弧形闸门静动力特性分析研究
水面式弧形闸门静水总压力值的计算
水面式弧形闸门静水总压力值的计算
水面式弧形闸门是一种常用于水利工程中的水控设备，其运用原
理是通过闸门的开启和关闭来控制水流的流量和液位，确保水流按需
通过并达到目标位置。在闸门的运行过程中，静水总压力是一个重要
的参数，需要准确计算和评估。
要计算水面式弧形闸门的静水总压力，首先需要了解一些与水力
学和弧形闸门相关的基本理论和公式。水力学是研究液体在作用力下
运动的科学，是闸门设计和计算的基础。而弧形闸门是常见的闸门类
型之一，通过调整闸门的开启角度，可以实现不同程度的水流控制。
当水面式弧形闸门处于开启状态时，水流会按照一定的角度通过
闸门，由此产生静水总压力。静水总压力是指水流对闸门产生的压力，可以通过以下公式进行计算：
P = γ × h × A × cos²(θ/2)
其中，P表示静水总压力，γ表示水的密度，h表示水流的液位高度，A表示水流的横截面积，θ表示闸门的开启角度。
公式中的cos²(θ/2)是根据水流通过弯曲路径的几何关系推导出
来的，表示闸门开启角度对静水总压力的影响。当闸门关闭时，θ为0，cos²(θ/2)为1，此时静水总压力为0，闸门不会受到任何压力。
当闸门完全开启时，θ为180°，cos²(θ/2)为0，此时静水总压力最大，闸门所承受的压力最大。
计算静水总压力之前，需要先确定水流的液位高度和闸门的开启角度。液位高度可以通过液位计等设备测量得到，开启角度可以通过闸门控制系统进行调节。
在实际的闸门设计和运行中，还需要考虑其他因素对静水总压力的影响，如水流速度、水流的动能、闸门的材料和结构等。通过专业的水力学计算和工程经验，可以综合考虑这些因素，确定适当的闸门参数，以确保闸门的安全运行和水流的有效控制。
水工弧形工作闸门结构动特性研究
Ｓ ｕ ｎ ｔ ｕｃ ｕ ａ ｙｎ ｍ ｉ ｅ ｆ ｒ ｎｃ ｆ ｈ ｒ ｕｌｃ ｒ ｉ ｌｗｏ ｋｉ ａ ｅ ｔ ｄｙ ｏ ｓｒ ｔ ｒ ｌｄ ａ ｃ ｐ ｒ ｏ ｍａ ｅ ｏ ｙｄ ａ ｉ ａｄ ａ ｒ ｎｇ ｇ ｔ
ＬＡＮ ｅ ｇ ｉ ＺＨ ＡＯ ｎ ｎ ， Ｔ Ｗ ｎ ａ ， Ｘｉ ｍｉ ｇ ＡＮＧ ｎｇ Ｙｏ ， Ｌ ＵＯ ｈ ｏ ｅ Ｓ ａ ｚ
（ ． ｃｏｌ ｆ ｉｌ ｎｉｅｒ ｇａｄＣ ｍ ｎｃｔ ｎ ｏｔ Ｃ ｉａＵ ｉｅｓｙｏ ｔｒ ｅｏｒｅ ｎ ｌｃ ｃＰｗ ｒ Ｚ ｅｇｈ ｕ ４０ １ ， １ Ｓｈｏ ｏ Ｃｖ ｇ ｅ ｎ ｎ ｏ ｍｕ ｉ ｉ ，Ｎ ｒ ｈｎ ｎｖｒｉ ｆ ｉＥ ｎ ｉ ａｏ ｈ ｔ Ｗａｅ ｓｕｃｓａｄＥｅｔ ｏ ｅ， ｈ ｎｚｏ ５ ０ Ｒ ｉ ｒ １
摘
要 ：通 过 １： ０的 弹性 相 似 模 型 应 用 试 验 模 态分 析 方 法 和 Ａ Ｓ Ｓ有 限 元 计 算 方 法 分 别 研 究 弧 ２ ＮＹ
门的 结构 动 特 性 。研 究 结 果表 明 ，采 用 Ａ Ｓ Ｎ ＹＳ有 限元 计 算 弧 门 结构 得 到 的频 率 和 采 用 模 型 试 验 模
ａａ ｄｆ ｍ ｔｅｒｎｅｏ ｅｍａ ｅ ｕ ｎｙ（ ｒｔ ｒ ｈ ｇ ｆｈ ｉ ｆ ｑ ｅｃ ０～３Ｈ ）ｏ ｅｆ ｗ— ｄ ｃｄｖｂａ ｏ ，Ｉｉ ｄ ｍｏｓ ａ ｄｔａ ｔｅＡ Ｓ ｅ ｏ ａ ｔ ｎｒ ｚ ｆｈ ｏ ｉ ｕ ｅ ｉｒｔ ｎ ｔｓ ｅ ｎｔ ｔ ｔｈ Ｎ ＹＳ疗 ｔ ｌ ｎ ｉ ｒｅ ｈ 一
泄洪底孔弧形闸门-闸墩耦合动力特性及支臂优化研究
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：签字日期：年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)
学位论文作者签名：导师签名：
签字日期：年月日签字日期：年月日
中文摘要
水工弧形闸门是重要的挡水和泄水建筑物，其安全对整个枢纽至关重要。但由于闸门属于薄壁轻质结构，在动水荷载下容易发生振动，对闸门动力特性的研究显得十分必要。闸门面板承受动水荷载作用，然后通过支臂和支铰将水压力传给闸墩，所以闸门振动要受到水体和闸墩的影响。而且，闸后不同泄流条件，如淹没出流和自由出流，闸门振动响应又不尽相同，所以闸门振动是复杂的流激振动问题。物理模型试验和数值计算结果可以对比验证，确保两者的正确性，所以试验和数模相结合是一种研究闸门振动的有效方法。
本文结合澜沧江里底水电站泄洪底孔弧形工作闸门，通过试验和数值计算对其流激振动特性进行了研究，并进行支臂优化设计。主要研究内容如下：
研究弧形闸门静水压力项目报告
研究弧形闸门静水压力项目报告
研究弧形闸门静水压力项目报告
一、引言
弧形闸门作为水工建筑中常见的一种类型，其在水利工程中扮演着至
关重要的角色。而对于弧形闸门的静水压力项目报告更是其中的重要
组成部分。在本文中，我们将从多个方面对研究弧形闸门静水压力项
目报告展开探讨，以期为读者全面呈现该主题的深度和广度。
二、静水压力的概念
静水压力，顾名思义即为水在静止状态下所产生的压力。在水利工程中，特别是弧形闸门所涉及的水工建筑中，静水压力一直都是需要深
入研究的一个重要领域。它不仅与工程结构的设计和稳定性息息相关，同时也直接关系到水利工程的安全性和高效性。
三、弧形闸门的结构特点
弧形闸门是一种在水工建筑中常见的水利工程设施，其独特的结构特
点使得其在水利工程中有着广泛的应用。相比于传统的直角闸门，弧
形闸门在水力学特性和结构设计上有着明显的优势。其特殊的曲线形状不仅可以减小进出水时的冲击损失，同时也可以有效地减小静水压力对闸门的影响，从而提升了闸门的使用性能。
四、弧形闸门静水压力分析
在弧形闸门的设计和使用过程中，静水压力一直是需要重点关注和研究的对象。静水压力的分布和作用对闸门的稳定性和安全性有着重要的影响。通过对静水压力的深入分析和研究，不仅可以优化弧形闸门的设计方案，同时也能够提升其在水利工程中的应用效果。
五、研究方法和实验设计
为了深入了解弧形闸门静水压力的分布规律，我们设计了一系列的研究方法和实验方案。通过数值模拟和实际测量相结合的方式，我们得出了一系列准确的数据和结论。该研究方法不仅保证了实验结果的准确性和科学性，同时也为后续的工程应用提供了重要的参考依据。
弧形钢闸门的动力稳定分析
向振动 （ 即动力屈 曲） 而另一些组合 ， 件则不会 出现强烈的 ， 杆
横向振动。 因此 ， Ｐ 、 ｌ 在 ０Ｐ 、 和 ∞的参数空 间中 ， 将形成动力稳 定区和动力失稳区 ， 两个 区域 的边界构成杆 件或框架 的临界荷 载区。 这类动力屈 曲现象 即所 谓的参 数共振 。 数共 振与一 般 参 的强迫共振有本质的区别 ： 迫共 振发 生在若 干个离散 点上 ， 强 共振的响应频率与激振 频率 一致 ， 共振 的方 向与激励 方向一 且
人们 的广泛关注 。在 国内外均 有低水 头弧形 闸 门失事破坏 的 事例 ， 如美 国麦 克莱伦一 克尔 阿肯河航 运系统 的弧形 闸门的破
坏 。究其 原因 ， Ｊ 有两点值得 注意 ： 失事 闸门均是 因支臂 丧 ①
失稳定 ， 生弯扭屈 曲 ， 致整个 闸 门失去挡 水能力 而遭 受破 发 导
如果其周期荷载形式为 Ｐ（）：ｅ ｔ ｏ＋Ｐ （） （）为周 期函 ｌ ｔ［ ｔ
１ 问题的提 出
弧形钢 闸门是水 工建 筑物 中应 用最 广泛 的门型之 一。近
年来 ， 泄流激起 的振动及 由此带来 的闸门动 力稳定 问题 引起 了
数 ， 常取 （）＝Ｃ８ ｏ） ， 通 ｔ Ｏ （ｒ ］ 那么 ， 于所研究 的框 架及杆件 ， 对 参数 Ｐ 、 ｌ ０Ｐ 、 ∞的某些组合 ， 和 将会使杆 件产生很大振 幅的横
弧形闸门流激振动原型观测方法探讨
弧形 闸门流 激 振 动 原 型 观 测方 法探 讨
姬锐敏 ， 蒋 昌 波 许 尚农 。 ， 李 小超
，ห้องสมุดไป่ตู้
（ １ ． 长 沙理 工 大 学 水利 工程 学 院 ， 湖南 长沙
湖南 长 沙
４ １ ０ ０ ０ ４ ； ２ ． 湖 南省 水 沙科 学与 水 灾 害 防 治重 点 实验 室 ，
３ ． Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ Ｃｉ ｔ ｙ Ｘｉ ａ ｎ ￣ｉ ａ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ Ｈｕ ｂ Ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｌｉ ｍｉ ｔ ｅ ｄ Ｌｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ Ｃｏ ｍｐ ａ ｎ ｙ ， Ｃｈ ａ ｎ ｇ ｓ ｈ ａ ４ １ ０ ２ ０ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ ａ ｒ ｅ ａ ｓ ， ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｄ ｏ ｍｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ａ ｄｉ ａ ｌ ｇ ａ ｔ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ． Ｔｈｅ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ
ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｊ ｏ ｒ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｓ ａ ｔ ｄ ｏ ｍｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ 。 。
水工弧形钢闸门自振特性研究
10.16638/ki.1671-7988.2020.23.024
水工弧形钢闸门自振特性研究
程志新，张港
（华北水利水电大学机械学院，河南郑州450045）
摘要：为了使弧形闸门的自振频率远离水流高能脉动主频率段，减少弧形闸门的失事破坏，以蜀河水电站弧形闸门为例，采用有限元模态计算与原型观测试验相结合的方法，通过对闸门结构前4阶自振特性计算，得到闸门自振频率的趋势图，对弧形闸门自振特性进行了研究。计算结果表明主梁测试所得到的自振频率值最大，闸门经计算得到的自振频率值最小，为弧形闸门振动故障诊断及预报以及结构动力特性的优化设计提供了依据，并对同类型闸门振动稳定性研究提供了一定的借鉴作用。
关键词：弧形闸门；模态计算；原型观测；自振特性
中图分类号：TV663 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2020)23-75-03
Study on free vibration characteristics of large-scale hydraulic steel radial gate
Cheng Zhixin, Zhang Gang
( College of Mechanical, North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450045 )
Abstract: In order to make the natural vibration frequency of the arc gate away from the main frequency section of the high-energy pulsation of the water flow and reduce the damage of the arc gate, this paper takes the arc gate of the Hydro -power Station as an example, and combines the finite element mode calculation with the prototype observation test. The trend graph of the free vibration frequency of the gate is obtained by the calculation of the first six orders free vibration characteristics of the gate structure to research the self-vibration characteristics of the arc gate. The calculation results show that the self-vibration frequency value obtained by the main beam test is the largest, and the self-vibration frequency value calculated by the gate is the smallest, which provides a basis for the vibration fault diagnosis and prediction of the arc gate and the optimal design of the structural dynamic characteristics. The research on the vibration stability of the same type of gate provides a certain reference.
弧形钢闸门有限元动力分析
弧形钢闸门有限元动力分析
摘要：水工钢闸门在静水和动水启闭过程中，受到水压力作用而引起的闸门振动，闸门振动对人类来说百害无一利，必须避免它，减少它。为此，必须弄清闸门振动的根源和振动对闸门强度、刚度、稳定性的影响，利用有限元法对闸门进行动力分析，用理论计算结果来指导闸门的动态检测试验和校核试验的结果。因此闸门动力的有限元分析可作为闸门原型动态检测或模型的动力试验的补充和验证。闸门有限元分析能有效的解决闸门原型检测中所不能解决的一些问题。本文利用美国大型有限元分析软件ANSYS对弧形闸门的在静水和动水中的启闭进行理论的分析和研究，为年限已久、锈蚀严重的闸门进行安全评估提供必要的试验和理论计算基础，也为弧形钢闸门的设计提供参考依据。
关键词：弧形钢闸门；ANSYS有限元；分析；应用
本文主要研究的是：
（1）钢闸门空间有限元计算模型的建立；
（2）闸门现场结构测试与分析。
1.1某水库溢洪道闸门简介
某水库是以防洪、城市供水、灌溉为主，兼顾发电的综合利用水库。水库防洪标准为500年一遇洪水设计，10000年一遇洪水校核。土坝为均质土坝，长445m，最大坝高21.5m，坝顶高程为194.50m，坝顶宽度为6.0m，防浪墙顶高程为195.70m。陡槽式溢洪道，由引水渠、闸段、整流段、陡槽段、渥奇段、消力池段、海漫段、防冲槽段、尾水渠段组成。溢洪道共三孔，闸门尺寸12m×5.4m-7.0m，堰顶高程为182.00m。现场检测时坝前水位188.13m。为了从理论上验算闸门的强度情况，本次对水库钢工作闸门进行了有限元计算分析，有限元分析计算的具体工况为：钢工作闸门在设计水头（10.51m）的工况。
大型弧形闸门静力特性有限元分析
ｓ ｃ ｓ ｒ ａ ｔｏ ｕ ｈ ａ ｅ ｃｉｎ，ｓｒ ｓ ｔｅ ｓ，ｄｉｐｌｃ ｍｅ ｔａ ｌｘｉｉｉｙ ｂａ ｅ ｎ ｔｅ ｓ ｉｌ ｙ ｒ ｄ ａ ａｅ ｓａｉ ｒ ｂｌｍｓ ｉ ｙ ｒ — ｓ ａ ｅ ｎ ｎｄ ｆｅ ｂ ｌ ｓ ｄ ｏ ｈ ｐ ｌ ｔ ｗａ ａ ｉｌｇ ｔ ｔｔｃ ｐ ｏ ｅ ｎ ａ ｈ ｄ ｏ ｐｏ ｒｓａｉｎ． Ｔｈｅ Ｆ ｗｅ ｔ ｔ ｏ ＥＭ ｄ ｌｉ ｒ ａｅ ｍｏ ｅ ｓ ｃ ｅ ｔ ｄ． Ｔｈ ｒｓ ｌ ｃ ｌ ｌｔ ｄ ｉ ｕ ｅ ｕ ｎ ｏ ｉ ｍ ｅ ｉ ｎ ｏ ｈ ａｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ。 ｅ ｅ ｕ ｔ ａｃｕａ ｅ ｓ ｓ ｆ ｌｉ ｐｔｍｕ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ｇ ｔ ｔｕ ｔ ｒ
ａ ｄ ｔｅ ａ ａｙ ｉ ｃ ｎ ｌ ｓｏ ｓｖ ｌ ａ ｌ ｏ ｅ ｉｎ ｎ ｎ ａｃ ｌｔ ｇ ｔ ｅ ｓ ｍｅ ｋｎ ｆｇ ｔ ｔ ｃ ｕ ｅ ｎ ｈ ｎ ｌ ｓ ｏ ｃ ｕ ｉ ｎ ｉ ａｕ ｂｅ ｆ ｒｄ ｓｇ ｉ ｇ ａ ｄ ｃ ｌｕ ａｉ ｈ ａ ｉ ｄ ｏ ａｅ ｓｒ ｔ ｒ ． ｓ ｎ ｕ Ｋｅ ｒ ｓ ｒｄ ａ ａ ｅ ｔｔ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉｓ ｉ ｉ ｌｍｅ ｔ ｔｏ ｙ ｗｏ ｄ ：ａ ｉｌｇ ｔ ；ｓａｉ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ；ｆ ｔ ｅｅ ｎ ｓ ｍｅｈ ｄ；ＡＮＳ ｏｔ ａ ｅ ｃ ｉ ｃ ｎ ｅ ＹＳ ｓ ｆ ｒ ｗ
北引渠首泄洪闸弧形工作门结构震动分析研究
［ 作者简介］ 常宗滨（９ ２一） 男， １６ ， 黑龙 江哈 尔滨人 ， 高级 工程师 ； 吴红 （９ ５一） 女 ， １６ ， 黑龙 江哈 尔滨人 ， 高级 工程师。
一
４ — ２
２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｍ ¨
常宗滨 ， ： 引渠首泄洪闸弧形工作 门结构震动分析研究 等 北
该工况模型不施加任何约束条 件 ， 目的为计算结构 自由
状 态 下 的 固有频 率 和 固有 振 型 。
前 ６阶模态均为刚体模态 ， 对应频率均为 ０， 振型分别为 沿 ３个 坐标方 向刚体平动和绕 ３个坐标轴的刚体转动 。
３ ２ 仅考 虑 闸 门支 铰 部 位 约束 ． 对 应 边 界 条 件 为 ： 放 支 铰 部 位 绕 轴 转 动 自由 度 。具 体 释 边 界 条 件 示 意 图 如 图 ２所 示 。
ｎ Ｈ
＝ ＂ ２
２ ５１ ．１ ５
３ ４６ ． ４０
５ ７ １ ４ ３
图 ３ 考 虑 支 铰 部 位 和 闸 门 面板
● ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｍ ¨ ¨ ＂ 博 加
Baidu Nhomakorabea
１ ． ０８ ６１ １ ９ ９ ９０
三维 有 限元 模 型 ， 分析 了 闸门结 构 的动 力 特 性 和静 力 特 性 ， 出了 闸 门在 各 模 态 下 的 各 阶振 型 图 ， 后 计 算 了 闸 门 各 部 位 给 最 的应 力 与 位 移值 ， 闸门 的 设计 提 供 了 技 术 依据 ， 结 合 工程 实践 对 泄 洪 闸 日运 行 调 度 提 出 了参 考 意 见 。 为 并
弧形闸门动特性数值计算分析
第３ ９卷
第 ３期
四川建筑科学研究
Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ Ｂｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｌ ８ｌ
２ ０ １ ３年 ６月
弧形 闸门动特性数值计算分析
李 烨， 江 泉， 杨建功
２ １ ０ ０ ０ ０ ） （ 河海大学力学与材料学 院， 江苏 南京
ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓ ｆ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｉａ ｄ ｌ ｇ ａ ｔ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｂ ｓ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｗａ ｔ ｅ ｒ ． Ｓ ｕ ｂ ｓ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｔ ｌ ｙ， ａ ｐ ｒ ｅ ｌ ｉ ｍｉ ｎ ａ ｒ ｙ
船舶撞击作用下弧形闸门的动力响应
摘要：为得到水工弧形闸门正常运行时在船舶撞击作 用 下 的 动 力 响 应 ，预 测 了 闸 门 可 能 出 现 的 破 坏 模 式，评
价 了 闸 门 结 构 安 全 并 探 寻 有 效 的 防 护 措 施 ，采 用 非 线 性 有 限 元 数 值 方 法 ，考 虑 闸 门 材 料 的 弹 塑 性 、失 效 及 结 构
第３０卷 第１期 ２ ０ １ ２ 年 １ 月
文 章 编 号 ：１０００－７７０９（２０１２）０１－０１１７－０４
水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ
Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２ ０ １ ２
船舶撞击作用下弧形闸门的动力响应
张 启 灵１，２，李 端 有１，２，周 武１，２
收 稿 日 期 ：２０１１－０９－１３，修 回 日 期 ：２０１１－１１－０４ 基 金 项 目 ：水 利 部 公 益 性 行 业 科 研 专 项 经 费 基 金 资 助 项 目 （２００９０１０５８） 作 者 简 介 ：张 启 灵 （１９８２－），男 ，工 程 师 ，研 究 方 向 为 水 工 建 筑 物 结 构 数 值 分 析 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉａｍ１９８２＠１６３．ｃｏｍ
重视，并提出加大隔板、边梁的梁高，提高钢材强度，增设 加 劲 板 及 在 闸 门 上 游 适 当 高 程 设 置 横 跨 于 闸 室 的 柔
弧形钢闸门在线监测及健康评估系统设计和应用
第 3 期
2023 年 6
月NO.3Jun .2023
水利信息化
Water Resources Informatization
0 引言
弧形钢闸门是一种重要的挡水水工金属结构，在水利水电工程中发挥着重要作用，因具有结构受力合理、启闭力小、运行安全可靠、门槽水流条件好等优点，广泛应用于泄洪和调水工程中[1]。弧形钢闸门及其液压启闭设备能否正常、准确的启闭对工程安全及防洪抗旱都有着重要的意义。随着水利工程信息化、数字化的发展，传统的弧形钢闸门检测、监测方法已经不能满足数字化管理对数据的需求，因此迫切需要一种科学的检测手段对弧形钢闸门及其液压启闭设备进行在线监测和健康评估[2]，为运行管理部门正确决策提供科学依据。
江西省峡江水利枢纽工程是国务院确定的 172 项重大水利工程之一，位于江西省峡江县境内、赣江中游河段，是一座以防洪为主，兼顾发电、航运、灌溉等综合利用功能的大（1）型水利枢纽工程，控制流域面积 6.27 万 km 2，占赣江 77% 的流域面积。枢纽主体工程由混凝土重力坝、18 孔泄水闸、电站厂房、船闸、渔道、左右岸灌溉进水口等组成。泄水闸宽为 16 m ，高为 17 m ，为开敞型宽顶堰，工作闸门为大（Ⅲ）型弧形钢闸门，是赣江上最大的泄水闸门，采用 2×3 200 kN
液压启闭机驱动[3]。
随着数字孪生流域建设的深入，为提高江西省峡江水利枢纽工程泄水闸弧形钢闸门在线监测及智能运维水平，以峡江水利枢纽工程的泄水闸弧形钢闸门为研究对象，设计一套弧形钢闸门在线监测及健康评估系统（以下简称健康评估系统），通过不同的感知传感器全面采集泄水闸运行数据，并建立评价模型，对设备状态进行评估，实现泄水闸弧形钢闸门的“四预”管理。
弧形闸门自振特性的影响因素研究
组改 变支臂截 面的方式对 自振 频率 的影响 比 Ⅱ 方式 的影 响 组 大许 多。③ 由框架 理论计算的 Ⅲ组方案结 果可见 ， 主框架 自振
移到下支臂铰座端， 然后随着水头升高， 高能区由下支臂杆逐 渐向上支臂杆转移。但无论怎样， 各种水头条件下结构低阶振
作者简介 ： （９０ ）女 ， 曾青 １７一 ， 四川梁平人 ， 讲师 ， 士， 硕 主要从
事 水 利 水 电工 程 方 面的 研 究 。
维普资讯 http://www.cqvip.com
・
７ ６・
人
民
黄
河
２０ ０ ６年
自 然下降很多。 ③就变形能而言， 无水时闸门第 １ 阶振型的高
不容忽视， 随水头的升高， 不仅闸门的自 振频率降低幅度较大， 而且其相应的振型也发生了显著变化； 采用不同的支臂截
面形式及合理地改变支臂截面特性 ， 可有效地改变 闸门的 自振频率 。 关 键 词 ：弧形钢 闸门； 自振特性 ；流 固耦 合 ；单位刚度 比 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ０ １７ （ ０６ ０ ￣０ ５Ｏ １０ — ３ ９ ２ ０ ）４ ０ ７ －２ 中图分类号 ：Ｔ ６ ３ Ｖ６
型的高能 区均位于支臂 上 ， 此若改 变支臂 的截 面特性 ， 因 将会
浅析拱形闸门动力特性分析
４ 闸门动力特性 的数值 计算分析 ．
将 闸门结 构 按质 “、刚 度变 化 离散 为 由线 弹性 的板 壳单 元和 梁 Ｉ
要是力求破 坏或减小缝 隙水流形成 的水锤 压力和 动水压 力 。（） 门底 单元组成 的数学模 型 ，利用有 限元数 值计算 方法 ，分析 闸 门的动 力特 ４闸 性 。并 与试验结果 进行 对照 。计算按 自 由、支铰约束两 种边界约束 条 缘形 式的影响 。寻 求合理 的底缘型 式是较 为复杂 的水 力学研 究课题 ，
Ｈ ９８ ｔ 数 振动和 自 振动 。从 闸 门的振动情 况来看 ，强迫 振动是 有可能 出现 Ｄ ５ ３ 动态 应变测 ｈ分 析 系统进 行脉 动数 据 的处理 ，获得脉动 压力 激
的 ，但往往 和 自激振动 交杂在 一起 。因为 闸门 的 自激振动 是 由流体 引 了拱 形闸 门动力特 性。
ｊ级 及其频域 能 ｉ 分布 。试 验表 明除靠 近两侧 闸墩部分 区域 出现临界 当上游 水位 ５ ｍ，下 游水 位５ ｍ时 ，作用 于门体 的脉动 ８开度 ． ５ ． ０ 直 的增 加而 加大 ，小开 度 时脉 动 ｉ相 对较 小 ，至 闸门开启至 Ｏ８ ｝ ｉ ＝ ． 开度 时 达到 最大值 ，最 大脉 动压 力均 方根 值为０２ｍ水柱 ，仍 出现在 闸 门上 ． ９
１引言
闸门的动力性 能研究是水 工钢 闸门 的一 个重要 研究方 向 ，在 振动 理 论 中，振 动现象可 以分成 四种类型 ，即 ： 自由振 动 、强 迫振动 、参
弧形钢闸门流固耦合自振特性分析
动使 支臂丧失稳 定 ， 生弯扭屈 曲致使 整个 闸门丧失挡 发
水能力 而遭受破坏 ； ②从 破 坏 内因看 ， 事 闸 门全是 在 失 明显 的振 动荷载作 用 下发 生 破坏 的。从 闸 门失事 过 程 来看 ， 多 闸门破 坏 时 ， 往 发 生强 烈振 动 。 由此可 以 许 往
看出， 由弧形闸 门振动引起 的破坏是 弧形 闸门失事 破坏
能， 适用 范围广 ， 对大型结 构计算 十分方便 且精度 较高 。 根 据弧形 钢 闸门的特 点 ， 计算模 型采用板 梁组合结
构 。将 弧形 面板 、 、 主 次横 梁 及 纵梁 的腹板 和翼 板 采用 三维壳 单元 ； 支臂采 用三维 梁单元 。考虑 到整个结 构在 有限元 网格 剖分时各 单元 的衔接 问题 ， 建模 时首先 以纵 梁位置 为分界分 段建 立各 横 梁 ， 然后 分 别 扫略 成 面 ， 再 以横梁 为分界线 ， 面板 分块 ， 后 再在 梁格 区间 细划 将 最 单元 。对 于支 臂 ， 以其 杆 件 自然形 成 的连 接 点 作 为 节
能脉动 主频率段 ， 工程 设 计提 供 参考 依 据 ， 而 保证 为 从
闸 门的安 全 。
１ 闸门有 限元模 型 的建立
因也多种多样 ， 但是从 破 坏特 征 来看 ，ห้องสมุดไป่ตู้２点共 同特 征 有
值 得注意 ： ①从 破坏 内因看 ， 失事 闸门 因为 发生 强 烈振
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弧形闸门静动力特性分析研究
吴琦斌
摘要：建立了某水电站大型弧形闸门的有限元模型,分析和研究了在闭门挡水状态的闸门主要部件的应力状态和变形情况。并对闸门在考虑流固耦合和不考虑流固耦合两种情况下的自振特性(频率和振型)进行研究。为闸门的结构优化设计提供了依据。
关键词：弧形闸门；静力特性；自振特性；流固耦合
The Radial Gate Static And Dynamic Characteristics Analysis
Research
Wu qibin
Abstract：The finite element model of a hydropower station large radial gate was established. The main components stress and deformation state of gate was analyzed and researched in the condition of closed water retaining. Natural vibration
characteristics (frequency and vibration mode) of the gate were performed considering fluid-structure coupling and ignoring
fluid-structure coupling. The analysis and research provide the basis for structure optimization design of the gate.
Key words: radial gate; static characteristics; natural vibration characteristics; fluid-structure coupling
0 引言
弧形闸门被作为水闸中最简单、经济、灵活的一种门型，得到了广泛的应用。然而在我国几十年的使用过程中，还是出现了不少的问题，通过对闸门的破坏事件[1]统计可知：一方面是由于设计及结构布置的不合理，如按平面体系设计时不能准确反应闸门各构件间的相互联系以及非计算构件在闸门上的作用，使得某些关键部位安全富裕度不够、闸门两侧止水漏水引起的闸门自激振动，支臂刚度较差导致的支臂失稳破坏；传统的闸门大多是按平面结构体系方法进行设计，仅在主框架平面内进行计算，不能全面反映闸门的空间受力情况，会造成闸门强度和整体结构的不协调[2]。
另一方面是由于闸门在启闭及局部开启运行中由于外部激励源的作用而产生振动，当激励源的频率与结构的固有频率接近时，结构会发生共振，造成闸门及周围建筑物的破坏。因此对已设计运行的弧形闸门进行静力及动力特性分析是很有必要的[3]。
1 弧形闸门静力特性分析
1.1有限元模型
弧形闸门主体结构主要由门叶、支臂和支铰三大部分组成。门叶主要由主、次横梁、主、次纵
梁、肋板，上下底梁、边梁等构件组成。支臂用于支承主横梁或者主纵梁，主梁与支臂构成主框架，
它们承受由面板和次梁传递来的自重和水压力等荷载，然后将力传递给支铰，最后通过支铰把力传
递给闸墩。
作者简介：吴琦斌（1989-），男，E-mail：wqb10086 @
本文研究的弧形闸门为露顶式，孔口宽6.84m，闸门高8.5m，弧门半径12.0m,，设计水头7.2m。闸门结构采用立式液压启闭机启闭,操作条件为全水头动水启闭。闸门结构为复杂的空间结构体系，门叶和支臂主要用shell单元模拟，支铰主要用和C3D8R和C3D6实体单元模拟。支臂与门叶连接处使用tie做约束处理。铰链处建立参考点，释放一个绕铰链轴线方向旋转自由度。有限元模型如图1所示，模型共有56734个单元，54263个节点。
图1 弧形闸门有限元模型
根据设计资料，弧形闸门的制作材料为Q345B钢，材料的基本参数选取如下：弹性模量E=2.06×1011Pa，泊松比μ=0.26，密度ρ=7850kg/m3。静应力校核依据：根据《水利水电工程钢闸门设计规范》[4]和《水利水电工程金属结构报废标准》[5]规定，在役闸门进行强度验算时的最终修正系数k ＝0.9025。闸门厚度分布在16-24mm之间，允许的局部承压应力值[σcd=220MPa]。考虑弧形闸门的结构特点，采用第四强度理论(即von Mises理论)进行校核。其强度为：[(σ1−σ2)2+(σ2−σ3)2+(σ3−σ1)2]
2≤[σ](1)式中，σ1、σ2、σ3为三个主应力。静变形依据：《水利水电工程钢闸门设计规范》[5]规定露顶式工作闸门最大挠度应小于计算跨度的1/600。弧形闸门的跨度为6840mm，因而该闸门的最大变形不得超过11.4mm。
1.2约束和载荷
本次分析的工况：1)闭门挡水状态，吊耳处不受力，闸门底缘受到约束。2)开启瞬间状态，闸门底缘不受约束，吊耳处受力，绕闸门支铰旋转。
边界约束：坐标系定义，弧形闸门高度方向为Z轴，铰链旋转轴向为Y轴。工况一，在铰链处约束UX、UY、UZ 三个方向的平动位移及绕X 轴及Z轴的转动位移；闸门两侧受侧向支撑，实际是单向约束，本文做近似假设，约束其侧向的位移，即方向的Y向平动自由度。面板底槛受到沿闸门切向的支撑，也属单向约束情况，本文约束其切向的位移，即Z向的平动自由度。工况二，在铰链处，侧向支撑处约束同于工况一，在吊耳处设置参考点与吊耳的孔四周的节点做刚性连接，建立以此节点指向油缸铰支座方向为X1轴的局部坐标系，约束该参考点的X1向位移[6]。
计算载荷：工况一：静力荷载为弧形闸门自重和静水压力；工况二：静力荷载为弧形闸门自重
与静水压力。
1.3 静力计算结果及分析
1.3.1 闸门应力强度分析
弧形闸门所受重力通过施加Z方向的重力加速度来实现，按梯形分布荷载形式的静水压力则通过定义静水压力为零的坐标轴Z的值，以及闸门所受最大静水压力位置的坐标Z值。最大静水压力按水力学公式p=ρgℎ计算[7]，其中水的密度ρ=103kg/m3，重力加速度g=9.8m/s2，h=7.2m。
图2为工况一闸门的应力云图，闸门中下部出现应力集中区，高于两侧的应力和上部的应力。最大应力值约为89.19Mpa位于支臂的下半臂处。由图3知工况二的应力云图，最大应力约为91.86Mpa，也是位于闸门支臂下半臂处，吊耳处也有应力集中的现象。
图2 工况一闸门应力云图（1/2模型）
图3 工况二闸门应力云图（1/2模型）
表1列出了两种工况下闸门各部件最大应力值，在支臂下半壁处存在较大应力。两种工况的整体的应力分布趋势相同，这说明支臂与纵隔板的下隔板在承担水压里方面起主要作用；其次是弧形面板，这种力的分许有利于闸门的启闭。弧形面板、纵隔板、主横梁、组成了牢固的网格结构，承担了来自弧形面板的水压力。闸门整体受力较均匀，最大应力值均小于许用应力值，闸门强度满足要求。