徐 麗，廖 俊，陳建秋，蔣寅軍

（1.廣州大學，廣東省廣州市 510006；2.江西中余建筑設計研究院有限公司，江西省新余市 338099；3.武漢大學，湖北省武漢市 430072）

廣州抽水蓄能電站A廠振動測試與分析

徐 麗1，廖 俊2，陳建秋1，蔣寅軍3

（1.廣州大學，廣東省廣州市 510006；2.江西中余建筑設計研究院有限公司，江西省新余市 338099；3.武漢大學，湖北省武漢市 430072）

對廣州蓄能水電廠A廠的地下廠房進行振源測試及整體結構環(huán)境激勵下的模態(tài)測試，分析了振源頻率成分及來源，模態(tài)分析得到廠房結構的多階模態(tài)頻率及振型，并與有限元計算結果進行了對比。測試分析結果顯示了結構當前振動性能狀態(tài)，為結構計算模型修正及結構的安全性能評定提供了依據(jù)。

地下廠房；模態(tài)測試；振源測試

0 引言

水電站廠房由于其結構特點和功能需要，運行中的振動問題非常普遍[1]，尤其是抽水蓄能電站因為具有高水頭、高轉速、雙向運轉、過渡過程復雜等特點，與常規(guī)水電站相比，機組支撐的廠房結構承受的機械離心力、電磁不平衡力矩以及流道壓力脈動產(chǎn)生的振動都大得多。機組周圍混凝土支撐廠房結構的受力和振動問題已受到水電站設計者和運行者的重視[2][3]，機組在運行過程中誘發(fā)廠房振動，在運行實踐中時有發(fā)生，甚至引起被迫停機[4-6]。近年來國內(nèi)研究者對多座抽水蓄能電站地下廠房進行了動力分析研究，為地下廠房的動力特性優(yōu)化及抗振設計提供了理論依據(jù)與參考實例[7-11]。原型現(xiàn)場測試更是直觀有效地反映出振動原因以及振動對結構的影響[12-14]。

由于水電廠廠房一般規(guī)模龐大，現(xiàn)場測試多以水輪發(fā)電機組的振動測試為主[15-17]，廠房的振動測試則相對缺乏實測資料。但對廠房結構進行現(xiàn)場振動測試，雖然實施難度較大，但一方面可以直接獲得結構的動力特性，是了解廠房結構性能現(xiàn)狀的第一手資料；另一方面可以為假定的理論計算模型提供修正依據(jù)，建立符合廠房結構現(xiàn)狀的結構模型，也會為今后水電廠廠房的現(xiàn)場振動測試積累經(jīng)驗。本文介紹了對廣州抽水蓄能電廠地下廠房結構進行的一系列振動測試工作，為結構計算模型修正及結構的安全性能評定提供依據(jù)。

1 工程概況

廣州蓄能水電廠是我國第一座高水頭、大容量純抽水蓄能電站，裝機容量2400MW。A廠廠房于1994年全面竣工投產(chǎn)，廠內(nèi)共有4臺320MW立軸單級可逆混流式水泵水輪機發(fā)電電動機組，主機間長92.5m、寬21m。廠房主體結構為鋼筋混凝土梁、柱、樓板組成的框架結構，由上到下分為電動發(fā)電機層、中間層、水泵水輪機層、蝸殼層以及底部的管廊道層、集水廊道層等。A廠主機間結構為兩機一縫，施工圖設計階段為滿足各臺機組先后投產(chǎn)需要，在1～2號、3～4號機組之間的樓板、梁各增設一條施工縫。施工縫處的板和梁分別搭在梁伸出的挑耳或柱牛腿上。

A廠結構在長期的振動與噪聲工作環(huán)境中出現(xiàn)了裂縫和損傷。雖然已對廠房損傷結構進行了加固處理，但裂縫損傷是由何種振動引起的，目前廠房結構在工作中是否安全，存在的問題對未來使用有何影響等問題，是需要進一步考查的內(nèi)容。本文擬通過現(xiàn)場振源測試及廠房結構自振特性測試分析工作，考查振源情況和當前結構的振動情況，為結構計算模型提供修正依據(jù)，從而可以進行全面的結構的安全性能評估。

2 振源測試及分析

2.1 測點布置及測試工況

抽水蓄能電站造成振動比較顯著的可能來源有：電車不平衡引起的振動、水流道壓力脈動引起的振動以及機組不平衡存在偏心產(chǎn)生的振動。這些振動由其支撐結構傳至廠房各相關鋼筋混凝土受力構件。因此，將傳感器布置在機組以及與機組直接相關的支撐結構處，在機組不同運行狀況下，測量足夠長時間的加速度時程信號，以獲取快速運轉時電車不平衡振動、機組不平衡振動及水流道壓力脈動引起的振動。

振動測試儀器包括B&K PULSE OMA分析軟件，48通道PULSE 3560D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，B&K NEXUS 2692-014型電荷放大器和4381V型電荷加速度計。

選擇3號機組作為振源測試對象。在水輪發(fā)動機組上的振源測點自上而下分別布置，共4個測點。機墩混凝土和蝸殼外包混凝土上共6個測點。每測點各布置3個方向的傳感器，共30個傳感器。具體測點布置圖及部分測點照片如圖1所示。

測試工況：為3號機組單機運行的不同狀態(tài)：3號機組發(fā)電開機、發(fā)電穩(wěn)態(tài)及發(fā)電停機各狀態(tài)；3號機組抽水穩(wěn)態(tài)、抽水開機及抽水停機各狀態(tài)。

圖1 振源測試加速度測點布置示意圖及照片F(xiàn)ig.1 The layout and photo of acceleration measurement points for vibration source test

2.2 振源測試結果分析

通過對在現(xiàn)場不同高程上不同振源部位的加速度時程信號進行峰值確定、頻譜分析，確定振源成分。部分頻譜測試結果見圖2和圖3。抽水穩(wěn)態(tài)運行時各測點頻率分布見表1和表2。

圖2 抽水穩(wěn)態(tài)運行時測點1的頻譜結果Fig.2 Auto-spectrum functions of point 1 in steady-state pumping case

從頻譜圖和頻率分布表可以得知：

（1）機組本身在不同高程上固定含有頻率8.3Hz以及它的倍頻，其中7倍倍頻58.3Hz比較突出；并且包含一個2.3Hz的頻率成分；混凝土墩上各測點也含有8.3Hz以及它的倍頻，靠近蝸殼的混凝土墩處偶爾含有一個2.3Hz的頻率成分；蝸殼上的測點頻譜顯示其主要有一個2.3Hz的頻率成分；表明這個2.3Hz的頻率成分與渦帶壓力脈動有關。

（2）發(fā)電機組工作轉速500r/m，計算可得到機組轉速基本頻率為8.3Hz。因此測試得到的穩(wěn)態(tài)運行時的振動頻率為計算轉動頻率8.3Hz及其倍頻。由于機組轉輪葉片為7，故7倍轉頻58.3Hz顯著。

圖3 抽水穩(wěn)態(tài)運行時測點6的頻譜結果Fig.3 Auto-spectrum functions of point 6 in steady-state pumping case

表1 抽水穩(wěn)態(tài)運行時各測點水平短軸向頻率分布Tab.1 The frequency distribution of measurement points at short axis in steady-state pumping case

表2 抽水穩(wěn)態(tài)運行時各測點水平長軸向頻率分布Tab.2 The frequency distribution of measurement points at long axis in steady-state pumping case

3 整體廠房自振特性測試及分析

3.1 測點布置

主廠房結構為鋼筋混凝土框架結構，平面基本規(guī)整，結構在短軸方向與巖石嵌固。在每層吊物孔、大塊樓板及邊梁處豎直方向布置低頻加速度計。水平平動模態(tài)測試僅關注長軸方向，傳感器水平向布置在各樓層邊跨柱的樓板中心標高處。采用ENDEVCO 86型恒流源加速度計進行測試。

測試時在發(fā)電機層選取一個固定參考點，布置三向加速度傳感器，共分7次進行結構整體脈動測試。發(fā)電機層豎向測點37個，長軸水平向測點4個，短軸水平向測點4個；中間層豎向測點37個，長軸水平向測點4個，短軸水平向測點4個；水泵水輪機層布置1點3個方向的加速度傳感器。采用環(huán)境激勵下的模態(tài)測試方法進行廠房結構的自振特性測試，在機組停機狀態(tài)時進行結構的長時間脈動測試。部分測點布置圖及測點照片見圖4與圖5。

圖4 結構整體動力特性測試加速度測點照片F(xiàn)ig.4 Photos of acceleration measurement points for structural dynamic properties test

3.2 廠房自振特性測試結果及分析

對實測的加速度脈動信號進行模態(tài)分析，得到結構自振頻率見表3，對應的各階振型圖見圖6。

表3 實測結構整體自振頻率表Tab.3 The measured frequencies of the whole structure

圖5 結構整體動力特性測試發(fā)動機層測點布置圖Fig.5 The layout of measurement points on the generator floor for structural dynamic properties test

與前期對廠房結構的有限元分析結果對比顯示：

（1）有限元分析得到結構整體第一階模態(tài)也為長軸方向平動模態(tài)，計算頻率為12.951Hz，比實測的基頻略低。這是由于有限元模型將結構在上下游邊柱的切向簡單地假設為無約束，而實測結果表明存在一定的約束剛度，不能忽略。

測試中在水平向沿短軸和長軸向均布置有傳感器，但未得到結構水平短軸方向的平動模態(tài)，說明廠房結構上下游邊界與巖石的實際法向約束比較強。計算模型需充分考慮短軸方向部分梁、柱體與巖體相連的約束程度。

（2）由于廠房結構中大體積混凝土機墩的存在，以及周邊巖洞對結構的約束作用，廠房結構的振動模態(tài)大多基本表現(xiàn)為板、梁構件的局部豎向振動，且頻率密集，主要集中在20.0～25.0Hz，與有限元計算結果相似。

（3）由振源測試分析可知，機組振動頻率主要為8.3Hz及其倍頻，7倍轉頻58.3Hz比較顯著，并有一與渦帶壓力脈動有關的2.3Hz頻率成分。而結構整體基頻測得為16.49Hz，結構整體的局部振動模態(tài)頻率集中于20～28Hz。參照關于廠房結構的共振校核標準，結構自振頻率和荷載頻率之差與結構自振頻率之比大于20%～30%，機組與廠房結構間沒有發(fā)生共振。

4 結束語

通過對廣州蓄能水電廠A廠進行振源測試及廠房整體結構模態(tài)測試及分析，可以得出以下幾點結論：

（1）振源振動主要表現(xiàn)為發(fā)電機組工作轉速引起的8.3Hz及其倍頻振動，7倍轉頻58.3Hz顯著；并有一與渦帶壓力脈動有關的2.3Hz頻率成分。

（2）實測整體廠房結構的模態(tài)與ANSYS有限元模型計算所得結果基本一致：一階模態(tài)為長軸向的整體平動；板、梁構件的局部豎向振動模態(tài)較多；測得廠房扭轉模態(tài)，但短軸方向沒有振型發(fā)生。

第一階實測頻率結果比有限元計算結果偏高，表明實際結構比有限元分析模型的整體剛度要大，主要來自廠房結構上下游邊界上存在的部分切向剛度。這有待于對有限元模型進行修正，使得計算的結果更好地與實測結果相符合，以保證后續(xù)對結構整體安全性能做出正確評估。

（3）對于像抽水蓄能電廠這樣的大型復雜結構，運營過程中的動力測試數(shù)據(jù)具有較強的保存價值?？梢該?jù)此全面了解廠房結構當前動力性能狀態(tài)，并可用于修正廠房結構的初始有限元模型，對于校核設計，長期性能監(jiān)測，以及做出實時的性能評估具有重要的意義。

圖6 結構各階模態(tài)振型圖Fig.6 The measured modes of the whole structure

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2017-06-15

2017-07-18

徐 麗（1971—），女，博士，副研究員，主要研究方向：消能減振及振動測試分析工作。

Vibration Test and Analysis of the Underground Powerhouse of A Plant in GPSPS

XU Li1，LIAO Jun2，CHEN Jianqiu1，JIANG Yinjun3
（1.Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Jiangxi Zhongyu Architectural Design & Research Institute Co.，Ltd.，Xinyu 338099，China；3.Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Vibration source tests and modal tests using ambient excitation of the underground powerhouse of A plant in GPSPS were carried out.The frequency components and sources of vibration were obtained by spectrum analysis.And the modal frequencies and mode shapes of the structure were obtained by modal analysis.The result was compared with that of FEM analysis.The test analysis provides a basis for the structural model updating and structural safety evaluation.

underground powerhouse; modal test; vibration source test

TV32

A學科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.010