華丕龍，何濤，蘇鵬力

（1.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東省廣州市 511440；2.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950）

廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房結(jié)構(gòu)抗振加固方案研究

華丕龍1，何濤2，蘇鵬力2

（1.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東省廣州市 511440；2.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950）

為評價抗振加固方案效果，以有限元軟件SAP2000為工具，建立廣州抽水蓄能水電廠A廠三維有限元模型?；谠撃Ｐ?，仿真計算了一機一縫加厚樓板方案、施工縫處局部梁柱加固方案，施工縫處局部梁柱加固及上下游邊墻填充方案。結(jié)果表明一機一縫加厚樓板減振效果最好；施工縫處局部梁柱加固方案能夠減輕施工縫處質(zhì)點振動，但其他部位效果不明顯；上下游邊墻填充方案對目標點的振動有增大也有減小，減振效果最差。

振動特性；SAP2000；質(zhì)量參與系數(shù)；動力響應(yīng)

0 引言

廣州蓄能水電廠A廠地下廠房由主廠房、安裝間和副廠房組成，其中主機間長92.5m、寬21m、高44.54m。主廠房由上到下分為發(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，由尾水管、蝸殼、機墩、風(fēng)罩與樓板、梁、柱相互聯(lián)系組合形成復(fù)雜的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

主廠房與安裝間、副廠房之間，均設(shè)置有結(jié)構(gòu)縫，主廠房2、3號機組之間設(shè)有一條結(jié)構(gòu)縫。但在施工階段為滿足各臺機組先后投產(chǎn)需要，在1號與2號機組之間、3號與4號機組之間的樓板、梁各增設(shè)一條施工縫。

水泵水輪機為法國Neyrpic公司制造，轉(zhuǎn)輪研究開發(fā)者為瑞士蘇爾壽艾雪維斯（SEWZ）公司。轉(zhuǎn)輪由17-4不銹鋼整鑄，7葉片，額定轉(zhuǎn)速500r/min。

2000年前后，水工人員陸續(xù)在A廠主廠房發(fā)電機層、中間層、水泵水輪機層的部分混凝土構(gòu)件上（梁、板）發(fā)現(xiàn)裂縫，2007年經(jīng)過詳細勘察，發(fā)現(xiàn)梁柱系統(tǒng)普遍存在開裂現(xiàn)象，大多數(shù)裂縫寬度在0.1～0.3mm間，梁裂縫主要分布在支點側(cè)，裂縫方向從支點處的45°到梁中部的90°。柱牛腿裂縫主要在鋼筋保護層，個別嚴重的裂縫寬度達5mm。鑒于此，電廠于2008年初對已發(fā)現(xiàn)的這些缺陷進行了應(yīng)急修復(fù)。但是為了徹底弄清裂縫產(chǎn)生機理，從源頭上治理這個問題，電廠做了大量工作。先后委托廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院進行了靜動力復(fù)核，加固方案設(shè)計，委托廣州大學(xué)、武漢大學(xué)分布進行了廠房振動模態(tài)試驗及振動響應(yīng)試驗，委托武漢大學(xué)和中國水利水電科學(xué)研究院進行數(shù)值計算和仿真。本文介紹本研究數(shù)值方法評價加固方案部分。

1 加固方案

1.1 方案A

方案A擬把A廠的施工縫徹底改造成結(jié)構(gòu)縫，同時把樓板加厚以增加樓板的剛度，即把A廠也改造成一機一縫厚梁板結(jié)構(gòu)。該方案的加固范圍如下：

（1）把發(fā)電機層、中間層、水輪機層的1、2號施工縫、3、4號施工縫改造成一機一縫；

（2）把發(fā)電機層、中間層樓板進行加厚；

（3）樓板加厚增加了梁的荷載，導(dǎo)致部分梁原來配筋不能滿足承載力要求，需對發(fā)電機層、中間層配筋不足的梁進行加固，提高其承載力。

方案A計算條件及模型（見圖1和圖2）：

（1）模型中新加梁和新加柱之間模擬為剛接；

（2）新加梁與老柱、新柱和老梁、新梁和老板之間模擬為鉸接；

圖1 1號機計算模型Fig.1 #1 machine model

圖2 2號機計算模型Fig.2 #2 machine model

（3）新加梁、柱混凝土采用C25；

（4）發(fā)電機層樓板加厚至450mm，中間層樓板加厚至400mm，樓板混凝土強度等級同老樓板；

（5）為方便建模，2號機組施工縫拐角處并排新加的兩根柱只簡化模擬為一根；

圖3 發(fā)電機層梁、柱加固范圍及動力響應(yīng)控制點布置Fig.3 Generator layer，column reinforcement scope and dynamic response control point layout

（6）假定外包混凝土鋼柱、梁等效斷面積增加0%，3-3截面慣性矩增加0%；

（7）其他條件同原始狀況兩機一縫模型。

1.2 方案B

方案B主要是對廠房發(fā)電機層和中間層施工縫處的梁和柱進行截面剛度增大。

計算條件如下：

（1）發(fā)電機層梁、柱加固范圍及動力響應(yīng)控制點布置見圖3；

（2）加固后梁斷面積增加20%，相對水平軸慣性矩增加1倍，相對垂直軸慣性矩增加20%；

（3）加固后柱斷面積增加15%，其他假定不變；

（4）其他條件同廠房原結(jié)構(gòu)兩機一縫模型，見圖4。

圖4 A廠廠房計算模型（左邊為1號機，右邊為2號機）Fig.4 Station A model on left machine #1 and #2

1.3 方案C

方案C擬對上下游邊墻邊柱間填充混凝土形成墻體，以增加廠房縱向剛度和穩(wěn)定性。同時對施工縫附近、大的孔洞周邊樓板結(jié)構(gòu)剛度相對不足的部位進行剛度加強。

該方案的加固范圍如下：

（1）以保證廠房通風(fēng)、電纜及運行巡視通道不受影響為原則，在中間層、水泵水輪機層上游側(cè)邊柱間增設(shè)14片混凝土墻，下游側(cè)邊柱間增設(shè)5片混凝土墻。

（2）對施工縫附近、大的孔洞周邊板梁結(jié)構(gòu)加固范圍與方案B同。

計算條件及模型：

（1）上、下游與新加邊墻相連的梁柱節(jié)點假定為X、Y、Z三方向約束；

（2）其他條件同方案B。

2 模型計算結(jié)果

限于篇幅，本文只介紹各方案的在雙機穩(wěn)態(tài)運行工況下的動力響應(yīng)——振動速度，并與廠房原初結(jié)構(gòu)的振動速度作對比，以此評價方案的有效性為評價各方案的減振效果。

2.1 方案A廠房結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)

為評價減振效果，在發(fā)電機層和中間層各選取30個動力響應(yīng)控制點，見圖5和圖6；計算結(jié)果見表1和表2。

2.2 方案B廠房結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)

為評價減振效果，在發(fā)電機層和中間層各選取7個動力響應(yīng)控制點，見圖7和圖8；計算結(jié)果見表3和表4。

2.3 方案C廠房結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)

為評價減振效果，在發(fā)電機層和中間層各選取30個動力響應(yīng)控制點，控制點分布與方案A相同，見圖5和圖6；計算結(jié)果見表5和表6。

圖5 發(fā)電機層動力響應(yīng)控制點布置Fig.5 Dynamic response control points of generator level

圖6 中間層動力響應(yīng)控制點布置Fig.6 Dynamic response control points of Middle level

表1 A方案發(fā)電機層典型控制點豎向振動速度Tab.1 Vertical vibration speed of control points at generator level of scheme A

3 結(jié)論和討論

3.1 方案自評價

方案A總共60個控制點，模擬實施加固后，較原始狀態(tài)，有51個點振動速度下降，總有效點為85%，平均降幅達到30.00%，應(yīng)該說效果明顯。

表2 A方案中間層典型控制點豎向振動速度Tab.2 Vertical vibration speed of control points at Middle level of scheme A

方案B總共14個控制點，模擬實施加固后，較原始狀態(tài)，有13個點振動速度下降，總有效點92.8%，平均降幅為13.43%，應(yīng)該說效果明顯。

方案C總共60個控制點，模擬實施加固后，較原始狀態(tài)，有20個點振動速度下降，40個點的振動速度不降反增?？傆行c33.3%，無效點66.7%。沒有達到預(yù)期效果。

圖7 發(fā)電機層梁、柱加固范圍及動力響應(yīng)控制點布置Fig.7 Dynamic response control points of generator level

圖8 中間層梁、柱加固范圍及動力響應(yīng)控制點布置Fig.8 Dynamic response control points of Middle level

表3 B方案發(fā)電機層施工縫附近典型控制點豎向振動速度Tab.3 Vertical vibration speed of control points at generator level of scheme B

表4 B方案中間層施工縫附近典型控制點豎向振動速度Tab.4 Vertical vibration speed of control points at Middle level of scheme B

表5 C方案發(fā)電機層典型控制點豎向振動速度Tab.5 Vertical vibration speed of control points at generator level of scheme C

3.2 方案對比評價

選取三個方案共有控制點，分別是206、222、10191、10792、10830、140、10226、10237、11404等9個控制點，對比分析其減振效果。取結(jié)構(gòu)原始狀態(tài)振動速度為1，各控制點相對原始狀態(tài)的振動速度見表7，對比柱狀圖見圖9。

從圖9可以看出，三個方案對比，方案A效果最好，在每一個控制點上都實現(xiàn)了振動速度下降，且降幅明顯，方案B次之，基本上都實現(xiàn)了減振的目的，但降低的幅度不大，方案C最差，有一半的控制點加固后反而振動加大了。

表6 C方案中間層典型控制點豎向振動速度Tab.6 Vertical vibration speed of control points at Middle level of scheme C

3.3 討論

（1）從模型計算結(jié)果和廠房實際運行狀況來看，在振動荷載的作用下，廠房結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等主要承力構(gòu)件并未出現(xiàn)承載能力極限狀態(tài)的破壞征兆，由此判斷廠房結(jié)構(gòu)目前是安全的。但是，現(xiàn)場觀測和模型計算結(jié)果均表明局部廠房結(jié)構(gòu)（尤其是施工縫附近的梁）確實存在正常使用極限狀態(tài)下的混凝土裂縫問題，如果得不到及時、有效的解決，將會對混凝土的耐久性產(chǎn)生不利的影響，并有可能加劇構(gòu)件的疲勞損傷。

（2）模型計算結(jié)果表明，只有方案A對結(jié)構(gòu)具有比較明顯的減振效果。但該方案實施難度大，施工干擾大，質(zhì)量不易保證，很可能會對廠房結(jié)構(gòu)整體性、靜力特性和動力特性造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，因此在現(xiàn)階段不建議采用。

表7 控制點振動速度折算表Tab.7 Vibration speed table of control point

圖9 控制點各加固方案效果對比圖Fig.9 Effect contrast diagram of reinforcement schemes at control points

（3）方案B對廠房原結(jié)構(gòu)振動特性的影響很小，但能夠降低結(jié)構(gòu)縫處梁柱的振動，平均降幅為13.43%，且施工簡便易行，建議現(xiàn)階段采用。

（4）方案C從模型計算效果上看不具有降低振動的效果，在某種程度上說甚者起了反作用。

綜上所述，根據(jù)廣州抽水蓄能電廠A廠廠房的實際狀況，建議結(jié)構(gòu)抗振加固應(yīng)本著先易后難的原則，優(yōu)先考慮方案B，在最不利的情況下，還可以退一步選擇其他方案進行彌補。如果一開始就選擇比較根本性的方式，如方案A，一旦出現(xiàn)施工質(zhì)量問題，將造成結(jié)構(gòu)不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

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Vibration Characteristics of the Structure of the Underground Powerhouse of the A plant in GPSPS

HUA Pilong1，HE Tao2，SU Pengli2
（1.CSG Power Generation Company Overhaul and Testing Center，Guangzhou 511440，China；2.CSG Power Generation Company GuangZhou Pumped Storage Power Station，Guangzhou 510950，China）

The 3D finite element model of the A plant is established by using SAP2000，and the vibration characteristics and dynamic response are analyzed.Characteristic analysis indicates that the plant has defects of low order vibration and the forced vibration frequency stagger pier; response analysis shows that in some conditions exist to respond to the problem of excessive，under the combined stresses easily cracking of the structure，but there is no hinder to the safety of the structure.

Vibration characteristics; SAP2000; mass participation coefficient; dynamic response

TV32

A學(xué)科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.012

2017-06-05

2017-07-15華丕龍，（1974—），男，碩士研究生，高級工程師，從事水電廠水工管理工作。E-mail：403191577@qq.com