支铰沿水流方向振动，动，两支臂同向振动，支臂中部３２１０９８两支臂同向振动，支臂中部振幅最２０８５６振幅最大，启闭杆沿水流方向大，启闭杆沿水流方向二阶振动二阶振动４２８０４５两支臂侧向同相振动２７７９８两支臂侧向同相振动５２９５３７启闭杆沿水流方向二阶振动２９５３５启闭杆沿水流方向二阶振动６３１５９１启闭杆垂直水流方向二阶振动３１５９１启闭杆垂直水流方向二阶振动闸门整体沿水流方

6、向振动，两支臂闸门整体沿水流方向振动，两７３５７８２同向振动，支臂上部振幅较大，启闭３１６９２支臂同向振动，支臂上部振幅杆轴向拉伸较大，启闭杆轴向拉伸８３９７２８两支臂扭转振动３９５７９两支臂扭转振动图３水体单元网格９５７８２８闸门整体在径向拉伸振动４２１４７闸门整体在径向拉伸振动１０６００１２两支臂侧向同相二阶振动５４２２０两支臂侧向同相二阶振动３模态分析３１自振频率计算表３闸门振动干、湿模态特征（闸门开度ｅ／ｈ＝０７５）Ｈｚ弧形闸门在水流作用下会发生振动，作用于闸门上游面阶次干模态干模态振型特征湿模态湿模态振型特征的流体将参与其运动，这种结构的运动作用

7、于流体，又反过１５０７８启闭杆沿水流方向一阶振动５０７８启闭杆沿水流方向一阶振动来影响结构动特性的现象将以弹性力、阻尼力、惯性力施加２１５４０４启闭杆垂直水流方向一阶振动１５４０４启闭杆垂直水流方向一阶振动于结构的方式表现出来。因此闸门在空气中的自振频率（干闸门整体绕支铰沿水流方向振动，闸门整体绕支铰沿水流方向振模态）与考虑流固耦合效应的自振频率（湿模态）模态特征３２３１６９两支臂同向振动，支臂中部振幅最２３０１８动，两支臂同向振动，支臂中部是不一致的。在相对开度０２５、０５、０７５、