水流诱发水工建筑物振动研究的理论与实践

水流诱发水工建筑物振动问题研究

摘要：水利水电工程的水工结构流激振动现象是十分普遍的，这些振动有时会影响工程安全运行，甚至会造成结构失事，一直受到设计和管理人员的重视。当前比较现代的解决流激振动研究方法是采用水动力学和结构动力学“合二而一”的水弹性模型，但在实践上有很大困难,难免存在一些不相似的因素,致使原型预报发生一些问题。本文通过分析以往研究总结了水流诱发水工建筑物振动所采用的方法。流激振动正反分析、物模-数模联合预报法、脉动压力时域分析法、模糊数学方法中的遗传算法及神经网络法等都是较好的方法，根据工程的不同情况可以采用不同的方法，此外还可将各种方法进行组合联合运用以达到最好的解决工程问题的目的，以实现工程的安全高效经济运行。

关键词：流激振动水弹性模型正反分析物模-数模联合预报时域分析神经网络

1 概述

水流诱发水工建筑物振动在水利水电工程中屡见不鲜，各式各样。流体诱发振动(Flow—Induced Vibrations)是一种极其复杂的流体与结构相互

作用的现象。由于这种振动在某种条件下会相当强烈而导致结构物的破坏，早在上世纪三十年代，人们就注意到了它的危害性并开始进行研究。水流诱发水工建筑物振动的流动性质可分为内流与外流两大类。内流如水电站的压力管道、有压泄洪洞等；外流指导水墙、闸门等。国内外均有因水流诱发振动而导致工程结构失事的事例。如美国得克萨斯州的Texar-Kana Dam消力池导墙、加利福尼亚州的Trinky Dam消力池导墙、新泽西州的Navaio Dam消力池导墙的破坏均是水流诱发振动所致。在我国有贵州山坳拱坝溢流时强烈振动和万安水利枢纽溢洪道导墙倒塌，乌江渡水电站原型观测时发现左岸滑雪道右导墙及青铜峡水电站导墙有强烈“拍振”现象。

现阶段，我国大流量高坝设计建设处于顶峰状态，水流对建筑物的振动影响将表现地更为明显，因此为了尽可能减小失事危险，确保大坝安全运行并实现最优的经济效果，研究高速水流诱发水工建筑物振动问题的重要性与日俱增。

2 水流诱发结构振动的激励机理

流体诱发结构振动的流体力学动态机理复杂而多变。人们对此进行了大量的研究工作，提出了不同的物理模式。随着水利工程高水头、大流量、高流速泄水建筑物的大量兴建，特别是由于高强建筑材料的开发与应用，工程结构越来越趋于轻型化，水流诱发振动问题将更加突出。研究水流诱发振动的机理，分析振动的原因或找出振动的激励源，从而为减振提供理论依据和指导，是摆在人们面前的重要课题。

流体诱发振动的原因较为复杂，德国Naudaseher教授(1980)按诱发振动的主要激励机理将水流诱发振动问题分为四类[1]：

(a) 外部诱发激励(EIE：Extraneously—Induced Excitation)

(b) 不稳定诱发激励(IIE：Instability—IndUCed Excitation)

(c) 运动诱发激励(MIE：Movement-Indueed Excitation)

(d) 共振流体振子诱发激励(RFO：Resonance of Fluid Oscinator)

其中最主要的是外部诱发的振动。事实上，对于某一具体工程来说，其诱发振动的因素可以是一种机制起作用，也可以多种机制的组合。搞清楚流激振动的激励机理对于解决实际问题是至关重要的，因为不同性质的激励力会使工程结构产生不同性质的振动，研究不同性质的振动显然也将采用不同的理论。

3 水弹性模型

由于泄流振动的激励力的幅值和频率特性在时间和空间上的分布是复杂的，坝体的振动是一个多处激励、联合激发的耦合振动。水弹性模型是研究这类复杂的流激振动问题的先进与可靠的方法。

3.1 模型相似理论

流激振动的水弹性实验模拟,是对“坝体-库水-坝基-动荷载”四位一体的流固耦合振动系统的模拟, 即要求同时满足“动荷载”输入系统相似和结构(坝体一库水一坝基耦联结构) 动力响应系统相似。

水动力系统相似是为保证作用于坝体上的“动荷载”相似。作用于坝体上的“脉动荷载”主要由水流的分离、重附、扩散、旋滚、振荡所产生的大尺度旋涡所引起。在雷诺数足够大的条件下满足佛劳德相似准则，即重力相似准则和欧拉相似准则即脉动压力相似准则。

结构动力学相似主要满足佛劳德相似准则和柯西相似准则。边界条件相似包括水力学边界条件和坝体边界条件相似，而坝体边界条件主要涉及坝基和坝肩的模拟范围，使模型能正确反映坝体的动力特性和流激振动响应特性。

3.2 模型设计

根据流激振动水弹性模型相似律的要求和试验条件，适当选取模型的几何比尺。模型材料为加重橡胶材料，用橡胶填充重晶石粉硫化制成。泄流振动模型的水力学部分按水力学条件相似的要求制作，保证上游水库地形、水位相似，水流平稳，下游一定范围内地形和水位相似。坝基和坝肩的水弹性模拟范围可通过对大坝及其不同范围的坝基坝肩构成的整体进行

有限元动力计算比较加以确定。

3.3 水弹性模型模态分析

实验模态分析是一种先进的结构动态特性研究手段。

首先，将坝系统离散为有限自由度, 列振动微分方程式进行拉普拉斯变换, 据初始条件, 得出变换方程，进而得到系统的传递函数矩阵。由于它包含了结构系统的质量、阻尼、刚度、固有频率等全部模态信息, 因而一旦获得系统的传递函数矩阵,就可把握结构的动态特性。

其次，布置测点。采用单点激振, 多点测量传递函数的测试方法。选择激振点时,以避免各阶振型的节点,并能激发出较纯的振型为原则。

然后，测量传递函数（频响函数）。根据线性振动理论，结构的动力响应可以由该结构的各阶模态的响应迭加而得，所以结构的动力特性可以用各阶模态参数来表达。而通过传递函数的测量可以得到各阶模态参数。

最后进行干、湿模态参数的测量分析[2]。

通过与振动响应计算值对比，与原型观测结果相验证，对泄流诱发振动进行初步预测和评估。

4 常用振动分析方法

4.1 水工结构流激振动响应的反分析

一般而言，水流诱发水工结构振动研究包括以下三类问题（1）已知水流动力荷载和结构系统动力特征，求解结构动力响应，为第一类结构动力学问题，即正问题；（2）已知结构动力响应和结构系统动力特征，求解作用荷载，为结构动力学的第一类反问题；（3）已知作用荷载与结构动力响应，求解结构系统动力特征，如频率、振型和阻尼比等模态参数，即模态