CN108487198A - 一种弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法 - Google Patents

Abstract

一种弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，采用调谐质量阻尼器衰减闸门振动，并采用合理的TMD布置方案保证减振效果，包括门页减振措施和支臂减振措施，其中门页减振措施主要包括抑制门页薄壳法向振动的TMD，支臂减振措施主要包括抑制支臂梁垂向和侧向振动的TMD；根据实际情况，依次确定TMD的自振频率、质量、刚度和阻尼比，并选取合适的阻尼器材料，加设TMD保温、防水措施。本发明TMD布置方案简单，减振效果可靠，且易于实施，成本较低，可以方便地应用于已建成的闸门；所采用的带密封盒的TMD的理论研究完善，制造技术成熟，工程应用广泛，且在本发明中具有简明的布置方案，明确的参数确定步骤，并易于安装施工。

Description

一种弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法

技术领域

本发明属于水利工程和结构动力学领域，涉及一种在大坝泄流运行工况下，可以有效减小弧形闸门特殊形式振动的减振方法，属于水工闸门减振防灾措施。

背景技术

近年来，随着多个特大型水利枢纽工程的兴建和投入运行，泄洪水流流速、最大单宽流量和单宽消能率等技术指标屡创新高，对水工闸门的长期运行安全提出了更高的要求。国内外水工闸门破坏事例屡有发生，Mossyrock、刘家峡、鲁地拉、映秀湾和狮子滩等水电站均发生过闸门的失稳破坏，其中闸门振动是导致闸门失稳破坏的一项主要问题。在近期的原型观测研究中，发现了水工闸门的“爬行”振动和“伴生”振动等特殊振动形式，其振动频率单一，参与振型固定，为动力学减振措施的应用提供了良好的条件。

发明内容

由于近几十年来我国高坝大库的建设，高流速大功率泄洪诱发的闸门振动问题日益突出。在此背景下，对闸门的“爬行”和“伴生”振动形式进行有效衰减对水工闸门的长期安全和正常运行具有重要意义。本发明不仅能够有效衰减水工闸门在泄流过程中产生的振动，而且具有造价低，施工简便，易于在现有闸门上实施等优点。

本发明采用的技术方案是：

一种弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，采用调谐质量阻尼器(TMD)衰减闸门振动，并采用合理的TMD布置方案保证减振效果，包括门页减振措施和支臂减振措施，其中门页减振措施主要包括抑制门页薄壳法向振动的TMD，支臂减振措施主要包括抑制支臂梁垂向和侧向振动的TMD；根据实际情况，依次确定TMD的自振频率、质量、刚度和阻尼比，并选取合适的阻尼器材料，加设TMD保温、防水措施，所述的TMD底座采用满焊与主结构壁面牢固连接。

进一步的，所述的合理的TMD布置方案是在闸门门页和支臂的约束较弱处安装TMD，若已知振动振型，则TMD可布置在振型向量最大的位置，若未知振动振型，也可以在弱约束区域内采用均匀布置原则。

进一步的，所述的TMD自振频率与主结构的实际振动优势频率相同。所述的TMD质量，综合考虑减振效果、经济性和施工难度取弧形闸门质量的0.01到0.02倍，再除以TMD的个数。所述的TMD刚度确定方法主要是通过下面的公式进行计算：

ω＝(k/m)^0.5

上式中ω，m和k分别为TMD的圆频率，质量和刚度。

进一步的，所述的TMD阻尼比在2％到5％之间。

进一步的，所述的合适的阻尼材料工作温度为20到30℃的聚丙烯等材料。

进一步的，所述的TMD保温、防水措施是指在质量块、刚度措施和阻尼器的外侧加设密封盒，以起到保持温度恒定，防止空气中的湿气和溅水影响TMD正常工作的作用，同时，密封盒要留有足够的空间，满足质量块的减振行程。

进一步的，TMD布置位于闸门门页顶部，门页主横梁之间和支臂横梁两侧等约束较小的部位，并通过焊接将TMD的底座和对应门页或支臂的钢板牢固连接。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出的弧形闸门特殊振动形式减振方法着眼于弧形水工闸门整体结构，其TMD布置方案简单，减振效果可靠，且易于实施，成本较低，可以方便地应用于已建成的闸门；所采用的带密封盒的TMD的理论研究完善，制造技术成熟，工程应用广泛，且在本发明中具有简明的布置方案，明确的参数确定步骤，并易于安装施工。

附图说明

图1为TMD在弧形闸门门页和支臂上布置的左视图。

图2为TMD在弧形闸门门页背水面一侧布置的正视图。

图3为抑制主结构壁面法向振动的TMD示意图。

图4为抑制主结构壁面切向振动的TMD示意图。

图中，1为闸门门页；2为门页主横梁；3为门页纵梁；4为门页横梁；5为闸门上支臂；6为支臂横板；7为支臂纵板；8为支臂空腔填充板；9为闸门下支臂；10为支臂横梁；11为支铰；12为牛腿；13为支臂减振措施；14为门页减振措施；15为启闭杆固定点；16为质量块；17为刚度措施；18为阻尼器；19为密封盒；20为TMD底座；21为主结构壁面；22为底座与壁面之间的焊缝。

具体实施方式

本发明减振方法采用调谐质量阻尼器(以下简称TMD)进行闸门的振动衰减，主要通过TMD在闸门结构上的合理布置和自身结构参数的恰当选取对闸门特定频率振型的振动提供抑振力，以产生减振效果。本发明可以方便地应用于各种弧形闸门。

本发明中，TMD主要由质量块、刚度和阻尼器组成。综合考虑施工难度、经济性和振动衰减效果等因素，取TMD总质量为主结构质量的0.01到0.02倍，并将TMD总质量平均分摊到多个TMD上。结合结构动力学原理，按照最优位置安装TMD以达到最佳的减振效果。TMD的固有频率与主结构的振动频率一致，因此利用频率、质量和刚度的相对关系确定TMD的刚度。所述的TMD刚度确定方法主要是通过下面的公式进行计算：

ω＝(k/m)^0.5

上式中ω，m和k分别为TMD的圆频率，质量和刚度。同时，调节阻尼器使结构阻尼比控制在2％到5％，以避免阻尼较大导致TMD的抑振力减小，或阻尼较小导致TMD振动和质量块行程过大，不利于设计、安装和长期使用。

本发明中，TMD所处环境为闸门门页背水面和支臂表面，其环境温差大、湿度高。考虑闸门每年6到9月汛期运行时的实际温度，TMD阻尼应选取最佳温度在20到30℃的聚丙烯等材料，以减小阻尼器性能的改变幅度。同时，应在TMD外侧加装可拆卸的密封盒，延缓刚度措施的锈蚀、老化。可拆卸的密封盒也便于更换老化损坏的TMD。本方法中，TMD的布置按照结构动力学原理，位于闸门门页顶部，门页主横梁之间和支臂横梁两侧等约束较小的部位，并通过焊接将TMD的底座和对应门页或支臂的钢板牢固连接。

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

如图1所示，弧形闸门的主要结构为闸门门页1、两个闸门上支臂5和两个闸门下支臂9，其中闸门门页1和闸门上支臂5和闸门下支臂9上又分布有加劲梁(如门页主横梁2、门页纵梁3、门页横梁4、支臂空腔填充板8和支臂横梁10)等结构。闸门上支臂5和闸门下支臂9为“II”型梁，支臂中空，四周由支臂横板6和支臂纵板7围成，其中支臂横板6较短，支臂纵板7较长，边缘向外伸出，超出支臂横板6边界。支臂内部空腔按距离间隔均匀分布有支臂空腔填充板8。图1中，支铰11和牛腿12为固定端，对闸门具有较强的约束作用；由于支臂横梁10的支撑作用，闸门上支臂5和闸门下支臂9与支臂横梁10的相交处约束较强；由于横梁10的加劲作用，门页主横梁2对闸门门页1产生较强的约束；由于启闭杆的支撑作用，图2中所示的启闭杆固定点15处也具有较强的约束。

本发明中，按照结构动力学原理，支臂减振措施13和门页减振措施14的位置避开上述约束较强的地方，布置于闸门门页1和闸门上支臂5及闸门下支臂9对应振型振动最大的位置。如图3和图4给出，TMD的质量块16为闸门总质量的0.015倍再除以TMD个数；TMD的固有频率与主结构的振动频率一致，利用频率、质量和刚度的相对关系确定TMD的刚度措施17；调节阻尼器18使结构阻尼比控制在4％。在TMD外侧加装可拆卸的密封盒19，并将TMD底座20和主结构壁面21通过焊缝22牢固连接。需要注意的是，由于薄壳结构的振动特点，对于门页减振措施14，只包含图3所示的抑制主结构壁面法向振动的TMD；由于梁结构的振动特点，支臂减振措施13除需抑制主结构壁面法向的振动外，还需在对应位置处加设图4所示的抑制主结构壁面切向振动的TMD。基于以上措施，可以得到较好的减振效果。值得指出的是，上述弧形闸门的强约束位置、弱约束位置、门页减振措施14和支臂减振措施13的选用对于不同弧形闸门具有很强的相似性，在工程上可以通用。

应用实例

水工弧形钢闸门支臂长18m，闸门门页1弧长17m，宽14m，半径同支臂长度，为18m。闸门门页1上每隔2.5m设置一道门页横梁4，两道门页主横梁2分别位于由上至下第三和第七个门页横梁间隔的中点。闸门门页1背水面设置四道上下贯通门页纵梁3，四道门页纵梁3距闸门门页1左侧边缘的距离分别为：2.2m、5.4m、8.6m和11.8m。因此，闸门门页1背水面一侧由四道贯通门页纵梁3和八道门页横梁4划分为不同矩形区域。对于除了门页主横梁2所处的矩形区域外的其它区域，均设置抑制门页法向振动的TMD，所设置的15个门页减振措施14通过TMD底座20与门页的满焊固定于约束最弱的矩形区域几何中心。

闸门上支臂5和闸门下支臂9距支铰端11m处设置支臂横梁10连接支撑闸门上、下支臂5、9。闸门上支臂5和闸门下支臂9内部空腔内设置七个支臂空腔填充板8，支臂空腔填充板8与闸门上支臂5和闸门下支臂9与闸门门页1连接处的距离分别为：3m、5m、7m、9m、11m、13m和15m。因此，支臂空腔填充板8将闸门上支臂5和闸门下支臂9分别分为八段，支臂减振措施13布置于由闸门门页1至支铰11的第二、五和六段中点处的支臂上侧横板上，支臂减振措施13底座采用满焊与结构壁面连接。值得注意的是，支臂减振应同时包含抑制结构壁面法向和切向振动的TMD，因此每个支臂减振措施13安装位置布置两个TMD，即支臂上共设置24个TMD。

结合工程实际，测算本例中水工弧形闸门质量为200t，取TMD总质量为弧形闸门总质量的0.0195倍，平均分配到全部39个TMD上，则每个TMD的质量为100kg。若闸门以25Hz的频率振动，则TMD刚度应取为2.5MN/m，同时其阻尼比应控制在4％左右。

该实例的施工方法，包括以下步骤：1)在闸门门页1和支臂的约束较弱处选择TMD布置位置，若已知振动振型，则TMD可布置在实际振动最大的位置，若未知振动振型，也可以采取类似上例中的均匀布置原则；2)按照先确定TMD的自振频率和质量，再确定其刚度，然后确定其阻尼的顺序和相关计算公式，确定TMD的性能参数；3)制造带有密封盒的TMD；4)在对应位置采用TMD底座与结构壁面满焊的方式安装TMD。

Claims (9)

1.一种弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，其特征是：采用调谐质量阻尼器(TMD)衰减闸门振动，并采用合理的TMD布置方案保证减振效果，包括门页减振措施和支臂减振措施，其中门页减振措施主要包括抑制门页薄壳法向振动的TMD，支臂减振措施主要包括抑制支臂梁垂向和侧向振动的TMD；根据实际情况，依次确定TMD的自振频率、质量、刚度和阻尼比，并选取合适的阻尼器材料，加设TMD保温、防水措施，所述的TMD底座采用满焊与主结构壁面牢固连接。

2.根据权利要求1所述的弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，其特征是：所述的合理的TMD布置方案是在闸门门页和支臂的约束较弱处安装TMD，若已知振动振型，则TMD可布置在振型向量最大的位置，若未知振动振型，也可以在弱约束区域内采用均匀布置原则。

3.根据权利要求1所述的弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，其特征是：所述的TMD自振频率与主结构的实际振动优势频率相同。

4.根据权利要求1所述的弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，其特征是：所述的TMD质量，综合考虑减振效果、经济性和施工难度，取弧形闸门质量的0.01到0.02倍，再除以TMD的个数。

5.根据权利要求1所述的弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，其特征是：所述的TMD刚度确定方法主要是通过下面的公式进行计算：

ω＝(k/m)^0.5

上式中ω，m和k分别为TMD的圆频率，质量和刚度。

6.根据权利要求1所述的弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，其特征是：所述的TMD阻尼比在2％到5％之间。

7.根据权利要求1所述的弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，其特征是：所述的合适的阻尼材料工作温度为20到30℃的聚丙烯等材料。

8.根据权利要求1所述的弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，其特征是：所述的TMD保温、防水措施是指在质量块、刚度措施和阻尼器的外侧加设密封盒，以起到保持温度恒定，防止空气中的湿气和溅水影响TMD正常工作的作用，同时，密封盒要留有足够的空间，满足质量块的减振行程。

9.根据权利要求1或2所述的弧形水工闸门特殊振动形式的减振方法，其特征是：TMD布置位于闸门门页顶部，门页主横梁之间和支臂横梁两侧等约束较小的部位，并通过焊接将TMD的底座和对应门页或支臂的钢板牢固连接。