大型上翻式拱形钢闸门流固耦合静动力特性分析研究

上翻式拱形闸门工作状态下孔口宽度40.0 m，门高5.19m。采用SHELL63壳单元和BEAM188梁单元对结构联合建模。分析软件为ANSYS10.0。有限元模型共包括3432个面，35839个节点，37477个shell板壳单元，532个beam4梁单元，共有215034个自由度。考虑启闭机油缸后，总重量为167.29吨。计算模型边界条件为，在位于启闭油缸固定端、油缸和吊耳梁连接部位以及支铰部位均释放其饶X轴转动自由度。图2.1分别绘出了上翻式拱形闸门结构与流固耦合有限元模型。

a) 考虑启闭杆约束的计算模型b)考虑流固耦合的计算模型

a) computation module with start and stopb)Computation Module withfluid-structure

leverconstraintsconsideredInteraction considered

图2.1拱形闸门有限元模型图

Figure 2.1Finite Element model of arch gate

3计算结果

闸门结构有限元计算分别考虑流固耦合动力特性及高水位门顶溢流位移和变形计算二种工况进行。

3.1考虑闸门支铰和启闭杆同时约束作用的闸门流固耦合振动模态

建立启闭机油缸后，模型计算总质量为167.29吨，设计图纸给出的闸门总重量为170吨，误差1.6%建筑工程论文，建模满足精度要求。闸门结构流固耦合计算模型如图2.1，计算边界条件：在位于启闭机油缸固定端、油缸和吊耳梁连接部位以及支铰部位均释放其饶X轴转动自由度。流固耦合长度范围取10倍的闸门高度。计算模态数据列于表3.1，闸门结构前若干阶振型绘于图3.1。由图表数据可见，闸门的前三阶固有频率分别为2.12、2.75和3.97 Hz，分别反映闸门面板中上部径向弯曲变形、闸门二侧面板上下部径向弯曲变形振动。

表3.1流固耦合状态下闸门固有频率及振型形态

Tab 3.1 Natural frequency and vibrationmode patterns of gate under fluid-structure interaction

a)第1阶振型 b)第2阶振型 c)第3阶振型

a)The 1^stmode b) The 2^ndmode c) The 3^rdmode

d)第4阶振型 e)第5阶振型f)第6阶振型

d) The 4^th mode e) The 5^th mode f) The 6^thmode

图3.1 闸门结构低阶模态振型图

Figure 3.1 Low modals vibration modes of gatestructure

3.2门顶溢流闸门结构变形和受力特征

门顶溢流是本工程闸门的一种非正常运行工况。为确保其安全，需要研究考查闸门结构的安全性。水闸门顶的溢流工况按内涌向外江溢流和外江向内涌溢流二种工况考虑。

（1）内涌向外江溢流工况

该工况的内涌水位和外江水位分别为2.39m和-2.2m。作用于闸门的总支反力为FY=0.55023E+07N。此时闸门结构的最大变形值为12.28mm，位于闸门下端中部。其变形云图如图3.2所示。闸门结构最大应力值为173.424MPa，位于两端外江一侧面板与横隔板交界之处（如图3.3），左右基本对称。内涌方向闸门面板最大应力值为104.811MPa，位于面板与吊耳梁连接部位。

图3.2 闸门变形云图图3.3 闸门应力分布云图

Figure 3.2 Nephogramof gate deformation Figure 3.3 Nephogram of gate stressdistribution

（2）外江向内涌溢流工况

该工况下外江和内涌水位分别为2.39m和0.3m。作用于闸门结构的总支反力-0.32685E+07N。此时闸门最大变形值为6.0mm，位于闸门下端中部。其变形云图如图3.4所示。闸门最大应力值为99.362MPa，位于两端外江一侧面板与横隔板交界之处（如图3.5）。内涌方向面板最大应力值为78.469MPa，位于面板与吊耳梁连接部位期刊网。

图3.4 闸门变形云图图3.5 闸门应力分布云图

Figure 3.4Nephogram of gate deformation Figure 3.5 Nephogram of gate stressdistribution

4 成果分析

闸门结构的流固耦合自振特性分析表明，该型闸门在考虑流体耦合条件下，其振动频率较低，一阶基频为2.12 Hz，相应振型表现为闸门面板整体切向变形振动，若闸门底缘部位受到向上的脉动压力作用，因切向刚度较弱，该阶振型容易激发；第二、三阶振型分别反映闸门中部和二侧面板局部径向弯曲变形振动，振动频率为2.75和3.97 Hz。若闸门上部水流遭遇风浪作用则有可能激发该二阶振型。对于第一阶振动频率对应的振动控制，可通过调整闸门底缘形式、控制不利水动力荷载的形成来消除切向强烈振动的隐患；第二、三阶频率对应的变形振动需通过调整结构刚度加以控制，一般风浪产生的结构强振具有时效性，其振动量级与波浪的波长和波高参数有关，一般波浪的周期较低，因此引起结构共振的机率较低，只要波浪对闸门结构产生的冲击响应在动强度控制范围内就可满足工程安全。因此对该型闸门而言，优化底缘形式，改善底缘水流的流动条件，抑制闸门整体切向振动就可有效解决闸门结构的危害性共振破坏。

闸门结构的静力分析计算分别获得了内涌向外江溢流和外江向内涌溢流二种工况下的结构位移和应力分布情况。当内涌向外江溢流时，此时上翻式闸门为正拱挡水，闸门结构的最大变形值为12.28mm，位于闸门下端中部，其变形刚度控制在规范规定范围内。结构最大应力为173.424MPa，位于两端外江一侧面板与横隔板交接之处，对该区域适当增强后应力将会明显减小；内涌方向闸门面板较大应力为104.811MPa，量值较小。

当外江高潮位，超过闸门门顶高程时建筑工程论文，外江就会向内涌溢流，此时闸门为反拱受力。由于上下游水位差较小，最大变形值为6.0mm，位于闸门下端中部。闸体最大应力值为99.362MPa，位于两端外江一侧面板与横隔板交界之处。总体上看，该工况闸门的强度与刚度均能满足安全要求。

5 结 语

本文采用三维空间有限元法，对上翻式钢闸门的流固耦合振动特性和门顶溢流工况下的位移与应力分布状况分别进行了研究，取得如下成果和结论：

（1）闸门结构在流固耦合条件下的振动固有频率较低，前十阶频率主要集中在10Hz以内的低频区，分布比较密集。

（2）对结构振动危害较大的振型主要是一阶基频，可能激发该阶模态的水动力荷载是闸门底缘的水流脉动压力。因此，对该型闸门的抗振优化应重点进行底缘体型的优化，使闸门结构在引排水条件下，均不出现有害的大尺度脉动漩涡，消除造成闸门切向振动的隐患。对于闸门底缘体型和荷载控制问题需另行研究。

（3）门顶溢流作为非正常工况，在工程遭遇特殊洪水和潮位时可以应急启用，但当内涌向外江溢流时局部区域应力较大，需作适当加强处理，控制闸门较大应力区。

（4）该型闸门在处理好低频强烈振动问题后，可在类似水环境整治工程中推广应用。

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