（流体力学专业论文）三峡升船机中承船厢的索力调整.pdf

三峡升船机中承船厢的索力调整 摘要 全平衡钢索卷扬提升式升船机在升降过程中保持船厢水平和提升钢索索力均衡对安 全运行至关重要。 三峡升船机中的承船厢在初次安装钢索后，由于施工误差等方面的原因，提升索的 索力及厢体变形挠度不满足均衡条件，结构偏离理想状态。为了消除该不安全因素，使 升船机工作时，承船厢能在水平、受力均衡的状态下升降，设计中的升船机有一个由4 8 个液压油缸组成的液压均衡系统，靠它维持船厢的水平状态和提升索拉力均衡。但是控 制如此之多的油缸及其保压、限压、补油装置，是很繁琐复杂的，该系统的安全可靠性 受到人们的关注。 本文提出了一个调整提升索索力和船厢水平状态的方法，可以取代这套液压均衡系 统。 问题的难点在于调整一根索时，不仅其它的索力要发生变化，而且厢中的水体分布 也要变化。承船厢是充水的弹性结构，水是流动的，它的分布与厢体变形有关，而厢体 变形又是未知的，针对这种水荷载与位移有关的非线性问题，提出了用迭代的方法来确 定水荷载的具体分布，从而结构的受载情况得到了完全的描述。然后利用影响矩阵的概 念，令索力为受调向量，索长为施调向量，通过控制各索的长度来调整优化索力。 结合实例进行研究的结果表明，本调整方法简单可行、效果理想，而且精度也很高。 本文提出的调索方案，对正在设计中的三峡升船机有一定参考价值，同时也为所受 荷载与调索过程有关的悬吊结构的水平度调整提供了很好的借鉴。 关键词：承船厢；索力调整：水荷载；非线性：迭代；影响矩阵 三峡升船机中承船厢的索力调整 a b s t r a c t i ti s i m p o r t a n tt o m a i n t a i nt h e s h i p c h a m b e rh o r i z o n t a la n dk e e pc a b l et e n s i o n s i n e q u i l i b r i u md u r i n gt h er u n n i n g o f t h e h o i s t i n gf u l l yb a l a n c i n gt y p es h i pl i f t e r t h ed i s t r i b u t i o n so fd i s p l a c e m e n t sa n dc a b l et e n s i o n sa r eu n t a l a n c e d b e c a u s eo f c o n s t r u c t i o ne r r o r s ah y d r a u l i cb a l a n c es y s t e mw h i c hh a s4 8o i lc y l i n d e r si sd e s i g n e dt o e l i m i n a t et h eu n s a f ef a c t o 【e a c ho i lc y l i n d e ri n c l u d e sap r e s s u r eh o l d i n ga n dl i m i t i n gd e v i c e ，a n o i ls u p p l yd e v i c ea n do i lp i p e s t h ec o m p l e xe q u i p m e n ti sv e r yd i f f i c u l tt oc o n t r o l ，b e s i d e s ，t h e r e l i a b i l i t ys h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t ， i nt h i sp a p e r , an e wr e c t i f i c a t i o nm e t h o dr e p l a c e st h eh y d r a u l i cb a l a n c es y s t e mt om a i n t a i n t h es t r u c t u r eh o r i z o n t a l t h es h i p c h a m b e ri se l a s t i ca n di t sd i s t o r t i o nd e c i d e st h ed i s t r i b u t i o no fw a t e rl o a d h o w e v e rt h ed i s p l a c e m e n t so ft h es h i p c h a m b e ra r eu n k n o w a b l ea n dh o wt od e t e r m i n et h e w a t e rl o a di st h ek e yp o i n tt h en o n l i n e a rp r o b l e mt h a tl o a di sd e p e n d e n to nd i s p l a c e m e n ti s a n a l y z e da n d a l li t e r a t i v em e t h o di si n v e s t i g a t e dt os o l v ei t a f t e ro b t a i n i n gt h ew h o l el o a d sw e o p t i m i z ec a b l et e n s i o nb ym e a n so fc o n t r o l l i n gc a b l el e n g t ho nt h eb a s i so f i n f l u e n c em a t r i x m e t h o d p r a c t i c a le x a m p l e sa r ep r e s e n t e dt oi l l u s t r a t et h ep r o c e s sa n de f f i c i e n c yo f t h em e t h o d t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dh e r ei sr e l i a b l e ，c o n v e n i e n ta n da c c u r a t e t h em e t h o dt h i sp a p e rp r e s e n t e dc a nb eu s e da sr e f e r e n c ef o rt h et g ps h i pl i f t e r a tt h e s a m et i m e ，i tp r o v i d e sas u c c e s s f u la d j u s t m e n te x p e r i e n c ef o rs u s p e n d i n gs t r u c t u r e su n d e rt h e l o a dr e l a t e dt od i s p l a c e m e n t k e yw o r d s ：s h i p - c h a m b e r ；a d j u s t m e n to fc a b l et e n s i o n s ；w a t e rl o a d ；n o n l i n e a r ； i t e r a t i v em e t h o d ；i n f l u e n c em a t r i x 三峡升船机中承船厢的索力调整 1 绪论 1 1三峡升船机结构及其工作状态分析 1 ，1 1 三峡升船机的整体介绍 长江三峡工程举世瞩目、意义深远，它的建设在治理水害、开发水电的同时，将从 根本上改善长江上游航道的通航条件，促进长江航运和沿江国民经济的大发展。解决三 峡工程这样世界级的高坝通航问题，是目前在世界上尚无现成经验可循的极具挑战性的 课题。三峡升船机作为重要通航建筑物，与永久船闸有机结合形成了三峡工程通航建筑 物整体，并与葛洲坝工程的两线三闸相配套。 设计中的三峡升船机可一次通过8 2 0 客位约3 0 0 0 吨级的客货轮( 例如汉江5 7 号， 汉渝1 4 号，1 5 号类型，最大尺寸为长8 45 米，宽1 72 米，吃水26 5 米) 或通过一条1 2 0 0 马力顶推轮及1 5 0 0 吨级驳船，或通过船队。三峡升船机客、货运量大，水位落差大，上 游水位变幅大和下游水位变率大，其技术规模与难度均超过世界上已建成或正在建的通 航升船机的水平，是目前世界上规模最大的升船机。 三峡升船机具有下列主要特点： 1 ) 提升重量大，升船机船瓶净尺寸为1 2 0 0 1 8 ，0 3 5 ( 长宽水深) ，船厢加水总 重1 1 8 0 0 吨。 2 ) 提升高度大，上游水位1 7 5 米高程时，最大提升高度为1 1 3 米。 3 ) 上游水位变幅大，后期水位运转时要适应1 4 5 米高程至1 7 5 米高程共3 0 米的水位变 幅。 4 ) 下游水位变率快，下游水位变幅虽仅1 2 米，但由于受电站日调节影响，下游水位变 率可达每小时1 米。 5 ) 长江泥沙含量大，通航设施要注意泥沙淤积的影响。 1 1 2 三峡升船机的工作方式 承船厢室与上、下游水域相接处，设上、下闸首，各以工作门挡水，承船厢工作门 与相邻上、下闸首工作门之问有一定间隙，这样，上、下闸首间形成无水的承船厢室， 可以保证承船厢在全平衡状态下无水运行。承船厢与上( 下) 闸首对接时，上( 下) 闸 首与承船厢内水位基本齐平，顶紧机构、密封机构、夹紧机构先后投入工作，然后，充 泄水系统向承船厢与上( 下) 闸首工作门间间隙充水，平压后开启承船厢和上( 下) 闸 首工作门，使承船厢水域与上( 下) 闸内水域连通，船舶( 队) 即可进( 出) 承船厢。 船舶( 队) 进( 出) 承船厢后，关闭各自的工作门，开动充泄水系统，泄去门问间隙水， 顶紧机构、密封机构、夹紧机构按反向程序运行。然后，承船厢在室内向下( 上) 运行。 1 1 3 三峡升船机的结构 按其功能和结构特点以及接口条件弱的原则，可把三峡升船机划分为四大子系统 三峡升船机中承船厢的索力调整 平衡重子系统、主提升子系统、船厢子系统和塔柱子系统。现进行简要叙述 三峡升船机 ll l 平衡重子系统主提升子系统船厢子系统塔柱子系统 l 主拖动系统同步轴系统提升卷筒液压均衡系统 图卜1 三峡升船机系统划分图 f 培卜1 s u b s y s t e n l sd i “d i l l gf o rt l 圮t g ps h i pl m e r 平衡重子系统主要由平衡重组、钢丝绳、锁定装置、平衡链及其导向装置和滑轮组 等组成。平衡重有两种，一种是总重为9 2 0 0 吨的重力平衡重，由1 4 4 根钢丝绳分成8 组 通过滑轮与船厢直接相连；另一种是总重量2 6 0 0 吨的转矩平衡重，分成8 组由4 8 根钢 丝绳悬吊缠绕并固定在1 6 个卷筒上，在这4 8 根提升绳与船厢连接处设置液压平衡系统， 由4 8 只液压缸及控制阀组等构成，用于调节船厢的水平状态，并实现各吊点区内提升绳 张力的均衡。钢丝绳直径均为8 5 咖。 卷扬提升主机设备布置在塔柱顶部的机房层，共有8 套设备用以驱动承船厢升降， 每套提升机械由2 个卷筒、l 台减速器、2 套安全制动器、2 个工作制动器和l 台直流电 机组成，是一个多电机机械同步传动系统。当船厢误载水深不超过1 0 厘米时，只投入4 台电机就可使船厢正常运转。而误载水深大于1 0 厘米时，才需要更多电机投入运行，8 套提升机械由呈矩形的机械同步轴连接，构成封闭的传动系统。这个同步环形轴通过第 、唧、 竹什自 口吉u 口口u 占口1 一么鱼埋斌 环形同步轴 j 厂一 图1 - 2提升子系统 f i g 1 2h o i s 血gs 崎s t m i 级减速机与主拖动系统相连接，通过第1 i 级减速机与提升卷筒相连接。同步环形轴在 2 三峡升船机中承船厢的索力调整 正常运行状态，承受着提升卷筒上钢丝绳拉力差产生的扭矩和电动机的驱动扭矩。 船厢室是由上、下闸首和两侧塔柱与中间不透水钢筋混凝土底板所围成的空间，它 保证船厢运转时不透水。在底部设有集水室和排水设施，它汇集从排水廊道、泄水管道、 闸门漏水等途径来的水体。承船厢由钢质槽形厢体和两端的闸门封闭而成，为弹性结构， 两侧设走道，两端设卧倒式闸门，门前设防冲梁。船厢有效尺寸为长1 2 0 米，宽1 8 米， 水深3 5 米，外形最大尺寸长1 3 2 米，宽2 3 米，高9 4 米，船厢上设有闸门启闭设备、 防冲梁升降及防撞设备、密封机构、顶紧机构、导承装置、检修锁定、可逆式水泵以及 安全夹紧装置，钢丝绳液压平衡系统也设于船厢上。船厢带水总重为1 1 8 0 0 吨。由1 9 2 根直径8 5 m m 的钢丝绳悬吊，两边各有四组平衡钢丝绳( 每组1 8 根) 和四组提升钢丝绳 ( 每组6 根) ，布置如图( 1 - 3 ) ，( 卜4 ) 所示： 矿k 1 。 1 占 】 ki号 ： 船厢o l y l e ： 图1 - 3 船厢子系统纵剖图 f i g l 一3l o n g i t u d i n a lp r o f i l eo f t h es h i p - c h a m b e r 上闸首建筑物 bddbb dd b t t f 幽幽t 什t t t 幽幽t 竹 目 塑 图1 - 4 船厢子系统横剖图 f i g i - 4 t r a n s v e r s ep r o f i l eo f s h i p - c h a m b e r 峡升船机中承船厢的索力调整 每三个箭头表示一组1 8 根平衡重钢丝绳，每个油缸表示一组6 根提升钢丝绳及其液 压均衡系统。船厢通过导向和夹紧装置与塔柱连接。在船进出船厢时，船瓶夹紧在塔柱上 同时要将液压密封装置顶紧到上( 下) 闸首上，因此，f 是船厢与上( 下) 闸首的连接点。 塔柱系统包括承重塔柱、机房。承重塔柱是升船机的主要承重结构，由4 座钢筋混 凝土空腹塔柱组成承重构架。柱顶设机房，柱内为平衡重井道、交通电梯井道。塔柱外 壁在船厢升降一侧设置竖向导轨4 条，为船厢升降纵横方向导向，并在进出船进承接船 厢夹紧机构传递的附加垂直力。沿竖向导轨附近还设有船厢补水钢管4 条用于与船厢补 水管接通补水。 1 2本课题研究的意义及内容 1 2 1 课题的研究意义 长江是中国最大的通航河流，年运量约占全国内河运量的8 0 。它作为中国的黄金 水道，对维持东西交通，促进两岸经济发展有着特殊意义。特别是长江作为大西南的重 要出口，对整个大西南的发展有着深远的影响。在我国经济飞速发展的今天，在长江上 建坝，重点之一是要保证通航。三峡工程的兴建，会给长江航运发展提供一个有利的机 会， 三峡工程按照预测的设计水平2 0 3 0 年单向货运量5 0 0 0 万吨，客运量3 9 0 万人次的 要求，设置永久船闸，作为货运船队过坝的主要通道，设置垂直升船机，作为客轮和其 他特种船舶快速过坝的通道；它是永久船闸的有效补充，对长江的客运及旅游业的发展 将起到积极的推动作用。 作为枢纽通航的关键设备的三峡升船机，其综合技术指标是世界上最高的。这个综 合指标主要包括上、下游落差，碍航泥沙淤积，通航水流条件，高陡边坡开挖支护和基 础处理，上闸首和塔柱水工结构及升船机本身。因此，一方面应该深入调查研究，进行 科技攻关，精心设计，精心旌工；另一方面也是内河航运建设难得的机遇。 三峡工程升船机和国内外其它大、中型升船机的建设对我国内河航运建设还有深远 意义：长江和珠江干流及各大支流已基本完成了电力梯级开发的规划，这些地区大都具 有丰富的宝藏，其中的磷、煤、金属和非金属矿石等的开发将形成适宜内河航运的大宗 散货货源，而山区河流建设通航枢纽因地形、地质等因素通常是不宜修建船闸的，升船 机建设在高坝通航中大有可为，三峡工程升船机的建设将为之提供宝贵的经验。 三峡升船机担负着客运、货运船只过坝的任务，它的安全是关系到我国国计民生和 国际影响的大事。它采用湿运方式运送船只过坝，承船厢内盛满水体，由于船厢长达1 2 0 米，水深3 5 米，只是船厢长度的3 ，船厢轻微的纵倾就会引起水较大的水平流动并产 生水波，整个水体的重心将发生偏移，从而对承船厢的稳定性构成极大的威胁。所以保 证平衡状态不遭破坏、控制厢体内水深差值对升船机安全运行至关重要，必须给予充分 的关注。 1 2 2 本课题所研究的内容 4 三峡升船机中承船厢的索力调整 通过以上简述的升船机的构造可以看出，钢丝绳是升船机的关键部分之一。平衡绳 与提升绳采用同一型号。4 8 根提升绳的内力是否理想直接关系到船厢是否倾斜，而船厢 过分的倾斜可导致升船机发生重大事故。 然而，由于船厢结构变形、卷筒及传动机构制造误差和钢丝绳本身的误差都会使与 船厢相连的4 8 根提升绳伸长不均。单拿钢丝绳自身来说，它的长度误差可达到0 5 ，弹 性模量误差可达到5 或更大。这4 8 根提升绳的受力不均衡状态是不可避免的。 现有的设计是一个由4 8 个液压油缸组成的液压平衡系统，靠它维持船厢的水平状态 和提升索拉力均衡。但是如此之多的油缸及其附带的保压限压和补油装置的控制过程是 很繁琐和复杂的，这个复杂系统的工作可靠性是很令设计人员担心的问题，同时也应考 虑到液压系统的泄漏问题。能否取消这套液压均衡系统采用另外一种方法来调节船厢的 水平状态，并实现提升张力的均衡正是本文所讨论的问题。 本课题就是在承船厢在尚未升降工作的时候，即处于静止状态时，对船厢的水平状 态和提升钢索的拉力所存在的不理想情况进行调整。采取控制钢索的长度来调整索力， 以使船厢的水平度和提升索力满足理想状态。这个问题是有较大难度的，钢索悬吊的弹 性船厢是一个高度静不定结构系统，一根提升索索长的调整，将影响所有提升索的拉力 和船厢的水平状态，不仅如此，厢中的水荷载也要发生变化。 1 1 3 国内外有关升船机承船厢的索力调整的研究概况 国内外在升船机方面的研究还很少，目前世界上只有比利时斯特勒升船机采用钢索 卷扬提升，而至今，该升船机尚未建成，无法提供更多资料。 然而，斜拉桥建成后的索力调整方法却可以借鉴。 文献 1 3 则是通过影响矩阵进行调整。结构物中关心截面上的若干个接受调整的独 立元素构成了受调向量，调整的目的就是使其达到指定值。结构物中可实施调整能够改 变受调向量的元素组成了施调向量。将单位施调变量逐一加到结构上，可确立受调向量 随施调向量而变化的影响矩阵，在结构满足线性叠加的情况下，形成线性方程组求得为 使受调向量达到指定值而需要的施调向量的大小。 文献 1 4 根据工程经验和规范要求，给出了被调量的期望值的合适范围后，根据调 整后目标达到期望的理想值和完全不能接受之间有一个区域，定义了被调量( 目标) 的 满意度函数。同理，约束从完全满足到完全不满足之间也有一个区域，也可以据此定义 约束的满足度函数。继而又定义了目标的总满意度和约束的总满足度的概念，同时根据 工程经验和决策要求，考虑了各目标和各约束的相对重要性指标，建立了索力调整的数 学模型，用线性数学规划的方法求得索力调整量的满意满足解。 斜拉桥与本文所研究的对象承船厢的最大差异之处在于承船厢是一充水( 承受水荷 载作用) 的结构，水是可以流动的，即水荷载随船厢的水平状态而改变，因此不能照搬 斜拉桥的索力调整方法。 本课题借鉴了影响矩阵这一思想，选择索力为受调向量，索长为施调向量，即通过 调整索的长度使索力达到指定设计值，使承船厢的水平状态和提升钢索拉力达到理想。 本文要解决的关键问题是如何处理水荷载对承船厢的作用。因为承船厢结构是弹性的， 水是流动的，调整一根索的长度时，不仅其它的索力会随之变化，水荷载也会重新分布， 三峡升船机中承船厢的索力调整 但这种分布并不是随意的，而与厢体的变形有关。在厢体的变形未知的情况下怎样确定 水荷载、解决这种荷载与位移有关的非线性问题正是本文的难点与创新所在。 1 4 工作思想概述 引入影响矩阵的思想建立用来确定调整量的方程； 将结构所受水荷载分为两部分，第一部分是深度为理论值即3 5 米的水形成的水 荷载，假设它的大小不受结构变形的影响，始终为固定值；第二部分是由于结构 变形而导致的水荷载的变化量，需要确定的就是它的大小及分布，它与第一部分 的叠加就是结构所受到的水荷载。本文首先推导出水荷载变化量的公式，然后运 用迭代方法确定其具体数值； 在结构所受荷载全部己知的情况下，确定出方程所需要的各参数，求解方程得到 各索长需要的调整量； 首先通过平面梁问题，较为详尽地介绍了本文所研究的调整方法，在调后结果理 想的情况下，对一个结构比承船厢简单许多的水箱进行探试性的调整，如果结果 仍较理想，则调整承船厢实际结构。 1 5 本章小结 本章主要对三峡升船机的结构及工作原理作了简单的介绍，指出三峡升船机作为三 峡工程的重要通航建筑物，规模巨大、技术复杂，其安全稳定性能是重中之重。本课题 的主要任务是针对因各种误差引发的钢丝绳受力不均衡现象对其长度进行调整，保证承 船厢的水平度，减少事故发生的不安全因素。 6 三峡升船机中承船厢的索力调整 2 承船厢索力调整方案 承船厢提升钢索索力分布的好坏直接关系到承船厢的水平状态，合理的状态应保证处 于对称位置的钢索索力值及船厢吊点的挠度值均衡。但在施工过程中，由于各种误差的 影响，导致承船厢己建结构偏离理想状态，当船厢的水平度和索力的偏离量超过允许范 围后就要设法对这些量进行纠偏。通过调整索力来纠偏是工程中常用的方法之一。本章 引入影响矩阵的思想，运用迭代方法来确定厢体所受的水荷载的分布，形成影响矩阵得 到调整量。 需要说明的是，本文为了简便，将4 8 根提升绳模型化为8 根，1 4 4 根平衡绳也模型 化为3 2 根。这样，可以认为承船厢上有8 根提升钢丝绳和3 2 根起平衡作用的钢丝绳。 由于3 2 根平衡重钢丝绳只是通过滑轮与平衡重相连以平衡厢体与水的重量，其上所受的 是与平衡重大小相等的力，不会有什么变化。所以需要调整的只是8 根提升索的索力。 2 1影响矩阵法概述 2 1 1基本定义 对于带有悬索的结构，索是主要受力构件，由于悬索只承受拉力，可以作为二力杆 件来对待。为了使处于偏离状态的结构达到理想必须实施调整，由此引出受调向量、施 调向量及影响向量的概念。说明如下： 受调向量：结构物中所关心的m 个独立元素组成的列向量。这些元素可以是位移或索 的内力，它们在调值过程中接受调整以期达到某种期望状态，记作 f = 假，e ，瓦 。 假如调整的最终目的是想控制索的内力偏差量，使其最大限度地接近理想值，那么索力 就可以称为受调向量。 施调向量：结构物中指定可实施调整以改变受调向量的z 个独立元素( f 茎m ) 所组成 的列向量，记为留) = 口，z ：，z ，) 7 。簏调元多为杆件内力或支座变位。实际上，所谓 支座位置的改变也就是索的长度的改变。也就是就说可以通过调整索的内力或索的长度 来控制受调向量。如果打算通过调整索的长度以使结构受力状态理想，那么就可以把索 的长度称为施调向量。 影响向量：施调向量中第f 个元素x ，发生单位变化，引起受调向量伊 的变化向量， 记为：，) = 忙，b ：】一，b 。，f 。如果如上所假设，那么影响向量可具体地这样描述：调整 第f 根索单位长度，各索的索力所发生的变化就构成了这个影响向量。 影响矩阵：f 个施调向量分别发生单位变化，引起的m 个影响向量依次排列形成的矩 阵。记为： 7 三峡升船机中承船厢的索力调整 = 旧b ：b ， b 1 1b 1 2 b 2 1b 2 2 b 1j 曰2 f b lb 。2 - 一b 。f 也就是说，可以通过调整杆件内力或支座变位以使受调向量达到理想。如果采取调 整支座变位的方式，可以将单位施调变量逐一加到结构上，分别求出相应的影响向量， 便能形成结构的影响阵。但如果调整内力，由于内力无法直接加到结构上，需要进行处 理。工程中内力影响向量一般是通过先将相应构件从结构中“断开”，并在断开处施以一 对大小相等方向相反的单位力来进行计算的。 如果结构满足线性叠加原理，则陋l 忸 _ f 。 2 ，1 2影响矩阵在本文中的应用 本文的受调向量为索力，施调向量为支座变位，调整支座变位也就是通过调整各索 的长度来调整索力以使索力达到理想，并且对所有索都进行调整，即，= m ，m 为拉索根数。 理想状态下的索力为 ) l = n ：n ，毙，即设计索力，可通过结构分析计算 得到，为己知量。 由于误差等原因的影响，实际索力为 k = ，n 2 n 。) ：，可由实测得到，也 为己知量。 我们要做的是，在实际索力基础上，通过调整索长，使索力达到理想索力。可用方 程表达为： 1 2 ： 。 n i l 鞋b 1 2 b 雄： b 2 1b 2 2 2 l ix 2 b 。，b 。：b j l 二。 1 2 ： ” 方程( 2 1 ) 中，口) 为未知向量，只需求出影响矩阵陋】就可求解。 影响矩阵中元素巩的意义是：调整第_ ，根索单位长度时第f 根索索力的变化。 ( 2 - 1 ) 这提示我们，在对第- ，根索进行调整而其它各索不发生变化时，通过结构分析所得到 的各索力的变化就构成了影响阵矩的第个列向量。 三峡升船帆中承船厢的索力调整 需要说明的是，虽然进行调整的是存在偏差的实际结构，但由于各方面的实际误差是 多少并不知道，所以每次调整所进行的结构分析时提供给原始数据的有关数值( 如索 长或弹性模量等这些有可能存在偏差的指标) 仍按理想值给出。也就是说所求的影响矩 阵是在理想的情况下求的。 确定第，个列向量的具体做法是，令第_ ，根索的上固端有向上单位长度的指定位移 ( 或下囤端有向下单位长度的指定位移) ，换言之就是令第根索缩短单位长度，而结构 原有的受载情况不变，此时进行结构分析就得到这种情况( 除了原有工况，另加上第j 根 索长度改变) 下的各索力值： ) = “，：，州一心y 而理想情况下m 根索的索力为： k = “n ：。) ：， 那么由于第_ ，根索缩短单位长度而导致的各索索力的变化量( 也就是影响阵中第j 个 列向量) 为： 枷， = 一( k 这样，对所有索依次循环一遍，也就构成了m x ，阶影响阵陋1 难点是在结构分析时要考虑水荷载在调整过程中的变化，后面还要进行更详细的叙 述。 2 2 实际索力的测量 索力测试的准确与否是是关系到调整控制能否顺利实施的关键问题之一，在工程实践 中，常用的索力测定方法有油压千斤顶法、长效测力仪法、钢索周期仪法和脉动法频谱 分析法等。 使用油压千斤项测量索力的最大优点是不用另外添加仪器设备，直接使用张拉缆索的 油压千斤顶即可测试索力。该方法比较直观、可靠，但要对张拉系统事先进行仔细标定。 张拉用千斤顶比较笨重，测一根索力费时较长。另外，千斤顶漏油也直接影响测试精度， 而且对处于己建成状态的结构的索力测量十分不方便。与油压千斤顶原理相同的长效测 力仪，与油压千斤项相比，体积小、重量轻、使用较方便、精度也比较高。但无论是油 压千斤顶或长效测力仪，都只适于单根缆索索力的调整和测试，在需要测量多根缆索时， 这种方法就显得费时、劳动强度也大。而钢索周期仪法必须要人工激振，且需测出第一 自振周期，这对长索而言是很难做到的。只有频谱分析法不受上述方面的限制，而且不 受人为因素的影响。 三峡升船机中承船厢的索力调整 本文建议索力测定采用频谱分析法。原理是先用脉动法测出索的振动频率，然后利用 弦的振动频率与内力的关系计算出索力： t = ( 2 向2 m ( 2 - 2 ) 式中，r 一索力；，一索的固有频率：，一参振索长；m 一单位长度索的质量。 该方法是利用附着在钢索上的高灵敏度传感器，拾取缆索在环境振动激励下的振动信 号，经过滤波、放大、谱分析，根据频谱图来确定索的固有频率，然后再根据固有频率 与索力的关系来确定索力。如图所示： 图2 1 缆索动力参数现场实测框图 f i g 2 - l b l o c k g r a p h o f f i e l dm e a s u r e m e n tf o rd y n a m i c a lp a r a m e t e r so f c a b l e s 这是一种间接的测量索力的方法。由于钢索受环境随机激振产生的振动的脉动信号微 弱，应选用适于低频的高分辨率、高精度的加速度传感器。 2 3 本文所用计算软件介绍 本课题采用通用的结构有限元分析与优化设计软件。采取多重子结构方法对结构进行 模型化是j i f e x 的一个显著特点，该方法是将一个规模较大的复杂结构分解成一系列规 模较小的子结构来处理，其优点是可以简化有限元建模、提高计算速度、节省计算机存 储，适合处理升船机这种大型的结构。j i f e x 系统具有各种类型单元和多种荷载模式模拟 各种复杂结构，灵活的节点位移规格、任意的局部坐标系和多重主一从位移控制等功能 适用于处理特殊的结构模型。其所带来的优点是：一方面使诸如结构中的刚性构件与刚 性连接等各种结构模型得到精确的处理；另一方面使工程计算中常见的不同类型有限单 元之间的连接( 如梁、板一膜连接，梁、板一块体连接等) 非协调一类问题得到很好的 三峡升船机中承船厢的索力调整 处理。本课题研究的对象是升船机这一庞大的结构，受力情况也较复杂，使用该软件系 统非常方便。现将本课题所利用的该系统的主要功能作以简单叙述。 2 3 1 多重子结构分析方法 一般的有限元结构分析都是把结构直接离散为各种有限单元组成的结构模型，这种办 法对于体形巨大、构造复杂的结构很可能是不可接受的。多重子结构分析方法是处理大 型、复杂结构的一个非常有效的方法。它的基本思想是采用多级离散的办法完成结构的 有限元模型化。多重子结构分析的方法可大致说明如下：先将结构离散化为若干子结构， 这些子结构中，能对做进一步离散的则继续划分成若干子结构，无需再分的可将其离散 为有限元模型。多级子结构分析可以减少不必要的重复描述，这对具有多种对称性的结 构是非常有用的。除数据准备工作量减少外，相同的子结构可用同一个子结构模式来描 述，所谓子结构模式是具有确定的几何形状、结构拓扑以及出口条件( 出口节点和出口 自由度状况) ，而刚度可按任意比例( 甚至负比例) 变化的结构模型。这样，子结构模式 的刚度阵只须形成一次，其内部刚度阵只须一次三角化，从而能节省计算机处理时间。 可以把结构看为最高一级的子结构模式，这样一个大型结构的分析问题就化为一系列 不同层次上的子结构模式分析。子结构模式被调用来组成新的子结构模式，则称被调用 的子结构模式为一个超级单元，对子结构模式调用一次，则相当于增加了一个超级单元， 之所以称为超级单元是因为代表它的子结构模式是人为定义出来的，不像梁、杆、膜等 有限元己预先存在单元库里。与超级单元的说法相对应，我们称由有限元描述的单元为 基本单元。 按超级单元的说法，一个结构( 最高级子结构模式) 可以由若干个超级单元和( 或) 基本单元构成，而代表超级单元的子结构模式，也可由若干个由较低级子结构模式代表 的超级单元和( 或) 基本单元构成。最后，最低一级的子结构模式肯定只能由基本单元 构成。只由基本单元构成的子结构模式，称为予结构基模式或基本子结构模式。可写出 下列的多重子结构的调用关系。 鹰一元 其中每一层次上的基本单元和超级单元可以都有，也可以只有某一些。 2 3 2 荷载模式和荷载工况 一个结构在工作时要受到各种外荷载的作用，结构分析往往要找出几个典型的荷载 进行分析，以确定结构的承载能力。以图2 - 2 所示的梁为例，假定要计算的是一个简支 元 额模 单 群构 本；：翰纬；警零 ，j_小 节攀： 厂，、l 子， 句级武意撇 三峡升船机中承船厢的索力调整 梁在左图所示的四种荷载作用下的应力。可以发现，这四种荷载可由两种更基本的荷载 的线性组合来表示，例如右图两种荷载，我们可分别称为荷载模式1 和荷载模式2 ，所谓 荷载模式是指一种荷载模型，它只有在被调用时，才成为真正的荷载。要分析的四种荷 载可称为荷载工况，它们可由两个荷载模式的不同线性组合来表示。这就是荷载模式和 荷载工况的基本概念。 3050 雳j 工况： 1 2 0 荔j 工况s 8o 30 1 2 0 4 0 50 o0 矿册珊4 。9 。 a 。 图2 - 2 荷载的组合方式 f i g2 - 2c o m p o u n dm o d e o f l o a d s 在多重子结构分析中，结构是由子结构模式表示的，每定义一个子结构模式，就相 应地在这个子结构模式之上定义荷载。我们仍然采用荷载模式和荷载工况的概念，但不 同的是荷载模式和荷载工况是在子结构模式上定义的，只有对最高级子结构模式( 即结 构本身) ，其荷载工况是真实的结构荷载工况，而其它各级子结构模式的荷载工况对更高 级的子结构模式而言，它仍然是被调用的荷载模式。 由于一个子结构模式可以由一部分基本单元和一部分超级单元组成，因此它的荷载 也由两部分构成，一部分是基本单元带进来的荷载，另一部分是超级单元带进来的荷载。 与结构构成相类似，多重子结构分析的荷载构成也可写成类似的调用关系： 况e 式模基载荷 一一 的式 模，构况结工 式 子0 模 在式 基 所模 载 元载 荷 超荷 r，ll 三峡升船机中承船厢的索力调整 2 3 3 节点位移规格数 j i f e x 系统在保证计算精度的同时可灵活方便地处理斜向支撑、节点位移从属关系、 节点指定位移等特殊的约束条件，可满足对复杂工程结构进行模型化的要求，它足通过 节点位移规格数来描述以上约束的。利用该系统的这一描述方法可以方便地解决本课题 中对索长的控制。现简要说明如下： 将有限元网格节点看为刚性节点，每点在空间有六个自由度”、v 、w 、护，、口。、疗， 其中前三个是线位移，后三个是角位移。结构模型上的节点由于联接了不同的单元或处 在不同的位移约束之下，其位移特征是不同的。把位移特征分为五类，分别用数码0 、1 、 2 、3 、4 表示。五种位移规格的特性参阅如下： 表2 1 位移规格数的特性表 t a b l e 2 1t h e m e a n i n go f t h ed i s p l a c e m e n tc o n s t r a i n e d i n d i c a t o rn u m b e r 位移分类位移规格位移名称位移值刚度值应变能注解 0 几何可动不定数零零 程序处理上 位移赋零 非约束 总刚度阵有 l独立未知数非零非零 相应位置 非独立零或零或取决于主节 2 相关 未知数非零非零点位移 该位移方向 约束 3 指定零己知数非零零 是固定 总外力向量 4指定非零己知数非零非零 有相当分量 这样，我们可以对结构中的每一个节点赋予一个节点位移规格数用以描述该节点的 六个位移的特性。一个位移规格数是由六个位移规格数码组成的十进制六位整型数，由 高位至低位依次分别表示该节点的六个位移2 ，、v 、w 、口。、护。护：的特性。 对表2 1 中的各位移规格分述如下： 1 、几何可动位移一0 几何可动位移对结构总应变能没有贡献，原因是由于在该位移方向上结构的刚度分 量等于零。通俗地讲，几何可动位移无论等于多少均不会受到结构的弹性抵抗。因此， 几何可动位移的大小就其力学意义来讲是随意的。 2 、独立位移一l 独立位移对结构总应变能有贡献。并且作为总应变能的未知分量在结构刚度矩阵的 相应位置上引起一定的刚度分量。位移的大小由结构的弹性变形决定，需要通过求解结 三峡升船机中承船厢的索力调整 构方程来唯一地获得。 3 、相关位移一2 相关位移不是独立的位移。相关位移所在的节点称为从节点，并且同时应指明一个 需要服从的主节点。相关位移的大小完全由主节点上的位移决定。相关位移对结构总应 变能可能没有贡献，若有贡献也不是直接地，而是通过其主节点上的位移贡献的。 4 、指定零位移一3 指定零位移对结构总应变能没有贡献。与几何可动位移不同，其应变能等于零的原 因是由于位移本身的大小是零。因此，指定零位移有其明确的力学意义，即在该位移方 向上结构被固定了。 5 、指定非零位移一4 指定非零位移是一种已知位移，因此应同时指明该位移的大小。指定非零位移对结 构总应变能有贡献。并且作为总应变能的已知分量在结构总外力向量中引起一定的相当 外力分量。 本课题正是利用了位移规格数来实现支座变位，也就是实现索长的调整。比如，若 想使某根索的长度缩短单位长度，可以令其上端约束有向上单位长度的指定位移，假如 向上为z 方向，则令该节点的第三个位移规格数码为4 ，其值为单位长度。在本文中，最 终通计算得到的各索长度的调整量均可以通过给各索的上端约束赋予一定大小的指定位 移来实现。 2 4 水荷载的处理 2 4 1 问题的引出 按照2 1 所提出的思想，不论是确定影响矩阵还是通过结构分析确定索力，进行结构 分析之前，都要在提供给程序的原始数据中对结构和荷载进行描述。尽管理论上厢体充 水深度为h ，但是在外载的作用下结构发生了变形，各位置的水深发生了变化，而水荷载 的大小是与水深直接相关的，因此水荷载也发生了变化，然而结构的变形是未知的，所 以各位置的水深也是未知的，那么水荷载的大小也就是未知量，问题的关键是如何确定 水荷载的大小。 图2 3 承船厢所受水荷载示意图 f i g 2 - 3 w a t e rl o a do nt h es h i p - c h a m b e r 承船厢的理论盛水深度为3 5 m ，但由于厢体变形，各个位置的水深度不再相等，如 果水的深度的变化量 确定了，那么水荷载的变化量f ( 也就是在结构变形后水荷载 的大小与未考虑变形时的大小相比较所发生的变化) 也就确定了。 三峡升船机中承船厢的索力调整 2 4 2 解决思路 我们把结构所受的水荷载的作用分成两个部分来处理，也就是按两个荷载基模式对 待。其中一个荷载基模式为结构所受到的理论盛水深度3 5 米的水荷载的作用，将它视为 大小不随各位置的水深变化而变化的荷载( 即不考虑因结构变形而导致的水荷载的变化 量) ，因此，这一部分是不需要进行特殊处理的，只需要在原始数据中直接描述就可以了； 另一个荷载基模式则是由于结构的变形而引起的水荷载的变化量f ，如何确定f 则是 本文关键所在。 我们已经提及，水荷载的变化量f 取决于水的深度的改变矗，而曲与厢体变形挠 度有关，所以结构各点上的水荷载变化量f 的大小直接与位移有关，为荷载与位移有关 的非线性问题。但位移是未知的，因为它必须是在结构所受到的荷载( 当然包括水载荷， 也就意味着要考虑水载荷的变化f ) 明确的情况下才能获得。因此水荷载的大小不能确 定。 可以用迭代解决这一问题，在推导出a f 与厢体位移的关系公式后，认为承船厢在初 始情况下没有发生变形，即厢体位移的迭代初始值为零，然后进行迭代，直至满足收敛 条件，可确定作用在承船厢上的水荷载的具体改变量。 2 4 3 水荷载变化量与厢体位移的关系式 因为不论是承船厢的底部还是周围侧壁，其上所受的水荷载的改变量与变形挠度的 关系是一样的，所用的公式相同，所以问题的处理不必分开对待，我们仅以厢底部为目 标来说明解决该非线性问题的方法。 首先我们由厢底变形示意图2 - 4 来确定各位置的水深变化量幽与变形挠度w 的关 系。 厢底受载前位置水面位置 图2 - 4 厢底变形示意图 f i g2 - 4 t h ed i s t o r t i o no f t h e b o t t o m o f t h e d r i p - c h a m b e r 图中，h 为理论盛水深度，即35 米，w 为承船厢底部在自重及水的作用下各点位 n 移( 即变形挠度) ，平均位移w = w ，n 。h i 为在发生变形后各点位置上方的水的深度。 i = l 三峡升船机中承船厢的索力调整 由示意图可知： h i = w ，+ ( 一w ) 那么水深变化量 a h i h i hw 一w 现在需要确定水荷载的改变量f 的表达式。 将厢的底部划分为n 个单元( 划分的疏密可由希望达到的精确程度而定) ，由于f 的数值与理论上3 5 米深的水荷载的数值相比较起来，毕竟是很小的一部分，所以不必过 于考虑精确要求，单元的划分可以稀疏一些。f 按集中荷载处理作用于每个单元的端部 节点。为了论述方便，先以一个仅划分为三个单元的板面为例来说明f 如何确定： a f 8 642 866442 图2 5 划分成三个单元的板面 f i g 2 - 5a p l a t e d i v i d e di n t ot h r e ee l e m e n t s 把a f 作为集中荷载作用于各个单元节点上。八个节点在荷载的作用下的位移分别是 w 。、w 2 w 7 、w 8 ，平均位移w = 1 + w ：+ + w 8 ) 8 ，各点位置上水的深度改变 曩= w 。一w ( 1 i 8 ) ，那么相应地，各点上水压强的改变量为p ，= r a h , ( 1 f 8 ) 。 那么对于号单元，各点所受的水荷载改变量可近似为： 砰= 鲁m峨。= 鲁，幽：蝇。= 鲁，曲， 同理，号单元中各节点所受水荷载的改变量为： 峨畦鲁批峨哇鲁批峨。_ 鲁出， 号单元中各节点所受水荷载的改变量为： 峨哇鲁，地岷。_ 鲁，地蜗畦鲁心， 蚯畦导，觇 岷。= 鲁慨 崛。= 鲁，蛾 三峡升船机中承船厢的索力调整 媚一蚯。= 了a tr 酏 峨= 峨。= 鲁，幽： 蜗= 蛆。+ 蝇。鲁r 地+ 鲁地= 丝，地 峨= 峨。+ 峨。= 了a 1 ，地+ 鲁r 觇= 丝，哦 崛= 蚯。+ 峨。一鲁心，+ 鲁出，= 丝心， 岷= 峨。+ 蛾 _ 鲁喊+ 鲁r 哦= 丝，觇 峨= 蜗畦鲁心， 峨= 峨。= 鲁啦 根据以上所举的简单的例子，用同样的方法处理划分成若干个单元的大型厢体，本艾e 4 分 成m 一1 个单元，将f 按集中荷载处理，作用在2 研个节点上。