杨 松，曾祥磊

弧形闸门作为现使用最为广泛的门型之一，因其具有较好的水流条件和能承受较大的水压力等优点被大量使用。结合国内外已发生的多起露顶式弧形闸门故障及失事事件[1～4]情况来看，引发弧形闸门失事的因素有很多，但主要破坏部位大都发生在弧形闸门支臂部位，其中部分破坏是由于振动诱发支臂失稳造成。

露顶式弧形闸门支臂间支承桁架结构中，斜腹杆在其中到底能够起到何种作用还没有定论有待研究。本文基于大型有限元分析软件ANSYS建模模拟，对依托工程露顶式弧形闸门进行模态分析。

1 有限元模型的建立及分析方案的确立

1.1 有限元模型的建立

水工钢闸门是一种典型的钢结构，主要为空间薄壁结构体系[5～6]，根据闸门结构的受力特点，将整个闸门各部分均离散为壳单元。此次分析闸门所有结构均采用shell63单元建模，此单元能较好的模拟闸门薄壁结构体系的实际受力情况，据此所建立的有限元计算模型如图1所示，经单元划分，计算模型的节点总数59848个，单元总数60073个。此次分析按表孔弧形闸门的实际工况施加边界条件，如图2所示为约束施加示意图，其中，闸门在支铰处受X(逆水流方向)、Y(竖直方向)、Z(支铰轴向)方向的平动约束，以及绕 X、Y轴的转动约束；闸门在面板底缘即与底槛接触处，施加Y方向的平动约束。

图1 有限元模型

图2 约束施加示意图

1.2 分析方案的确立

将露顶式弧形闸门经典布置型式拆分为如图3所示三种布置型式分别进行模拟对比，两两比较三种型式的模拟结果，以得到图示斜撑一和斜撑二对露顶式弧形闸门支臂自振特性的影响。

图3 三种布置型式

2 模态分析结果

2.1 有害振动的评价标准

引起闸门振动的因素有很多，比如闸门开度、下游淹没水跃对闸门产生周期性的冲击作用、止水漏水、闸门底缘型式、通气孔尺寸过小及水流的脉动压力等。对于水工钢闸门，水的脉动作用，是导致闸门产生不同程度共振的主要诱因之一，也是设计时应该考虑的主要因素。

水流的脉动扰力在工程实际中是一个随机荷载，我们常用数学统计的方法来找其主频。经过大量的原型观测和模型试验测出的水流脉动主频数值来看，约93%的闸门其水流脉动主频率在1～20 Hz，有48.3%的闸门水流主频在1～10 Hz，很少有水流主频大于20 Hz的。在闸门结构设计中，我们希望其在1～20 Hz内的主频越少越好，特别是1～10 Hz内的主频尤为需要避免。

2.2 三种布置型式的低阶模态

为对比分析三种布置型式在水流主频1～20 Hz内的自振特性的差异，取三种布置方式的前20阶（已囊括水流主频）自振特性进行对比分析。表1统计了前20阶自振特性的数据（振型图未一一列出），如图4～6所示为三种布置型式的二阶模态振型。

表1 三种布置方式前20阶自振特性

图4 布置型式一二阶模态

图5 布置型式二二阶模态

图6 布置型式三二阶模态

统计分析三种支臂布置型式在水流脉动主频1～20 Hz范围内的自振特性容易得到如下总结：

（1）支臂及其支承结构自振频率范围

支臂结构参与共振均在1～20 Hz以内且为主要参与结构，边梁和纵隔板发生共振的自振频率均在18 Hz以上，门叶结构的自振频率分布大致相同，斜撑是否布置对支臂以外结构的自振频率范围基本没有影响。

（2）水流脉动主频内主要参与自振的阶数

在水流脉动主频1～20Hz范围内三种布置型式的自振频率分别有19阶、15阶、17阶，其中，支臂部位主要参与的共振分别有3阶、7阶、7阶，且频率范围越来越集中。总的来说，斜撑一和斜撑二的布置有利于减小支臂共振的概率，缩小共振频率的范围。

（3）水流脉动主频内主要参与自振的部位

三种布置型式主要发生振动的部位分别为斜撑一、靠近竖撑一和竖撑二的支臂段、竖撑二及其附近支臂段。布置斜撑，有利于将支臂的振动转化到斜撑上，同时减小整个支臂结构的振幅。

（4）水流脉动主频内主要参与自振的方向

在水流脉动主频1～20Hz范围内，三种布置形式支臂及其间支承结构的主要振动方向分别为Z方向、Y方向和Z方向、Y方向。布置斜撑，有利于减少支臂在Y方向上的振动，而Y方向上支臂刚度较小，稳定性较差，最容易失稳，应该重点避免此方向上的振动。

3 结论

通过对露顶式弧形闸门支臂支承结构三种不同布置型式分别进行模态分析，发现水流脉动主频范围内，闸门产生共振的部位主要为支臂结构，支臂间支承结构的布置型式不同，对露顶式弧形闸门的自振特性影响较为显著，主要表现在对闸门支臂自振特性的影响上。斜撑一和斜撑二的布置，能够减小支臂共振的频率范围、发生共振的概率及支臂的振幅，同时改善共振的方向，使其在薄弱方向的振动减少，但对闸门门叶结构、纵隔板、边梁的自振特性基本没有影响。在露顶式弧形闸门的设计中，应该尽可能考虑合理布置支臂间的斜撑。

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