李直 伍彥熹

【摘要】近年來我國新建的一批大型抽水蓄能電站中，其高水頭、高轉(zhuǎn)速的特點導致振動的現(xiàn)象普遍、突出，對廠房結(jié)構的振動問題研究顯得十分重要。本文以某抽水蓄能電站地下廠房為實例，使用三維有限元方法，解析了廠房整體結(jié)構自振特性。

【關鍵詞】蓄能電站；廠房振動

1、工程概述

某抽水蓄能電站總裝機容量為600MW，本工程機組在出現(xiàn)強烈振動時，振動部位一般集中在發(fā)電機層以下的部位，所以計算重點應為廠房水下部分。機組外圍混凝土結(jié)構主要由風罩、機墩、蝸殼和尾水管組成。風罩的結(jié)構呈圓筒式，發(fā)電機層樓板與上機架支撐部位相連接。風罩下接內(nèi)圓筒外八邊形的機墩混凝土結(jié)構，機墩的頂部為定子基礎板，底部固結(jié)于蝸殼的外包混凝土，下機架靠機墩內(nèi)側(cè)的環(huán)形牛腿支撐。金屬蝸殼與包圍在其周圍的混凝土在下游側(cè)與邊墻聯(lián)為一體，并且共同承擔部分水壓力。

2、動力有限元計算理論

2.1 模態(tài)分析

利用模態(tài)分析，可以得到結(jié)構部件的固有頻率和振型，多自由度體系為彈性振動時，以下四種力作用于彈性體系：①外力{F}；②彈性恢復力[K]{u}，[K]為結(jié)構的剛度矩陣，{u}為結(jié)構位移量；③慣性力[M]{}，[M]為結(jié)構質(zhì)量矩陣，{}為結(jié)構加速度向量；④阻尼力[C]{}，[C]為結(jié)構阻尼矩陣，{}為結(jié)構速度向量。以上四種力達到平衡，得到相應運動方程：

方程（2-4）稱為特征方程，解出方程的n個正實根，即自由振動的n階自振頻率。然后再將解回帶入公式（2-4）得到相應振型向量{}。

2.2 諧響應分析

諧響應分析通過計算結(jié)構的穩(wěn)態(tài)受迫振動來預測結(jié)構的持續(xù)動力特性，對于一個單自由度體系，在諧振力p（t）=sin的作用下，為力的幅值，為激勵頻率，則體系強迫諧振的運動微分方程為：

位移響應包含的是兩個完全不同的振動成分，給出的是體系固有頻率的振蕩，是瞬態(tài)振動，它取決于初始速度和位移，當零初速度和零初始位移時，瞬態(tài)振動也存在；給出的是強迫頻率的振蕩，是穩(wěn)態(tài)振動，與作用力有關而與初始條件沒有關系。

3 自振分析及共振復核

3.1 模型建立

采取大型商業(yè)軟件Ansys對1#、2#機組段結(jié)構進行三維有限元計算，計算范圍為：長度方向從廠右0+015.78m～廠左0+034.20m，上下游方向從廠上0+012.07m～廠下0+009.07m，尾水管部分取到廠下0+026.50m，模型高度從發(fā)電機層▽2.45m至尾水管層▽-27.0m。計算模型使用笛卡爾直角座標系，原點取為1#機組中心在蝸殼層的投影位置，其中X軸正向是廠房縱軸指向左（面向下游），Y軸正向指向下游，Z軸為鉛垂方向，向上為正。計算模型模擬了風罩、機墩、蝸殼及其外圍混凝土、各層樓板、邊墻柱等結(jié)構，模型采用實體單元建模，整體計算模型的總結(jié)點個數(shù)為275716個，總單元個數(shù)為162939個。

3.2 廠房整體自振頻率及振型

通過計算得到前20階廠房結(jié)構的自振頻率，由于是地下廠房，上、下游測巖對廠房結(jié)構的約束作用較大，邊界條件考慮為上、下游側(cè)邊墻與圍巖之間的彈性水平兩向約束，圍巖單位彈性抗力系數(shù)20MPa/cm。

由計算結(jié)果可知道，廠房結(jié)構基頻為13.56Hz，表現(xiàn)為廠房整體沿著一、三象限對角線水平振動，第3階時發(fā)電機層和母線層右側(cè)樓板起振，起振頻率為18.23Hz。后續(xù)若干階振型主要表現(xiàn)為樓板振動及帶動風罩、立柱等局部構建的振動。說明該部位在廠房結(jié)構中剛度較小，主要原因是該處樓板在縱軸線方向上跨度較大。

4、結(jié)論

a.對于該抽水蓄能電站，廠房振動問題明顯，所以在初設階段應考慮這一因素，進行合理優(yōu)化的廠房抗振設計。

b.廠房整體沿一、三象限水平振動，樓板、帶動風罩、立柱等有局部自振。發(fā)電機轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)頻率對廠房右側(cè)樓板振動的影響較大。

參考文獻：

[1] 馬震岳，董毓新.水電站機組及廠房振動的研究與治理[M].中國水利水電出版，2004.10.