水工弧形鋼閘門約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】水工弧形鋼閘門約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：（1）對弧形鋼閘門的各部分構(gòu)件進(jìn)行有限元模擬單元選取，弧形面板選用殼單元模擬受力狀態(tài)，支臂、橫梁和縱梁選用梁單元模擬，吊桿選用桿單元模擬，對弧形鋼閘門進(jìn)行動力學(xué)特性分析；（2）采用Westergaard法計(jì)算水的等效質(zhì)量，模擬水壓力對弧形鋼閘門的動力特性影響；（3）對弧形鋼閘門進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能分析，分析得出弧形鋼閘門支臂模態(tài)應(yīng)變能最大，通過設(shè)置在弧形鋼閘門的支臂結(jié)構(gòu)上的約束阻尼層可以減小弧形鋼閘門的流激荷載效應(yīng)；本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法增加弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)阻尼、降低流激荷載振動效應(yīng)。
【專利說明】
水工弧形鋼閘門約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種水工弧形鋼閘門約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 閘門流激荷載動力響應(yīng)是流激荷載和閘門動力特性耦合的產(chǎn)物，在水流形式已經(jīng) 確定、流激荷載不可更改的情況下，調(diào)整閘門動力特性可有效降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，而增加結(jié) 構(gòu)阻尼是十分有效、簡單方便的手段之一。
[0003] 弧形鋼閘門以其輕盈的結(jié)構(gòu)形式、合理的受力性能以及啟閉力小等優(yōu)點(diǎn)，在水工 結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，但是弧形鋼閘門的流激振動問題較為突出，因流激振動造成破壞在 國內(nèi)外水工結(jié)構(gòu)中時有發(fā)生。閘門流激振動由水動力荷載特點(diǎn)和閘門振動特性決定，當(dāng)水 動力荷載無法改變時，優(yōu)化閘門的動力特性成為唯一選擇，如何避免鋼閘門發(fā)生流激破壞， 充分發(fā)揮鋼閘門的優(yōu)勢特點(diǎn)，科研人員提出了不同的解決方案。
[0004] 縱觀弧形鋼閘門的破壞性態(tài)，大部分是由于支臂發(fā)生振動過大，造成支臂動力失 穩(wěn)或荷載效應(yīng)超過材料強(qiáng)度，進(jìn)而發(fā)生破壞。調(diào)諧質(zhì)量阻尼(TMD)減振僅對某一階共振頻率 減振效果顯著，因鋼閘門一般在水下工作，頻率受水頭和水深的影響，固調(diào)諧質(zhì)量阻尼 (TMD)減振效果差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種增加弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)阻尼、降 低流激荷載振動效應(yīng)的水工弧形鋼閘門約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:水工弧形鋼閘門約束阻尼層減 振設(shè)計(jì)方法，所述的弧形鋼閘門包括弧形面板、兩根吊桿和兩個支臂，弧形面板后表面沿其 高度方向均勻間隔設(shè)有若干橫梁，每根橫梁均沿左右水平方向設(shè)置，弧形面板后表面沿其 寬度方向均勻間隔設(shè)有若干縱梁，每根縱梁均呈弧形結(jié)構(gòu)且與弧形面板的弧度相同，兩根 吊桿傾斜設(shè)置并相互平行，兩根吊桿的一端分別與弧形面板的后表面連接，每組支臂均包 括上懸臂和下懸臂，上懸臂和下懸臂之間設(shè)有腹桿，所述的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟： (1)對弧形鋼閘門的各部分構(gòu)件進(jìn)行有限元模擬單元選取，弧形面板選用殼單元模擬 受力狀態(tài)，支臂、橫梁和縱梁選用梁單元模擬受力狀態(tài)，吊桿選用桿單元模擬受力狀態(tài)，對 弧形鋼閘門進(jìn)行動力學(xué)特性分析； (2 )采用We st ergaard法計(jì)算水的等效質(zhì)量，模擬水壓力對弧形鋼閘門的動力特性影 響； (3) 對弧形鋼閘門進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能分析，分析得出弧形鋼閘門支臂模態(tài)應(yīng)變能的 值為最大值； (4) 在弧形鋼閘門的支臂結(jié)構(gòu)上設(shè)置用于減小弧形鋼閘門的流激荷載效應(yīng)的約束阻尼 層； (5) 通過有限元方法模擬確定約束阻尼層的厚度，針對不同約束阻尼層的厚度的對比 分析，確定最適合的約束阻尼層厚度，從而最大程度增大弧形鋼閘門的支臂阻尼比，降低結(jié) 構(gòu)的流激荷載效應(yīng)。
[0007] 所述步驟(4)中的約束阻尼層包括阻尼層和約束層，阻尼層黏貼在每組支臂的外 表，約束層黏貼在阻尼層的外表面，阻尼層由塑料材料制成，約束層由鋼制材料制成。
[0008] 步驟（1)中，對弧形鋼閘門的動力學(xué)特性分析采用的公式為 式中Λ/Χ和犮分別為質(zhì)量、阻尼和剛度的矩陣;:§、|和|分別為位移、速度和加速度#為
流激荷載。
[0009] 步驟(2)中通過Westergaard法計(jì)算水的等效質(zhì)量： ，其中香..為水的 密度;li為閘門水深·為庫水水頭，模擬水壓力對弧形鋼閘門的動力特性影響。
[0010] 所述步驟(5)中的弧形鋼閘門的支臂阻尼比的計(jì)算方法選用復(fù)模態(tài)分析方法，復(fù) 模態(tài)分析方法具體步驟為:首先結(jié)構(gòu)動力平衡方程的特征方程為:+ 慕:|=灌，特 征值為土％稱之為穩(wěn)定系數(shù)，1為考慮阻尼影響的圓頻率，阻尼比為： 癡，，由計(jì)算結(jié)果確定合理約束層和阻尼層的厚度;以下為計(jì)算過程：
，則動力學(xué)方程寫出狀態(tài)方程形 式為::羊遷f二瓦騎;為了簡化計(jì)算，可引入常數(shù)等式處?，這樣可實(shí)現(xiàn)化積分運(yùn)算為 代數(shù)運(yùn)算。動力學(xué)方程可表示為：

則方程可表示為:_ 方程的解為：銀輕0Θ(Α) 傳遞矩陣的表達(dá)式為:;其中為離散時間步長。
[0011] 采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果： (1) 本發(fā)明首先在結(jié)構(gòu)基層黏貼一層阻尼層，然后再在阻尼材料層表面牢固黏貼彈性 約束材料，稱之為約束層。當(dāng)結(jié)構(gòu)層發(fā)生彎曲變形時，阻尼材料層上下表面則產(chǎn)生拉伸和壓 縮變形，在阻尼層中發(fā)生交變的剪切應(yīng)力和應(yīng)變，從而消耗結(jié)構(gòu)由于振動產(chǎn)生的能量，減輕 主體結(jié)構(gòu)的振動;為了防止弧形鋼閘門支臂在流激荷載作用下動力破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整體結(jié) 構(gòu)潰塌，在弧形鋼閘門支臂外表面黏貼約束阻尼層，在粘彈性阻尼層和約束層厚度比例合 理的情況下，可增大支臂的阻尼比，以達(dá)到降低支臂在流激荷載作用下振動響應(yīng)之目的； (2) 弧形鋼閘門支臂表面黏貼約束阻尼層能增大支臂不同階次阻尼比，顯著降低流激 荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，結(jié)構(gòu)動力特性由于水質(zhì)量改變不影響約束阻尼層對結(jié)構(gòu)動力響 應(yīng)降低的趨勢； (3) 約束層能提高結(jié)構(gòu)阻尼的特性，同時借鑒阻尼層在輸電塔中提高結(jié)構(gòu)阻尼的成功 經(jīng)驗(yàn)，在弧形鋼閘門上合理布置阻尼層，以提高閘門整體阻尼比，再對添加約束阻尼層前后 鋼閘門進(jìn)行流激振動分析，可驗(yàn)證約束阻尼層的減振效果； (4)弧形鋼閘門阻尼比的計(jì)算方法可選用復(fù)模態(tài)分析方法；同其它計(jì)算方法相比，其優(yōu) 勢在于:考慮結(jié)構(gòu)在阻尼效應(yīng)下的動力響應(yīng)，計(jì)算精度可大幅度提高。
【附圖說明】
[0012] 圖1是弧形鋼閘門結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是約束阻尼層的形狀示意圖； 圖3是弧形鋼閘門的支臂外表黏貼約束阻尼層的截面圖； 圖4是流激荷載壓力時程曲線和Fourier幅值圖； 圖5是支臂綜合位移時程曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 如圖1-3所示，弧形鋼閘門包括弧形面板1、兩根吊桿2和兩個支臂，弧形面板1后表 面沿其高度方向均勻間隔設(shè)有若干橫梁3,每根橫梁3均沿左右水平方向設(shè)置，弧形面板1后 表面沿其寬度方向均勻間隔設(shè)有若干縱梁4,每根縱梁4均呈弧形結(jié)構(gòu)且與弧形面板1的弧 度相同，兩根吊桿2傾斜設(shè)置并相互平行，兩根吊桿2的一端分別與弧形面板1的后表面連 接，每個支臂均包括上懸臂5和下懸臂6,上懸臂5和下懸臂6之間設(shè)有腹桿7;某弧形鋼閘門 如圖1所示，弧形鋼閘門的寬和高分別為弧形面板1的外弧半徑為22m，兩根吊 桿2之間的間距為6.6m，弧形面板1厚度為35mm，弧形面板1沿縱向均勻布置9根橫梁3,弧形 面板1沿橫向均勻布置9根縱梁4,弧形面板1的弧長為14.9m，其中上懸臂5與弧形面板1頂端 之間的弧長4.1m，上懸臂5和下懸臂6之間的弧長7.4m，下懸臂6與弧形面板1底端之間的弧 長為3.4m，該弧形鋼閘門的正常蓄水位為850m，正常蓄水水頭為58m，校核水位為855m，校核 水頭為59m。
[0014] 本發(fā)明的水工弧形鋼閘門約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟： (1)對弧形鋼閘門的各部分構(gòu)件進(jìn)行有限元模擬單元選取，弧形面板選用殼單元模擬 受力狀態(tài)，支臂、橫梁3和縱梁4選用梁單元模擬，吊桿2選用桿單元模擬，對弧形鋼閘門進(jìn)行 動力學(xué)特性分析;弧形鋼閘門的動力平衡方程為：+沿7 =/，式中和:Ι?分別 為質(zhì)量、阻尼和剛度的矩陣;i、l和1分別為位移、速度和加速度;/:為流激荷載。在流激荷 載/不可改變的情況下，可通過增加結(jié)構(gòu)阻尼，降低流激荷載響應(yīng)； (2 )采用We s t er gaar d法計(jì)算水的等效質(zhì)量，_麵二.名，其中為水的密度;為:為閘 門水深;少為庫水水頭，模擬水壓力對弧形鋼閘門的動力特性影響； (3)對弧形鋼閘門進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能分析，弧形鋼閘門各部分構(gòu)件的模態(tài)應(yīng)變能為： 義，分析得出弧形鋼閘門支臂模態(tài)應(yīng)變能最大，通過設(shè)置在弧形鋼閘門的 支臂結(jié)構(gòu)上的約束阻尼層可以減小弧形鋼閘門的流激荷載效應(yīng);所述的約束阻尼層包括阻 尼層和約束層，阻尼層黏貼在每組支臂的外表，約束層黏貼在阻尼層的外表面，阻尼層由塑 料材料制成，約束層由鋼制材料制成;分析結(jié)果表明：支臂和吊桿占模態(tài)應(yīng)變能比例的68%， 由于吊桿僅受軸向拉壓力，受力形式比較簡單;支臂不僅受拉壓作用，而且受到彎曲和扭轉(zhuǎn) 作用，荷載效應(yīng)十分復(fù)雜，加上現(xiàn)有弧形鋼閘門破壞情況分析發(fā)現(xiàn)，大部分閘門潰塌都由支 臂破壞引起，故在支臂上設(shè)置約束阻尼層能有效降低結(jié)構(gòu)振動，防止閘門因支臂破壞而導(dǎo) 致整個結(jié)構(gòu)的倒塌，約束阻尼層形狀和在弧形閘門支臂上的布置如圖2和圖3所示。流激荷 載壓力時程曲線和Fourier幅值圖如圖4所示。
[0015] (4)通過有限元方法模擬確定約束阻尼層的厚度，針對不同約束阻尼層的厚度的 對比分析，確定最適合的約束阻尼層厚度，從而最大程度增大弧形鋼閘門的支臂阻尼比，降 低結(jié)構(gòu)的流激荷載效應(yīng)，弧形鋼閘門的支臂阻尼比的計(jì)算方法選用復(fù)模態(tài)分析方法； 復(fù)模態(tài)分析方法具體步驟為:首先結(jié)構(gòu)動力平衡方程的特征方程為：|翁滬+ ?:+?1 =發(fā)， 特征值為稱之為穩(wěn)定系數(shù)，爲(wèi)為考慮阻尼影響的圓頻率，阻尼比為： 獨(dú)，由計(jì)算結(jié)果確定合理約束層和阻尼層的厚度;以下為計(jì)算過程：
，則動力學(xué)方程寫出狀態(tài)方程形 式為:虞茲藝二;為了簡化計(jì)算，可引入常數(shù)等式:鐵:_=Φ，這樣可實(shí)現(xiàn)化積分運(yùn)算為 代數(shù)運(yùn)算。動力學(xué)方程可表示為

則方程可表示為: 方程的解為： 傳遞矩陣Γ?Υ)的表達(dá)式為:貧;其中r為離散時間步長。
[0016] 合理的弧形鋼閘門支臂上約束阻尼層優(yōu)選對比方案如表1所示，表1:
可見，約束阻尼層對結(jié)構(gòu)平動振型和彎曲振型阻尼比有放大作用，例如一階和二階阻 尼比；當(dāng)為扭轉(zhuǎn)振型時，約束阻尼層對振型阻尼比改變不十分明顯。選用阻尼層/約束層厚 度為10/8mm時，支臂綜合位移時程曲線如圖5所示;設(shè)置約束阻尼層能前后支臂中點(diǎn)的最大 綜合位移、綜合速度和綜合加速度對比值如表2所示，表2:
本實(shí)施例并非對本發(fā)明的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的 技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的 保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 水工弧形鋼閩口約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法，所述的弧形鋼閩口包括弧形面板、兩根 吊桿和兩個支臂，弧形面板后表面沿其高度方向均勻間隔設(shè)有若干橫梁，每根橫梁均沿左 右水平方向設(shè)置，弧形面板后表面沿其寬度方向均勻間隔設(shè)有若干縱梁，每根縱梁均呈弧 形結(jié)構(gòu)且與弧形面板的弧度相同，兩根吊桿傾斜設(shè)置并相互平行，兩根吊桿的一端分別與 弧形面板的后表面連接，每組支臂均包括上懸臂和下懸臂，上懸臂和下懸臂之間設(shè)有腹桿， 其特征在于:所述的設(shè)計(jì)方法包括W下步驟： (1) 對弧形鋼閩口的各部分構(gòu)件進(jìn)行有限元模擬單元選取，弧形面板選用殼單元模擬 受力狀態(tài)，支臂、橫梁和縱梁選用梁單元模擬受力狀態(tài)，吊桿選用桿單元模擬受力狀態(tài)，對 弧形鋼閩口進(jìn)行動力學(xué)特性分析； (2) 采用Westergaard法計(jì)算水的等效質(zhì)量，模擬水壓力對弧形鋼閩口的動力特性影 響； (3) 對弧形鋼閩口進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)變能分析，分析得出弧形鋼閩口支臂模態(tài)應(yīng)變能的 值為最大值； (4) 在弧形鋼閩口的支臂結(jié)構(gòu)上設(shè)置用于減小弧形鋼閩口的流激荷載效應(yīng)的約束阻尼 層； (5) 通過有限元方法模擬確定約束阻尼層的厚度，針對不同約束阻尼層的厚度的對比 分析，確定最適合的約束阻尼層厚度，從而最大程度增大弧形鋼閩口的支臂阻尼比，降低結(jié) 構(gòu)的流激荷載效應(yīng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水工弧形鋼閩口約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述 步驟(4)中的約束阻尼層包括阻尼層和約束層，阻尼層黏貼在每組支臂的外表，約束層黏貼 在阻尼層的外表面，阻尼層由塑料材料制成，約束層由鋼制材料制成。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水工弧形鋼閩口約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟 (1) 中，對弧形鋼閩口的動力學(xué)特性分析采用的公式為：通貓宇織柄驗(yàn)-:f，式中游、按和 嚴(yán)分別為質(zhì)量、阻尼和剛度的矩陣;孩、?巧巧分別為位移、速度和加速度;/為流激荷載。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水工弧形鋼閩口約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法，其特征在于:步驟 (2) 中通過Weste巧aard法計(jì)算水的等效質(zhì)量:雌=熱^側(cè)，其中稱為水的密度；&為閩口水 深;穿'為庫水水頭，模擬水壓力對弧形鋼閩口的動力特性影響。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的水工弧形鋼閩口約束阻尼層減振設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述 步驟(5)中的弧形鋼閩口的支臂阻尼比的計(jì)算方法選用復(fù)模態(tài)分析方法，復(fù)模態(tài)分析方法 具體步驟為：首先結(jié)構(gòu)動力平衡方程的特征方程為：J絲麥4按務(wù)車漿I吉貨，特征值為： 茲稱之為穩(wěn)定系數(shù)，鍋為考慮阻尼影響的圓頻率，阻尼比為:領(lǐng)啼μ傑，由 計(jì)算結(jié)果確定合理約束層和阻尼層的厚度；W下為計(jì)算過程： 令，則動力學(xué)方程寫出狀態(tài)方程形式 為:去盎F:二:岡^;為了簡化計(jì)算，可引入常數(shù)等式攝磯=私運(yùn)樣可實(shí)現(xiàn)化積分運(yùn)算為代 數(shù)運(yùn)算，動力學(xué)方程可表示為：再令貝防程可表示為:媛雜 方程的解為：藝錢游 傳遞矩陣紋巧的表達(dá)式為:巧嫌轉(zhuǎn)茲轉(zhuǎn);其中::r為離散時間步長。
【文檔編號】G06F17/50GK106096142SQ201610419779
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610419779.X, CN 106096142 A, CN 106096142A, CN 201610419779, CN-A-106096142, CN106096142 A, CN106096142A, CN201610419779, CN201610419779.X
【發(fā)明人】吳澤玉, 汪志昊
【申請人】華北水利水電大學(xué)