高朦偉,方朝陽

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院,湖北武漢430072)

某水電站內(nèi)源振動(dòng)引起廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)分析

高朦偉,方朝陽

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院,湖北武漢430072)

水電站機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種激振力誘發(fā)的振動(dòng)能量很大,將會(huì)直接影響作為機(jī)組支撐體系的廠房結(jié)構(gòu),嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接威脅到廠房結(jié)構(gòu)安全。為此,基于線彈性動(dòng)力有限元計(jì)算理論,利用有限元計(jì)算軟件ANSYS建立某水電站地下廠房三維有限元模型,對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力計(jì)算,主要研究了內(nèi)源振動(dòng)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明,機(jī)組振動(dòng)荷載對(duì)樓板、風(fēng)罩機(jī)墩等部位作用較明顯,該廠房整體結(jié)構(gòu)能夠滿足水電站安全運(yùn)行的要求。

地下廠房；內(nèi)源振動(dòng)；振動(dòng)反應(yīng)；有限元法

1 工程概況

某水電站裝機(jī)容量為246 MW,水庫總庫容為1.326億m3,水輪發(fā)電機(jī)組最大工作水頭210 m,機(jī)組額定轉(zhuǎn)速250 r/min,飛逸轉(zhuǎn)速456 r/min。地下廠房由主機(jī)間、安裝場(chǎng)和副廠房組成,呈“一”字形布置。水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象,但如果機(jī)組振動(dòng)超過一定的范圍,將會(huì)直接對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響。隨著機(jī)組裝機(jī)容量的增大,機(jī)組運(yùn)行所產(chǎn)生的振動(dòng)能量也隨之加大,而廠房結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較低。水電站廠房作為機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu),受到機(jī)組運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械力、電磁力及水力等激勵(lì)荷載的影響,可能會(huì)發(fā)生整體或局部振動(dòng)現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外已建的各水電站中,有許多水電站廠房結(jié)構(gòu)都存在著振動(dòng)問題[1-4]。因此,研究分析振動(dòng)荷載誘發(fā)水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)影響是十分必要的。

本文以某水電站地下廠房為例,計(jì)算并分析在不同工況下的機(jī)組振動(dòng)荷載作用及流道脈動(dòng)水壓力作用下廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

2 計(jì)算模型

有限元計(jì)算模型選取2號(hào)機(jī)組段,計(jì)算范圍：長(zhǎng)度方向取邊墻與圍巖結(jié)合面至機(jī)組間分縫處,上下游方向取上游邊墻與圍巖結(jié)合面至尾水管尾部混凝土處,高度方向取集水井底部至發(fā)電機(jī)層樓面。在計(jì)算范圍內(nèi),對(duì)主廠房結(jié)構(gòu)按照實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬,采用三維實(shí)體單元模擬混凝土結(jié)構(gòu),殼單元模擬鋼蝸殼座環(huán)及尾水管鋼襯,質(zhì)量單元模擬主要機(jī)電設(shè)備及流道中的水,彈簧單元模擬圍巖對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的約束作用。邊界條件為：尾水管底板及集水井底部與圍巖之間均按剛性連接處理,其余與圍巖接觸部位采用彈性連接處理來模擬圍巖作用。計(jì)算模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系,X軸為水平左右方向,沿廠房縱軸指向左側(cè)為正(面向下游)；Y軸為鉛直方向,向上為正；Z軸為水平上下游方向,指向下游為正；坐標(biāo)系原點(diǎn)選在機(jī)組安裝高程處。

混凝土標(biāo)號(hào)C25,彈性模量28GPa,泊松比0.167；圍巖單位抗力系數(shù)為55 kPa/cm。廠房結(jié)構(gòu)三維整體計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)數(shù)120 239,單元總數(shù)135 021。廠房結(jié)構(gòu)整體有限元計(jì)算模型網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 廠房結(jié)構(gòu)整體有限元模型網(wǎng)格

3 機(jī)組振動(dòng)荷載作用下廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)

計(jì)算采用諧響應(yīng)法,即認(rèn)為各方向上機(jī)組振動(dòng)荷載為同頻率同相位的,能夠同時(shí)達(dá)到最大值。機(jī)組動(dòng)荷載施加方法為切向和豎向荷載均勻施加在每塊基礎(chǔ)板對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上,徑向荷載只施加在靠近上游的基礎(chǔ)板上,這是對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為不利的作用組合[5]。正常運(yùn)行工況時(shí)荷載頻率為機(jī)組額定轉(zhuǎn)頻4.17 Hz,飛逸工況時(shí)荷載頻率為機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)頻7.6 Hz。

現(xiàn)行水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)機(jī)墩振動(dòng)最大振幅的控制標(biāo)準(zhǔn)為：標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí),垂直振幅不大于0.15 mm；水平橫向與扭轉(zhuǎn)振幅之和不大于0.20 mm[6]。廠房結(jié)構(gòu)作為機(jī)組支撐體系的同時(shí),又是電站工作人員的工作場(chǎng)所,需要保證人體工作環(huán)境具有一定的舒適度?，F(xiàn)行廠房設(shè)計(jì)規(guī)范中并未針對(duì)人體健康方面明確提出振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn),因此應(yīng)根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、人體健康等相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn),提出適合水電站主廠房的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[7]中提出水電站主廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值如表1所示。

表1 水電站主廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)建議值

不同工況廠房結(jié)構(gòu)各典型部位最大動(dòng)位移計(jì)算結(jié)果見表2、3。

表2 正常運(yùn)行工況各部位最大振動(dòng)反應(yīng)值

表3 飛逸工況各部位最大振動(dòng)反應(yīng)值

由計(jì)算結(jié)果可知：①正常運(yùn)行工況下,作為機(jī)組主要支撐體系的機(jī)墩部位振動(dòng)反應(yīng)較其他部位明顯,其中以基礎(chǔ)板位置附近最為突出。定子基礎(chǔ)位置水平向最大動(dòng)位移值為0.109 mm,最大均方根速度為2.019 mm/s,最大均方根加速度為0.053 m/s2,結(jié)構(gòu)的位移滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)的速度和加速度也在控制標(biāo)準(zhǔn)允許值以內(nèi)；豎向振動(dòng)反應(yīng)較水平向要低,同樣滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。除此之外,下機(jī)架基礎(chǔ)位置振動(dòng)反應(yīng)同樣比較明顯,水平向最大動(dòng)位移值達(dá)到0.089 mm,最大均方根速度和加速度也分別達(dá)到了1.649 mm/s和0.043 m/s2。到了機(jī)墩底部截面位置各方向最大振動(dòng)反應(yīng)值進(jìn)一步減小,均未超過控制標(biāo)準(zhǔn)允許值。發(fā)電機(jī)層樓板豎向最大動(dòng)位移值較大,豎向最大動(dòng)位移值為0.070 mm,發(fā)生在上游蝶閥吊物孔處；上下游向最大動(dòng)位移值為0.071 mm,發(fā)生在樓板下游中部位置；左右向最大動(dòng)位移值要比上下游方向小,值為0.011 mm,發(fā)生在樓板左側(cè)中部位置。發(fā)電機(jī)層樓板最大均方根速度及加速度的出現(xiàn)位置與最大動(dòng)位移出現(xiàn)位置相一致。發(fā)電機(jī)層樓板豎向振動(dòng)反應(yīng)要比水平其他兩向較明顯,但3個(gè)方向上的最大振動(dòng)反應(yīng)值均小于控制標(biāo)準(zhǔn)中的限值。②飛逸工況下各典型部位動(dòng)位移、振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度的分布規(guī)律與正常運(yùn)行工況類似,各方向的最大振動(dòng)反應(yīng)值也都滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。③兩種工況下,廠房整體結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力較小,正常運(yùn)行工況最大動(dòng)應(yīng)力為1.022 MPa,飛逸工況下最大動(dòng)應(yīng)力為0.955 MPa,均發(fā)生在機(jī)組荷載直接作用的基礎(chǔ)板位置附近。在機(jī)組振動(dòng)荷載作用下,除機(jī)墩組合部位之外,廠房其他部位動(dòng)應(yīng)力水平不高,表明機(jī)組振動(dòng)荷載主要影響部位集中在機(jī)組主要支撐結(jié)構(gòu)上。

4 流道脈動(dòng)水壓力作用下廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)

由水輪機(jī)模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可知,蝸殼進(jìn)口處脈動(dòng)壓力主要為低頻運(yùn)動(dòng)；頂蓋下脈動(dòng)壓力,即導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前的區(qū)域,主要為中頻運(yùn)動(dòng)；尾水管流道內(nèi)的脈動(dòng)壓力表現(xiàn)為低頻運(yùn)動(dòng)。根據(jù)流道脈動(dòng)壓力時(shí)間歷程曲線選取脈動(dòng)壓力幅值較大的情況,作為典型工況,具體施加的脈動(dòng)壓力荷載參數(shù)見表4。采用諧響應(yīng)法,即認(rèn)為蝸殼及尾水管內(nèi)全流道的脈動(dòng)壓力為均勻分布且同相位,對(duì)脈動(dòng)水壓力作用下的廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。

表4 流道脈動(dòng)壓力幅值及主頻

在脈動(dòng)壓力作用下,廠房相對(duì)薄弱的樓板、風(fēng)罩結(jié)構(gòu)容易引起強(qiáng)烈振動(dòng),選取部分振動(dòng)反應(yīng)較大的部位計(jì)算其動(dòng)力響應(yīng)值,計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 各部位最大振動(dòng)位移、均方根速度和均方根加速度

由計(jì)算結(jié)果可知：①發(fā)電機(jī)層樓板屬于廠房結(jié)構(gòu)較為薄弱部位,其振動(dòng)反應(yīng)較明顯。上下游向振動(dòng)較其他兩向突出,振動(dòng)位移最大為18.03 μm,出現(xiàn)在下游與風(fēng)罩左側(cè)連接處,遠(yuǎn)小于廠房振動(dòng)位移控制標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)電機(jī)層樓板振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度分布規(guī)律與振動(dòng)位移一致,上下游向最大均方根速度為1.025 mm/s,最大均方根加速度為0.082 m/s2,同樣滿足廠房振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。母線層樓板振動(dòng)反應(yīng)分布規(guī)律與發(fā)電機(jī)層樓板大體相同,但其響應(yīng)值較發(fā)電機(jī)層樓板要小。②風(fēng)罩振動(dòng)反應(yīng)以水平向振動(dòng)為主,其中上下游向反應(yīng)較為明顯。風(fēng)罩部位上下游向振動(dòng)位移最大為17.46 μm,滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求；最大均方根速度、均方根加速度與發(fā)電機(jī)層樓板響應(yīng)值最為接近,分別達(dá)到了0.993 mm/s、0.080 m/s2。機(jī)墩作為大體積塊體結(jié)構(gòu),其振動(dòng)反應(yīng)較風(fēng)罩部位要小。機(jī)墩部位振動(dòng)響應(yīng)最大值主要集中在下游定子基礎(chǔ)截面外部,該部位上下游向振動(dòng)位移達(dá)到13.92 μm,豎向振動(dòng)位移達(dá)到8.37 μm；最大均方根速度、均方根加速度出現(xiàn)位置與最大動(dòng)位移出現(xiàn)位置相同。③蝸殼外圍混凝土水平振動(dòng)響應(yīng)值較其他部位要小,但其豎向振動(dòng)位移最大,達(dá)到了10.22 μm,出現(xiàn)在下游中部位置。

流道脈動(dòng)壓力作用下廠房結(jié)構(gòu)左右向最大動(dòng)拉應(yīng)力出現(xiàn)在尾水管出口端上部外圍混凝土位置,值為0.295 MPa；豎向最大動(dòng)拉應(yīng)力出現(xiàn)在蝸殼鼻端混凝土位置,值為0.485 MPa；上下游向最大動(dòng)拉應(yīng)力出現(xiàn)在錐管進(jìn)人洞內(nèi)側(cè),值為0.175 MPa。蝸殼和尾水管鋼襯附近的外圍混凝土受到脈動(dòng)壓力作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力要比其他較遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)部位混凝土的拉應(yīng)力大一些。由此說明,流道脈動(dòng)壓力作用對(duì)流道附近混凝土的影響要比其他結(jié)構(gòu)部位的影響大。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)某水電站地下廠房結(jié)構(gòu)機(jī)組振動(dòng)荷載作用和流道脈動(dòng)水壓力作用下的振動(dòng)反應(yīng)分析,得出如下結(jié)論：

(1)機(jī)組振動(dòng)荷載對(duì)樓板、風(fēng)罩機(jī)墩等部位作用較明顯,廠房整體結(jié)構(gòu)能夠滿足水電站安全運(yùn)行的要求。由于下機(jī)架基礎(chǔ)板、定子基礎(chǔ)板為機(jī)組振動(dòng)荷載直接作用位置,故這些部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意在基礎(chǔ)板位置處采取加強(qiáng)措施。

(2)流道脈動(dòng)水壓力作用下,廠房結(jié)構(gòu)各部位各方向振動(dòng)反應(yīng)較小,樓板、風(fēng)罩機(jī)墩等部位振動(dòng)反應(yīng)同樣較其他部位明顯。廠房整體結(jié)構(gòu)中動(dòng)應(yīng)力水平較大的部位主要集中在流道附近,其動(dòng)應(yīng)力值低于混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度。

(3)各層樓板、風(fēng)罩、立柱等部位為廠房結(jié)構(gòu)中較為薄弱的部位,設(shè)計(jì)中應(yīng)注意采取措施增加這些部位的剛度以提升其抗振能力。

[1]馬震岳, 路振剛. 紅石水電站廠房的機(jī)組誘發(fā)振動(dòng)及抗振加固研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2002(1)： 28-36．

[2]申艷, 伍鶴皋, 熊衛(wèi)亞, 等. 白蓮河抽水蓄能電站地下廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析[J]. 水力發(fā)電, 2010, 36(7)： 43-46．

[3]汪麗川, 宋自靈, 李賢通. 巖灘電廠機(jī)組和廠房振動(dòng)消除的研究[J]. 廣西電力, 2003, 26(1)： 1-7．

[4]宋志強(qiáng). 水電站機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)特性研究[D]. 大連： 大連理工大學(xué), 2009．

[5]馬震岳, 張波. 水電站廠房機(jī)墩結(jié)構(gòu)加載方式探討及剛度分析[J]. 水力發(fā)電, 2009, 35(7)： 40-43．

[6]NB/T 35011—2013 水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]馬震岳, 張運(yùn)良, 陳婧, 等. 水電站廠房和機(jī)組耦合動(dòng)力學(xué)理論及應(yīng)用[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社, 2013．

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Vibration Responses Analysis of Hydro-Plant Powerhouse Structure Due to Endogenic Vibration

GAO Mengwei, FANG Chaoyang

(School of Water Resources and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China)

The vibration energy generated by sorts of exciting force owing to the operation of hydropower generating units is quite large. It will directly affect powerhouse structure which is the support system of units and even seriously threaten powerhouse structure safety. Based on linear elastic dynamics finite element calculation theory, the FEM software ANSYS is utilized to establish three-dimensional finite element model of a underground powerhouse, and the dynamic calculation for powerhouse model is carried out to research endogenic vibration’s effect on powerhouse structure. The result indicates that the effects of unit vibration load are obvious on the floor, the wind shield and the generator pier, while the overall powerhouse structure can meet the requirements of safe operation of hydropower station．

underground powerhouse; endogenic vibration; vibration response; finite element method

2016-06-14

高朦偉(1990—),男,河北滄州人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)數(shù)值模擬；方朝陽(通訊作者)．

TV731

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0559-9342(2017)02-0044-03