弧形钢闸门主框架动力稳定性的研究
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摘要
结构失稳是钢结构破坏的重要形式。近年来结构动力失稳问题虽已有一些研
究成果，但弧形钢闸门动力稳定性问题一直没有得以解决。在国内，从上个世纪
60 年代开始就有一些学者对弧形钢闸门动力稳定性这一问题进行研究。他们研
究发现导致闸门失事的原因很多，但有两个共同特征值得注意：一是失事闸门全
是因支臂丧失稳定导致破坏的，二是都在明显的动力荷载作用下发生破坏。目前
的研究成果还不能定量的得出梁柱刚度比、水深等因素对弧门主框架动力稳定
性的影响关系。因为，影响闸门动力稳定性的因素很复杂，诸如闸门的质量、
刚度分布情况、固有频率、干扰力频率、流固耦合等等，这些因素都影响闸门的
动力稳定性，所以，还需进一步对弧形钢闸门动力稳定性进行研究。
论文的主要研究工作与成果如下：
1. 利用静力平衡法、有限元法对三种形式平面钢框架的静力稳定性问题进
行分析，建立单柱概化平面框架（考虑各种边界约束及失稳模态）整体
稳定性的计算通用模型，并给出了解析解和数值解。
2. 对弧形钢闸门主框架柱进行动力稳定性计算，在对平面刚架稳定性分析
的基础上，根据弧门主框架柱的柱端约束条件，利用静力平衡法，分析
了两端铰接杆在周期性变化的简谐荷载作用下的动力稳定性、
两端铰接一端作用有弯矩的直杆在周期性变化的简谐荷载作
用下的动力稳定性及纵向共振时结构的横向动力失稳区域。
3. 对弧形钢闸门主框架动力稳定性进行了分析，考虑了水深对框架固有频
率的影响，并比较梁柱刚度比对弧门主框架动力稳定性的影响关系。
The stability of the steel structure is an important factor leading to the structure
destruction. In recent years, though there are some useful reseaching result, there are
still some questions about the dynamic behavior of radial gates . In our country, many
scholars have reseached the dynamic behavior of radial gate from the 1960. They
found out though there were many factors effecting the destruction of the dynamic
behavior of radial gate,there were two same characterises.One is the destruction of the
arms,the other is the destruction under the dynamic load. Now, though there are some
useful reseaching result, there are still some imperfect aspects in it. Because the
reason effecting dynamic behavior of radial gate is so complex ,such as the mass
and the stiffness ratio of the gate, order frequencies, exciting force
frequencies,fluid-solid interaction, and so on, and these factor will effect the
dynamic behavior of radial gates ,we shound reseach the dynamic behavior of radial
gates deeply.
The following is the main research procedures and achievements:
1. Using the static mechanics method,finite units method to analyze the
stability of the three kinds plane steel frame,establishing the calculating
models of the stability of the whole frame structure.
2. Calculating the dynamic behavior of the coloum of the radial gate ,on the
basic of the static analyze of the steel frame, considering the restriction of
the end of the column of the main steel frame , analyze the stability of the
two ended hinged joint coloum under periodical dynamic, under periodical
dynamic and one ended having bend-square by using the static mechanics
method.
3. Analyzed the dynamic stability of the plane steel frame of the radial gates.It
reports the effect of water to the order frequencies of frame,and gained the
relationship between stiffness ratio of the gate and the plane steel frame of
the radial gate.
究成果，但弧形钢闸门动力稳定性问题一直没有得以解决。在国内，从上个世纪
60 年代开始就有一些学者对弧形钢闸门动力稳定性这一问题进行研究。他们研
究发现导致闸门失事的原因很多，但有两个共同特征值得注意：一是失事闸门全
是因支臂丧失稳定导致破坏的，二是都在明显的动力荷载作用下发生破坏。目前
的研究成果还不能定量的得出梁柱刚度比、水深等因素对弧门主框架动力稳定
性的影响关系。因为，影响闸门动力稳定性的因素很复杂，诸如闸门的质量、
刚度分布情况、固有频率、干扰力频率、流固耦合等等，这些因素都影响闸门的
动力稳定性，所以，还需进一步对弧形钢闸门动力稳定性进行研究。
论文的主要研究工作与成果如下：
1. 利用静力平衡法、有限元法对三种形式平面钢框架的静力稳定性问题进
行分析，建立单柱概化平面框架（考虑各种边界约束及失稳模态）整体
稳定性的计算通用模型，并给出了解析解和数值解。
2. 对弧形钢闸门主框架柱进行动力稳定性计算，在对平面刚架稳定性分析
的基础上，根据弧门主框架柱的柱端约束条件，利用静力平衡法，分析
了两端铰接杆在周期性变化的简谐荷载作用下的动力稳定性、
两端铰接一端作用有弯矩的直杆在周期性变化的简谐荷载作
用下的动力稳定性及纵向共振时结构的横向动力失稳区域。
3. 对弧形钢闸门主框架动力稳定性进行了分析，考虑了水深对框架固有频
率的影响，并比较梁柱刚度比对弧门主框架动力稳定性的影响关系。
The stability of the steel structure is an important factor leading to the structure
destruction. In recent years, though there are some useful reseaching result, there are
still some questions about the dynamic behavior of radial gates . In our country, many
scholars have reseached the dynamic behavior of radial gate from the 1960. They
found out though there were many factors effecting the destruction of the dynamic
behavior of radial gate,there were two same characterises.One is the destruction of the
arms,the other is the destruction under the dynamic load. Now, though there are some
useful reseaching result, there are still some imperfect aspects in it. Because the
reason effecting dynamic behavior of radial gate is so complex ,such as the mass
and the stiffness ratio of the gate, order frequencies, exciting force
frequencies,fluid-solid interaction, and so on, and these factor will effect the
dynamic behavior of radial gates ,we shound reseach the dynamic behavior of radial
gates deeply.
The following is the main research procedures and achievements:
1. Using the static mechanics method,finite units method to analyze the
stability of the three kinds plane steel frame,establishing the calculating
models of the stability of the whole frame structure.
2. Calculating the dynamic behavior of the coloum of the radial gate ,on the
basic of the static analyze of the steel frame, considering the restriction of
the end of the column of the main steel frame , analyze the stability of the
two ended hinged joint coloum under periodical dynamic, under periodical
dynamic and one ended having bend-square by using the static mechanics
method.
3. Analyzed the dynamic stability of the plane steel frame of the radial gates.It
reports the effect of water to the order frequencies of frame,and gained the
relationship between stiffness ratio of the gate and the plane steel frame of
the radial gate.
引文
1. 黄延璞，危玢.我国第水头弧形闸门失事调查和初步分析[J].金属结构，
1986（5），23-41
2. 章继光， 刘恭忍.轻型弧形钢闸门事故分析研究[J].水力发电学报，1992
（13）
3. 手册编写组.水电站机电手册——金属结构（一）[M].北京：水利水电出版
社，1998
4. 冯登泰.应用非线性振动力学.北京：中国铁道出版社，1982：30-50
5. 章继光，国内水工闸门振动研究的动向[J].水力发电，1985(1)
6. 符华·鲍洛金.弹性体系的动力稳定性.北京：高等教育出版社.1960
7. 殷学纲，李宾.钢架结构的动力稳定性分析.工程力学，1994（增刊）：970-974
8. 崔士杰 结构的弹塑性动力屈曲[A].结构工程学的研究现状和趋势[C].
上海:同济大学出版社 .1995
9. 朱召泉，卓家寿，陶桂兰.弧形钢闸门的动力稳定性研究进展[J].水利水
科技进展，1999，19（5）：27-29
10. 张其林，等.任意激励下弹性结构的稳定分析[J].土木工程学报，1998，31
（1）：26-32
11. 梁建文，何玉敖.一个实用结构动力失稳判别标准[J].工程力学，1995，12
（1）：53-57
12. 陈立群，程昌钧.非线性粘弹性柱的稳定性和混沌运动[J].应用数学与力
学，2000，21（9）：890-896
13. 杨岳民，刘伯权.杆系结构的动力几何非线性分析[J].地震工程与工程振
动，1998，18（1）：22-28
14. 傅衣铭，宋丽霞.开口薄壁杆的非线性动力稳定性分析[J].湖南大学学报，
1998，25（4）：9-14
15. 曲淑英，曲乃泗.空间框架结构动力不稳定区域的确定[J].应用力学学报，
1999，16（2）：108-111
16. 叶民.在纵向共振下结构横向动力稳定分析[J].辽宁大学学报，1999，26
（2）：144-148
17. 刘礼华，袁文阳，孟吉复，李小陆.风难弧形闸门局部开启原型振动试验研
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18. 蔡琪，段克让，朱以文.诊断弧形闸门振动状态的方法研究[J].武汉水利电
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19. 郭光林，蒋桐.大型弧形钢闸门的空间结构分析及计算[J].南京建筑工程学
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20. 曹青，才君眉，王光纶.弧形钢闸门支臂的空间屈曲荷载影响因素的研究[J].
水力发电，2002(1)：33-36
21. 曹青，才君眉，王光纶.弧形闸门自震特性研究[J].水利水电技术，2001
（5）：16-19
22. 张标标，张宗杰，刘永长，倪强.水电站弧形闸门的模态试验与分析方法[J].
水力发电，1998(12):44-45
23. 阎诗武.应用试验模态分析技术识别弧形闸门的模态参数[J].水利学报，
1987(5):46-51
44 弧形钢闸门主框架动力稳定分析
24. 严根华，阎诗武.水利弧形闸门动力特性的试验模态分析[J].水利水运科学研
究，1995(3)：245-255
25. 严根华，阎诗武.流激闸门振动及动态优化设计[J].水利水运科学研究，
1999(1)：12-22
26. 吴杰芳.张林让.陈敏中.张晓平.三峡大坝导流底孔闸门流激振动水弹性模型试
验研究[J].长江科学院院报，2001，18（5）：76-79
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28. 郭海鹰.大型通用有限元分析软件 ANSYS 简介及应用体会[J].无线电通讯技术，
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34. 李存权著. 结构稳定和稳定内力. 北京： 人民交通出版社 ，2000.3
35. 何运林，黄振. 弧形钢闸门柱的有效长度. 水力发电学报，1987（1）
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37. 章继光，山田孝一郎，松本芳纪. 弧形钢闸门支臂的空间屈曲荷载研究[J].水
利学报，1992( 6)
38. 孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学(上、下册).北京:高等教育出版社.1990
39. 倪振华．振动力学．西安：西安交通大学出版社．1990
40. 严宗达．结构力学中的傅立叶级数解法．天津：天津大学出版社，1989
41. 周建方，李国瑞．弧门主框架自振频率计算[J].水力学报，1995（4）
42. 王正中．对深孔弧门主梁布置型式的探讨[J].人民长江，1994（3）
43. 严根华，阎诗武，樊宝康．水工泄水结构动态优化方法及其弧形闸门中的应用
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50. 阎诗武,严根华，蒋梁,骆少泽.偏心铰弧形闸门的流激振动[J].水利水运科学研
究，1995(12)
51. 阎诗武. 流激巨型浮体扇形闸门的振动[J].水利水运科学研究，1992(12)
52. 严根华，阎诗武．水工弧形闸门三维水弹耦合共振频率的数值计算[J].水利水
运科学研究，1993（3）
53. 吴一红,谢省宗.水工结构流固耦合动力特性分析[J].水利学报,1995(1)
第五章 弧形钢闸门整体动力稳定 45
54. J.Thomas,B.A.H.Abbas.Dynamic stability of off-shore structures.Journal
Mechanical Engineering Science,1980,22(1):37-39.
55. B.A.H.Abbas,J.Thomas. Dynamic stability of timoshenko beams resting on
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56. Brown J E,Hutt J M,Salama A E.Finite element solution to dynamic
stability of bars.AIAA J,1986,6(7):1423-1425
57. Shadtry B P,Rao G V.Dynamic stability of bars considering Shear
deformation and retatory inertia.Computers
&Structures,1984,19(5):823-827
58. Shigematsu T,Hara T,Ohga M.Dynamic Stability analysis by matrix
fuction.J of Engineering Mochanies,1987,113(7):1085-1100
59. ALGDR User’s Manual for Revision 2.10[M].August,1998.
60. G.E.Blandford .Review of Progressive Failure Analyses for Truss
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61. A.Y.Leung.Stability Boundaries for Parametrically Excited
Vibrations[J].Computers & Structures,1991,40(3):615-618
62. S.D.Kim,M.M.Kang,J.J.Kwan,Y.Hangai.Dynamic Instability of shell-like
shallow Trusses Considering Damping[J].Computers & Stuctures.1997 ,
64(1-4):481-489
63. A.N.Kounadis , C.Gantes,G.simitess.Nonlinear Dynamic Bucking of
Muliti-DOF Stuctural Dissipative Systems Under Impact Loading[J].
International Journal of Impact Engineering.1997,19(1):63-80
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Mechanics Reviews.1987,40(10):1403-1408
65. He Yunlin,M.Tseng Huang.Effective length of columns in steel radial
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1986（5），23-41
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16. 叶民.在纵向共振下结构横向动力稳定分析[J].辽宁大学学报，1999，26
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19. 郭光林，蒋桐.大型弧形钢闸门的空间结构分析及计算[J].南京建筑工程学
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22. 张标标，张宗杰，刘永长，倪强.水电站弧形闸门的模态试验与分析方法[J].
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24. 严根华，阎诗武.水利弧形闸门动力特性的试验模态分析[J].水利水运科学研
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25. 严根华，阎诗武.流激闸门振动及动态优化设计[J].水利水运科学研究，
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26. 吴杰芳.张林让.陈敏中.张晓平.三峡大坝导流底孔闸门流激振动水弹性模型试
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47. 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册[M].金属结构（一）北京：水
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51. 阎诗武. 流激巨型浮体扇形闸门的振动[J].水利水运科学研究，1992(12)
52. 严根华，阎诗武．水工弧形闸门三维水弹耦合共振频率的数值计算[J].水利水
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53. 吴一红,谢省宗.水工结构流固耦合动力特性分析[J].水利学报,1995(1)
第五章 弧形钢闸门整体动力稳定 45
54. J.Thomas,B.A.H.Abbas.Dynamic stability of off-shore structures.Journal
Mechanical Engineering Science,1980,22(1):37-39.
55. B.A.H.Abbas,J.Thomas. Dynamic stability of timoshenko beams resting on
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56. Brown J E,Hutt J M,Salama A E.Finite element solution to dynamic
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57. Shadtry B P,Rao G V.Dynamic stability of bars considering Shear
deformation and retatory inertia.Computers
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58. Shigematsu T,Hara T,Ohga M.Dynamic Stability analysis by matrix
fuction.J of Engineering Mochanies,1987,113(7):1085-1100
59. ALGDR User’s Manual for Revision 2.10[M].August,1998.
60. G.E.Blandford .Review of Progressive Failure Analyses for Truss
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61. A.Y.Leung.Stability Boundaries for Parametrically Excited
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62. S.D.Kim,M.M.Kang,J.J.Kwan,Y.Hangai.Dynamic Instability of shell-like
shallow Trusses Considering Damping[J].Computers & Stuctures.1997 ,
64(1-4):481-489
63. A.N.Kounadis , C.Gantes,G.simitess.Nonlinear Dynamic Bucking of
Muliti-DOF Stuctural Dissipative Systems Under Impact Loading[J].
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64. J.Simmites .Instability of Dynamical Loaded Stucturers[J].Applied
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65. He Yunlin,M.Tseng Huang.Effective length of columns in steel radial
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