水流诱发水工建筑物振动研究的理论与实践

'水流诱发水工建筑物振动问题研究摘要：水利水电工程的水工结构流激振动现象是十分普遍的，这些振动有时会影响工程安全运行，甚至会造成结构失事，一直受到设计和管理人员的重视。当前比较现代的解决流激振动研究方法是采用水动力学和结构动力学“合二而一”的水弹性模型，但在实践上有很大困难,难免存在一些不相似的因素,致使原型预报发生一些问题。本文通过分析以往研究总结了水流诱发水工建筑物振动所采用的方法。流激振动正反分析、物模-数模联合预报法、脉动压力时域分析法、模糊数学方法中的遗传算法及神经网络法等都是较好的方法，根据工程的不同情况可以采用不同的方法，此外还可将各种方法进行组合联合运用以达到最好的解决工程问题的目的，以实现工程的安全高效经济运行。关键词：流激振动水弹性模型正反分析物模-数模联合预报时域分析神经网络1概述水流诱发水工建筑物振动在水利水电工程中屡见不鲜，各式各样。流体诱发振动(Flow—InducedVibrations)是一种极其复杂的流体与结构相互作用的现象。由于这种振动在某种条件下会相当强烈而导致结构物的破坏，早在上世纪三十年代，人们就注意到了它的危害性并开始进行研究。水流诱发水工建筑物振动的流动性质可分为内流与外流两大类。内流如水电站的压力管道、有压泄洪洞等；外流指导水墙、闸门等。国内外均有因水流诱发振动而导致工程结构失事的事例。如美国得克萨斯州的Texar-KanaDam消力池导墙、加利福尼亚州的TrinkyDam消力池导墙、新泽西州的NavaioDam消力池导墙的破坏均是水流诱发振动所致。在我国有贵州山坳拱坝溢流时强烈振动和万安水利枢纽溢洪道导墙倒塌，乌江渡水电站原型观测时发现左岸滑雪道右导墙及青铜峡水电站导墙有强烈“拍振” 现象。现阶段，我国大流量高坝设计建设处于顶峰状态，水流对建筑物的振动影响将表现地更为明显，因此为了尽可能减小失事危险，确保大坝安全运行并实现最优的经济效果，研究高速水流诱发水工建筑物振动问题的重要性与日俱增。2水流诱发结构振动的激励机理流体诱发结构振动的流体力学动态机理复杂而多变。人们对此进行了大量的研究工作，提出了不同的物理模式。随着水利工程高水头、大流量、高流速泄水建筑物的大量兴建，特别是由于高强建筑材料的开发与应用，工程结构越来越趋于轻型化，水流诱发振动问题将更加突出。研究水流诱发振动的机理，分析振动的原因或找出振动的激励源，从而为减振提供理论依据和指导，是摆在人们面前的重要课题。流体诱发振动的原因较为复杂，德国Naudaseher教授(1980)按诱发振动的主要激励机理将水流诱发振动问题分为四类[1]：(a)外部诱发激励(EIE：Extraneously—InducedExcitation)(b)不稳定诱发激励(IIE：Instability—IndUCedExcitation)(c)运动诱发激励(MIE：Movement-IndueedExcitation)(d)共振流体振子诱发激励(RFO：ResonanceofFluidOscinator)其中最主要的是外部诱发的振动。事实上，对于某一具体工程来说，其诱发振动的因素可以是一种机制起作用，也可以多种机制的组合。搞清楚流激振动的激励机理对于解决实际问题是至关重要的，因为不同性质的激励力会使工程结构产生不同性质的振动，研究不同性质的振动显然也将采用不同的理论。 3水弹性模型由于泄流振动的激励力的幅值和频率特性在时间和空间上的分布是复杂的，坝体的振动是一个多处激励、联合激发的耦合振动。水弹性模型是研究这类复杂的流激振动问题的先进与可靠的方法。3.1模型相似理论流激振动的水弹性实验模拟,是对“坝体-库水-坝基-动荷载”四位一体的流固耦合振动系统的模拟,即要求同时满足“动荷载”输入系统相似和结构(坝体一库水一坝基耦联结构)动力响应系统相似。水动力系统相似是为保证作用于坝体上的“动荷载”相似。作用于坝体上的“脉动荷载”主要由水流的分离、重附、扩散、旋滚、振荡所产生的大尺度旋涡所引起。在雷诺数足够大的条件下满足佛劳德相似准则，即重力相似准则和欧拉相似准则即脉动压力相似准则。结构动力学相似主要满足佛劳德相似准则和柯西相似准则。边界条件相似包括水力学边界条件和坝体边界条件相似，而坝体边界条件主要涉及坝基和坝肩的模拟范围，使模型能正确反映坝体的动力特性和流激振动响应特性。3.2模型设计 根据流激振动水弹性模型相似律的要求和试验条件，适当选取模型的几何比尺。模型材料为加重橡胶材料，用橡胶填充重晶石粉硫化制成。泄流振动模型的水力学部分按水力学条件相似的要求制作，保证上游水库地形、水位相似，水流平稳，下游一定范围内地形和水位相似。坝基和坝肩的水弹性模拟范围可通过对大坝及其不同范围的坝基坝肩构成的整体进行有限元动力计算比较加以确定。3.3水弹性模型模态分析实验模态分析是一种先进的结构动态特性研究手段。首先，将坝系统离散为有限自由度,列振动微分方程式进行拉普拉斯变换,据初始条件,得出变换方程，进而得到系统的传递函数矩阵。由于它包含了结构系统的质量、阻尼、刚度、固有频率等全部模态信息,因而一旦获得系统的传递函数矩阵,就可把握结构的动态特性。其次，布置测点。采用单点激振,多点测量传递函数的测试方法。选择激振点时,以避免各阶振型的节点,并能激发出较纯的振型为原则。然后，测量传递函数（频响函数）。根据线性振动理论，结构的动力响应可以由该结构的各阶模态的响应迭加而得，所以结构的动力特性可以用各阶模态参数来表达。而通过传递函数的测量可以得到各阶模态参数。最后进行干、湿模态参数的测量分析[2]。通过与振动响应计算值对比，与原型观测结果相验证，对泄流诱发振动进行初步预测和评估。4常用振动分析方法4.1水工结构流激振动响应的反分析一般而言，水流诱发水工结构振动研究包括以下三类问题（1）已知水流动力荷载和结构系统动力特征，求解结构动力响应，为第一类结构动力学问题，即正问题；（2）已知结构动力响应和结构系统动力特征，求解作用荷载，为结构动力学的第一类反问题；（3）已知作用荷载与结构动力响应，求解结构系统动力特征，如频率、振型和阻尼比等模态参数， 即模态实验测试的分析方法，为结构动力学的第二类反问题。㈠反分析——求等效荷载场水弹性模型比较直观实用，解读能力强。随着计算机的普及，大量实用软件的推出，数学模型很快介入流激振动分析中。在今后的流激振动研究中数学模型将会起到越来越大的作用。水弹性模型(包括原型)提供的振动响应随机荷载源的求解：⑴根据水弹性模型测得的一些(节)点的响应谱和结构系统动力特性，采用反分析方法计算相应的某个(某些)地点的等效荷载，即第一类反问题。反分析方法是基于有限元、振型叠加法，借用有限元节点坐标、单元参数、材料参数、各阶振型函数及其主频率等基本数据，建立起的等效荷场模型；⑵根据典型工况选取反分析计算等效荷载节点(荷载等效作用点)，这些点每个工况选几个，经过计算可得到等效荷载场、相应结点的均方根值和荷载功率谱，公式推导见文献[4]和[15]；⑶水弹性模型的动力响应测试与使用反分析法求各等效荷载的计算结果，即求得相应的等效荷载场。此外还要由面脉动压力形式转化为点的形式，通过分析研究在常系数线性系统下关于位移响应功率谱密度的方程式进行求解。假定有K个测点的动位移实测值，要反分析出N个等效荷载，当KN时，只能求近似解。 例如，基于模态叠加法的水工结构流激振动反分析方法，可用于由少量测点的动位移实测值反馈分析出整个结构在水流动力荷载作用下的动位移场和动应力场，通过反分析计算结果与实际计算结果对比分析，验证了动位移、动应力反分析程序的正确性，并通过与部分模型试验结果的比较进一步验证了反分析程序的正确性，最后将此方法应用于水工结构的流激振动研究。应用基于模态叠加法的水工结构流激振动反分析方法，可对水工结构流激振动进行初步预测和评估。㈡反馈分析——阻尼比和泊松比不相似影响的修正采用水力学和结构动力学同时相似的“二合一”水弹性模型来模拟水流脉动荷载作用下水工结构的动力响应系统。按模型律的要求，结构模型材料应满足：容重比尺为1，弹性模量比尺等于几何比尺，阻尼比比尺为1，泊桑比比尺为1，其中阻尼比和泊松比相似条件难以满足，其影响应进行适当修正。根据实测的动位移响应值和模型的阻尼比和泊松比的实测值，采用反分析方法，求出动力荷载，再根据实际工程结构的阻尼比和泊松比求解动力响应[3]。㈢正、反分析——分析振源、预报响应4.2物模---数模联合预报法泄流脉动荷载复杂多样，是连续分布的随机荷载，各点的脉动压力随空间位置和时间的变化而变化。水流脉动荷载作用下结构动力响应不但与水流脉动荷载的幅值，频谱还与脉动荷载的相关关系密切相关。水流诱发结构动力响应主要取决于脉动荷载的整体效应，需要对其频谱特征进行理论分析[4]。结构的动力特性主要包含结构固有频率、振型等参数，考虑到工程实际运行时结构受到动水作用而振动，流场对结构固有特性将起到显著影响，因此动力分析时必须考虑水介质对结构动力特性的影响。用有限元分析软件ANSYS对结构进行建模，求出在流固耦合条件下 结构的固有频率。事实上并不需要知道所有的模态，大量的原型和模型实验资料表明：水流主频在1～1OHz的48.5，在10~20Hz的占44.5，大于2OHz的仅为极少数。因此一般流激振动问题中均只是以低阶振型为主，不是所有的模态都能被激起，仅是较少几个模态在起主导作用。只考虑这些模态作用，虽然是近似的，但却有足够满意的精度。至于取几阶模态为好，一般根据精度要求或工程经验来定。采用模型试验和数值计算相结合的方法分析闸门流激振动响应，须先对水动力荷载水力模型试验测得的水流脉动压力进行频谱分析，将测点水流脉动压力转化为有限元计算所需的节点荷载，由随机振动计算方法即可求得闸门的流激振动响应，分析时考虑脉动压力的时空相关性[5-7]。节点荷载的计算及位移、应力响应功率谱矩阵的计算详见文献[8]。4.3脉动压力的时域模拟方法流激振动分析的关键之一是确定作为激励荷载的水流脉动压力，对于一定开启工况下的水流脉动问题，可以作为平稳高斯过程处理。结合脉动压力功率谱图，借助遗传算法模拟水流脉动压力时域曲线，为结构的流激振动时域分析和进一步的控制研究提供了条件。通常，时域方法可以对结构进行较精确的非线性分析，可以直接得出结构的响应量值，可以比频域法获得更多的有关可能发生疲劳问题的信息，通过时域的分析可以获得幅值域和频域的信息。此外，模拟时域脉动压力曲线也是对结构进行振动控制的前提。时域模拟就是通过已知的频域信息重现时程样本。 已有研究表明，在许多情况下脉动压力都近似服从高斯分布。在恒定流动条件下，一般可将脉动压力视为平稳高斯过程。在实际泄流条件下，对于一定开度的泄流工况而言，流动条件在一定时段内的变化很小，可以近似将水流脉动压力作为平稳高斯过程处理。随机时域过程可通过功率谱密度来模拟。目前，模拟方法分为谐波合成法和线性滤波器法两类。近年来，线性滤波器法中自回归滑动平均模型(ARMA)和自回归模型(AR)被广泛用于描述平稳随机过程，取得了良好结果。采用ARMA模型利用遗传算法来获取滤波器参数，然后通过整形白噪声的方法来模拟弧形闸门流激振动脉动压力时域过程，获得了更好的精度。当所测得的动位移测点个数K大于反馈求解的面脉动荷载个数N时，只能求其近似解，而且都是针对常系数线性问题。而遗传算法作为一种高效的优化算法和寻求满意解的最佳工具之一，已经发展成为一种启发式概率性迭代式全局搜索算法，具有解决不同非线性问题的鲁棒性、全局最优性、不依赖于问题的初始模型等特性。因此，可采用遗传算法来求解各等效荷载。借助遗传算法（一般为多种群遗传算法）可以设计出较好的线性滤波器，保证滤波器模拟方法具有较高的精度[9]。4.4流激振动系统模糊数学神经网络模型神经网络的辨识是一个计算机仿真过程,通过学习或训练之后,能够较精确模拟动力或动态系统。流激振动是一个复杂的流固耦合动力系统，对结构振动系统进行计算机仿真的结构动力反分析，采用神经网络对结构振动系统进行计算机仿真，有可能更适应非线性状况，能实现等效荷载求解，并且维持较好的精度[10]。 通过建立由输入层、两个隐层、输出层组成的四层多输入多输出神经网络模型，将一部分实测资料作为学习样本来对模型进行训练，一部分则作为训练之后的输入值，通过神经网络的联想功能预报结果看其是否与实测值相近。以往研究表明该方法运算过程和仿真结果具备可靠性。5结论水流诱发水工建筑物振动是水利水电工程运行中出现的普遍现象。水弹性模型、正、反分析方法，遗传算法、人工神经网络技术、时域模拟等每一种方法只能从某个侧面解决复杂系统问题，而它们的综合运用是研究水流诱发水工建筑物振动从定性到定量这一复杂问题的有效途径之一。与水弹性模型形成互补，提高水诱发振动的辨识、分析、预报水平是一条合理的思路。30年来，对水弹性模型开发、研制和使用，水弹性模型方法已经成为一种集物理模型和数学模型为一体的“复合模型”。随着高技术和数字技术的发展而进步，充分发挥这种模拟方法的数字、信息、网络、可视化的发展优势，可以有效地解决一些工程实际问题。参考文献： 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