大型攔污柵流激振動(dòng)影響因素分析

大型攔污柵流激振動(dòng)影響因素分析

由于水電工業(yè)的發(fā)展和大型污水處理廠的使用，大型廢水管道結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。大型攔污柵是指單葉面積(m2)與設(shè)計(jì)水頭(m)乘積FH大于1000的攔污柵。由于大型攔污柵柵葉面積大、剛度弱及水力條件復(fù)雜等因素易誘發(fā)流激振動(dòng)而導(dǎo)致攔污柵結(jié)構(gòu)破壞,實(shí)際工程運(yùn)用中這類攔污柵的振動(dòng)破壞也是比較頻繁的。一般認(rèn)為,避免攔污柵激振的關(guān)鍵是讓柵葉及柵條自振頻率遠(yuǎn)離水流的高能脈動(dòng)主頻率段,但對(duì)大型攔污柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)動(dòng)力安全性方面,無(wú)統(tǒng)一的規(guī)則可循。根據(jù)國(guó)外對(duì)Syamalarao攔污柵失事研究表明,當(dāng)柵前流速達(dá)到2m/s~3m/s時(shí),攔污柵可能因振動(dòng)而遭到破壞,一般將最大過(guò)柵流速控制在1.2m/s,平均流速接近1m/s較為理想。巴基斯坦國(guó)真納水電站攔污柵的柵葉面積(m2)與設(shè)計(jì)水頭(m)乘積FH達(dá)1052,屬于大型攔污柵規(guī)格。機(jī)組額定功率推算設(shè)計(jì)過(guò)柵流速為1.90m/s,按不均勻系數(shù)1.5推算其最大流速達(dá)2.86m/s,根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)判斷很容易誘發(fā)渦柵共振。本文以巴基斯坦真納水電站大型攔污柵結(jié)構(gòu)為對(duì)象,利用液固單元接觸分析處理液固耦合作用,分析了柵條作用、液固耦合、支撐約束及結(jié)構(gòu)邊界條件等因素對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響,指出常用的柵條附加質(zhì)量與水體附加質(zhì)量分析模型[5,6,7,8,9,10,11,12,13]的不足;給出了大型攔污柵結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)避免共振評(píng)判條件,對(duì)真納水電站攔污柵進(jìn)行了流激振動(dòng)安全評(píng)估,指出僅按過(guò)柵流速判斷攔污柵激振破壞的不足。本文研究為大型攔污柵結(jié)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)與相關(guān)規(guī)范完善提供了參考。1傾角優(yōu)先真納水電站機(jī)組進(jìn)水口孔寬13.25m,孔高18.44m,布置1孔傾斜式固定攔污柵。每扇攔污柵按76°傾角安放。柵葉通過(guò)U形螺栓與主梁連接,柵條之間用連綴板焊接。根據(jù)設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)方案及兩個(gè)支撐加固方案,分別按空庫(kù)與滿庫(kù)工況、加固支撐約束工況建立攔污柵ANSYS有限元分析模型,分別考慮有柵條質(zhì)量及剛度貢獻(xiàn)和無(wú)柵條質(zhì)量及剛度貢獻(xiàn),支撐加固方案分別為主梁雙翼緣內(nèi)側(cè)加固與主梁后翼緣外側(cè)加固。1.1模型建立及建模主梁和柵條采用shell181單元,軌道和支承采用beam189單元,連綴板采用板單元模擬。主梁端部節(jié)點(diǎn)分別按鉸接與固接建模,左、右軌道上端固支,中間軌道上端定義鉸支約束。加固方案按設(shè)計(jì)要求對(duì)支承施加不同方式的零位移約束。原設(shè)計(jì)方案及兩種加固方案的模型如圖1所示。由于篇幅原因,柵條非完整分析模型不再展示。將原設(shè)計(jì)方案按四種約束方式建模:主梁兩端邊界鉸接(主梁節(jié)點(diǎn)下翼緣與底座鉸接約束)與固結(jié)約束(主梁節(jié)點(diǎn)下翼緣與底座固定約束);柵條單點(diǎn)焊接(柵條與主梁接觸單點(diǎn)固接)與整體搭接(柵條與主梁翼緣接觸固接);結(jié)構(gòu)加固支撐按六種約束方式建模:下部支承滑動(dòng)、上部滑動(dòng);下部支承滑動(dòng)、上部自由;下部支承滑動(dòng)、上部固定;下部支承固定、上部自由;下部支承固定、上部滑動(dòng);下部支承固定、上部固定。結(jié)構(gòu)加固的原因是施工期結(jié)構(gòu)遭受特大洪水導(dǎo)致變形。1.2攔污柵液固耦合附加質(zhì)量法攔污柵結(jié)構(gòu)滿庫(kù)狀態(tài)水中動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)存在激振及數(shù)據(jù)采集等困難,目前這方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少。文獻(xiàn)通過(guò)兩個(gè)不同電站攔污柵的水中試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了ANSYS軟件攔污柵結(jié)構(gòu)液固耦合有限元邊界接觸模型的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)的RockIsland大壩1號(hào)電站B5-B10攔污柵水中振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)攔污柵液固耦合附加質(zhì)量法進(jìn)行探索。參照文獻(xiàn)按液固單元接觸分析建?？紤]滿庫(kù)下攔污柵的液固耦合作用,主梁和柵條均采用shell63單元,軌道和支承采用beam188單元,流體部分選用fluid30單元。流體域長(zhǎng)度上下游均取20m,假定為不可壓縮,忽略流體粘滯性的影響。設(shè)置流體單元fluid30接觸實(shí)現(xiàn)與shell63、beam188的耦合,定義流固耦合作用。整柵共劃分24448個(gè)殼單元,流體域共劃分約40多萬(wàn)個(gè)流體單元;結(jié)構(gòu)模型同上述無(wú)水情況的尺寸相同,主梁、軌道及支撐約束同空庫(kù)模型,流體及攔污柵結(jié)構(gòu)模型如圖2。為了研究液固耦合附加質(zhì)量法的準(zhǔn)確性,本文通過(guò)改變空庫(kù)模型的材料密度構(gòu)建了水體附加質(zhì)量法液固耦合有限元模型。2支撐加固對(duì)大型攔污柵結(jié)構(gòu)自振頻率的影響原設(shè)計(jì)方案4種約束模型與兩個(gè)加固方案各6種支撐約束模型模態(tài)分析表明:主梁端部約束與柵條約束建模形式對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響較小(不同約束方案相應(yīng)頻率最大不超過(guò)6.14%);支撐加固可顯著提高結(jié)構(gòu)自振頻率,但六種支撐約束建模方式對(duì)大型攔污柵結(jié)構(gòu)自振頻率影響很小(基頻相差不超過(guò)2.58%)。上述結(jié)果主要因?yàn)椴煌９?jié)點(diǎn)約束剛度變化相對(duì)于柵體結(jié)構(gòu)而言太小,不至于影響其結(jié)構(gòu)性能。由于篇幅原因,約束建模分析數(shù)據(jù)不再展示。柵條處理與液固耦合作用對(duì)大型攔污柵結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征影響很大,不容忽視。本文重點(diǎn)對(duì)上述的柵條作用與液固耦合對(duì)攔污柵結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響進(jìn)行研究分析。2.1柵條作用下的柵條剛度貢獻(xiàn)在初步設(shè)計(jì)階段,一般可忽略柵條剛度貢獻(xiàn)來(lái)估算攔污柵結(jié)構(gòu)自振頻率。DL/T5208-2005《抽水蓄電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則》在條文說(shuō)明中建議采用有限元程序?qū)r污柵結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行計(jì)算時(shí),柵條作為附加質(zhì)量按相鄰水平間距的大小將其均布在各水平梁上,即為考慮柵條質(zhì)量而不考慮其剛度貢獻(xiàn)。本文在建模中通過(guò)改變主梁密度達(dá)到附加?xùn)艞l質(zhì)量的作用。按不考慮柵條影響與柵條附加質(zhì)量分別計(jì)算結(jié)構(gòu)頻率,并將結(jié)果與考慮柵條質(zhì)量和剛度作用的完整結(jié)構(gòu)自振頻率比較(頻率比),如圖3所示。柵條作用對(duì)柵體結(jié)構(gòu)頻率的降低最大達(dá)54.5%,特別對(duì)基頻的降低最多也達(dá)52.5%;柵條附加質(zhì)量對(duì)柵體頻率影響最大接近37.1%,而對(duì)結(jié)構(gòu)基頻影響最大超過(guò)28.3%;同時(shí),柵條附加質(zhì)量的影響與柵體剛度關(guān)系很大,沒(méi)有明顯規(guī)律性。上述忽視柵條作用或柵條附加質(zhì)量可能導(dǎo)致攔污柵動(dòng)力危險(xiǎn)。2.2模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證液固耦合因素對(duì)攔污柵結(jié)構(gòu)頻率影響較大[9,10,11,12,13,14,15],一般采用水體附加質(zhì)量法計(jì)算液固耦合下結(jié)構(gòu)自振頻率。目前僅有少數(shù)水中矩形板條振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證水體附加質(zhì)量準(zhǔn)確性,且其附加質(zhì)量系數(shù)有待仔細(xì)研究,而對(duì)水中攔污柵結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量的準(zhǔn)確性缺少驗(yàn)證。本文分別利用液固單元接觸分析與水體附加質(zhì)量法(改變無(wú)水結(jié)構(gòu)密度實(shí)現(xiàn)附加質(zhì)量)計(jì)算結(jié)構(gòu)自振頻率,將計(jì)算結(jié)果與無(wú)水結(jié)構(gòu)自振頻率比較(頻率比),如圖4所示。液固單元接觸耦合分析表明水中柵體基頻比空氣中最大降低18.15%,這與文獻(xiàn)中對(duì)應(yīng)試驗(yàn)及數(shù)值分析結(jié)果(17.19%/18.24%)和文獻(xiàn)中對(duì)應(yīng)結(jié)果(15%/20%)接近;水中柵體頻率比空氣中降低(10%~28%)接近文獻(xiàn)對(duì)應(yīng)結(jié)果(14.91%~18.24%),驗(yàn)證了本文模型準(zhǔn)確性;附加質(zhì)量法分析結(jié)果表明液固耦合作用降低柵體頻率最大達(dá)35.2%,接近文獻(xiàn)結(jié)果(30.7%)。兩種分析方法對(duì)原設(shè)計(jì)方案液固耦合作用分析基頻結(jié)果接近,3-6階頻率相差甚遠(yuǎn)。水體附加質(zhì)量法對(duì)加固方案液固耦合作用計(jì)算偏大20%~30%。3流激振動(dòng)分析3.1避免結(jié)構(gòu)共振攔污柵結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)是流固耦合的相互作用,取決于結(jié)構(gòu)的自振頻率與所承受的水力激振力。隨著過(guò)柵流速的增加,水力激振頻率增加。當(dāng)水力激振渦旋頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率一致時(shí),攔污柵結(jié)構(gòu)激振加劇而發(fā)生共振,這種液固相互作用激振現(xiàn)象的極端稱為渦柵共振。渦柵共振又稱為柵結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)水力渦動(dòng)的“鎖固”。工程界一般多借助于旋渦激振理論中的頻率“鎖定”效應(yīng)來(lái)解釋,即結(jié)構(gòu)在旋渦激振力(別無(wú)其他強(qiáng)迫力)作用下做振動(dòng),當(dāng)流速增加到某一范圍時(shí),水力激振頻率就不再遵循斯特羅哈關(guān)系式,而與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率(接近或等于固有頻率)保持一致,導(dǎo)致共振[6,7,8,9,10,11,12,13,14]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)避免攔污柵結(jié)構(gòu)發(fā)生渦柵共振,但尚無(wú)規(guī)則可循。一般攔污柵常在水力激勵(lì)頻率fv為0.65~1.18倍柵體自振頻率ft范圍內(nèi)發(fā)生振動(dòng),文獻(xiàn)認(rèn)為避免鎖固的水力激勵(lì)頻率和柵振頻率比f(wàn)v/ft為1.2~2.5。參照SL266-2001《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》中4.3.8條避免結(jié)構(gòu)共振條件為結(jié)構(gòu)自振頻率與強(qiáng)迫振動(dòng)頻率之差和自振頻率或強(qiáng)迫振動(dòng)頻率之比應(yīng)大于20%~30%;結(jié)合抽水蓄能電站設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),強(qiáng)迫振動(dòng)頻率超過(guò)10Hz時(shí),自振頻率與強(qiáng)迫振動(dòng)頻率相差應(yīng)在1.5倍以上。因此,避免渦柵共振的水力激振頻率與柵體頻率比宜大于1.5:根據(jù)量綱關(guān)系分析,水力激振頻率fv與過(guò)柵行進(jìn)流速Va之間存在線性關(guān)系:式中:Va為過(guò)柵行進(jìn)流速(m/s);fv為水力激振頻率(Hz);k為取決于水流行進(jìn)條件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何形狀的系數(shù)。本文調(diào)查了13個(gè)電站數(shù)據(jù)表明[7,8,9,10,11,12,13,14],柵葉-柵條分析模型的k取值范圍為0.067~0.082。3.2不同約束狀態(tài)的柵條水力激振力m柵條流激振動(dòng)主要與取決于柵條的自振頻率與柵條承受的水力激振力頻率。單根柵條振動(dòng)受到周圍柵條的影響,引入影響系數(shù)修正Levin公式計(jì)算單根柵條固有頻率:L為柵條在支承梁間的長(zhǎng)度;邊界約束條件的影響考慮為固定系數(shù),根據(jù)不同約束狀態(tài)在3.5~22.7之間選取;整體影響系數(shù)β一般為0.9;m0為單位長(zhǎng)度的柵條質(zhì)量,mw為與單位長(zhǎng)度相應(yīng)的水體附加質(zhì)量,EIx為柵條抗彎剛度。單根柵條固有頻率計(jì)算式(3)考慮了單位長(zhǎng)度水體附加質(zhì)量mw,mw=AL(B/D)γw,其中AL為柵條體積;B為柵條的有效間距;D為柵條厚度;γw為水密度。柵條承受的水力激振力取決于柵條的寬度與厚度的比值c/d,可按不同的c/d根據(jù)表1確定柵條水力激振力的頻率。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)避免攔污柵結(jié)構(gòu)發(fā)生柵條共振,方法是讓水力激勵(lì)頻率fs遠(yuǎn)離柵條的固有頻率fn。恰當(dāng)選定fn/fs的比值,使其有一定的安全儲(chǔ)備,一般認(rèn)為應(yīng)大于2.5[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]:4缺少實(shí)測(cè)結(jié)果研究表明,過(guò)柵流速過(guò)大及分布不均勻是導(dǎo)致攔污柵結(jié)構(gòu)動(dòng)力失事的主要原因。流速不均勻系數(shù)應(yīng)以實(shí)測(cè)結(jié)果為準(zhǔn),但本文缺少該系數(shù)的實(shí)測(cè)結(jié)果,按SL285-2003水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范暫取該系數(shù)為1.5。真納電站機(jī)組額定流量300m3/s,按進(jìn)水口面積(扣除柵體結(jié)構(gòu)面積)推算設(shè)計(jì)過(guò)柵流速為1.90m/s,最大流速達(dá)2.86m/s。4.1單根柵條水力激勵(lì)頻率柵條寬與柵條厚之比c/d為9.17,屬于長(zhǎng)矩形斷面。根據(jù)式(3)計(jì)算單根柵條無(wú)水自振頻率fn為84.02Hz。先根據(jù)表1按中等寬厚比確定單根柵條,按最大流速與柵條寬度為110mm計(jì)算前緣渦旋激振橫向水力激勵(lì)頻率fs=15.62Hz。單根柵條的固有頻率與水力激勵(lì)頻率比為5.38,滿足式(4)固有頻率遠(yuǎn)大于水力干擾頻率的避免共振條件;式(3)計(jì)算流固耦合作用下單根柵條頻率為59.38Hz,單根柵條的固有頻率與水力激勵(lì)頻率比為3.80,滿足水力激勵(lì)的式(4)避免共振條件。綜上分析柵條不會(huì)發(fā)生劇烈的流激共振。4.2不符合分區(qū)二的《易》由于k值實(shí)際測(cè)量較困難,按調(diào)查范圍取為0.067~0.082。攔污柵柵體流激共振評(píng)價(jià)如表2所示,按式(4)可判斷原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案滿足柵體避免流激共振條件,但結(jié)構(gòu)加固方案的動(dòng)力安全性明顯降低而不滿足避免流激共振條件。5是否需要新增加固方法(1)大型攔污柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)估算自振頻率可忽略加固支撐的約束方式與主梁節(jié)點(diǎn)約束建模形式的影響,但柵條作用對(duì)柵體基頻降低最大達(dá)52.5%;柵條附加質(zhì)量對(duì)柵體頻率影響最大接近40%,而對(duì)結(jié)構(gòu)基頻影響最大超過(guò)20%。柵條作用對(duì)大型柵體自振頻率影響不可忽略。(2)在一定范圍內(nèi),液固耦合作用可降低結(jié)構(gòu)自振頻率。液固單元接觸分析表明水中柵體頻率比空氣中最大降低達(dá)28%,