水工金属结构振动分析中泄流振动响应的应用

水工金属结构振动分析中泄流振动响应的应用

许锋

扬州市勘测设计研究院有限公司225007

摘要：随着我国经济水平的不断提高，社会发展对于能源的需求不断增长，与之相对应的各类水利水电工程项目不断增多。水工结构振动影响其稳定性与安全性的重要问题，对于水工结构的水下部分，当泄洪振动比较剧烈时，结构动应力如果超过一定限值会造成混凝土开裂，很难直接被发现。在运行条件下需要根据水工建筑物的自身工作特点和特性，通过一定的技术手段对结构的运行安全进行及时而合理的监控和评估，并且采取对应的手段保障结构的健康运行，己经成为了水工领域迫在眉睫的需要解决的问题。本文针对泄流振动响应在水工结构振动分析中进行了深入的研究探讨，旨在提供一定的参考与借鉴。

关键词：水工结构；振动分析；泄流振动响应

1泄流结构振动响应分析方法

泄流结构振动响应分析方法主要分为泄流诱发振动响应正分析和反分析两类。不同于一般的随机振动分析，进行泄流结构振动响应的正分析考虑的荷载是水流一结构祸合脉动等效荷载，包括附加质量、刚度、阻尼效应荷载，除附加质量效应与水流流速无关之外，附加刚度和附加阻尼分别与流速二次方、一次方成正比。并且动力祸合效应随水流流动速度的增加而加大。此外，水流动力荷载的时空随机分布和相关特性十分复杂，若不能正确处理可能使计算结果出现数倍的误差。因而正确处理水流动力荷载复杂的时空相关特性是至关重要的，主要是正确处理“点”脉动压力与“面”脉动荷载的相关关系以及面脉动荷载之间的相关关系。

从目前的研究进展来看，采用数学-力学模型开展泄流结构流激振动正分析仍是高效可靠的分析手段。鉴于泄流脉动荷载与高速泄水结构祸合作用的复杂性，难以从整体来描述各个类型泄流结构(尤其是原型工程)的水荷载特征，也即振源特征，故采用反分析方法对泄流结构体系在多振源或不确定动荷载作用下的动态特性研究。同时，部分运用优化算法对泄流振动响应激励源进行分析，从而实现对运行的泄流结构振动安全评价有着重要指导意义和研究价值。随着研究的深入，正、反分析不仅仅局限于模型振动响应数据，根据原型观测测点的动力响应，采用数值模拟结合模型试验反分析水流诱发高坝泄水振动问题，评价结构运行安全，将成为水工结构领域重要的研究方向之一。

2水工结构振动分析中泄流振动响应的应用

2.1泄流结构振动响应的谱分析方法

对于实际工程，水流诱发结构振动问题大部分属于非线性问题求解范围，但是在求解时，应对问题进行简化，使非线性系统近似为线性系统。针对线性系统，要求满足下列三点：①振动响应是齐次的，并且可以线性叠加，即：总体荷载输入得到的振动总体响应等于各个荷载单独作用得到的振动响应总代数和；②振动系统的所有基本性质是一个常量，不随时间变化而改变，具有常系数特点；③线性系统的固有频率是其自身的性质，保持不变，仍然表现为常系数特征，水动力荷载的作用只是改变了系统的振幅和相位。

关于流激振动问题的研究，其主要涉及两个方面内容-荷载系统和结构系统，两者的关系用下式表示：

谱分析方法从结构系统和荷载系统出发，以结构自身特性一频率响应和荷载特性为己知条件，求解结构在随机激励下的响应特征，相当于上述的第一类振动问题，即正分析。

2.2泄流振动响应反分析方法

谱分析法由于测试条件、设备限制以及水流的随机性、流动性，水工问题中的水脉动荷载特性不易准确测得，因此在部分条件下采用反分析方法，能够较准确求解水动力荷载，为泄流结构振动安全评价奠定了基础。

当K＜N时，说明己知的动位移响应实际测点数小于未知的脉动荷载个数，因此上述方程具有不唯一解，需要分清主要荷载和次要荷载，或者各个荷载作用的重要性及各荷载间的相互关系，减小要求解的荷载个数，使K≥N。

当K=N时，说明动位移响应实际测点数等于需反分析的脉动荷载个数，此时，方程是齐次线性方程组，可直接计算得到唯一解。

当K＞N时，说明动位移响应实际测点个数大于需反分析的脉动荷载个数，此时方程仅能求得近似解，没有明确名义上的解。需要根据得各个独立的脉动压力的谱密度函数分布图。依据求解的各等效脉动荷载的谱密度图，正分析计算结构整体的动位移场和动应力场。

在水工结构振动分析中引入泄流振动响应后，当输入动位移测点个数大于反馈输出的脉动荷载个数，求解式时经常会遇到求解困难甚至得出无效解的情形。但在数学上可以将其归结为求解线性最小二乘优化问题。并且随着近年来优化算法在计算智能领域的发展，逐步形成了诸如此类的群体智能的优化算法，如遗传算法，求解时将搜索范围扩展到全局，按照迭代方式，以一定的概率寻求最佳满意解。这种求解方式快速准确，能够在全局范围寻优，具有广泛的应用前景。

结语

综上所述，掌握泄流结构所受流激振动的激励源及其作用机理以及泄流时结构最大振动响应值，是评价泄流振动安全的重要依据。本文根据水工结构特点，对水流诱发结构振动的反问题进行研究，评估泄流运行时结构的动位移响应指标和动应力响应指标，保证结构运行安全，及时避免振动危害的发生。

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