吳蘭英，方偉定，鐘金周

（1.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015；2.浙江省電力設(shè)計院，杭州 310012）

1 概述

某350 MW天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，燃機采用GE公司生產(chǎn)的單軸9F級重型燃機。燃機、汽輪機、發(fā)電機基礎(chǔ)單軸布置，燃機基座上布置的設(shè)備主要包括：燃機、汽輪機、發(fā)電機、凝汽器、排氣管及進氣管。汽輪機與發(fā)電機座布置在11.00 m運轉(zhuǎn)層，燃機及其附屬設(shè)備布置在6.45 m中間層。燃機、汽輪機、發(fā)電機軸系為同一軸系，基座全長55.82 m。燃機機組的額定頻率為50 Hz。燃機基座布置如圖1所示。

電廠一期基座由外方設(shè)計，設(shè)置228根PHC500管樁，樁基間距過密，對樁基施工影響較大，造價也較高。因此考慮在滿足沉降的前提下盡量減少樁基數(shù)量，使基座既滿足動力要求又便于施工，同時也能適當(dāng)降低造價。為此，需要對燃機基座的動力特性進行深入分析。

在燃機基座能滿足廠家給定要求的條件下，優(yōu)化思路主要從邊界條件和結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，邊界條件主要考慮樁基數(shù)量及布置，上部結(jié)構(gòu)需要根據(jù)激振力和結(jié)構(gòu)的振型來綜合考慮。

基座底板厚度在水管坑處為2 m，局部過渡段板厚4 m，其余均為2.8 m。因底板厚度主要根據(jù)規(guī)程規(guī)范及經(jīng)驗來確定，因此不考慮改變。根據(jù)美國《大型汽輪發(fā)電機基座設(shè)計導(dǎo)則》，對較大的機組，底板厚度達(dá)2.4～2.7 m，底板的質(zhì)量至少應(yīng)等于運轉(zhuǎn)平臺板的質(zhì)量與汽輪機及發(fā)電機質(zhì)量之和；參考德國DIN規(guī)范，其底板厚度取機組長度的1/10，即5 585 mm；按國內(nèi)動規(guī)要求，平板式基礎(chǔ)的厚度取基礎(chǔ)底板長度的1/15～1/20，即3 723.3～2 792.5 mm；按DL 5022-2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范技術(shù)規(guī)程》（簡稱土規(guī)）要求，底板厚度根據(jù)地基土的性質(zhì)而定，在滿足基礎(chǔ)柱嵌固的前提下，可取基礎(chǔ)相鄰柱凈距的1/5～1/3.5，即2 233～3 190 mm。根據(jù)美國導(dǎo)則，建議至少要滿足上述準(zhǔn)則中的1項（詳見美國規(guī)范設(shè)計導(dǎo)則），否則要進行更詳細(xì)的分析和設(shè)計。根據(jù)土規(guī)要求，底板厚度需滿足柱的嵌固要求，如果底板厚度不夠，將會參與振動，當(dāng)?shù)装搴穸葴p到一定程度時，底板的面外彎曲振動也將參與，這時整個體系的振動會跟柱子的布置及樁位的布置有較大關(guān)系，因而優(yōu)化的工程量很大，必要時需進行物模驗證。為簡化動力優(yōu)化影響因素，同時滿足進度要求，本次優(yōu)化將不改變底板厚度，僅考慮樁的數(shù)量變化。

為便于比較，1號樁基方案采用滿足沉降要求的133根PHC500管樁，可以滿足樁基規(guī)范樁間距4d（d為管樁直徑）要求；2號方案采用一期228根PHC500管樁，樁間距無法滿足4d要求，基本上為3d間距；3號方案假設(shè)樁頂為剛接，即基座底板與地基固結(jié)。

根據(jù)廠家動力響應(yīng)要求，采用通用有限元程序ANSYS對燃機基座建模動力進行分析。

2 建模

2.1 有限元模型單元選取

底板厚度對整體結(jié)構(gòu)而言，其高度比例有限，屬于中厚板，采用中厚板SHELL181單元模擬時，不必按實體單元，可以節(jié)約計算資源，加快計算速度，其精度也可以滿足工程要求。

其余單元模擬均參照美國和德國規(guī)范及廠家要求。上部結(jié)構(gòu)采用SHELL43單元進行離散，適合模擬線性、彎曲及中厚度的殼體單元。在結(jié)構(gòu)中，設(shè)備與基座的連接支架、底板中心到樁頂?shù)倪B接采用剛臂梁BEAM4模擬。設(shè)備質(zhì)量對基座的自振特性影響很大，為考慮設(shè)備質(zhì)量，采用MASS21單元模擬。將工程樁簡化為彈簧，在其水平和豎向剛度上以3個彈簧單元COMBIN14模擬，即水平x，y方向及豎向z方向。

2.2 材料參數(shù)

重力加速度為9 810 mm/s2?；炷罜30，材料參數(shù)為：彈性模量30 GPa，柏松比0.2，密度2.5×10-9t/mm3。

圖1 燃機基座平面和剖面圖

工程樁剛度選取是分析的關(guān)鍵。根據(jù)樁基動剛度試驗報告，單樁水平動剛度為Kh，Dynamic=1.83×108N/m， 豎向動剛度 Kv，Dynamic=1.95×109N/m。

3 基座動力分析

根據(jù)廠家GEK63383B要求，在擾力豎向和水平作用下，基座的振動線速度需滿足額定頻率50 Hz下小于限值1.5 mm，超20%額定頻率即51～60 Hz時小于3.8 mm。首先按照廠家要求從模態(tài)分析入手。

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的固有振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，也是相應(yīng)動力分析的重要基礎(chǔ)。對于給定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其振型與固有頻率取決于結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所固有的。如果已知結(jié)構(gòu)的固有頻率，便可以在設(shè)計和改進時使結(jié)構(gòu)的固有頻率避開其在使用過程中的外部激振頻率。

3個方案的模態(tài)分析結(jié)果比較見表1。

表1 各方案主要頻率比較

3個方案的前三階振型均相同，第一階為橫向一致振動，第二階為縱向一致振動，第三階為平面一階扭轉(zhuǎn)振動。

從表1中可以看出，隨著底部邊界條件變化即剛度加大，結(jié)構(gòu)的前三階自振頻率越來越大，從底板邊界條件的有限剛度到無限剛度，前三階的自振頻率變化有限，可見上部結(jié)構(gòu)較柔，較多參與振動，不像大塊式基礎(chǔ)，因而試圖通過增加底板邊界條件的剛度來改變上部結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)是不可取的。在燃機的額定頻率50 Hz附近和超20%額定轉(zhuǎn)速即60 Hz附近時，上部結(jié)構(gòu)均有此轉(zhuǎn)速附近的振動，圖2—4為50 Hz附近的振型云圖。從振型序號來看，隨著底板邊界剛度增加，底板參與振動越來越少，主要表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)振動。相比柱子的總動剛度，樁的總動剛度大很多，即使是樁數(shù)量較少的1號方案，柱子參與的振動也較多，因此底板樁基數(shù)量改變難以改變結(jié)構(gòu)上部的自振特性。

圖2 1號方案的50.1 Hz振型云圖

圖3 2號方案的50.2 Hz振型云圖

圖4 3號方案的49.9 Hz振型云圖

3.2 擾力作用下的基座動力響應(yīng)分析

從以上3種方案的模態(tài)分析可以看出，基座上部結(jié)構(gòu)的固有頻率無法避開燃機的額定轉(zhuǎn)速，根據(jù)廠家要求，需要施加擾力進行動力響應(yīng)分析。

廠家GEK 63383B要求，3號—8號軸承座處轉(zhuǎn)子所在點的擾力幅值均為53.4 kN。根據(jù)德國規(guī)范DIN 4024《機器基礎(chǔ)：具有旋轉(zhuǎn)零件的機器用柔性支承結(jié)構(gòu)》要求，當(dāng)不知道擾力相位時，可以假定各軸承上的擾力按同一方向作用，然后再按相反的方向作用進行分析計算。阻尼比根據(jù)廠家說明取0.02。

圖5—7分別是3個方案各擾力點在水平擾力（擾力同向）作用下的振動線位移幅值和頻率曲線（簡稱幅頻曲線）。

圖5 1號方案Y向幅頻曲線

圖6 2號方案Y向幅頻曲線

從圖中可以看出，3種方案的幅頻曲線趨勢相近，由于基座柱子與樁基的總動剛度相差較大，樁基的數(shù)量即底板邊界條件的剛度對振動響應(yīng)的影響比較有限，只在一定程度上調(diào)整了峰值。水平擾力（擾力同向）作用工況下，把振動線位移轉(zhuǎn)換為振動速度，在50 Hz時小于限值1.5 mm/s，超20%額定頻率工況即51～60 Hz時小于3.8 mm/s，滿足要求。

圖7 3號方案Y向幅頻曲線

表2為1號方案在額定頻率50 Hz工況下各擾力點的豎向振動響應(yīng)幅值。

表2 1號方案在額定頻率50 Hz工況下的豎向振動響應(yīng)

3個方案的其他工況計算不再一一列出，其動力響應(yīng)結(jié)果均滿足要求。

對于1號和2號軸承，雖然廠家沒有要求核算強迫振動下的動力響應(yīng)，但仍然按廠家在其他軸承處施加的擾力來進行驗算。

從1號方案的驗算結(jié)果看，額定工況下，擾力水平橫向作用時，1號軸承處的振動幅值最大，最大振動速度為1.48 mm/s，小于廠家限值1.5 mm/s，滿足要求。1號軸承水平振動較大，從振型圖（圖2）可以看出，在50 Hz自振頻率時，存在局部振動，可通過調(diào)整混凝土支墩厚度及減小軸承中心與支墩幾何中心的偏心值或調(diào)整此混凝土支墩的扭轉(zhuǎn)剛度等措施來優(yōu)化。超過20%額定頻率即51～60 Hz時，1號、2號軸承處的振動幅值都較大，最大振動速度在2號軸承，為2.47 mm/s，但仍小于廠家限值3.8 mm/s，滿足要求。從振型來看，振動較大的主要原因為軸承相對混凝土支墩中心偏心較大，設(shè)計優(yōu)化時，可以調(diào)整混凝土支墩的厚度或適當(dāng)減小偏心來減小超過額定轉(zhuǎn)速工況下的振動幅值。

2號方案和3號方案的情況與1號方案類似，均可通過調(diào)整基座上部結(jié)構(gòu)剛度特別是柱子和支墩的剛度（包括它們的布置）來避免振動響應(yīng)過大問題。

4 結(jié)語

（1）通過模態(tài)分析，在滿足沉降和強度要求且樁的總動剛度比基座上部結(jié)構(gòu)柱子總動剛度大時，燃機基座的底板邊界條件即樁的數(shù)量對基座上部結(jié)構(gòu)振動影響有限，基座上部結(jié)構(gòu)的固有頻率很難通過調(diào)整樁的數(shù)量來避開機器的額定頻率。因此可在滿足沉降和強度前提下盡量減少樁的數(shù)量，減少施工難度，降低造價。

（2）在對基座施加擾力計算其動力響應(yīng)的過程中，可根據(jù)振型分析來調(diào)整局部結(jié)構(gòu)的剛度和布置，以此來調(diào)整結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，達(dá)到動力優(yōu)化的目的。

（3）本期基座樁基是一期基座樁基的0.58倍，節(jié)省樁基成本約60萬元。

[1]GB 50040-96動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]DL 50022-2012火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[3]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2004.