高 等 利

(京鼎工程建設(shè)有限公司，北京 100011)

1 概述

汽輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)主要包括汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、基礎(chǔ)和地基等部分。其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要是研究機(jī)器動(dòng)荷載作用下基礎(chǔ)的反應(yīng)和振動(dòng)波的能量在土中的傳播。采用的基礎(chǔ)形式主要有大塊式基礎(chǔ)和框架式基礎(chǔ)兩種。其中框架式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)特性相對(duì)比較復(fù)雜，施工周期也比較長，但是它可以節(jié)省建筑材料，并且方便放置管道、凝汽器等其他附屬設(shè)備，利于操作和檢修。所以，汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)優(yōu)先選用框架式基礎(chǔ)。

一般情況下，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需滿足具有良好的動(dòng)力特性、良好的剛度、足夠的強(qiáng)度穩(wěn)定性和耐久性、不影響儀器設(shè)備的正常使用等的要求，并使成本盡量最低。目前汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法有很多，但總的來說有振幅法和共振法兩種。振幅法就是將基礎(chǔ)的振幅控制在一定的范圍之內(nèi)，以免基礎(chǔ)發(fā)生過大的振動(dòng)位移；共振法就是控制基礎(chǔ)的自振頻率遠(yuǎn)離機(jī)器的擾力頻率，以避免發(fā)生共振。這兩種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，振幅法需要確定機(jī)器的擾力、基礎(chǔ)的阻尼和允許振幅的標(biāo)準(zhǔn)等問題，比較復(fù)雜；而共振法只要把頻率計(jì)算準(zhǔn)確即可，比較簡(jiǎn)單。這兩種方法表面上看雖然有較大的差別，但實(shí)質(zhì)上都是以基礎(chǔ)的振幅越小越好為出發(fā)點(diǎn)。現(xiàn)行GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范采用振幅法，有一定的局限性，因此本案例兩種方法同時(shí)控制，既控制振幅在一定的范圍內(nèi)，又控制頻率在一定的范圍內(nèi)。

2 框架式基礎(chǔ)的布置

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和大量的工程經(jīng)驗(yàn)，汽輪發(fā)電機(jī)組框架式基礎(chǔ)可按如下原則布置：

1)基礎(chǔ)應(yīng)與四周脫開獨(dú)立布置，并留適當(dāng)?shù)淖冃慰p。

2)基礎(chǔ)應(yīng)盡可能對(duì)稱，為避免和減少扭矩，荷載應(yīng)盡量布置在構(gòu)件的中心線上。

3)汽輪發(fā)電機(jī)組框架式基礎(chǔ)一般分為頂板、柱子和基礎(chǔ)底板三部分，為了確保機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可按下述原則確定各部分的布置：a.底板應(yīng)有足夠的剛度，可以調(diào)整地基的不均勻沉降，并且能很好的嵌固柱子，所以底板厚度不宜小于柱截面高度，也不宜小于基礎(chǔ)頂板厚度，可取底板長度的1/10～1/15。b.柱的剛度宜小，但必須滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，并且其長細(xì)比不宜大于14，其截面尺寸不宜小于柱凈高度的1/10～1/12。c.頂板應(yīng)有足夠的質(zhì)量和剛度，其外形和受力應(yīng)簡(jiǎn)單，并且避免偏心荷載，頂板厚度不宜小于其凈跨度的1/4～1/5，且不得小于800 mm。

3 某工程中汽輪發(fā)電機(jī)組框架式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

表1 荷載表 kN

設(shè)計(jì)資料如下：基本風(fēng)壓：ω0=0.70 kN/m；基本雪壓：S0=0.30 kN/m；抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別Ⅳ類。安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年。發(fā)電機(jī)的功率為51.51 MW，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

此汽輪發(fā)電機(jī)組由凝汽器、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)三部分組成，其中凝汽器沒有振動(dòng)荷載直接放在地面上，凝汽器基礎(chǔ)和汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)脫開。根據(jù)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)底座的荷載分布特征、動(dòng)力作用特點(diǎn)及機(jī)器底座外形，采用框架式基礎(chǔ)。

3.2 荷載表及荷載分布

本工程中汽輪發(fā)電機(jī)組的荷載表和荷載分布圖見表1，圖1。

3.3 動(dòng)力分析

1)分析模型。

選擇合適的模型能夠更好的接近工程的實(shí)際狀況，正確的分析各個(gè)構(gòu)件受力情況，從而保證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)計(jì)算模型采取以下基本假定：

a.縱橫梁和柱子在連接節(jié)點(diǎn)處正交于一點(diǎn)；

b.機(jī)器的質(zhì)量作為附加質(zhì)量，施加在幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上；

c.柱腳固定在基礎(chǔ)底板上。

根據(jù)GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)框架式基礎(chǔ)按空間多自由度體系進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)速不小于3 000 r/min的機(jī)器基礎(chǔ)，地基可按剛性考慮，此時(shí)框架式基礎(chǔ)底板本身對(duì)框架式基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)影響不大。并且，底板的主要作用是增加框架式基礎(chǔ)的接觸面積，防止框架式基礎(chǔ)沉降和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，而對(duì)框架式基礎(chǔ)本身的動(dòng)力特性影響不大。因此，為便于計(jì)算除去基礎(chǔ)底板，不考慮底板對(duì)基礎(chǔ)的影響，柱底按剛接考慮。

整體模型如圖2所示，操作平臺(tái)下的墻采用殼單元，平臺(tái)的梁及柱采用梁?jiǎn)卧?。用質(zhì)量為零的剛性連桿模擬機(jī)器的轉(zhuǎn)軸，以模擬機(jī)器實(shí)際重心的位置及不平衡力的位置。

2)用時(shí)程函數(shù)添加動(dòng)荷載。

不平衡力為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，可模擬為SIN的函數(shù)，采用時(shí)程分析方法，以此評(píng)估基礎(chǔ)系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)下的位移反應(yīng)。

3)動(dòng)力分析結(jié)果。

a.自然頻率：

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速r=3 000 r/min，發(fā)電機(jī)頻率H=3 000/60=50 Hz。為了避免發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)的自然頻率必須符合以下兩個(gè)要求：

第一服務(wù)頻率(基本自然頻率)f1>1.25fm，或f1≤0.8fm;

最接近服務(wù)頻率fm的自然頻率fn≤0.9fm及fn+1≥1.1fm。

從表2可以看出：

第一服務(wù)頻率(基本自然頻率)f1=17.44 Hz≤1.25fm=1.25×50=62.5 Hz。

最接近服務(wù)頻率fm的自然頻率f8=42.06 Hz≤0.9fm=0.9×50=45 Hz，f9=56.90 Hz≥1.1fm=1.1×50=55 Hz。

綜上所述，結(jié)構(gòu)的自然頻率已經(jīng)避開了發(fā)電機(jī)組的工作頻率。

表2 基礎(chǔ)前20階模態(tài)下的頻率

b.節(jié)點(diǎn)位移：

表3 基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算允許振動(dòng)線位移

我國GB 50040—96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定對(duì)基礎(chǔ)的動(dòng)力計(jì)算采用振動(dòng)線位移控制的方法(振幅法)，即計(jì)算的振動(dòng)線位移應(yīng)小于允許振動(dòng)線位移值，其允許振動(dòng)線位移見表3。

此發(fā)電機(jī)組工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，從表3可以得出，汽輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)基礎(chǔ)的允許振動(dòng)線位移為0.02 mm。從圖3和表4可以看出，基礎(chǔ)頂板主要節(jié)點(diǎn)位移均不大于0.02 mm，滿足規(guī)范要求。

表4 基礎(chǔ)頂板主要節(jié)點(diǎn)位移 mm

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)做了基本的介紹。采用STAAD通用計(jì)算軟件進(jìn)行基礎(chǔ)的動(dòng)力計(jì)算，并應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，且實(shí)踐證明該汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)一直運(yùn)行良好，由此得到以下結(jié)論：

1)STAAD軟件建模時(shí)，應(yīng)合理簡(jiǎn)化并合理考慮附加質(zhì)量及擾力的實(shí)際分布。

2)基于安全的考慮，可從頻率和振幅兩方面同時(shí)控制基礎(chǔ)的動(dòng)力特性。

3)對(duì)于轉(zhuǎn)速不小于3 000 r/min的旋轉(zhuǎn)式機(jī)組基礎(chǔ)，可不考慮底板對(duì)基礎(chǔ)的影響，柱底按剛接處理。