闸门振动判据

9.9　闸门振动判据

水工钢闸门的运行安全问题越来越受到生产管理部门的重视，水工钢闸门的振动监测也日益普及。关于闸门的检测技术规程已发布，但闸门振动量测出后，如何判别其对结构物的危害程度，即等级划分问题，现在还缺乏相应的标准。为推动水利水电事业的发展，建立相应的国家标准，我们具体结合部分水电工程，对振动判据进行了初步研究。

9.9.1　基本思路

闸门在泄洪过程中，会产生不同程度的振动，振动会对闸门产生危害，尤其是对局部开度泄洪的闸门危害更大。闸门振动程度建议分为如下四个等级:

(1)基本不振——一级。闸门不是绝对不振动，而是振动量非常小，这类不振动的闸门在工程上很难找到，实际工程中也不多。

(2)微小振动——二级。是指振动量控制在较小的容许范围内，基本上不会对闸门结构带来安全隐患，在实际工程中普遍存在。

(3)中等振动——三级。闸门振动量接近不容许值范围，已达到黄色警示，且有可能对结构造成一定危害，运行中应对这种振动状态加强测控。

(4)严重振动——四级。闸门振动量达到不容许值范围的较高水平，已达到红色警示，对结构运行带来严重危害，实际运行中不容许出现这种振动。

建筑物的振动是一个十分复杂的物理力学现象。振动的主要物理量有位移、速度、加速度和频率，这些量值对建筑物的破坏都会产生影响。客观上讲，这些量值都应综合考虑，分别加以控制。但考虑到这些量值的内在联系和实践上的可行性，大多数规程都常用单一量值作判别标准。如水工建筑物抗震设计规范的地震设防烈度是以振动加速度划分。爆破安全规程的建筑物安全范围则是以地面振动速度来划分。

水工钢闸门的振动级别判据建议以振动位移控制为主，共振频率控制为辅。因为振动的速度、加速度与振动位移一样都是反映闸门振动能量的强弱和动应力大小的量值;其次，水工钢闸门对结构静力变形和结点位移有严格要求。同时一定要考虑因水流脉动而产生的强迫振动主频率与闸门结构的固有频率的差距，亦即闸门固有频率比强迫振动主频大或小多少，这就是要注意控制闸门产生共振的条件。

9.9.2振动位移与脉动压力关系

水工钢闸门是一个空间结构，若直接按空间弹性结构体系来计算闸门弹性振动是难以得其解析解的。若采用有限元法，则可以方便求解，即将闸门划分为有限个小单元体(或有限个小质点)，考虑其阻尼影响时的振动微分方程可以用矩阵表示为:

式中:{δ}、{}、{}分别表示体系各结(质)点的位移矢量、速度矢量和加速度矢量;［M］、［C］、［K］分别表示体系各结(质)点的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;{F(t)}表示水流脉动压力。

水流脉动压力F_i(t)只激发起闸门低阶振型，可用振型叠加法(即解耦分析法)进行计算。首先由方程组(9-27)所对应的无阻尼自由振动微分方程，用适当的方法——迭代法求出体系的前m阶固有频率和相应的主振型{A}^(m)，以主振型矩阵［A_p］=［{A}¹，{A}²，…，{A}^m］作为解耦振型矩阵，如果考虑体系的阻尼［C］的影响，使方程组(9-27)解耦时，需要用解耦正振型矩阵［A_N］

来解耦。

设解耦正坐标为{x_N}，则得

将式(9-29)代入方程组(9-27)，则该方程就可化为以{x_N}为基本未知量的非耦合的微分方程组:

ξ_i——为i阶振型阻尼比。

方程组(9-27)已解耦为式(9-30)。该式即可按单自由度体系求解方法求解以解耦正坐标{x_N}表示的解。

依式(9-29a)用原坐标{δ}表示的初始条件变换到用解耦正坐标{x_N}表示的初始条件，并代入解耦正坐标解，求其待定常数。原方程组(9-27)的初始条件为

通过式(9-29b)得到以解耦正坐标表示的初始条件为

由方程组(9-30)得到的一组非耦合方程为

其初始条件就是:

上面方程组中的每一个方程的解均可用杜哈梅(Duhamel)积分表示为:

式中:ω_di=ω_ni;a_i、b_i为待定常数，由初始条件确定。当t= 0时，闸门不振动(即没有初始位移和初始速度)，则a_i和b_i均为零，则方程式(9-41)成为

由于脉动压力较复杂，一般是随机的，杜哈梅积分一般需用数值方法计算。在求得x^(t)_Ni(i= 1，2，…，m)以后，忽略高阶振型的响应，利用式(9-29a)将解耦正坐标{x^(t)_Ni}表示的结果转换为原体系的坐标{δ}表示，然后把1～m阶振型的响应叠加，便得到闸门的动位移响应为

从以上动位移计算过程可以看出:闸门振动位移与水流脉动压力幅值和频率、闸门自振频率和振型及闸门结构的质量和阻尼密切相关。水流脉动压力可通过测试得到，这样就可通过计算与对闸门现场实测结果对比验证。

动位移是表征闸门振动的主要参量，它能够反映闸门构件振动变形和动应力的程度。水工钢闸门在运行工作过程中，对闸门的振动位移量必须加以控制，如何确定振动位移量的判据标准是当前急需解决的问题。

9.9.3　振动位移判据设定

9.9.3.1　闸门振动位移判据设定的背景

关于振动对闸门危害影响的判据，可分为振动加速度、振动速度、振动位移与振动频率等单项或综合对闸门的危害影响判据。如从单项考虑，对于闸门振动加速度危害程度的判据在国内、外均没有明确和统一的标准，但振动加速度和振动频率共同对人体的危害影响的标准，已在一些专著中有明确的分析与介绍，如竖向(水平)加速度极限、振动频率与人体允许暴露时间的关系曲线(图9-15、图9-16)，这些人体感受曲线指的是振动直接或间接对人体的危害影响。如果人体在闸门上工作，共同感受其影响的话，这种振动加速度与频率的影响就应该作为一种振动判据。此外，也有一种振动位移与振动频率共同对人体的危害影响的明确统一标准，那就是Meister的感觉曲线，如图9-17所示，它也可以作为人体在闸门上工作时的闸门振动判据。鉴于闸门振动时，一般无人在其上工作，只考虑振动对结构的影响，结合前面分析结果，目前主要以振动位移作为闸门振动危害的判据。关于闸门振动位移对闸门的危害影响问题，考虑到闸门振动的随机性，一般采用振动位移的均方值作为衡量其对闸门振动危害程度的参量。当前国内外已有一些不大成熟的参考标准，在此我们提供两个判别标准供大家参考。

图9-15　竖向加速度极限和允许暴露时间的关系

图9-16　水平加速度极限与频率和允许暴露时间的关系

图9-17　Meister的感觉曲线

标准1:美国Arkansas河闸门振动危害程度位移判据标准，如表9-9所示。

表9-9　美国Arkansas河闸门振动危害程度位移判据标准

标准2:我国的《机器动荷载作用下建筑物承重结构的振动计算和隔振设计规范》(YBJ55-90)第3.2.2条和第3.3.2条规定，建筑物容许振动的限值可根据机器设备的类别按图9-18和表9-10确定。

表9-10　建筑物容许振动的限值

注:①楼层是指直接承受动力设备的楼层(以构造缝为界);②地面是指动力设备基础附近的地面。

9.9.3.2　闸门振动位移判据的设定

根据上面分析结果，在闸门振动判据的设定上，我们建议以振动位移控制为主，共振频率控制为辅。

图9-18　动力设备基础容许振动的限值

现将我们过去现场测试的部分闸门振动结果列于表9-11中，闸门振动位移包括最大位移和位移均方根值，同时也列出了振动加速度大小和运行管理人员对闸门振动的反映。根据表9-11的一些闸门振动测试结果及相关人员的反映情况和我们过去的工程经验，并考虑到实际使用简便，闸门振动危害位移判据，建议采用表9-12所列数据。

表9-11　我国部分水利水电工程闸门振动现场测试结果

表9-12　建议采用的闸门振动危害程度位移判别标准

根据钢闸门设计规范，闸门主梁容许挠度的设定、闸门振动位移的大小与闸门规模有直接关系，其振动判据也应据此加以修正，修正系数n按闸门跨度设定为:

式中:l——为检测闸门的实际跨度;

l₀——为中型闸门的标准跨度，建议定为10m。

9.9.4　结束语

综上所述，闸门振动危害程度判据是一组理论与实践(实验与体验)相结合的数据，在目前的科技水平上，它不完全取决于理论计算，更大程度上依赖于工程实践，取决于相关工程技术人员的认可程度。例如某一闸门振动振幅为0.25mm，有人认为振动大，有人可能认为振动不大。作者在本书中所提出的判据，受水平的限制，会有许多不足之处，恳请同行、专家讨论与指正，以求共识，形成一个统一的标准。

此外，前面的分析与结果，绝不是闸门振动判据的最后结果和唯一选择，作者也期望今后有更多同行参与，通过更多的实验分析和研究，也可找到振动速度、振动加速度或它们的综合等作为闸门振动危害的另一种判据。