底孔弧门有限元分析和流激振动模型试验研究

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：为确保底孔弧门在各种工况下安全可靠运行，中南勘测设计院委托武汉大学进行了底孔弧门的空间结构静力和动力有限元分析、弧门全水弹性模型的流激振动试验研究，武汉大学按照几何相似及重力相似准则制作了比尺1∶20的模型，分别对弧门运行水头50m、65m、90m不同开度进行了试验，经分析和试验研究结论如下：龙滩底孔弧门静力、动力计算结果。计算自振频率和实测自振频率大小处于同一范围。

为确保底孔弧门在各种工况下安全可靠运行，中南勘测设计院委托武汉大学进行了底孔弧门的空间结构静力和动力有限元分析、弧门全水弹性模型的流激振动试验研究，武汉大学按照几何相似及重力相似准则制作了比尺1∶20的模型，分别对弧门运行水头50m、65m、90m不同开度进行了试验，经分析和试验研究结论如下：

（1）龙滩底孔弧门静力、动力计算结果。上主梁110m挡水工况最大挠度为0.7mm，启门瞬时最大挠度为0.8mm，脉动水压力作用下，各点动位移增量小于0.936mm，因此上主梁最大挠度小于（0.8mm＋0.936mm）1.736mm＜[f]＝3.84mm，主梁刚度满足规范要求。

（2）根据计算结果，弧门主要构件在110m设计水头下挡水和90m水头下启门瞬时的静应力均小于材料允许应力，个别部位点的Mises应力比允许应力大，但超出的部位很小，考虑规范对局部构件允许应力未明确规定，可以认为应力满足要求。流激振动模型实测测点处静应力值普遍比电算值小，最大动应力值为5.3MPa，相应的均方根值为0.80MPa，各测点的动力系数一般小于1.2。因此，总体上看闸门强度满足设计规范要求。局部构件如侧止水小劲板、裤衩小板及连接左右支臂的Π框连接杆靠主横梁的结点板，由于应力变形较大，建议局部加强。

（3）支臂整体稳定和局部稳定经计算满足规范要求。

（4）动力特性。计算自振频率和实测自振频率大小处于同一范围。闸门在有水及无水工况下实测的前五阶自振频率为5.6～11.61Hz（无水）和4.71～10.52Hz（有水），计算自振频率为8.32～24.33Hz（无水）和6.24～10.22Hz（有水），其中闸门第二振型反映的主要是支臂的振动，在有水工况下其频率为7.02Hz（计算值）和5.59Hz（试验值），这些频率和水流脉动压力实测频率0～10Hz范围大部分重合，但结构的自振频率范围避开了水流脉动压力的高能区（0～2.5Hz），因此在正常运行情况下闸门产生强烈振动的可能性不大。

（5）动力响应。

1）加速度。有止水、有配重工况时实验加速度最大值为0.380g，对应均方根值为0.081g，发生在下支臂环向测点，水头90m，开度7m；无止水工况下加速度最大值1.567g，对应均方根值为0.368g，发生在下主梁腹板径向测点，水头90m，开度7m。模型试验加速度结果和国内有关工程的模型试验和原形观测资料相比，其量值的大小处于同一水平，可以满足闸门正常运行要求。

2）动应力。有止水、有配重工况时，水头90m，开度7m时，裤衩板B7测点实验动应力最大为5.30MPa，相应的均方根值为0.80MPa，相应的动力系数为1.04。其他测点动力系数一般在1.20以下。主要构件的应力满足闸门抗振设计要求。

根据脉动压力计算得到90m水头7m开度下弧门最大径向加速度为0.18g，计算点为下主横梁的下翼缘中部，下支臂中部最大环向加速度为0.15g。计算最大脉动应力为3.0MPa，计算点为面板中点，与模型试验结果比较认为通过试验和计算两种手段所得到的加速度和动应力的大小处于大致相当的水平，其数值上的差别主要是因为计算模型的约束条件和计算点与试验模型的实际约束条件和试验测点不完全一致引起的。总体来说动力响应研究结果均反映了闸门的振动状态，属于小幅振动范畴，满足闸门结构抗振要求。

（6）闸门运行不利开度。有止水、有配重工况下加速度测试结果均表明，在各级水头作用下泄水时，闸门振动不利开度为3m左右和6～7m，此时闸门相对开度为37.5%左右和75%～85%，建议在制定闸门安全运行操作规程时，应尽量避开此不利开度运行。

底孔弧门有限元分析和流激振动模型试验研究

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