Page 17 - 2022年第53卷第5期

的技术难题，１９８６年路观平等 ［４ － ６］ 在借鉴航空航天技术的基础上，结合水工结构的特点，首次利用自
制的可以产生 ４０ｋＮ的三角脉冲荷载的小火箭作为激发手段，开展了坝体结构原型动力试验研究。
现场原型动力试验的程序是：将反冲激振器设置在某一坝段并靠近坝的顶部，产生一个方向向着
径向下游的三角形脉冲；在坝体上设立若干个测站，接收输出的位移响应信号；把现场记录的综合反
映结构因素的动态特性信息输入信号分析器，求取传递函数，进而识别坝体模态参数。实验模态分析
方法为：设激振力为 ｆ（ｔ），系统上某点的位移响应为 ｘ（ｔ），用频域表示并作 Ｆｏｕｒｉｅｒ变换：
!
－ ｊ ω ｔ
Ｆ（ ω ） ＝ ∫ ｆ（ｔ）ｅ ｄｔ
－ !
（４）
!
－ ｊ ω ｔ
Ｘ （ ω ） ＝ ∫ ｘ（ｔ）ｅ ｄｔ
－ !
式中：Ｆ（ ω ）、Ｘ（ ω ）分别为 Ｆｏｕｒｉｅｒ变换后的激振力和位移；ω 、ｊ分别为角频率和虚数单位。
单点输入时，位移频响函数 Ｈ（ ω ）定义为：
Ｘ（ ω ）
Ｈ（ ω ） ＝ （５）
Ｆ（ ω ）
设激振力 Ｆ（ ω ）在 Ｐ点激振，ｌ点测振，则 ｌ点位移频响函数：
Ｐ
Ｎ
φ ｌｉ φ ｐｉ
Ｈ （ ω ） ＝ ∑ （６）
ｌＰ ２
ｉ ＝１ － ωＭ ＋ ｊ ω Ｃ＋ Ｋ ｉ
ｉ
ｉ
分别为 第 ｉ阶 模态 的振 型 向 量；Ｍ 、Ｃ 和 Ｋ 分 别 为 系 统 的 质 量、阻 尼 和 刚 度 矩 阵。
式中： φ ｌｉ 、φ ｐｉ
ｉ ｉ ｉ
式（６）即为模态参数与频响函数的关系式。当试验测出足够数量的频响函数后便能计算出模态参数。
该项试验研究应用了信号处理及模态识别技术，为大体积水工结构提供了一种有效的模型识别方
法，研究成果居国内领先地位，经济社会效益显著。在此基础上，分别采用爆破、起振机和随机脉动
等试验手段，先后对安徽省的响洪甸、佛子岭等不同混凝土坝型的多座水库进行了动力特性的试验研
究与原型观测，取得了丰富成果。
水工结构中的另一个难题是如何消除大型水工金属结构中超厚焊接金属构件的残余应力。水工金
属结构的焊接是不均匀的加热和冷却过程，构件经过焊接后，内部会产生残余应力。残余应力的存在
会极大影响构件的尺寸稳定性、刚度、强度、疲劳寿命和机械加工性能，甚至会导致裂纹和应力腐
蚀，因此需对构件进行消除应力处理。振动时效是利用构件的共振给构件施加交变应力或变形，使构
件发生微观或宏观黏弹塑性变化，从而降低和均化构件内的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。由
于金属结构是由多条纵横焊缝焊接而成，为了使焊缝区取得更好的时效效果，激振力所产生的正弦波
应沿着焊缝的方向进行处理，采用多激振点、多频率段、多激振力段进行时效处理，并根据工件固有
频率和共振状态，调整振动时效工艺。针对支铰钢梁的具体结构形式，采用四点支撑方式，各支撑点
在距两端长度 ２?９处进行支撑。此外，在水工起重设备中，钢丝绳作为起重、运输、提升及承载的重要
构件被大量应用，由于使用环境一般较为复杂、恶劣，在使用过程中会产生断丝、磨损等各种缺陷。
对此类水工金属结构安全检测的技术规范和标准中，尚未规定如何对承力钢丝绳内部质量进行检
测和评定。为解决大型水工焊接结构残余应力消除及水工金属结构内部质量探伤问题，姚亮等 ［７ － ８］ 开
展了高压闸门振动故障诊断、弧形闸门支铰钢梁振动时效消应、水工设备内部质量探伤等方面的技术
研究，成功解决了超厚钢板箱型焊接构件的振动时效技术难题，并提出了一套完整的基于弱电磁法的
水工设备钢丝绳内部质量无损检测与评价新方法。该方法通过对钢丝绳进行弱磁加载，根据各种缺陷
的形态及其对磁力线的影响，提取和分析已施加磁载的铁磁性材料上弱磁能势分布差异信息，便能完
成对钢丝绳内外部各种缺陷的定位、定性和定量识别。
１．３ 水工渗流计算理论与渗流控制 针对长江、淮河两岸以双层或多层地基为主，堤基汛期受承压水
的顶托，易在堤后出现流土和管涌等险情的难题，吴世余等 ［９ － １０］ 提出 “多层地基和减压沟井的渗流计
算理论”，通过本奈特假定分析多层渗流问题，分别采用保角交换法、折合距离法和等效完整窄沟法
求解无限单层域中浅长沟、双层域中长沟和多层域中长沟的解，根据单层域中长列完整井解的一般法

— ５ １ ７ —