低水头水工钢结构弧形闸门流激振动研究

论文题目: 低水头水工钢结构弧形闸门流激振动研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 刘永林

导师: 刘斌,倪汉根

关键词: 弧形钢闸门,自由振动,受迫振动,自激振动,参数共振,负阻尼,流激振动

文献来源: 东北大学

发表年度: 2005

论文摘要: 水利工程弧形钢闸门，主要用于水库的控制泄洪，是保证大坝安全的最重要建筑物之一。工程实践证明，闸门在动水启闭过程及在某些局部开启运行时由于水流的作用，都有不同程度的振动。在一些特定条件下，某些闸门曾产生较强烈的振动，少数闸门曾产生共振和动力失稳现象。研究闸门流激振动机理，探讨闸门振动规律，给出控制判据，对指导钢结构闸门设计是具有非常重要的意义。目前，由于闸门的结构复杂，水流动力作用与闸门振动的关系尚未完全摸清，国内外对闸门振动的研究仍属初步阶段，现行规范采用动力系数法，暂规定同一动力系数取值范围，根据水流条件、闸门型式选取，近似考虑振动的影响。 本论文的主体是研究辽宁省石佛寺水库低水头水工弧形钢结构闸门流激振动问题，有部分内容从工程预报的需求，作了一定延拓，属学术讨论。论文综述了水工弧形钢闸门以往的研究工作，从振源，振动机制，数值模拟预报，物理模型预报，原型观测五个方面叙述了闸门流激振动研究历史与发展。论文结合石佛寺水库弧形钢闸门设计，探讨弧形钢闸门振动机理和特性，分别研究弧形钢闸门的自由振动与受迫振动，自激振动和参数共振，给出定量分析方法和结果，本文主要研究内容包括： 1，预报石佛寺弧形闸门在水流脉动荷载作用下的强迫振动特性(EIE)。选用的技术路线为：用只满足重力相似律的水力模型同步纪录闸门面板上若干个面脉动压力传感器上的水流脉动荷载，然后再用大型结构计算软件确定闸门的动力响应。面脉动压力传感器的承压面面积和结构动力计算时的闸门面板有限元分割相应。因此迫振预报包括两部分内容：一是面脉动压力测定，二是结构动力计算。 2，为了方便设计人员初步判断所设计的弧形闸门的动力特性，采用瑞利法，给出不同开度下弧门切向、径向、侧向三个自振频率的简单计算公式。利用这些公式，给出弧门设计的一个指标，如能满足这个指标，那么弧形闸门不会产生显著的强迫振动。 3，利用关于弧形闸门水力负阻尼和计及阻尼时压杆参数共振的已有研究成果，以及联合考虑水力负阻尼与参数共振，讨论了弧形闸门在三种典型工况下支臂动力失稳的可能性及防止动力失稳应采取的措施。 本文创新性的工作内容包括： 1、本文所采用的闸门流激振动预报方法是国内外第一次使用。这种预报方法的概念在半个世纪前已经提出。但本论文摒弃了传统的水流点脉动压力测量而代之以与结构有限元计算闸门面板单元分割一致的相似面积作为承压面，同步测量面脉动荷载，

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摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 水工弧形钢闸门流激振动的研究历史与发展

1.2.1 关于振源

1.2.2 弧门振动机制的力学分类

1.2.3 弧形闸门流激振动的数值预报

1.2.4 闸门振动的模型试验预报

1.2.5 原型观测

1.2.6 基本达成的共识和尚需研究的课题

1.3 课题主要研究内容

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 本论文的创新点

第二章 石佛寺模型弧形闸门上脉动压力的测定

2.1 概述

2.2 工程概况与结构形式

2.2.1 结构形式及主要技术特点

2.2.2 泄洪闸弧形工作闸门主要特性参数

2.3 水力模型及脉动压力测点布置

2.4 面脉动压力传感器的原理、自振频率与率定曲线

2.5 测量脉动压力的工况及测量结果

2.5.1 实测工况

2.5.2 各工况的试验结果

2.5.3 各工况脉动压力试验结果的说明和讨论

2.5.4 结论

第三章 闸门静动力数值计算

3.1 弧形门流激振动的控制方程及数值模拟

3.2 附加质量阵[ΔM]

3.2.1 [ΔM]的一般计算方法

3.2.2 [ΔM]阵的简化计算

3.3 有限元剖分网格

3.4 坐标系及单元类型说明

3.5 计算工况表

3.6 闸门自振特性

3.7 弧形闸门的强迫振动

3.7.1 工况1：静水作用

3.7.2 工况2：单孔0.05开度

3.7.3 工况3：一孔半闸门打开0.05开度

3.7.4 工况4：单孔闸门打开0.15开度

3.7.5 工况5：一孔半闸门打开0.15开度

3.7.6 工况6：单孔闸门打开0.2开度

3.7.7 工况7：一孔半闸门打开0.2开度

3.7.8 工况8：单孔闸门打开0.3开度

3.7.9 工况9：一孔半闸门打开0.3开度

3.7.10 工况10：单孔闸门打开0.4开度

3.7.11 工况11：一孔半闸门打开0.4开度

3.7.12 工况12：单孔闸门打开0.5开度

3.7.13 工况13：一孔半闸门打开0.5开度

3.7.14 工况16：单孔闸门打开0.55开度

3.7.15 工况15：一孔半闸门打开0.55开度

3.8 计算结果讨论

第四章 弧形门基频的简易算法及动力设计准则

4.1 问题的提出

4.2 弧门无侧移基本自振频率的计算

4.2.1 空气中的自振频率

4.2.2 计及水体附加质量时的自振频率

4.3 弧门有侧向移动和有切向移动时基本自振频率的计算

4.3.1 有侧向移动时的基本自振频率

4.3.2 有切向移动时的基本自振频率

4.4 计算结果比较

4.5 弧门设计的简单控制关系

4.6 结论与讨论

第五章 低水头水工钢结构弧形闸门的动力不稳定性

5.1 概述

5.2 弧形闸门切向振动的水力负阻尼

5.3 常截面压杆的参数共振

5.3.1 无阻尼常截面压杆的参数共振

5.3.2 有阻尼常截面压杆的参数共振

5.4 参数S_1、S_0的估算

5.4.1 S_1的估计

5.4.2 S_0的估计

5.5 支臂的临界欧拉力S_(i,k)

5.5.1 两端铰支杆的临界欧拉力

5.5.2 一端铰支、一端弹簧连接的临界力

5.6 水工弧形钢闸门可能出现动力失稳的几种典型工况

5.6.1 支臂与面板联接处无侧向位移或无切向位移时形成动力失稳的估计

5.6.2 支臂与面板联接处有侧向位移时形成参数共振导致动力失稳的估计

5.6.3 支臂与面板联接处有切向位移时产生失稳的条件

5.7 结论与讨论

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间发表的论文

发布时间: 2006-10-25

参考文献

• [1].水工弧形闸门流激振动的MR智能半主动控制仿真研究[D]. 杨世浩.武汉理工大学2005
• [2].弧形闸门局部开启时闸前漩涡水力特性研究[D]. 孙洪亮.大连理工大学2016

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