周艷國，何 濤，何 直，宋一樂

（1.武漢大學(xué)振動(dòng)研究所，湖北省武漢市 430072；2.南方電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰公司，廣東省廣州市 510950；3.武漢大學(xué)土建學(xué)院，湖北省武漢市 430072）

廣州抽水蓄能電站A廠廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

周艷國1，3，何 濤2，何 直2，宋一樂1，3

（1.武漢大學(xué)振動(dòng)研究所，湖北省武漢市 430072；2.南方電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰公司，廣東省廣州市 510950；3.武漢大學(xué)土建學(xué)院，湖北省武漢市 430072）

抽水蓄能電站地下廠房抗振設(shè)計(jì)一直都是難點(diǎn)，使得許多地下廠房結(jié)構(gòu)運(yùn)行數(shù)年后出現(xiàn)不同程度的損傷，影響了電站的正常運(yùn)行。進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)研究可以獲得廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，并指導(dǎo)廠房結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計(jì)。通過對板梁柱框架廠房結(jié)構(gòu)和厚板廠房結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場模態(tài)試驗(yàn)，獲得了它們的頻率和振型，為合理的廠房抗振結(jié)構(gòu)型式提供了科學(xué)依據(jù)。

廠房抗振設(shè)計(jì)；厚板結(jié)構(gòu)；模態(tài)試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

1 概述

受科學(xué)技術(shù)水平的限制以及認(rèn)識水平的制約，不論在理論上還是在實(shí)踐中，超大型電站地下廠房的抗振設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)。我國《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 266—2001）僅對機(jī)組的機(jī)墩防“共振”提出一定的限制，而對廠房結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)提不出更具體的要求。從技術(shù)層面上說，地下廠房結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得廠房結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)規(guī)范也沒有科學(xué)的范本，設(shè)計(jì)人員無法參照規(guī)范或利用合理的理論計(jì)算的手段獲得理想的抗振結(jié)構(gòu)體系，也沒有合理的結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)允許值，抗振設(shè)計(jì)的措施僅僅是在靜力荷載的基礎(chǔ)上增加1.2倍的動(dòng)力放大系數(shù)，因此廠房結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計(jì)，只能利用有限的或傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法開展。早期建造的抽水蓄能電站一般采用傳統(tǒng)的板梁柱框架結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間的推移，在水力機(jī)組復(fù)雜動(dòng)力荷載的交變作用下，這些廠房結(jié)構(gòu)抗振缺陷逐漸暴露出來，部分構(gòu)件出現(xiàn)各種裂紋或裂縫，并有繼續(xù)發(fā)展的趨勢，給機(jī)組正常運(yùn)行留下安全隱患。意識到傳統(tǒng)抗振設(shè)計(jì)方法中的問題，現(xiàn)代蓄能電站地下廠房抗振設(shè)計(jì)大多采用厚板結(jié)構(gòu)，即增加地下廠房各層樓板的厚度，從目前運(yùn)行情況看，厚板結(jié)構(gòu)廠房的抗振能力明顯優(yōu)于普通框架結(jié)構(gòu)。另外，機(jī)組的土建結(jié)構(gòu)最佳布置形式也是地下廠房抗振設(shè)計(jì)中的一個(gè)問題，通常采用一機(jī)一縫或兩機(jī)一縫。一機(jī)一縫結(jié)構(gòu)廠房的土建結(jié)構(gòu)（包括機(jī)墩、框架等）兩側(cè)設(shè)置20mm的冷縫，單獨(dú)形成一臺機(jī)組結(jié)構(gòu)工作體系；兩機(jī)一縫結(jié)構(gòu)在兩臺機(jī)組兩側(cè)設(shè)置冷縫，兩臺機(jī)組的土建結(jié)構(gòu)形成一個(gè)結(jié)構(gòu)工作體系。兩種體系的廠房結(jié)構(gòu)形式哪一種的抗振性能更好，也是業(yè)內(nèi)爭論的話題。為了解釋上述各種疑慮，利用現(xiàn)場模態(tài)試驗(yàn)的方法測試了兩種不同類型地下廠房結(jié)構(gòu)形式的動(dòng)力特性。某電站設(shè)有A廠房和B廠房[1]，A、B廠房之間距離僅為200m。A廠房采用了兩機(jī)一縫布局，結(jié)構(gòu)形式為板、梁、柱框架結(jié)構(gòu)，簡稱A廠房；B廠房采用一機(jī)一縫布局結(jié)構(gòu)，各層樓板改用60cm以上的厚板，簡稱B廠房。通過現(xiàn)場實(shí)測這兩種不同形式地下廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，獲得了它們實(shí)際情況下的基本自振頻率和對應(yīng)振型等，以此評價(jià)不同結(jié)構(gòu)形式地下廠房的抗振性能，為大型地下廠房結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計(jì)選型和電站的后期運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 提出問題

抽水蓄能電站的特點(diǎn)是高水頭、高轉(zhuǎn)速、機(jī)組頻繁雙向啟動(dòng)或關(guān)閉運(yùn)行，這使得蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題十分突出。然而受傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想支配，早期的蓄能電站地下廠房一般都沿用普通廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，采用以機(jī)組機(jī)墩為核心的板、梁、柱框架結(jié)構(gòu)形式，其中板的厚度一般取30～40mm。為了機(jī)組檢修，在每層樓板都布置有機(jī)組轉(zhuǎn)輪拆裝孔與球閥檢修孔，電站A廠房即采用這種結(jié)構(gòu)形式。隨著時(shí)間的推移，在水電站水力、機(jī)械和電磁動(dòng)力荷載的反復(fù)作用下，這類廠房結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始出現(xiàn)疲勞損傷或損壞，特別是在樓板孔口處，廠房的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)了不同程度的裂紋或是甚至肉眼可見的裂縫，根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果[2]，這些損傷還有發(fā)展的趨勢[3]，廠房結(jié)構(gòu)的損傷給電站的繼續(xù)運(yùn)行留下安全隱患。隨著抽水蓄能電站建設(shè)的蓬勃發(fā)展，厚板結(jié)構(gòu)形式在蓄能電站以及其他水力發(fā)電廠廣泛使用，B廠房采用的就是這種結(jié)構(gòu)形式，從外表看，B廠房結(jié)構(gòu)布置與A廠房結(jié)構(gòu)基本相同，主要差異是增加了廠房各層樓板的厚度，梁也相應(yīng)減少或改為暗梁形式，根據(jù)目前情況看，B廠房運(yùn)行至今混凝土結(jié)構(gòu)基本完好，構(gòu)件沒有明顯的損傷，顯然增加廠房樓板厚度對改善廠房結(jié)構(gòu)的抗振能力有較大幫助[4]。為了比較普通廠房框架結(jié)構(gòu)與厚板結(jié)構(gòu)的抗振性能，同時(shí)對損傷廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷和分析，以及鑒別其損傷程度并進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)，采用現(xiàn)場模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)測量了兩種廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，獲得了它們前五階頻率和對應(yīng)的振型特征，利用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，闡述了厚板結(jié)構(gòu)在蓄能電站廠房抗振設(shè)計(jì)中的優(yōu)越性。

3 試驗(yàn)原理與方法

3.1 試驗(yàn)原理

模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)是一種研究建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的先進(jìn)方法，是系統(tǒng)識別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是建筑結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，主要包括結(jié)構(gòu)的固有頻率、對應(yīng)的結(jié)構(gòu)振型、阻尼比等參數(shù)。結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力特性取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度的分布以及結(jié)構(gòu)的阻尼等物理性能，試驗(yàn)得到的每一個(gè)模態(tài)參數(shù)對應(yīng)一組固有的自振頻率、振型和阻尼比。實(shí)際工程應(yīng)用中一般獲得前三階到前五階模態(tài)參數(shù)即可。通過模態(tài)分析可以了解廠房結(jié)構(gòu)在易受外界干擾力影響的頻率范圍內(nèi)的各階固有模態(tài)特性，從而可以預(yù)測在各種擾力振源作用下，結(jié)構(gòu)在此頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)，并且判別結(jié)構(gòu)是否會(huì)產(chǎn)生“共振”，同時(shí)可以尋找或發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的抗振薄弱部位，并利用模態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改。因此，模態(tài)試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)抗振性能及進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)故障診斷的重要方法，也是結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計(jì)的基本資料。模態(tài)試驗(yàn)的基本原理是，對靜止?fàn)顟B(tài)下的廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行人為或利用大地脈動(dòng)的方式激振，同時(shí)測量激振力與建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，對激振力和動(dòng)力響應(yīng)同時(shí)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）分析，得到建筑物任意兩點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)，從而建立建筑物的模態(tài)模型，利用模態(tài)分析理論對試驗(yàn)?zāi)B(tài)模型的傳遞函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，識別出建筑物的固有頻率和對應(yīng)的振型。

3.2 試驗(yàn)方法

（1）采集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及獲取頻響函數(shù)。為了獲得廠房整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，首先必須對建筑物進(jìn)行激勵(lì)，蓄能電站地下廠房屬于超大型建筑物，一般采用人為激振的方法無法使之起振，利用地脈動(dòng)對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振是最佳選擇。地脈動(dòng)能量大，其頻譜接近白噪聲，頻譜范圍一般在0.1～100Hz，基本覆蓋了廠房結(jié)構(gòu)的主要自振頻率，也涵蓋了對廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響的振源可能頻率。地脈動(dòng)方法中采用的邊界條件與結(jié)構(gòu)實(shí)際的邊界條件完全相同，得到的頻率和振型最能符合建筑物的實(shí)際情況，但地脈動(dòng)的強(qiáng)度小，其位移幅值僅從千分之幾微米到幾微米，采用該方法時(shí)對信號采集技術(shù)要求很高，對環(huán)境的要求也非常高，否則，所采集的信號將無法獲得正確的頻響函數(shù)。為了減少其他因素的干擾，獲得較高的信噪比，試驗(yàn)選擇在機(jī)組停機(jī)的夜間進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)選定一個(gè)參考點(diǎn)，利用高靈敏度傳感器，測試在地脈動(dòng)作用下廠房結(jié)構(gòu)參考點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)，并同步測量其他各個(gè)模態(tài)測點(diǎn)的微幅振動(dòng)響應(yīng)，對參考點(diǎn)和各響應(yīng)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行FFT變換，獲取廠房結(jié)構(gòu)參考點(diǎn)與各測點(diǎn)之間的頻響函數(shù)。

（2）模態(tài)參數(shù)識別采用頻域法。對頻響函數(shù)進(jìn)行擬合，識別得到廠房結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比等模態(tài)參數(shù)。

（3）振型動(dòng)畫參數(shù)識別得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，即廠房結(jié)構(gòu)的固有頻率、模態(tài)阻尼以及相應(yīng)各階模態(tài)的振型。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必須采用動(dòng)畫的方法，將放大了的振型疊加到原始的幾何形狀上，形成廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)畫圖形。通過廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)圖形，可以清楚地分辨出廠房結(jié)構(gòu)的各種變形特征，確認(rèn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

根據(jù)建筑物抗振理論，模態(tài)試驗(yàn)按廠房的兩個(gè)主軸方向進(jìn)行，即廠房軸線方向（也是機(jī)組軸線方向）和廠房上下游方向（即水流方向）。頻響函數(shù)測試選擇加速度頻響函數(shù)。

模態(tài)試驗(yàn)流程框圖見圖1。

圖1 廠房模態(tài)試驗(yàn)基本流程圖Fig.1 Basic flow chart of plant modal test

4 測點(diǎn)布置

4.1 A廠房模態(tài)試驗(yàn)測點(diǎn)布置

A廠房動(dòng)力特性試驗(yàn)對象選擇在按兩機(jī)一縫形式布置的3、4號機(jī)組段進(jìn)行[6]，3、4號機(jī)組段的土建結(jié)構(gòu)屬于筒體-框架結(jié)構(gòu)。機(jī)墩為筒體，機(jī)墩厚度一般在1m以上，廠房結(jié)構(gòu)各樓層的板、梁、柱組成框架結(jié)構(gòu)，靠近機(jī)墩附近的板、梁直接搭接在機(jī)墩上，廠房框架結(jié)構(gòu)柱受圍巖法線方向約束（現(xiàn)場調(diào)查廠房結(jié)構(gòu)邊柱與圍巖的連接具有一定的隨機(jī)性），底層固定在圍巖基礎(chǔ)上，廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)網(wǎng)格圖主要選擇在梁、柱連接點(diǎn)處。模態(tài)試驗(yàn)測點(diǎn)布置基本原則如下：①反映廠房結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性；②為了與數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，試驗(yàn)測點(diǎn)布置與有限元計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)相對應(yīng)；③測點(diǎn)布置在廠房結(jié)構(gòu)的板、梁、柱的結(jié)點(diǎn)上。

A廠房的結(jié)構(gòu)屬于板、梁、柱框架結(jié)構(gòu)，其中板的振動(dòng)屬于結(jié)構(gòu)局部的垂直振動(dòng)，而模態(tài)試驗(yàn)更關(guān)注廠房整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。根據(jù)建筑物抗振規(guī)范，廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)主要研究廠房整體長軸方向（機(jī)組中心連線方向）和短軸方向（上下游方向）的動(dòng)力特性。根據(jù)上述設(shè)想，確定A廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)的測點(diǎn)布置。圖2和圖3分別為A廠房發(fā)電機(jī)層和中間層模態(tài)試驗(yàn)測點(diǎn)布置示意圖，中間層與水輪機(jī)層模態(tài)試驗(yàn)測點(diǎn)與發(fā)電機(jī)層位置相同。

4.2 B廠房模態(tài)試驗(yàn)測點(diǎn)布置

圖2 A廠房發(fā)電機(jī)層模態(tài)測點(diǎn)布置圖Fig.2 The modal point layout of the generator layer of A workshop

圖3 A廠房中間層模態(tài)點(diǎn)布置圖Fig.3 A layout of the modal point of the middle layer of A workshop

相對A廠房結(jié)構(gòu)，B廠房結(jié)構(gòu)按抗振設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了較大改進(jìn)。主要改進(jìn)點(diǎn)是：① 機(jī)組按一機(jī)一縫布置；② 廠房結(jié)構(gòu)中各樓層的板厚度從25～30cm增加至50～60cm；③ 廠房的上下游側(cè)設(shè)置1m厚的邊墻，廠房的邊墻分別與上下游圍巖緊密錨固。廠房結(jié)構(gòu)的板、梁、柱組成框架結(jié)構(gòu)支承在基礎(chǔ)圍巖上。厚板廠房（B廠房）結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)測點(diǎn)布置仍然以廠房結(jié)構(gòu)整體為主。由于B廠房結(jié)構(gòu)采用了一機(jī)一縫布置方案，因此結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)選擇一個(gè)機(jī)組段的廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行。B廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)選擇6號機(jī)組段進(jìn)行。圖4和圖5分別為B廠房發(fā)電機(jī)層和中間層模態(tài)測點(diǎn)布置示意圖，水泵水輪機(jī)層測點(diǎn)與發(fā)電機(jī)層相同，蝸殼層為模態(tài)試驗(yàn)固定層。

圖4 B廠房發(fā)電機(jī)層模態(tài)測點(diǎn)圖Fig.4 B plant generator layer modal point map

圖5 B廠房中間層模態(tài)測點(diǎn)圖Fig.5 B plant middle layer modal test point diagram

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 A廠房模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

表1為A廠房前五階模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果以及各階振動(dòng)頻率和對應(yīng)振型。

表1 A廠房前五階模態(tài)的固有頻率和對應(yīng)振型Tab.1 The natural frequencies and corresponding modes of the first five modes of A plant

由表1給出的A廠房模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：一階模態(tài)為廠房結(jié)構(gòu)整體平動(dòng)變形，平動(dòng)方向?yàn)閺S房軸線方向，對應(yīng)振動(dòng)頻率（基頻）為16.491Hz；二階模態(tài)為發(fā)電機(jī)層機(jī)組球閥檢修孔周邊的板的垂直振動(dòng)變形，對應(yīng)振動(dòng)頻率為20.103Hz，屬于廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件板的局部振動(dòng)；三階模態(tài)為各層樓板球閥檢修孔周邊的板的垂直振動(dòng)變形，對應(yīng)振動(dòng)頻率22.310Hz，也屬于廠房結(jié)構(gòu)元件各樓層板的局部振動(dòng)；四階模態(tài)為各層機(jī)組轉(zhuǎn)輪檢修孔周邊的板的垂直振動(dòng)變形，對應(yīng)振動(dòng)頻率26.389Hz，仍然是廠房結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)；五階模態(tài)為廠房整體結(jié)構(gòu)繞機(jī)墩的轉(zhuǎn)動(dòng)，對應(yīng)振動(dòng)頻率28.396Hz。模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，A廠房前五階固有頻率在16.491～28.396Hz的范圍內(nèi)。前五階頻率對應(yīng)振動(dòng)形態(tài)中，一階和五階振型為廠房結(jié)構(gòu)整體的變形，二階、三階、四階模態(tài)振型為廠房結(jié)構(gòu)檢修孔或吊物孔周邊的板局部垂直振動(dòng)。

5.2 B廠房模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

表2為B廠房前五階模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果以及各階振動(dòng)頻率和對應(yīng)振型。

B廠房模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，B廠房一階模態(tài)為廠房結(jié)構(gòu)整體水平方向平動(dòng)，對應(yīng)振動(dòng)頻率為19.88Hz；二階模態(tài)為廠房結(jié)構(gòu)整體繞機(jī)墩的轉(zhuǎn)動(dòng)，對應(yīng)振動(dòng)頻率23.25Hz；三階模態(tài)為廠房結(jié)構(gòu)整體平動(dòng)，平動(dòng)方向?yàn)闄C(jī)組水流方向，對應(yīng)振動(dòng)頻率24.38Hz；四階模態(tài)為廠房整體沿廠房軸線方向錯(cuò)動(dòng)，對應(yīng)振動(dòng)頻率27.25Hz；五階模態(tài)為廠房整體結(jié)構(gòu)二階彎曲振動(dòng)，振動(dòng)方向?yàn)閺S房軸線方向。根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，B廠房前五階固有頻率為19.88～29.25Hz，前五階頻率對應(yīng)的振型全部為廠房結(jié)構(gòu)整體變形，沒有廠房構(gòu)件的局部振動(dòng)變形。

表2 B廠房前五階模態(tài)的固有頻率和對應(yīng)振型Tab.2 The natural frequencies and corresponding modes of the first five modes of the plant

5.3 A、B廠房模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)A、B廠房模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，可以獲得它們的基本固有頻率，評估“共振”的可能性，了解廠房結(jié)構(gòu)的基本振動(dòng)變形，通過變形分析指出廠房整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，最后對比A、B廠房抗振設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

（1）根據(jù)振源測試結(jié)果[6]，廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)源主要是水力低頻脈動(dòng)（頻率5Hz以下）、機(jī)組轉(zhuǎn)頻（頻率8.33Hz）、轉(zhuǎn)輪葉片與水力干涉（頻率58.35Hz），將A、B廠房結(jié)構(gòu)前五階頻率與上述振源頻率比較可見，兩種廠房結(jié)構(gòu)的主要頻率與振源頻率的錯(cuò)開度滿足《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 266—2014）[7]大于20%以上的要求，廠房結(jié)構(gòu)前五階模態(tài)頻率中沒有與振源產(chǎn)生“共振”的頻率成分，在30Hz以下的頻率范圍內(nèi)，廠房結(jié)構(gòu)滿足抗振設(shè)計(jì)要求。結(jié)果分析中沒有考慮30Hz以上振源頻率對廠房結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)踐中廠房結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)頻率可能會(huì)與振源的高階頻率接近，但根據(jù)抗振理論，由于振源是通過大體積混凝土和大體積機(jī)墩傳遞，在傳遞過程中振源中的高階頻率成分已經(jīng)被大體積混凝土過濾掉，振源高頻成分對廠房結(jié)構(gòu)的影響也會(huì)迅速衰減，因此對廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響也會(huì)相應(yīng)減小。

（2）A、B廠房模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，廠房結(jié)構(gòu)沿廠房軸線方向的變形總是優(yōu)先發(fā)生，這與廠房結(jié)構(gòu)的布置關(guān)系密切。在廠房上下游方向A、B廠房都直接與圍巖相連，圍巖對廠房結(jié)構(gòu)具有顯著的約束作用，沿廠房軸線方向機(jī)組之間設(shè)置伸縮縫，伸縮縫形成了無約束的自由面，使得廠房結(jié)構(gòu)沿軸線方向可以更容易變形。地下廠房抗振設(shè)計(jì)中一機(jī)一縫與兩機(jī)一縫布置存在較大爭議，為了避免機(jī)組之間振源的傳遞而導(dǎo)致的互相干擾，一般建議廠房布置采用一機(jī)一縫的布置方式，但是通過A、B廠房模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，一機(jī)一縫和兩機(jī)一縫產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化并不明顯。而且根據(jù)結(jié)構(gòu)耗能的概念，采用兩機(jī)一縫方案也應(yīng)該具有一定的優(yōu)越性。

（3）A、B廠房都出現(xiàn)繞機(jī)墩轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)，說明機(jī)組機(jī)墩的剛度遠(yuǎn)大于廠房結(jié)構(gòu)的剛度，機(jī)墩剛度大有利于緩沖機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種振源向廠房土建結(jié)構(gòu)的傳遞，A、B廠房機(jī)組機(jī)墩的抗振設(shè)計(jì)是合理的。

（4）A廠房上下游邊墻的約束作用與機(jī)組機(jī)墩的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于廠房板、梁、柱框架結(jié)構(gòu)，使得A廠房2臺機(jī)組段之間伸縮縫的周邊成為廠房結(jié)構(gòu)的薄弱部位，模態(tài)試驗(yàn)振型也表明靠近伸縮縫處的框架結(jié)構(gòu)的變形要明顯大于邊墻和機(jī)墩附近的框架，誘發(fā)伸縮縫附近混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂紋。

（5）比較A、B廠房之間動(dòng)力特性可見，前五階固有頻率對應(yīng)的振型，A廠房含有2階整體變形、3階局部變形，B廠房5階振型全部為廠房結(jié)構(gòu)整體變形，這是A廠房結(jié)構(gòu)與B廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)的最大差異，產(chǎn)生這種變化的原因無疑是采用厚板的結(jié)果。根據(jù)A廠房模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，廠房結(jié)構(gòu)局部變形主要是吊物孔周邊板的垂直方向振動(dòng)，這是吊物孔周邊構(gòu)件裂紋或裂縫明顯多于其他部位的重要原因。仔細(xì)檢查采用厚板結(jié)構(gòu)的B廠房，基本未見混凝土結(jié)構(gòu)有明顯的裂紋，這表明厚板廠房的抗振能力優(yōu)于采用普通板、梁、柱的廠房。根據(jù)建筑物振害調(diào)查[8]，框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)是抗振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)楦鞣N不同形式、不同幾何尺寸的構(gòu)件在此交接，極易形成高應(yīng)力集中區(qū)。而采用厚板結(jié)構(gòu)后，除了增加廠房樓板的厚度以外，還可以取消牛腿，直接加強(qiáng)廠房結(jié)構(gòu)的板、梁、柱的連接，使結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)也大大強(qiáng)化，改善了建筑物的連接性能，從而提高了廠房結(jié)構(gòu)的整體抗振能力。

（6）采用厚板也可能帶來另外的問題。對于普通框架廠房結(jié)構(gòu)，板的厚度一般為30cm左右，板沿法向的尺寸一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，根據(jù)板殼理論，板的受力主要為法向平面內(nèi)的彎曲應(yīng)力。采用厚板后，由于板的法向尺寸與另外兩方向尺寸的比值減小，板有可能出現(xiàn)剪切力增大的現(xiàn)象，因此厚板抗振設(shè)計(jì)時(shí)需要做相應(yīng)的抗剪調(diào)整。

6 結(jié)束語

（1）模態(tài)試驗(yàn)給出了地下廠房結(jié)構(gòu)的前五階固有頻率和對應(yīng)振型。結(jié)果表明，廠房結(jié)構(gòu)固有頻率與振源頻率錯(cuò)開度大于20%，廠房結(jié)構(gòu)不會(huì)與振源頻率形成“共振”。

（2）根據(jù)蓄能電站廠房結(jié)構(gòu)布置要求，沿廠房軸線方向設(shè)置了伸縮縫，伸縮縫形成廠房結(jié)構(gòu)的自由邊界，使得伸縮縫附近的板、梁成為廠房混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱部位，因此伸縮縫周邊的廠房結(jié)構(gòu)部位的抗振設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)。

（3）模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，框架廠房結(jié)構(gòu)前五階模態(tài)中，存在3階局部變形，主要是各層樓板吊物孔周邊的垂直振動(dòng)，薄板吊物孔是廠房結(jié)構(gòu)抗振性能最薄弱的環(huán)節(jié)，也是部分廠房損傷的原因。采用厚板之后樓板吊物孔的局部振型基本消除，吊物孔周邊混凝土構(gòu)件的抗振能力明顯增加，現(xiàn)場檢查厚板廠房結(jié)構(gòu)吊物孔周邊未見裂紋或其他損傷。

（4）普通廠房建筑物的節(jié)點(diǎn)是各種構(gòu)件的結(jié)合點(diǎn)，也是應(yīng)力集中點(diǎn)，因此在抗振設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮。廠房結(jié)構(gòu)采用厚板形式后，可以取消牛腿，并有效地改善節(jié)點(diǎn)的受力不均勻性，提高廠房結(jié)構(gòu)的整體性，從而增加建筑物的抗振性能。

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2017-06-05

2017-07-10

周艷國（1976—），男，博士，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析及結(jié)構(gòu)抗震減振的教學(xué)與科研工作。Email：zhouyanguowhu@126.com

The Dynamic Characteristics of Pumped-Storage Power Station Underground Powerhouse Structure Research in GPSPS

ZHOU Yanguo1，3，HE Tao2，HE Zhi2，SONG Yile1，3
（1.vibration research institute of wuhan university，wuhan 430072，China; 2.The southern power grid peak shaving FM company，guangzhou 510950，China; 3.Institute of civil engineering of wuhan university，wuhan 430072，China）

The pumped-storage power station underground powerhouse vibration-proof design has always been the difficulty，many underground powerhouse structure to run A few years later appeared different degree of damage，affects the normal operation of the plant.For structural modal experimental research on the dynamic performance of the plant structure can Be obtained，And guide the vibration of powerhouse structure design.Through the plate beam column frame structure And thick plate factory of the structure of the modal test，

their frequency And vibration model，for the reasonable structure of plant resistance to vibration model provides a scientific Basis.

plant vibration-proof design；Thick plate structure；The modal test；Structural dynamic characteristics

TV32

A學(xué)科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.008

中央高校基本科研業(yè)務(wù)自主科研項(xiàng)目（武漢大學(xué) 2042016kf1120）。