水利工程弧形鋼閘門，主要用于水庫的控制泄洪，是保證大壩安全的最重要建筑物之一。工程實踐證明，閘門在動水啟閉過程及在某些局部開啟運行時由于水流的作用，都有不同程度的振動。在一些特定條件下，某些閘門曾產(chǎn)生較強(qiáng)烈的振動，少數(shù)閘門曾產(chǎn)生共振和動力失穩(wěn)現(xiàn)象。研究閘門流激振動機(jī)理，探討閘門振動規(guī)律，給出控制判據(jù)，對指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)閘門設(shè)計是具有非常重要的意義。目前，由于閘門的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水流動力作用與閘門振動的關(guān)系尚未完全摸清，國內(nèi)外對閘門振動的研究仍屬初步階段，現(xiàn)行規(guī)范采用動力系數(shù)法，暫規(guī)定同一動力系數(shù)取值范圍，根據(jù)水流條件、閘門型式選取，近似考慮振動的影響。
本論文的主體是研究遼寧省石佛寺水庫低水頭水工弧形鋼結(jié)構(gòu)閘門流激振動問題，有部分內(nèi)容從工程預(yù)報的需求，作了一定延拓，屬學(xué)術(shù)討論。論文綜述了水工弧形鋼閘門以往的研究工作，從振源，振動機(jī)制，數(shù)值模擬預(yù)報，物理模型預(yù)報，原型觀測五個方面敘述了閘門流激振動研究歷史與發(fā)展。論文結(jié)合石佛寺水庫弧形鋼閘門設(shè)計，探討弧形鋼閘門振動機(jī)理和特性，分別研究弧形鋼閘門的自由振動與受迫振動，自激振動和參數(shù)共振，給出定量分析方法和結(jié)果，本文主要研究內(nèi)容包括：
1，預(yù)報石佛寺弧形閘門在水流脈動荷載作用下的強(qiáng)迫振動特性(EIE)。選用的技術(shù)路線為：用只滿足重力相似律的水力模型同步紀(jì)錄閘門面板上若干個面脈動壓力傳感器上的水流脈動荷載，然后再用大型結(jié)構(gòu)計算軟件確定閘門的動力響應(yīng)。面脈動壓力傳感器的承壓面面積和結(jié)構(gòu)動力計算時的閘門面板有限元分割相應(yīng)。因此迫振預(yù)報包括兩部分內(nèi)容：一是面脈動壓力測定，二是結(jié)構(gòu)動力計算。
2，為了方便設(shè)計人員初步判斷所設(shè)計的弧形閘門的動力特性，采用瑞利法，給出不同開度下弧門切向、徑向、側(cè)向三個自振頻率的簡單計算公式。利用這些公式，給出弧門設(shè)計的一個指標(biāo)，如能滿足這個指標(biāo)，那么弧形閘門不會產(chǎn)生顯著的強(qiáng)迫振動。3，利用關(guān)于弧形閘門水力負(fù)阻尼和計及阻尼時壓桿參數(shù)共振的已有研究成果，以及聯(lián)合考慮水力負(fù)阻尼與參數(shù)共振，討論了弧形閘門在三種典型工況下支臂動力失穩(wěn)的可能性及防止動力失穩(wěn)應(yīng)采取的措施。
本文創(chuàng)新性的工作內(nèi)容包括：
1、本文所采用的閘門流激振動預(yù)報方法是國內(nèi)外第一次使用。這種預(yù)報方法的概念在半個世紀(jì)前已經(jīng)提出。但本論文摒棄了傳統(tǒng)的水流點脈動壓力測量而代之以與結(jié)構(gòu)有限元計算閘門面板單元分割一致的相似面積作為承壓面，同步測量面脈動荷載，經(jīng)模型比尺換算后，直接作為動力計算的迫振力，充分發(fā)揮了水工模型與有限元計算的優(yōu)勢，也節(jié)省預(yù)報費用。
2、第一次定義了與參數(shù)共振相應(yīng)的等效負(fù)阻尼，它的優(yōu)點是在某些工況下，可以簡單地把參數(shù)共振的等效負(fù)阻尼與水力負(fù)阻尼疊加，判斷兩種因素共同作用時低水頭水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門的動力穩(wěn)定性。
3、對低水頭水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門的三種典型工況，進(jìn)行了動力穩(wěn)定性討論，定量給出了相應(yīng)條件下動力穩(wěn)定所必須滿足的條件，指出了避免動力失穩(wěn)所應(yīng)采取的措施。
4、給出了計及水體附加質(zhì)量時水工弧形鋼閘門切向、徑向和側(cè)向振動的三個基本自振頻率的計算式，并由此得出了為避免低水頭水工鋼結(jié)構(gòu)弧形閘門發(fā)生較強(qiáng)烈的流激振動，應(yīng)控制的主橫梁靜力最大應(yīng)變值。
