陳 鵬，高 煉，谷金操

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122）

樓板連接形式對(duì)水電站廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)性能的影響分析

陳 鵬，高 煉，谷金操

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122）

本文以某水電站地面廠(chǎng)房為例，建立三維有限元模型，研究了樓板搭接的模擬方法，并針對(duì)樓板與上下游墻體的不同連接形式，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形和自振特性進(jìn)行了研究，另外計(jì)算分析了地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)果表明，采用非線(xiàn)性接觸方法能夠準(zhǔn)確地模擬樓板與墻體間的搭接連接形式；樓板采用搭接形式既不利于控制廠(chǎng)房上部結(jié)構(gòu)的變形，也不利于結(jié)構(gòu)的抗振；但是樓板上下游均采用搭接形式，能夠有效降低順河向地震作用下樓板與墻體連接處的應(yīng)力峰值，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)有利。

水電站廠(chǎng)房；樓板連接形式；結(jié)構(gòu)性能；有限元法

水電是我國(guó)重要的可再生能源，目前我國(guó)水電裝機(jī)總量近3.0億kW，居世界第一。隨著電站機(jī)組尺寸的增大、比轉(zhuǎn)速的提高，其水力穩(wěn)定性、樓板等薄弱結(jié)構(gòu)振動(dòng)等問(wèn)題愈發(fā)突出，近年來(lái)國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)水電站廠(chǎng)房樓板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)分析和研究[1-3]。水電站主廠(chǎng)房樓板具有荷載大、孔洞多、結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則等特點(diǎn)，一般采用整澆方式或者搭接方式與墻體結(jié)構(gòu)連接，整澆的樓板抗振性能好，但是運(yùn)行使用過(guò)程中容易出現(xiàn)溫度裂縫[4]，搭接的樓板則正好相反。

為研究水電站廠(chǎng)房樓板與上下游墻體的不同連接形式對(duì)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)性能的影響，下面以某水電站廠(chǎng)房為研究對(duì)象，采用ANSYS有限元計(jì)算軟件對(duì)不同樓板連接形式下的結(jié)構(gòu)變形和抗震等問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算分析，為工程設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考意見(jiàn)。

1 計(jì)算模型與計(jì)算條件

1.1 計(jì)算模型

計(jì)算以某水電站廠(chǎng)房中間標(biāo)準(zhǔn)組段為對(duì)象，整體模型以廠(chǎng)房一個(gè)中間標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段為對(duì)象，沿廠(chǎng)房縱軸線(xiàn)方向長(zhǎng)度為29 m，上下游方向?qū)挾葹?2 m，主廠(chǎng)房最大高度62 m。廠(chǎng)房上部結(jié)構(gòu)包括屋頂鋼屋架，屋頂鋼屋架按照實(shí)際構(gòu)造和構(gòu)件尺寸進(jìn)行模擬。計(jì)算模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，其X軸為水平方向，沿廠(chǎng)房縱軸指向左端為正（面向下游），Y軸為鉛垂方向，向上為正；Z軸為水平方向，指向下游為正。在計(jì)算范圍內(nèi)，對(duì)水輪機(jī)鋼鍋殼、座環(huán)以及外圍混凝土均按實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬。計(jì)算中，模型底部施加全約束，其余各面自由。

1.2 材料參數(shù)

主房結(jié)構(gòu)實(shí)體墻、排架柱、梁及下游副廠(chǎng)房各層樓板的混凝土等級(jí)為C25，下部蝸殼、尾水管等大體積混凝土等級(jí)為C20。各材料參數(shù)：C25混凝土，靜彈性模量為28.0 GPa，泊松比為0.167，密度為2 500 kg/m3；C20混凝土，靜彈性模量為25.5 GPa，泊松比為0.167，密度為2 500 kg/m3；網(wǎng)架鋼材，靜彈性模量為206 GPa，泊松比為0.23，密度為7 850 kg/m3。

2 樓板搭接的模擬方法探討

水電站廠(chǎng)房的樓板以搭接形式與墻體連接，即不考慮樓板與墻體之間的水平傳力作用，但墻體對(duì)樓板有支撐作用，樓板受到的豎向荷載可以傳遞到墻體。目前諸多有限元計(jì)算分析中，對(duì)于樓板搭接的處理方法主要有兩類(lèi)：一是數(shù)值模型中不考慮樓板；二是數(shù)值模型中考慮樓板，但是樓板與墻體之間分離，樓板四周邊界節(jié)點(diǎn)施加相應(yīng)的豎向約束。很明顯，第一種處理方法中機(jī)墩、風(fēng)罩等結(jié)構(gòu)缺少樓板支撐，相應(yīng)的受力分析不準(zhǔn)確；第二種處理方法樓板四周邊界節(jié)點(diǎn)的豎向約束強(qiáng)度過(guò)大，樓板邊界部位變形不真實(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。以上2種處理方法均不能很好地模擬實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果存在一定出入。

樓板以搭接形式與墻體連接，實(shí)際受力和變形過(guò)程中是一種接觸行為，因涉及接觸狀態(tài)的改變而成為一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題。目前較為通用的大型數(shù)值計(jì)算分析軟件ANSYS能夠很好地、高精度地求解接觸問(wèn)題。本文采用非線(xiàn)性接觸分析手段，在樓板與墻體搭接區(qū)域建立接觸關(guān)系，利用ANSYS自帶的“Standard”接觸行為來(lái)模擬樓板的搭接，該接觸行為具有可滑動(dòng)性，并且當(dāng)接觸面法向壓力為零時(shí)，接觸面產(chǎn)生分離。計(jì)算中不考慮搭接區(qū)域的摩擦作用，摩擦系數(shù)取為極小值。

為驗(yàn)證本文采用非線(xiàn)性接觸分析方法模擬樓板搭接的準(zhǔn)確性，建立以下2種廠(chǎng)房整體結(jié)構(gòu)模型方案（圖1）：方案1——發(fā)電機(jī)層樓板上下游側(cè)與墻體均為搭接，采用非線(xiàn)性接觸模擬搭接；方案2——模型中不模擬發(fā)電機(jī)層樓板。

對(duì)2種方案分別施加相同的吊車(chē)滿(mǎn)載作用力（最大輪壓位于上游側(cè)），計(jì)算結(jié)果顯示方案1和方案2的上、下游側(cè)墻柱順河向變形一致（見(jiàn)圖3），說(shuō)明采用非線(xiàn)性接觸有效模擬了搭接方式不傳遞樓板與墻體之間的水平力。

對(duì)方案1的發(fā)電機(jī)層樓板施加50 kN/m2的樓面活荷載，發(fā)電機(jī)層樓板面積為403.075 m2，則樓面活荷載合力FL=25.255 MN；根據(jù)計(jì)算結(jié)果提取風(fēng)罩與樓板連接處節(jié)點(diǎn)豎向合力F1=16.098 MN，提取墻體與樓板接觸區(qū)域節(jié)點(diǎn)豎向合力F2= 9.207 MN，兩者求和為FJ=F1+F2=25.305 MN；因此FL≈FJ，說(shuō)明采用非線(xiàn)性接觸可以很好地模擬墻體對(duì)樓板的豎向支撐作用。

綜上所述，采用非線(xiàn)性接觸方法能夠準(zhǔn)確地模擬樓板與墻體間的搭接連接形式，下面分析中搭接模擬均采用非線(xiàn)性接觸方法。

3 樓板連接形式對(duì)水電站廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)性能的影響

3.1 計(jì)算方案

圖1 廠(chǎng)房混凝土結(jié)構(gòu)順河向變位等值線(xiàn)圖

為比較樓板不同連接形式對(duì)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)性能的影響，擬定以下3種計(jì)算方案：A方案，發(fā)電機(jī)層樓板上下游側(cè)與墻體均為固結(jié)連接；B方案，發(fā)電機(jī)層樓板上游側(cè)與墻體固結(jié)，下游側(cè)與墻體搭接；C方案，發(fā)電機(jī)層樓板上下游側(cè)與墻體均為搭接。

3.2 結(jié)構(gòu)變形分析

為避免其他荷載對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生干擾，本小節(jié)對(duì)各方案模型僅施加自重、各層樓板荷載及吊車(chē)滿(mǎn)載運(yùn)行荷載進(jìn)行計(jì)算，以分析樓板不同連接形式對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響。

水電站廠(chǎng)房上部結(jié)構(gòu)的剛度是設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)關(guān)注方面，SL266-2014《水電站廠(chǎng)房設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中規(guī)定按空間圖形計(jì)算的軌頂高程柱允許位移值為H/2 000，對(duì)應(yīng)該工程即6.65 mm。從表1可以看出，相同荷載作用下，A—C方案各典型部位的最大變位值均未超過(guò)規(guī)范限值。

A—C方案發(fā)電機(jī)層樓板對(duì)墻體的水平作用是逐漸減弱的，導(dǎo)致A—C方案各典型部位的最大變位值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這說(shuō)明采樓板采用搭接形式不利于控制廠(chǎng)房上部結(jié)構(gòu)的變形。

表1 各方案典型部位最大變位 mm

3.3 自振特性分析

各方案廠(chǎng)房整體結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)層樓板和風(fēng)罩的振動(dòng)基頻如表2所示，從表2的結(jié)果可知：A—C方案各部分的振動(dòng)基頻呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，其中C方案的發(fā)電機(jī)層樓板和風(fēng)罩的振動(dòng)基頻相比A與B方案降低明顯，而廠(chǎng)房整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基頻降幅相對(duì)較小。

表2數(shù)據(jù)顯示發(fā)電機(jī)層樓板和風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基頻高于廠(chǎng)房整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻，發(fā)電機(jī)層樓板和風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小，其自身具有較高的振動(dòng)基頻有利于與機(jī)組轉(zhuǎn)頻、水流低頻脈沖等激振頻率有較大錯(cuò)開(kāi)度，但發(fā)電機(jī)層樓板上下游均為搭接形式明顯使得樓板和風(fēng)罩的振動(dòng)基頻降低，這顯然是不利于結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計(jì)。

上述計(jì)算結(jié)果說(shuō)明樓板連接形式對(duì)廠(chǎng)房整體結(jié)構(gòu)的基頻影響較小，對(duì)樓板和風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的基頻影響相對(duì)較大，樓板采用搭接形式對(duì)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)，尤其是樓板和風(fēng)罩等剛度薄弱部位的抗振是不利的。3.4地震作用分析

參照NB35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)廠(chǎng)房整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行順河的地震作用計(jì)算分析。

表2 各方案結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻 Hz

從圖2可以看出，A—C方案柱頂和軌頂最大順河向位移值呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度不大；從圖3可以看出，A—C方案頂部柱腳的最大應(yīng)力值是逐漸減小的，而發(fā)電機(jī)層樓板的最大應(yīng)力值是先增后減的趨勢(shì)，這是因?yàn)锽方案發(fā)電機(jī)層樓板一邊固結(jié)一邊搭接，搭接相對(duì)于固結(jié)屬于弱連接，上下游約束剛度的不對(duì)稱(chēng)性易使得連接體結(jié)構(gòu)內(nèi)力一定程度上出現(xiàn)增大[7]。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，在順河向地震作用下，樓板采用搭接形式相比固結(jié)形式而言，不利于控制廠(chǎng)房上部結(jié)構(gòu)的變形，這與第3節(jié)中的結(jié)論相一致。但樓板上下游均采用搭接形式可以降低廠(chǎng)房上部結(jié)構(gòu)柱腳和發(fā)電機(jī)層樓板的應(yīng)力峰值，C方案的發(fā)電機(jī)層樓板應(yīng)力峰值相比A和B方案降低了近45%。

圖2 各方案柱頂和軌頂最大順河向位移

圖3 各方案發(fā)電機(jī)層樓板和頂部柱腳最大應(yīng)力

4 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用有限元對(duì)水電站廠(chǎng)房樓板不同連接形式進(jìn)行計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

1）采用非線(xiàn)性接觸方法既能模擬樓板與墻體之間的無(wú)水平傳力作用，又可模擬墻體對(duì)樓板的豎向支撐作用，因此非線(xiàn)性接觸方法能夠準(zhǔn)確地模擬樓板與墻體間的搭接連接形式。

2）水電站廠(chǎng)房樓板采用搭接形式不僅不利于控制廠(chǎng)房上部結(jié)構(gòu)的變形，而且還會(huì)降低樓板、風(fēng)罩等結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)振動(dòng)頻率，不利于結(jié)構(gòu)的抗振。水電站廠(chǎng)房樓板上下游均采用搭接形式，能夠有效降低順河向地震作用下樓板與墻體連接處的應(yīng)力峰值，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)有利。

3）實(shí)際水電站廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，樓板搭接形式要慎重使用，必要情況下要進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算研究。

［1］沈可，張仲卿.水電站廠(chǎng)房樓板振動(dòng)分析［J］.人民長(zhǎng)江，2003，34（1）：52—54.

［2］陳帥，張振華，羅先啟，韓勇.水口水電站發(fā)電機(jī)層樓板振動(dòng)分析［J］.水電能源科學(xué)，2010，28（9）：76—78.

［3］李炎，李瑩.巖灘水電站廠(chǎng)房樓板振動(dòng)的分析［J］.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36（6）：713—717.

［4］王育軍.混凝土現(xiàn)澆樓板裂縫的成因和控制［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2007，5（3）：102—105.

［5］SL266-2014，水電站廠(chǎng)房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］NB35047-2015，水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］代勛.連接方式對(duì)雙塔連體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及地震反應(yīng)的影響分析［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.

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2016-07-04