基于原型实测响应的泄流结构振动反演与疲劳安全控制指标研究

The construction of large hydropower hub in China makes the issue of vibration safety of flood discharge structure induced by high-speed flow more prominent. Currently, the research on the safety of flood discharge structure vibration is mostly oriented to the engineering design phase, the hydro-elastic model is the main mean to simulate the vibration. But for the project operation stage, the study of vibration inversion analysis based on prototype measured vibration response are lack, Especially in the research field of the accurate description of prototype flood discharge structure vibration source characteristics and vibration safety control indexes. This project takes the prototype flood discharge structures as example, such as the Ertan arch dam, the left guide wall of the Three Gorges project and the sluice of Shuhe hydropower station, combines prototype observation, theoretical analysis, numerical simulation research methods, studies the inversion method of dynamic material parameters of flood discharge structure, determines the partition material parameters during operation, studies methods of the hydrodynamic load identification and inversion of the whole dynamic response field based on limited measured response, reveals the characteristics of vibration source acting on the different parts of the discharge structure, determines the regularities of whole dynamic response distribution of the flood discharge structure, clarifies the contribution of each vibration source to the total vibration response. This project also studies the method of determination of the standard for flood discharge structure vibration fatigue safety control, improves the flood discharge structure vibration safety control indexes. The study results are of great significance to ensure the safe operation of the flood discharge structure.

我国特大水电枢纽的建设，使得高速水流诱发泄流结构的振动安全问题十分突出。目前，有关泄流振动安全方面的研究多是面向工程设计阶段的，主要采用水弹性模型进行试验模拟预测为主；而面向工程运行阶段的，有关利用原型实测振动响应进行振动反演分析方面的研究则较少，特别是在准确描述泄流结构原型振源特征及振动安全控制指标方面的研究仍需进一步完善。本项目结合二滩拱坝、三峡左导墙、蜀河水电站泄洪闸等重大泄流结构原型实际工程，采用原型观测、理论分析和数值模拟等综合研究手段，研究泄流结构动力材料参数反演方法，确定运行期泄流结构各分区材料参数；研究有限实测响应条件下泄流结构振源荷载识别及整体动态响应场的反演方法，揭示作用于泄流结构不同部位振源特征及其整体动态响应场分布规律，明确各振源对总振动响应的贡献；研究泄流结构振动疲劳安全控制标准的确定方法，完善泄流结构振动安全控制指标；研究成果对保障泄流结构运行安全具有重要意义。

目前，国内由高速水流诱发的泄流结构强烈振动甚至结构的破坏问题依然存在。有关泄流振动安全方面的研究多是面向工程设计阶段的，主要采用水弹性模型进行试验模拟预测为主，常与工程实际有所出入；而面向工程运行阶段的，有关利用原型实测振动响应进行振动反演分析及振动安全控制指标方面的研究较少。本项目以二滩拱坝、蜀河水电站泄洪闸等实际工程为对象，主要研究泄流结构分区动力材料参数反演方法，研究泄流结构振源识别与动态响应场反演方法以及泄流结构不同部位振源特征与整体动态响应场分布之间的关系，研究泄流结构振动疲劳分析方法及振动安全控制指标。主要取得了以下研究成果：（1）提出了基于改进变分模态分解的奇异熵定阶随机子空间模态识别方法和基于改进的希尔伯特黄变换-随机减量模态识别方法，解决了泄流结构振动响应受环境背景噪声影响大及结构特征信息难以提取的问题；基于模态参数辨识结果，提出了基于敏感性分析和代理模型的泄流结构及地基各分区材料参数反演方法，提高了参数反演的计算精度和计算效率，为建立精确泄流结构耦合动力响应分析数值模型和运行期的健康诊断提供可靠基础与关键技术支撑。（2）针对泄流结构原型整体水动力荷载及整体动态响应场无法直接获取的难题，首先结合有效独立法和损伤灵敏度法，研究了泄流结构的传感器优化布置方法；基于有限实测振动响应，提出了泄流结构振源荷载时域识别及动态响应场反演方法，揭示了作用于泄流结构不同部位振源荷载特征，得到了泄流结构整体动态响应场的分布规律及其与输入荷载之间的关系，从“水动力荷载-结构固有特性-结构振动响应”角度解释了泄流结构泄流时出现的随机性“拍振”现象。（3）基于泄流结构振动反演分析结果，研究了泄流结构振动疲劳分析方法，评估了该泄流结构的疲劳寿命是否满足要求；提出了基于烦恼率的泄流结构振动舒适度评价方法，从振动对结构自身安全和对人体舒适度的影响两个方面进行了泄流结构的安全评价。