黃海龍 王顯治

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

燈泡貫流式機(jī)組廠房動(dòng)力特性及地震響應(yīng)分析

黃海龍 王顯治

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

采用三維有限單元法，結(jié)合在建的老撾某水電站，對(duì)燈泡貫流式機(jī)組廠房的動(dòng)力特性及地震響應(yīng)進(jìn)行了分析研究，并對(duì)地震加速度進(jìn)行頻譜分析，從頻域角度對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)做了初步的探索，為電站設(shè)計(jì)及類似工程提供參考。

河床式廠房，動(dòng)力特性，有限元法，燈泡貫流式機(jī)組，地震響應(yīng)

0 引言

隨著中、高水頭電站開發(fā)到一定程度，低水頭水力資源逐漸得到重視，燈泡貫流式水電站以其在投資、電站布置和運(yùn)行等多方面的優(yōu)越性，已成為開發(fā)低水頭水力資源的優(yōu)良機(jī)型[1，2]。燈泡貫流式機(jī)組廠房由于其結(jié)構(gòu)較特殊，內(nèi)力情況復(fù)雜，動(dòng)力特性以及在地震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等問題，需要通過理論與數(shù)值研究確定。為了較準(zhǔn)確的分析燈泡貫流式機(jī)組廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)，本文結(jié)合在建的大型燈泡貫流式水電站廠房，將梁板柱系統(tǒng)、副廠房、尾水管及廠房主體結(jié)構(gòu)作為整體研究，采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法，借助ANSYS有限元軟件，對(duì)該型式廠房的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)的特點(diǎn)開展了一些初步的研究，以期為設(shè)計(jì)及類似工程提供參考。

1 工程概況

該水電站位于老撾湄公河一支流上，樞紐主要由河床式廠房和兩岸堤壩及壩上非常溢洪道組成。河床式廠房共布置4臺(tái)65 MW燈泡貫流式機(jī)組，單機(jī)單縫，廠房空間孔洞跨度較大，轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)7.2 m。

2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

2.1 模型范圍

計(jì)算模型以廠房標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段為對(duì)象，該機(jī)組段長度21.34 m，上下游寬度為81.13 m，主廠房最大高度59.40 m。基巖向上、下游方向各延伸120 m，底部向下延伸120 m。

模型對(duì)廠房流道、周邊混凝土及上部結(jié)構(gòu)等均按實(shí)際尺寸建模，兩側(cè)混凝土的邊界因機(jī)組分縫按自由面考慮，基巖的各邊界施加法向約束。

整體模型和廠房網(wǎng)格分別見圖1，圖2。

2.2 材料參數(shù)

計(jì)算模型采用的主要材料參數(shù)如表1所示。

3 動(dòng)力特性分析

因廠房上、下部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度差異比較大，采用2種模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析：

1)整體模型，見圖1；2)廠房下部結(jié)構(gòu)模型，見圖2，上部結(jié)構(gòu)用Mass21質(zhì)量單元模擬。

流道內(nèi)水體用Mass21質(zhì)量單元模擬，計(jì)算采用分塊Lanczos迭代法。

根據(jù)計(jì)算成果，將2種模型的前20階自振頻率提取列于表2。

根據(jù)結(jié)構(gòu)自振頻率和相應(yīng)模態(tài)結(jié)果可知:

1)對(duì)整體模型，低階振型主要體現(xiàn)進(jìn)水口及上部排架柱、墻的振型，說明排架柱剛度較低，這主要是排架柱跨度較大而構(gòu)件截面較小所致。同時(shí)，有較多階也都是發(fā)生在這些部位，因此這是廠房結(jié)構(gòu)中抗振的重點(diǎn)處理部位，建議設(shè)計(jì)時(shí)在進(jìn)水口上部排架柱間布置混凝土墻，增強(qiáng)各向剛度。進(jìn)水口邊墻從高階(14階)才開始橫河向振動(dòng)，說明本電站進(jìn)水口攔污柵下游混凝土橫梁對(duì)進(jìn)口邊墻和中墩支承作用較大，提高了進(jìn)口高邊墻、高中墩的側(cè)向剛度。

2)對(duì)廠房下部結(jié)構(gòu)模型，前4階的振型主要表現(xiàn)為下部結(jié)構(gòu)沿不同方向的振動(dòng)，分別為橫河向、順河向、水平扭轉(zhuǎn)和鉛直向，說明廠房下部結(jié)構(gòu)水平兩向剛度較小，同時(shí)還應(yīng)特別注意由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度分布不均勻等引起的扭轉(zhuǎn)作用對(duì)結(jié)構(gòu)抗振性能的削弱。該廠房設(shè)計(jì)時(shí)在各機(jī)組段副廠房兩側(cè)分縫處設(shè)置了混凝土隔墻，增加了副廠房的順河向剛度，使副廠房樓板、柱和四周邊墻形成了整體箱形結(jié)構(gòu)，高階振型也多表現(xiàn)為副廠房的整體振動(dòng)。

4 地震響應(yīng)分析

為全面了解廠房結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理，本節(jié)采用動(dòng)力時(shí)程法，對(duì)本廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力時(shí)程分析，對(duì)其總體抗震性能進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。

4.1 計(jì)算模型與假定

1)計(jì)算假定：

a.動(dòng)水壓力采用Westergaard公式，以壩面附加質(zhì)量的形式考慮；

b.為消除基礎(chǔ)對(duì)地震的放大作用，以無質(zhì)量地基底部均勻輸入的方法考慮廠房和地基間的動(dòng)力相互作用和地震波的輸入；

c.假定結(jié)構(gòu)受水平雙向地震作用。

4.2 地震加速度時(shí)程曲線

本文選取典型地震波Taft波前20 s加速度數(shù)據(jù)，并將其加速度最大幅值調(diào)整為0.1g(本電站MDE=0.1g)，調(diào)整后的水平向Taft波見圖3,圖4。

4.3 動(dòng)力時(shí)程分析成果

為分析廠房結(jié)構(gòu)在單獨(dú)地震作用下的時(shí)程響應(yīng)情況，選取結(jié)構(gòu)部分特征點(diǎn)(1點(diǎn)～10點(diǎn))進(jìn)行分析，位置見圖5，同時(shí)將廠房結(jié)構(gòu)各特征點(diǎn)響應(yīng)參數(shù)最值統(tǒng)計(jì)于表3。

分析表3中計(jì)算結(jié)果可知：

1)在結(jié)構(gòu)動(dòng)位移響應(yīng)方面，順河向動(dòng)位移響應(yīng)最大，發(fā)生在排架頂點(diǎn)(1點(diǎn))，峰值為28.17 mm，發(fā)生時(shí)刻滯后其順河向激勵(lì)峰值發(fā)生時(shí)刻(3.72 s)，滯后現(xiàn)象較為明顯；橫河向動(dòng)位移在進(jìn)水口頂部(8點(diǎn))達(dá)到峰值21.05 mm，上部排架及胸墻部位也出現(xiàn)較大橫河向動(dòng)位移，亦是墻體橫河向剛度偏小的緣故。由此可知，地震作用下，動(dòng)位移響應(yīng)較大的部位主要分布在廠房上部結(jié)構(gòu)、進(jìn)水口邊墻及胸墻位置。

2)在結(jié)構(gòu)動(dòng)加速度響應(yīng)方面，響應(yīng)規(guī)律與動(dòng)位移響應(yīng)規(guī)律基本一致，結(jié)構(gòu)順河向、橫河向動(dòng)加速度在上部排架頂點(diǎn)(1點(diǎn))最大，較輸入波加速度峰值放大約6倍和10倍，主要是廠房上部結(jié)構(gòu)高程較高，各向質(zhì)量與剛度相對(duì)弱小，受到了經(jīng)過下部主體結(jié)構(gòu)放大后的地震加速度，因而動(dòng)力響應(yīng)遠(yuǎn)超過下部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)生了明顯的“鞭梢效應(yīng)”；另外，由于廠房進(jìn)水口邊墻橫河向剛度較弱，橫河向加速度在邊墻最頂部(8點(diǎn))處也較大。

3)在結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)方面，第一主應(yīng)力響應(yīng)峰值發(fā)生在6點(diǎn)處，即發(fā)電機(jī)吊物孔角點(diǎn)，數(shù)值為4.03 MPa；另外各向動(dòng)應(yīng)力較大值還出現(xiàn)在管型座及進(jìn)口邊墻底部，超過混凝土動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，因此建議設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)上述局部部位加強(qiáng)配筋，提高其抗震能力。

4.4 地震加速度頻譜分析

結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，一方面取決于結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性，另一方面還與地震作用的大小及地震波的頻譜特性密切相關(guān)。

1)輸入地震波的頻譜特性。

本節(jié)采用快速傅立葉變換法(FFT)，對(duì)地震加速度進(jìn)行頻譜分析。針對(duì)調(diào)整后的Taft波進(jìn)行傅立葉變換，得到了兩個(gè)方向地震波變換后的幅度譜，見圖6，圖7。各向地震波相應(yīng)的主頻和主頻域分布見表4。

由頻譜分析可看出，調(diào)整后的Taft波的頻率分布范圍較寬，優(yōu)勢頻率主要集中在0 Hz～10 Hz，故此地震波能量集中在低頻部分，是一個(gè)以低頻為主的地震波。

由廠房動(dòng)力特性分析知，整體結(jié)構(gòu)的前20階自振頻率分布較密集，且主要集中在1 Hz～10 Hz之間，與地震優(yōu)勢頻率比較接近，尤其是整體結(jié)構(gòu)的前3階自振頻率與地震波的主頻非常接近，振型主要表現(xiàn)為廠房上部排架柱的振動(dòng)，故這些薄弱部位易在地震作用下產(chǎn)生較大的響應(yīng)，甚至可能發(fā)生明顯的“鞭梢效應(yīng)”。

2)地震響應(yīng)加速度的頻譜分析。

為進(jìn)一步分析輸入地震波的頻譜特性與結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的關(guān)系，選取廠房結(jié)構(gòu)薄弱部位的特征點(diǎn)加速度響應(yīng)頻譜進(jìn)行分析，即廠房進(jìn)口邊墩頂點(diǎn)(8點(diǎn))和排架中部頂點(diǎn)(1點(diǎn))，相應(yīng)的加速度響應(yīng)頻譜見圖8，圖9，各特征點(diǎn)加速度響應(yīng)峰值及對(duì)應(yīng)響應(yīng)主頻見表5。

分析以上結(jié)果可知：

特征點(diǎn)的地震加速度響應(yīng)主頻均在輸入波的優(yōu)勢頻率范圍內(nèi)(0 Hz～10 Hz)。廠房上部排架的基頻均較低，與輸入波的主頻較接近，且其響應(yīng)主頻也主要在輸入波能量集中的低頻部分(0 Hz～5 Hz)，因而這些部位的地震響應(yīng)比較大，與前述結(jié)論一致。

副廠房樓板在地震作用下主要關(guān)注其豎向振動(dòng)響應(yīng)，經(jīng)分析，樓板振動(dòng)主要出現(xiàn)在第11階后，自振頻率相對(duì)較高，其第1階自振頻率約12.09 Hz，錯(cuò)開了輸入Taft波能量較為集中的低頻部分(0 Hz～5 Hz)，加之本電站副廠房樓板四周均有墻體支撐，形成箱體結(jié)構(gòu)，提高了整體剛度，故地震作用下的振動(dòng)反應(yīng)也相對(duì)較小，但副廠房是運(yùn)行人員工作及各類儀器設(shè)備布置的場所，其振動(dòng)幅值也應(yīng)引起足夠重視。

5 結(jié)論與建議

1)燈泡貫流式機(jī)組廠房上部排架柱結(jié)構(gòu)部位剛度最薄弱，是廠房結(jié)構(gòu)中抗振的重點(diǎn)關(guān)注部位，必須采取有效措施防止發(fā)生共振，可考慮改善結(jié)構(gòu)增加剛度，如柱間砌體墻改為混凝土墻結(jié)構(gòu)，適當(dāng)縮小柱間距及加大柱斷面；加強(qiáng)廠房上部結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，如將屋頂桁架與排架柱鉸接，將上下游排架柱相關(guān)聯(lián)，提高上部結(jié)構(gòu)順河向剛度。另外，進(jìn)口中墩及邊墻一般較高，側(cè)向剛度較小，其自振頻率亦不高，也應(yīng)引起抗振重視，建議可在攔污柵下游適當(dāng)高程處增加橫梁支撐，提高進(jìn)水口橫河向剛度，進(jìn)而提高廠房整體抗振性能。

2)燈泡貫流式機(jī)組廠房結(jié)構(gòu)在地震作用下，也表現(xiàn)出流道中段大孔洞位置各向剛度較小，地震響應(yīng)應(yīng)力相對(duì)較大，建議對(duì)應(yīng)力響應(yīng)較大的部位，尤其是管型座上下支柱區(qū)域，還需承受機(jī)組振動(dòng)等影響，需加強(qiáng)局部配筋，提高其抗振能力，以利燈泡體的安全。

3)通過對(duì)輸入地震波和地震響應(yīng)加速度的頻譜分析，所得結(jié)論與動(dòng)力時(shí)程法分析所得的結(jié)論是一致的，說明通過對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性分析和對(duì)輸入波頻譜分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震薄弱部位定性分析，亦可作為結(jié)構(gòu)抗震分析結(jié)論的補(bǔ)充和論證依據(jù)。

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Abstract： Based on a hydropower station which is under-construction in Laos, a dynamic characteristics research and a preliminary discussion of seismic response of the bulb tubular hydropower plant has been conducted by means of 3D finite element analysis method. Besides, frequency spectrum analysis of earthquake acceleration is performed based on the result of dynamic time-history analytical method, then, a preliminary study on the structure seismic response from the perspective of frequency domain is put forward, which will be helpful for the plant design.

Keywords： riverbed-hydropower house, dynamic characteristics, finite element method, bulb tubular unit, seismic response

Studyondynamiccharacteristicsandseismicresponseofthebulbtubularpowerhouse

HuangHailongWangXianzhi

(ChinaPowerGroupKunmingEngineeringCorporationLimited,Kunming650051,China)

1009-6825(2017)25-0043-03

TU318

A

2017-06-23

黃海龍(1987- ),男，碩士，工程師； 王顯治(1983- ),男,碩士,高級(jí)工程師