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水工鋼閘門振動現象及振動特性分析
摘要鋼閘門是水工建筑物一個十分關鍵的結構部分。目前,從閘門失事的調查結果來看,振動是造成事故發生的主要原因。從閘門振動的自身特點出發,具體分析閘門振動的機理以及閘門振動的振源情況和處理方式,以為避免振動給閘門帶來的不良影響提供。
關鍵詞閘門振動;振動特性;振動源;應對措施
水工閘門對于整個水工建筑物有著極為重要的作用,多數閘門在啟動、關閉狀態下都會出現不同程度的振動情況,遇到振動較大的情況時,需要對其進行深入研究,并制定相應的緊急應對措施,這樣才能將振動造成的不利影響控制在最小范圍內,否則將會對閘門產生巨大的破壞。
1閘門的振動機理
引起閘門振動的原因是多方面的,情況較為復雜。而根據專家們提出的理論認為,導致振動出現的主要原因是動水作用的不均衡,從閘門與動水互相接觸的那一刻開始,振動現象則隨之出現[1-2]。
閘門結構面對各種形式的作用力,其出現的振動特點也是不一樣的[1]。很多情況下,閘門的作用力指的都是其結構的外力,也存在著另外一種情況,就是閘門自身的結構或與附近質的運動保持相互作用。當閘門受到多種作用力時則將對閘門系統做功,而輸入能量對阻尼耗能填補后能夠使得系統出現持續性的振動[3]。
在流激振動方面進行分析研究,世界各國建筑專家及設計師們將流激振動分為3種:
(1)外部誘發振動(微幅隨機振動)。這種振動的引起因素是因為水流自身存在著很大的波動性,導致脈動壓力的出現而引起振動。
(2)穩定性差導致的振動。這種振動是由于水流的不穩定性及反饋機制共同形成了外力的作用而造成的,這些和振動內部結構有著十分密切的關系,不穩定反饋機制涉及到流體動力學中的流體共振或物體共振。
(3)運動誘發振動(自激振動)。這種振動的引起因素是閘門自身結構的誘發力,它與物體共振反饋的不穩定振動之間不存在準確地區分,此種振動隨著結構運動消失而消失。
2閘門振動振源情況與處理方式
要想避免振動的發生,就需要對造成振動的原因進行準確的分析,這樣才能找出合適的處理措施[2]。根據水力條件的各種情況可以把振源分成以下幾個因素:
(1)弧形閘門止水漏水因素。這類發生在止水上的脈動壓力會使得止水發生振動,當漏水量過大時使得閘門頂止水射出的水流不斷拍打門葉背后的梁格,最后引起閘門的振動。針對這些情況應該對工程進行改進優化,以確保止水具備良好的密封性。對止水位置、材料、尺寸進行合理的規劃安排,促進止水與止水座板的緊密接觸,以防止閘門在漏水停止后出現振動。
(2)波浪沖擊閘門因素。當閘前水位接近胸墻周圍時,其上游具備較大風浪作用時會在胸墻底部和弧門露出水面部分范圍內造成封閉氣囊,空氣受到壓縮,導致很大的氣囊沖擊壓力,對弧門的安全造成沖擊,在這種沖擊作用下引起了振動。為避免這一情況的出現,應該在閘門上游裝置防浪柵、浪排,以防止波浪給閘門造成較大作用。對胸墻底部裝置通氣管時能夠在正常泄流時發揮出較好的作用,能夠有效避免閘門出現振動[3]。
(3)平面閘門的底緣型式因素。根據實踐經驗得出,在平面閘門中使用水平底緣常常出現水力條件達不到要求的問題,這就不斷增加了閘門啟閉的難度,尤其是在造成起動水脈動壓力出現后出現空蝕,以上現象都是閘門出現振動的關鍵因素�？刹扇∫韵麓胧┻M行防止:閘門底緣的設計需要注重刀刃形底緣及挑出的角度,最佳情況是將閘門底緣上游傾角、下游傾角分別控制在45°、30°以上,這樣才能保證泄流時底緣流線的有效進行且阻礙閘門振動的發生;時刻保持閘門開度大于底部主梁寬度,以此來防止形成小開度的強振區。
(5)閘后淹沒水流引起振動因素。閘門在一定開度下泄流過程中造成的流水情況常常會不定期地給閘門造成影響,而閘門在水流強烈的脈動壓力下很容易出現振動現象,這類振動主要是隨機荷載下出現的振動,具有強迫性[4]。這就需要操作在運行時學會改變運行條件,避免閘門受到淹沒水躍的影響,盡可能保持閘后水流處于良好的狀態,這就從根本上控制了低振動的發生。在防止淹沒水躍時,則需要增加閘門懸吊結構及支承結構的剛度。
3
[1] 潘錦江.閘門振動問題探討[J].水利水電科技進展,2001,21(6):21-39.
[2] 嚴根華.水動力荷載與閘門振動[J].水利水運工程學報,2001(2):10-15.
[3] 周峰,侍克斌,馬亮,等.勝利水庫平面鋼閘門水壓加重結構的應用[J].南北水調與水利科技,2009(5):55-56,72.
[4] 練繼建,彭新民.水工閘門振動穩定性研究[J].天津大學學報,1999, 32(2):171-176.
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