Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 3: 171 - 177

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20231306

Hydraulic Structure and Material

Vibration Analysis of Large Scale Radial Gate Considering the Elasticity of Water Stop Structures

  • WANG Si-ying , 1 ,
  • TANG Hou-jia , 1 ,
  • HUANG Tao 2 ,
  • QIAN Jun 2
Expand
  • 1 Hubei Key Laboratory of Theory and Application of Advanced Materials Mechanics, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China
  • 2 China Three Gorges Corporation, Wuhan 430010, China

Received date: 2023-11-27

  Revised date: 2024-08-01

  Online published: 2024-12-26

Fold

Abstract

To offer a reference for the safety monitoring of a large-scale hydropower station, we conducted a vibration characteristics analysis of surface radial gate of the dam using finite element calculation software ANSYS. We primarily investigated how the elasticity of water stop structures affects the vibration modes and natural frequency of the gate. The analysis reveals that the elasticity of water stop structures has a certain degree of influence on the gate’s vibration characteristics. Compared with the calculation results neglecting the elasticity of water stop structures, the frequencies of some vibration modes closely related to the constraint conditions on both sides of the gate can differ by up to 46.80%. Within a certain range, as the foundation stiffness coefficient which characterizes the elasticity of water stop structures decreases, the vibration frequency of the same vibration mode declines. When the foundation stiffness coefficient ranges from 0.1 to 0.2 N/mm3, the simulation results align with the observed prototype gate’s vibration response. Additionally, we also proposed a method to quantify the elasticity of water stop structures, providing basic data for selecting correlation coefficient values, and potentially offering a reference for the safety monitoring of the studied hydropower station and the vibration analysis of gates in other projects.

Key words： radial gate; water stop structure; vibration characteristics; numerical simulation

Cite this article

WANG Si-ying , TANG Hou-jia , HUANG Tao , QIAN Jun . Vibration Analysis of Large Scale Radial Gate Considering the Elasticity of Water Stop Structures[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(3) : 171 -177 . DOI: 10.11988/ckyyb.20231306

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

闸门是水工建筑物的重要组成部分之一,它是调节孔口开度的活动结构,在实际运行中根据调度需求发挥挡水、控制上下游水位和过闸流量的作用。高水头、大尺寸的工作闸门在动水作用下存在与水流脉动产生共振的危险,严重时甚至会引起闸门失稳而发生破坏。国内外钢闸门事故原因调查结果显示,闸门低阶自振频率与水流高能脉动频率重合而引起的共振是导致闸门结构发生破坏的主要原因之一[1⇓⇓-4]。
科研人员对小浪底、南水北调、丰满等水利工程中弧形闸门运行时的振动监测结果表明,泄洪时闸门在运行过程中存在不同程度的振动现象,且振动较为明显的部位多为支臂结构[5⇓⇓⇓⇓⇓⇓-12]。但是目前尚未探明闸门振动发生的具体位置、振动幅值与闸门体型、运行工况之间的明确规律。为了探寻弧形闸门振动的形成机理,为减振措施的制定提供理论依据,研究人员采用物理模型和数值模型对Chenderoh Dam、乌东德、角木塘、巴塘等工程的闸门自振特性开展了研究[13⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-27],考察了闸门体型结构和运行条件等多种因素对其振动模态的影响。研究结果表明,相比于其它类型的闸门,弧形闸门的低阶振动频率分布更加密集,更易接近附近水流脉动压力的主频范围而引起共振。
随着计算机运算能力的提高和数值分析软件的成熟,近些年利用数值模型对闸门开展振动特性分析得到了快速发展。已有研究表明,闸门的振动特性与其结构和约束条件息息相关。研究人员在对单体模型分析的基础上逐步深入,考虑了闸门周围坝体[28]、闸墩[29]、水体[30]等结构的影响, 并分析了各种计算设置[31]和计算方法[32]对研究结果的影响。但是由于闸门结构和运行工况的复杂性,在数值仿真分析的过程中不可避免地需要采取一定程度的简化。所以,为了提高数值仿真研究结果的准确度和精度,需深入研究闸门运行时的边界约束、载荷施加、预应力等因素对振动特性结果的影响机制。
本文以某水电站的表孔弧形工作闸门为研究对象,开展闸门振动特性的数值分析研究。该闸门为露顶式弧门设计,尺寸为8.0 m×27.215 m(宽×高),最大运行水头达26.715 m,作为该枢纽的主要泄洪消能设施,对运行安全要求极高。
闸门止水结构是水工闸门的重要组成部分,是保证闸门密闭封水、正常运行的关键部件。由于相对闸门主体结构而言,其质量和体积都较小,以往学者对闸门振动特性进行研究时往往将其忽略。事实上,止水条处于闸门主体结构和边墙、大坝基础之间, 其物理性质直接影响闸门所受到的边界约束条件。忽略止水结构的影响,将闸门与边墙和基础之间的接触简化为刚性墙壁接触约束模拟,与闸门运行时的真实运行情况存在一定差异。为提高计算分析的准确性,本文基于该水电站大坝表孔弧形闸门的实际运行情况,引用弹性基础支撑边界条件研究止水结构弹性对闸门振动特性的影响,归纳总结弹性基础支撑的刚度系数对闸门振动特性的影响规律,并通过与原型观测的振动响应主频对比,选定合适的基础刚度系数数值,以期更准确地反映闸门振动特性,为闸门的振动分析提供支撑,并为其它工程闸门的振动分析提供参考。

1 计算设置

1.1 计算模型

本文以某大型水电站大坝表孔弧形钢制闸门为研究对象,建模时坐标系选取水流方向为X轴正向,竖直向上为Y轴正向,垂直流向指向右岸方向为Z轴正向。计算模型包括闸前水体和闸门面板、横梁、支臂、桁架、支铰等主要结构。对闸门上的人行走廊、扶手等次要结构进行了简化。已有研究表明,当水体长度取值为闸门结构高度的10倍以上时,水体长度的取值对闸门振动特性的影响不再明显[33]。因此本模型水体长度取值为1.5倍闸门高度,闸门和水体的计算模型如图1所示。
图1 计算模型和坐标系

Fig.1 Calculation model and the coordinate system

计算模型根据设计图纸提供的实际尺寸和空间位置,使用AUTO CAD软件建立三维实体结构并导入ANSYS软件进行分析。闸门结构采用四面体实体单元Solid 186单元模拟,水体采用Fluid 30单元进行模拟。对闸门各结构连接处、流固耦合面等关键接触部位进行局部网格质量控制。通过对不同网格划分方案的对比验证,综合考虑计算效率和计算精度,最终确定的网格划分方案,网格的最小尺寸为30 mm,总网格数约为80.35万个。

1.2 计算设置

弧形闸门门体材料为Q345B钢,计算时设定闸门材料密度为7 850 kg/m3,弹性模量为206 GPa,泊松比为0.3。根据本弧形闸门的实际运行工况,将水体模型上边界设置为自由液面,水的密度为1 000 kg/m3,水中声速为1 400 m/s,定义闸门迎水面为流固耦合接触面。
设定闸门支铰处仅允许发生绕支铰轴线的旋转,即X、Y、Z方向的位移为0,绕X和Y轴的转角为0°。
考虑到吊杆和底水封对闸门的约束,闸门运行时其底缘介于自由和完全约束之间。因此,本文对2种边界约束条件下的闸门振动特性均进行了分析。第1种计算工况,设定闸门底缘自由,仅考虑支铰及两侧边墙对闸门的约束。第2种计算工况,除支铰和边墙的约束之外,还假设闸门底缘保持竖直方向的位移不变,即闸门底缘Y向位移为0。
闸门两侧为固定边墙,两侧均设有橡胶止水结构。止水条的截面形式及其与闸门结构的连接形式如图2所示。
图2 止水条截面形式及其连接形式

Fig.2 Section of water-seal strip and its connection structures

对于两侧边墙对闸门的边界约束,不考虑止水结构弹性效应时,设定为刚性壁面接触约束,即闸门两侧Z向位移为0;考虑止水结构弹性效应时,设定为弹性基础支撑,即闸门两侧的位移与受力线性相关。
本文计算模型中用弹性基础支撑的刚度系数S来表征止水结构弹性的大小。该参数反映弹性基础产生单位长度的位移所对应的应力,其定义和计算式为
S = σ / Δ l = σ / ( ε l E / l ) 　 。
式中:S为刚度系数;σ为应力;Δl为变形;ε为线应变;E为材料的弹性模量;l为基础的等效厚度。由式(1)可知,止水结构弹性对闸门主体结构产生的影响效果与其材料的弹性模量和等效厚度相关。
本文研究的闸门止水条采用SF6674橡胶制作,根据《水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范》(DL/T 5018—2015),其弹性模量E取值范围应为5.5~6.8 MPa,本文计算中统一取E=6.0 MPa。弹性基础的有效厚度与止水结构的结构形态和连接方式相关,根据图2所示的止水橡胶条尺寸,本文计算中暂将两侧止水结构的有效厚度取为60 mm,由此计算得出闸门两侧止水结构对应的弹性基础刚度系数S=0.1 N/mm3。以此典型工况为基础,本文考察了止水结构弹性对闸门振动特性的影响。
由于闸门所受水流脉动压力能谱以低频为主,故本文只对闸门的前6阶振型开展分析。

2 研究结果

2.1 止水结构弹性对闸门振动特性的影响

2.1.1 闸门底缘自由

闸门底缘自由时,止水结构弹性对闸门振动振型及对应频率的作用效果如表1所示。
表1 闸门底缘自由时各阶振型及对应频率

Table 1 Vibration modes and natural frequencies when the gate bottom edge is free

阶次 不考虑止水结构的弹性作用 考虑止水结构的弹性作用
1
整体绕Z轴摆动(f=0.12 Hz) 整体绕Z轴摆动(f=0.12 Hz)
2
绕Y轴同步弯曲(f=7.64 Hz) 绕Y轴同步弯曲(f=5.90 Hz)
3
绕Y轴对称弯曲(f=8.69 Hz) 绕X轴扭转(f=7.39 Hz)
4
绕Z轴同步弯曲(f=8.98 Hz) 绕Y轴对称弯曲(f=7.52 Hz)
5
顶部绕Z轴弯曲(f=12.42 Hz) 绕Z轴同步弯曲(f=8.97 Hz)
6
支臂绕X轴扭转(f=13.89 Hz) 顶部绕Z轴弯曲(f=12.31 Hz)
从数值仿真的计算结果可以看出,考虑止水结构弹性作用后计算得到的前6阶振型中,其1、2、3、4、5、6阶振型分别与不考虑止水结构弹性作用时的1、2、6、3、4、5阶振型基本对应。
其中1阶振型为绕Z轴摆动,门叶处位移幅值最大,振动频率均为0.12 Hz;2阶振型为闸门绕Y轴弯曲,最大位移幅值发生在支臂中段,振动频率分别为7.64 Hz和5.90 Hz;3阶振型为闸门绕X轴的扭转,振动频率分别为13.89 Hz和7.39 Hz;4阶振型为支臂绕Y轴对称弯曲,最大位移幅值发生在支臂中段,振动频率分别为8.69 Hz和7.52 Hz;5阶振型为绕Z轴同步弯曲,最大位移发生在支臂中段,振动频率分别为8.98 Hz和8.97 Hz;6阶振型为门叶顶部绕Z轴弯曲,最大位移幅值发生在门叶顶部,振动频率分别为12.42 Hz和12.31 Hz。
可见止水结构弹性对相同振型所对应的频率数值有不同程度的影响。对于第1、5、6阶振型,是否考虑止水结构的弹性,其振动模态和自振频率变化很小。对于闸门绕Y轴弯曲的第2阶、第4阶和绕X轴扭转的第6阶振型,考虑止水结构弹性后,原本保持静止的门叶也会发生变形,振动频率数值变幅分别高达22.89%、13.46%和46.80%。这是由于这些振型的振动位移以Z向为主,跟门叶与边墙的约束密切相关,所以止水结构弹性对其所对应的频率值有较大影响。
约束性质的区别,导致刚性约束和弹性约束所对应的同一类别振型的具体形态会略有差别。如对于绕Y轴同步弯曲的振型,刚性约束条件下闸门门叶不动,仅支臂发生弯曲,弹性约束条件下则门叶和支臂同时弯曲。
总体而言,考虑止水结构弹性之后,门叶两侧的约束被减弱,参与振动的可能性增加。与刚性接触条件相比,计算所得类似振型的振动频率明显降低,也就是说闸门更易受低频脉动水流激发产生共振,于工程安全不利,应加以重视。

2.1.2 闸门底缘受限

限制闸门底缘Y向位移时,止水结构弹性对闸门振动振型及对应频率的作用效果如表2所示。
表2 闸门底缘受限时各阶振型及对应频率

Table 2 Vibration modes and natural frequencies when the gate bottom edge is fixed

阶次 不考虑止水结构的弹性作用 考虑止水结构的弹性作用
1
顶部绕Z轴弯曲(f=3.55 Hz) 顶部绕Z轴弯曲(f=3.54 Hz)
2
门叶绕Z轴弯曲(f=6.12 Hz) 绕Y轴同步弯曲(f=5.94 Hz)
3
绕Y轴同步弯曲(f=7.64 Hz) 门叶绕Z轴弯曲(f=6.12 Hz)
4
绕Z轴同步弯曲(f=8.53 Hz) 绕Y轴扭转(f=6.21 Hz)
5
绕Y轴对称弯曲(f=8.69 Hz) 绕Y轴对称弯曲(f=7.53 Hz)
6
绕X轴扭转(f=13.89 Hz) 绕Z轴同步弯曲(f=8.53 Hz)
从数值仿真的计算结果可以看出,考虑止水结构弹性作用后计算得到的前6阶振型中,其1、2、3、5、6阶振型分别与不考虑止水结构弹性作用时的1、3、2、5、4阶振型相对应。
其中1阶振型为门叶顶部绕Z轴弯曲,振动频率分别为3.55、3.54 Hz;2阶振型主要表现为支臂绕Y轴同步弯曲,最大位移幅值发生在支臂中段,振动频率分别为7.64、5.94 Hz;3阶振型为门叶绕Z轴的弯曲,最大位移幅值发生在门叶顶部,振动频率均为6.12 Hz;5阶振型为支臂绕Y轴对称弯曲,最大位移幅值发生在支臂中段,振动频率分别8.69、7.53 Hz;6阶振型为支臂绕Z轴同步弯曲,最大位移幅值发生在支臂中段,振动频率均为8.53 Hz。
与闸门底缘自由时的情况类似,止水结构弹性对闸门底缘受限时各相同振型所对应的振动频率也有不同程度的影响。其中绕Y轴弯曲对应的振动频率变幅高达22.25%。此外,考虑止水结构弹性作用后,闸门还产生了门叶上部绕Y轴扭转的低阶振型(4阶),其对应频率为6.21 Hz,处于脉动水流可能的主频范围内,应加以重视。

2.2 基础刚度对闸门振动特性的影响

为了探究止水结构弹性大小对闸门振动特性的影响,本文分析了闸门底缘自由和受限时,弹性支撑边界的基础刚度系数取值不同时的闸门振动频率和模态,相关计算成果见表3。
表3 止水结构弹性对闸门振动频率的影响

Table 3 Influence of the elasticity of side water stop structures on the vibration frequency of gate

闸门状况 振型 不同刚度系数S(N/mm3)下的闸门振动频率/Hz
1.2 0.6 0.3 0.15 0.1 0.01 0.001 0
闸门底缘自由时 振型1:绕Z轴摆动 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12
振型2:绕Y轴同步弯曲 7.20 7.10 6.90 6.43 5.90 2.45 1.25 1.02
振型3:绕X轴扭转 8.52 8.50 8.46 8.24 7.39 3.00 2.06 1.93
振型4:绕Y轴对称弯曲 7.52 7.52 7.52 7.52 7.52 7.51 7.51 7.51
振型5:绕Z轴同步弯曲 8.97 8.97 8.97 8.97 8.97 8.97 8.97 8.97
振型6:顶部绕Z轴弯曲 12.31 12.31 12.31 12.31 12.31 12.31 12.31 12.31
闸门底缘受限时 振型1:顶部绕Z轴弯曲 3.54 3.54 3.54 3.54 3.54 3.54 3.54 3.54
振型2:绕Y轴同步弯曲 6.56 6.39 6.27 6.17 5.94 2.45 1.26 1.04
振型3:门叶绕Z轴弯曲 6.12 6.12 6.12 6.12 6.12 6.12 6.12 6.12
振型4:绕Y轴扭转 7.19 7.09 6.91 6.49 6.21 6.06 6.04 6.03
振型5:绕Y轴对称弯曲 7.53 7.53 7.53 7.53 7.53 7.53 7.53 7.53
振型6:绕Z轴同步弯曲 8.53 8.53 8.53 8.53 8.53 8.53 8.53 8.53
由表3所示的计算结果可知,在2种底缘边界条件的设定下,对于以X、Y方向位移为主的振型,止水结构弹性对自振频率的影响都微乎其微。对于闸门整体绕X轴扭转、绕Y轴同步弯曲的以Z向位移为主的振型,止水结构弹性约束对频率的影响比较明显。
总体而言,基础刚度系数S越小,闸门振动频率越低。S取不同数值时,计算得到的水流脉动可能激发出来的振动形态也可能有所不同。如0~5 Hz这一低频范围内,闸门底缘自由时,当S>0.1 N/mm3时,闸门仅呈现整体绕支铰轴摆动的振型,当S≤0.1 N/mm3时,该频率范围内闸门还可能呈现闸门支臂绕Y轴同步弯曲和闸门整体绕X轴扭转的振动形态。因此,根据工程实际中的止水结构尺寸和约束形式设置合适的弹性支撑刚度系数,对闸门振动相关的安全监测和进一步减振措施的制定都有重要参考价值。

2.3 与原型观测结果的对比

本文作者对该水电站3#和4#表孔闸门运行时的振动响应进行了原型观测,测量了不同运行条件下两个闸门各关键部位的振动响应位移。观测结果表明,各种运行条件下,闸门的振动响应均属于微小级别。整体来看,闸门支臂部位的振动位移大于门叶部位,这与本文模态分析得到的结果保持一致。由于闸门上布置的测点数量有限,加上脉动水压的复杂性,不同开度运行时闸门最大振动出现的具体位置存在一定随机性。考虑到原型观测测得的振动位移是多个频率的脉动水压所激发的特征振型的叠加,与本文计算所得的单个特征模态的位移分布存在区别,本文对原型和数值仿真得到的闸门振动位移的分布不作进一步对比分析。
原型观测得到的闸门以不同开度运行时的振动响应主频分析结果如图3所示。从图3可以看出闸门10 Hz以下的低阶振动主频在6.54 Hz和8.32 Hz附近。
图3 不同开度下的闸门振动响应主频

Fig.3 Main frequency of gate vibration response under different openings

结合图3所示原型观测得到的闸门振动响应主频分布情况和2.2节的数值模拟相关成果,可分析该表孔弧形闸门止水结构基础刚度系数的合理取值范围。
图4展示了数值分析的闸门特征模态的自振频率和原型观测的闸门振动响应主频的对比结果。由图4可以看出,当S取0.1~0.2 N/mm3时,计算得到的闸门低阶固有频率与原型观测得到的闸门运行时的各振动响应主频分布基本相当。这说明在振动特性分析时用弹性基础支撑来描述闸门止水结构对闸门的边界约束是有效的,选取合适的基础刚度系数可以计算出与实际情况相符的各阶模态。根据基础刚度系数的计算公式推算,在对该工程表孔弧形闸门进行振动分析时,其两侧止水结构的等效厚度取30~60 mm较为合适,说明文章开头部分根据截面尺寸所选定的等效厚度在合理范围内。本文作者将在后续工作开展更多有关止水橡胶尺寸、截面形状、连接形式、闸门体型等因素对等效厚度影响规律的研究,进一步支撑该方向的研究。
图4 数值仿真与原型观测的主频对比

Fig.4 Comparison of the main vibration frequencies between numerical simulation and prototype observation results

3 结论

本文使用有限元分析方法,在考虑止水结构弹性作用的前提下对某大型水电站表孔弧形工作闸门开展了振动特性分析,研究了止水结构弹性对闸门振动振型和频率的影响。得到的主要结论有:
(1)在现有约束条件下,闸门两侧止水结构弹性对流向和竖直方向位移为主的振型影响很小,对侧向位移为主的振型的振动频率和位移分布都会产生较大影响。
(2)水流脉动压力低频范围内,与不考虑止水结构的振动分析结果相比,考虑止水结构弹性作用后,闸门类似振型的振动频率更低,振动范围更广,且可能产生新的低阶振型。这些振型与原型观测得到的振动响应优势主频接近,因此对闸门开展振动分析时,考虑止水结构弹性是有必要的。
(3)止水结构的基础刚度系数对闸门振动特性影响规律的研究结果表明,对于相同的振型,弹性支撑的基础刚度系数取值越小,闸门的振动频率越低。支撑的基础刚度系数选取需要综合考虑止水橡胶条的截面形状、尺寸、材料特性、连接形式以及闸门体型等因素。

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