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(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

地面式水電站廠房發(fā)電機(jī)層樓板高程以上存在排架結(jié)構(gòu)，用于支撐吊車梁和屋架結(jié)構(gòu)[1]。同廠房發(fā)電機(jī)層樓板高程以下的結(jié)構(gòu)相比，排架結(jié)構(gòu)是薄弱結(jié)構(gòu)，其抗振能力也最弱。在進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析時(shí)，若按實(shí)際情況建立帶排架結(jié)構(gòu)的廠房模型會(huì)使計(jì)算復(fù)雜化，當(dāng)計(jì)算結(jié)構(gòu)自振特性時(shí)，大部分振型都將是排架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，想了解廠房結(jié)構(gòu)的整體性振動(dòng)的振型，需要計(jì)算的階數(shù)多，計(jì)算工作量大。因此，在對水電站廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，有時(shí)會(huì)將排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，主要分為以下2種方法：一是直接去掉排架結(jié)構(gòu)，二是采用質(zhì)量單元模擬排架結(jié)構(gòu)對廠房其他結(jié)構(gòu)的影響[2-3]。但不同的模擬方法，其計(jì)算精度存在差異，采用上部排架簡化模擬方法能否滿足精度要求目前尚無相關(guān)研究[4]。本文以大渡河瀘定水電站廠房為工程背景，對比分析不同排架模擬方法對水電站廠房振動(dòng)特性模擬結(jié)果的影響。

1 計(jì)算模型和方案

本研究采用ANSYS軟件，以大渡河瀘定水電站單個(gè)組段廠房為對象進(jìn)行研究，廠房橫河向長度為29.78 m，廠房順河向長度為57.70 m，廠房高度為60.25 m，上下游側(cè)和廠房底部基巖均取為60 m[5]。

計(jì)算模型采用笛卡爾直角座標(biāo)系，水平方向?yàn)閤軸，面向下游沿廠房縱軸指向左端為正，鉛垂方向?yàn)閥軸，向上為正；水平方向?yàn)閦軸，指向下游為正；水輪機(jī)安裝高程與機(jī)組軸線相交處為坐標(biāo)系原點(diǎn)。計(jì)算基本模型如圖1所示，圖中灰色部分為基巖，陰影部分為回填混凝土，白色部分為結(jié)構(gòu)混凝土。

圖1 基本計(jì)算模型Fig.1 Basic computation model

對計(jì)算范圍內(nèi)蝸殼、座環(huán)及外圍混凝土均按實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬，鋼蝸殼、座環(huán)、尾水管內(nèi)襯、機(jī)井內(nèi)襯等鋼結(jié)構(gòu)采用四結(jié)點(diǎn)板或殼單元，個(gè)別過渡區(qū)域采用三結(jié)點(diǎn)板或殼單元；混凝土、基巖均采用八結(jié)點(diǎn)六面體單元，個(gè)別區(qū)域采用四面體單元過渡。

對于排架，針對計(jì)算分析中常用的模擬方法，本文共對比分析了以下3種計(jì)算方案，見表1。

計(jì)算邊界條件為廠房下部基巖的各個(gè)面施加法向約束，蝸殼進(jìn)水口處鋼管橫斷面沿管軸向施加法向約束，其他邊界均為自由邊界。

表1 計(jì)算方案Table 1 Computation schemes

模型包括基巖、混凝土、鋼材和墊層，共4種材料，模型范圍內(nèi)混凝土等級(jí)均為C25，基巖采用無質(zhì)量地基，材料參數(shù)見表2。

表2 模型材料計(jì)算參數(shù)Table 2 Material parameters

2 自振特性分析

為分析不同排架模擬方法對廠房自振特性仿真結(jié)果的影響，分別提取不同計(jì)算方案廠房整體結(jié)構(gòu)前200階自振頻率，如圖2所示。

圖2 3種方案前200階自振頻率Fig.2 The first 200 order natural frequencies in three schemes

由于排架結(jié)構(gòu)的存在，方案1中很大一部分的振型均表現(xiàn)為排架的振動(dòng)，同時(shí)排架結(jié)構(gòu)的起振頻率很低，因此，方案1的頻率明顯低于其他2種方案。從圖2看出方案2和方案3的自振頻率差別不大，但方案2中將排架結(jié)構(gòu)用質(zhì)量單元考慮其對廠房其他結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響，質(zhì)量單元施加在發(fā)電機(jī)層樓板的對應(yīng)位置上，實(shí)際上使廠房結(jié)構(gòu)的上部質(zhì)量有所增加，因此自振頻率較方案3略有降低。

方案1的第9階振型表現(xiàn)為廠房整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，而前8階均表現(xiàn)為排架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，這也說明排架結(jié)構(gòu)是廠房結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分。

由于方案2和方案3的自振頻率差別不大，且振型基本一致，在方案1中選出與方案2和方案3前10階對應(yīng)的頻率和振型，列于表3。

表3 方案1與方案2和方案3前10階對應(yīng)頻率和振型Table 3 Natural frequencies in the first schemecorresponding to the first 10 order natural frequenciesof the other schemes

比較分析上述計(jì)算成果，排架對廠房下部結(jié)構(gòu)影響不大，如果僅為了解樓板、立柱等發(fā)電機(jī)層以下結(jié)構(gòu)的自振特性，將排架結(jié)構(gòu)簡化為質(zhì)量單元施加在相應(yīng)位置，或直接去掉，不會(huì)對計(jì)算結(jié)果造成較大影響。

圖3 機(jī)組基礎(chǔ)和機(jī)組振動(dòng)荷載示意圖Fig.3 Schematic of generator foundation and dynamic load application

3 機(jī)組動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析

水電站廠房機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)荷載傳遞至廠房結(jié)構(gòu)，會(huì)引起廠房整體或局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。本節(jié)將在表1所列方案的基礎(chǔ)上，施加正常運(yùn)行工況下機(jī)組振動(dòng)荷載，采用諧響應(yīng)方法，研究不同排架模擬方法對機(jī)組振動(dòng)荷載作用下廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。本文計(jì)算中將機(jī)組振動(dòng)荷載分解成豎向、徑向和環(huán)向3個(gè)方向。上機(jī)架、定子、下機(jī)架基礎(chǔ)和機(jī)組振動(dòng)荷載示意如圖3所示[6]。

本水電站廠房機(jī)組設(shè)備荷載取值見表4，假定各振動(dòng)荷載均為簡諧荷載，幅值為表中所列的數(shù)值，在基礎(chǔ)板上均勻施加各向荷載，頻率為1.667 Hz，各振動(dòng)荷載相位相同。

表4 機(jī)組設(shè)備荷載Table 4 Load parameters of the generator set kN

注：表中荷載為總荷載，分別由12個(gè)定子基礎(chǔ)板、12個(gè)下機(jī)架基礎(chǔ)板和4個(gè)上機(jī)架基礎(chǔ)板均分

下面將從廠房各部分結(jié)構(gòu)的振幅和動(dòng)應(yīng)力方面開展分析，分析上部排架結(jié)構(gòu)不同的簡化方式對機(jī)組動(dòng)荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)的影響。

3.1 振 幅

機(jī)墩是機(jī)組主要的混凝土支承結(jié)構(gòu)，直接影響機(jī)組的穩(wěn)定性。樓板是水電站廠房結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，以往計(jì)算分析及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明廠房結(jié)構(gòu)中樓板最容易因振動(dòng)而引起損害，同時(shí)由于運(yùn)行人員和電氣設(shè)備經(jīng)常居于其上，因此對樓板的振動(dòng)應(yīng)該嚴(yán)格控制[7-8]。根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析中重點(diǎn)關(guān)注的對象，本文選取上機(jī)架基礎(chǔ)、定子基礎(chǔ)、下機(jī)架基礎(chǔ)振幅最大值和樓板特征點(diǎn)等部位計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理分析。其中，樓板特征點(diǎn)1—4位于主廠房發(fā)電機(jī)層樓板，6—9位于主廠房水輪機(jī)層樓板，5，10，11，12位于副廠房樓板，具體位置如圖4所示。

圖4 樓板特征點(diǎn)示意圖Fig.4 Feature points on the floor

3種方案下發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)及樓板各特征點(diǎn)的振幅分別如表5、表6所示。

比較分析上述計(jì)算成果可知，3種方案下發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)位移即使精確到0.1 μm，結(jié)果仍然保持一致，樓板豎直向振幅也幾乎完全一致，說明是否選取排架柱、是否采用質(zhì)量單元模擬排架柱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，對機(jī)組振動(dòng)荷載作用下發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)及廠房樓板的動(dòng)位移影響不大。

表5 3種方案發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)各向振幅Table 5 Maximum vibration amplitude of generatorfoundation in radial, vertical, and tangential directions inthree schemes

注：絕對振幅是指考慮基巖和相應(yīng)約束條件下，計(jì)算得到的振幅；相對振幅是指上述絕對振幅減掉安裝高程基準(zhǔn)面振幅后得到的振幅

表6 3種方案樓板特征點(diǎn)豎直向振幅Table 6 Vibration amplitude of feature points onthe floor in three schemes

方案1中由于按實(shí)際情況考慮了發(fā)電機(jī)層樓板以上的排架結(jié)構(gòu)，因此，通過方案1可以得到排架結(jié)構(gòu)的振幅計(jì)算結(jié)果。例如，正常運(yùn)行時(shí)，在機(jī)組動(dòng)荷載作用下廠房結(jié)構(gòu)(含排架結(jié)構(gòu))的各向振幅情況詳見圖5。

圖5 廠房結(jié)構(gòu)不同方向振幅Fig.5 Vibration amplitudes in different directions of powerhouse structure

從圖5中可以看出：正常運(yùn)行時(shí)，在機(jī)組振動(dòng)荷載作用下排架結(jié)構(gòu)的z向(上下游方向)振幅是廠房結(jié)構(gòu)z向最大振幅所在的位置，大約為0.069 2 mm，數(shù)值較??；排架結(jié)構(gòu)在豎直向上隨廠房整體振動(dòng)，自身各部分的差別較??；x向(廠房縱軸線方向)振幅很小，x向排架結(jié)構(gòu)的剛度是相對較大的。

根據(jù)以上計(jì)算成果分析，本工程正常運(yùn)行時(shí)，在機(jī)組振動(dòng)荷載作用下排架結(jié)構(gòu)的振幅不大，并不是需要重點(diǎn)注意的位置，可以進(jìn)行簡化處理。

3.2 動(dòng)應(yīng)力

本小節(jié)將分析3種方案廠房混凝土的動(dòng)應(yīng)力情況。圖6分別為方案1—方案3廠房混凝土第一主應(yīng)力的分布圖。

圖6 不同方案下混凝土的第一主應(yīng)力Fig.6 First principal stress in different schemes

從圖6可以看出：3種方案的第一主應(yīng)力數(shù)值和分布基本一致，差別極小。廠房大部分區(qū)域動(dòng)應(yīng)力數(shù)值很小，3種方案的動(dòng)應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在機(jī)坑進(jìn)人門的上邊角處，主要是由應(yīng)力集中導(dǎo)致的。

考慮到排架柱可能對與之連接的樓板附近的動(dòng)應(yīng)力造成較大影響，特別整理了如圖7所示特征點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力。

圖7 樓板與立柱連接處特征點(diǎn)Fig.7 Feature points at the joint between slab and column

3種方案特征點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力數(shù)值對比詳見圖8。從圖8可以看出：正常運(yùn)行時(shí)，在機(jī)組振動(dòng)荷載作用下排架結(jié)構(gòu)與樓板連接處的動(dòng)應(yīng)力不大，基本在0.1 MPa以下，數(shù)值很小；在動(dòng)應(yīng)力特別小時(shí)，如特征點(diǎn)1，2，5，7，11，動(dòng)應(yīng)力數(shù)值基本在0.03 MPa以下；2,3,10點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力數(shù)值較大并較為接近，約為0.1 MPa。在動(dòng)應(yīng)力數(shù)值很小時(shí)，動(dòng)應(yīng)力不是結(jié)構(gòu)中重點(diǎn)關(guān)注的對象，不同方案的差別很小，因此，有無發(fā)電機(jī)層樓板以上的排架結(jié)構(gòu)或是否采用質(zhì)量單元模擬排架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，對廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力的分布影響不大。

圖8 3種方案樓板與立柱連接處特征點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力對比Fig.8 Dynamic stresses of feature points at the jointbetween slab and column in three schemes

4 結(jié) 論

(1)在開展水電站地面式廠房的自振特性分析時(shí)，當(dāng)主要期望了解樓板、立柱等結(jié)構(gòu)的自振特性時(shí)，為簡化計(jì)算，可以將發(fā)電機(jī)層樓板高程以上的排架結(jié)構(gòu)采用質(zhì)量單元來模擬，或者直接省略掉，均不會(huì)對結(jié)果造成較大影響。

(2)在機(jī)組振動(dòng)荷載作用下，排架結(jié)構(gòu)的振幅和動(dòng)應(yīng)力并不是廠房結(jié)構(gòu)中最大的部分，特別是動(dòng)應(yīng)力數(shù)值很小。振幅和動(dòng)應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)等動(dòng)荷載直接作用的位置。除非要了解排架結(jié)構(gòu)的振幅和動(dòng)應(yīng)力，否則均可以將排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，該簡化處理對廠房結(jié)構(gòu)振幅和動(dòng)應(yīng)力的影響程度不大。