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        阻尼比對水電站廠房結(jié)構(gòu)脈動壓力數(shù)值計算的影響

        2020-01-03 03:55:12李良權(quán)
        水力發(fā)電 2019年9期
        關(guān)鍵詞:阻尼比脈動廠房

        陳 鵬,方 丹,李良權(quán)

        (中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江杭州311122)

        1 研究背景

        近年來,隨著數(shù)值計算水平地不斷發(fā)展,水電站廠房結(jié)構(gòu)在脈動壓力作用下的振動響應(yīng)數(shù)值分析逐漸被相關(guān)學(xué)者關(guān)注,文獻[1]對比了脈動壓力諧響應(yīng)分析和時程分析兩種計算方法的差異性,認(rèn)為能夠獲得脈動壓力時程資料時,應(yīng)盡量采用時程分析法計算動力響應(yīng);文獻[2]針對不同頻域的脈動壓力對廠房結(jié)構(gòu)振動的影響進行了研究;文獻[3- 4]基于功率流理論和功率流有限元方法研究了脈動壓力作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng);文獻[5]基于流固耦合界面數(shù)據(jù)傳遞模型研究了水電站廠房流激振動,認(rèn)為水輪機葉片與導(dǎo)葉間靜動干擾所引起的流體脈動壓力對廠房整體結(jié)構(gòu)振動影響較為明顯。綜上,已有研究成果主要集中在采用不同方法研究水電站廠房結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng),如諧響應(yīng)分析、時程分析、功率流有限元方法、流固耦合等,在計算分析中沒有對結(jié)構(gòu)自身阻尼方面做研究。然而,阻尼是結(jié)構(gòu)動力計算分析中不可忽視的重要參數(shù),其自身是較為復(fù)雜的問題[6-11]。結(jié)構(gòu)的阻尼耗能主要是摩擦耗能,結(jié)構(gòu)不同振型下的層間相對位移有差異,摩擦耗能也不同,故而每個振型下的阻尼比是不同的。目前常用的比例阻尼模型有 柯西阻尼模型、克拉夫阻尼模型、董軍阻尼模型和Rayleigh阻尼模型等[9-10]。

        Rayleigh阻尼模型是結(jié)構(gòu)動力分析中最常用的模型,其物理關(guān)系明確,計算簡單,因而得到廣泛應(yīng)用;Rayleigh阻尼模型表達(dá)式為

        [C]=α0[M]+α1[K]

        (1)

        式中,[C]為阻尼矩陣;[M]為結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量矩陣;[K]為結(jié)構(gòu)體系的剛度矩陣;α0和α1為阻尼系數(shù),α0和α1與振型阻尼比之間關(guān)系為

        (2)

        式中,ξk為第k階振型的阻尼比;ωk為第k階振型的頻率。給定兩個振型阻尼比即可確定阻尼系數(shù)α0和α1。

        阻尼比對Rayleigh阻尼模型的阻尼系數(shù)的取值有直接影響,而阻尼比的影響因素較多,目前各國抗震設(shè)計規(guī)范根據(jù)本國研究成果和參考他國資料,按照結(jié)構(gòu)類型等給出了建議的阻尼比值[8]。我國GB50011—2010《建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[12]中明確除有專門規(guī)定外,建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比應(yīng)取0.05;NB35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[13]中規(guī)定各類水工建筑物的阻尼比取值為:土石壩可取為20%,拱壩可取為5%,重力壩可取為10%,水閘、進水塔及其他建筑物可取為7%。

        本文借鑒已有的相關(guān)研究成果,基于大型有限元計算程序ANSYS,采用Rayleigh阻尼模型,針對不同的阻尼比取值,研究阻尼比對水電站廠房結(jié)構(gòu)在脈動壓力荷載作用下響應(yīng)的影響。

        2 計算模型及荷載

        本文以某抽水蓄能電站地下廠房為例,電站裝機容量為1 200 MW(4×300 MW),安裝4臺單機容量為300 MW的混流可逆式水泵水輪發(fā)動機組,機組額定轉(zhuǎn)速500 r/min。機組段上下游及左右側(cè)均采用3跨4柱的布置方式,柱斷面尺寸1.0 m×1.0 m;發(fā)電機層樓板厚60 cm,中間層與水輪機層厚為50 cm;主梁斷面尺寸為0.8 m×1.5 m,次梁斷面尺寸為0.6 m×1.2 m。

        本文以機組段為對象開展計算分析,采用ANSYS建模計算。沿廠房縱軸線方向取的長度為22.50 m,寬度為21.80 m,高度上取尾水管開挖底板高程至發(fā)電機層樓面高程,總高度為27.85 m。計算模型中X軸為水平方向,沿廠房縱軸指向左端為正(面向下游),Y軸為鉛垂方向,向上為正;Z軸為水平方向,指向下游為正;坐標(biāo)系原點取在機組安裝高程處。廠房結(jié)構(gòu)的三維有限元模型見圖1。

        水輪機脈動壓力試驗共布置9個測點,包括蝸殼進口1個測點、無翼區(qū)2個測點、頂蓋與轉(zhuǎn)輪上冠之間1個測點、底環(huán)與轉(zhuǎn)輪下環(huán)之間1個測點、尾水錐管2個測點、尾水肘管2個測點。每個測點均布置一個動態(tài)壓力傳感器。為便于計算,將流道分為5個區(qū)域進行加載,如圖2所示;計算采用對應(yīng)于原型水頭539.09 m,原型出力接近額定出力300 MW的各測點實測的脈動壓力數(shù)據(jù),例如③區(qū)的脈動壓力時程曲線如圖3所示。

        圖1 廠房結(jié)構(gòu)三維有限元模型

        圖2 流道加載分區(qū)

        圖3 ③區(qū)脈動壓力時程曲線

        3 阻尼比對廠房結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響分析

        阻尼比是結(jié)構(gòu)動力計算中的重要參數(shù)之一,為滿足數(shù)值計算成果的完整性,本文選取了6組阻尼比進行對比分析,即ξ=0.000 1,0.02,0.04,0.06,0.08,0.1。計算結(jié)果見圖4~6及表1。

        圖4 豎直向振幅峰值隨阻尼比變化

        圖5 豎直向振動速度峰值隨阻尼比變化

        圖6 豎直向振動加速度峰值隨阻尼比變化

        根據(jù)計算結(jié)果,阻尼比ξ在0.02~0.1范圍時,廠房結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)隨著阻尼比的增大而減小,說明阻尼的存在有助于減弱結(jié)構(gòu)的振動。此外,廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)規(guī)律基本是一致的,在流道內(nèi)脈動壓力作用下,上部典型部位的豎直向振幅、振動速度、振動加速度均呈現(xiàn)隨著高程的增加而有增大的趨勢。本工程廠房結(jié)構(gòu)隨高程的增加,其質(zhì)量和剛度是逐

        表1 典型部位豎直向響應(yīng)幅值降低幅度( ξ=0.02相較于 ξ=0.000 1) %

        漸減小的,從而導(dǎo)致在流道內(nèi)脈動壓力作用下,高高程部位的結(jié)構(gòu)易形成相對較大速度和振幅,即有一定的“鞭梢效應(yīng)”存在。

        通過比較可知,阻尼比ξ=0.000 1時(即基本不考慮結(jié)構(gòu)阻尼),廠房結(jié)構(gòu)的豎直向振幅、振動速度、振動加速度響應(yīng)值均遠(yuǎn)大于阻尼比ξ在0.02~0.1范圍時的廠房結(jié)構(gòu)響應(yīng)。ξ=0.02相對于ξ=0.000 1而言,結(jié)構(gòu)的豎直向振幅峰值降幅在27%~67%,豎直向振動速度峰值降幅在55%~76%,豎直向振動加速度峰值降幅在81%~88%。除此之外,基本不考慮結(jié)構(gòu)阻尼時,結(jié)構(gòu)典型部位的最大響應(yīng)出現(xiàn)在水輪機層樓板,即靠近脈動壓力激振的部位響應(yīng)更明顯,“鞭梢效應(yīng)”沒有體現(xiàn)出來。

        由以上分析可知,在水電站廠房結(jié)構(gòu)脈動壓力數(shù)值計算時須考慮結(jié)構(gòu)阻尼的影響,阻尼比的大小對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響明顯,應(yīng)當(dāng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點合理取值。

        4 人體舒適度評價

        在一定條件下,振動強度達(dá)到一定程度時,會引起人的不良感覺,進而對心理和生理產(chǎn)生影響,甚至危害人體健康,振動強度一般用加速度的有效值表示。除了強度之外,還有兩個十分重要的因素,一是振動的頻率,二是承受振動的時間。試驗證明,人對頻率在4~8 Hz的振動最為敏感。由于目前國內(nèi)沒有專門針對水電站廠房的人體舒適度評價標(biāo)準(zhǔn),本文參考GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分:一般要求》[14]對人體在公共交通中綜合振動總值的不同量值可能反應(yīng)的近似描述,對人體舒適度做評價分析。

        GB/T13441.1—2007中有關(guān)人體舒適度的控制標(biāo)準(zhǔn)描述如下:綜合振動總值小于0.315 m/s2,感覺不到不舒適;綜合振動總值在0.315~0.63 m/s2時,有點不舒適;綜合振動總值在0.5~1 m/s2時,相當(dāng)不舒適;綜合振動總值在0.8~1.6 m/s2時,不舒適;綜合振動總值在1.25~2.5 m/s2時,非常不舒適;綜合振動總值大于2 m/s2時,極不舒適。

        以發(fā)電機層樓板特征點為例,對其在不同阻尼比下的振動加速度曲線進行頻譜分析[15],即對加速度時程曲線進行傅里葉變換得到FFT頻譜。表2給出了發(fā)電機層樓板特征點在不同阻尼比下的均方根加速度值及主頻,主頻對應(yīng)的計權(quán)系數(shù)可根據(jù)GB/T 13441.1—2007中表3查到。

        表2 發(fā)電機層樓板特征點均方根加速度及其主頻

        注:表中豎直向綜合振動值=均方根加速度×計權(quán)系數(shù)。

        由表2可知,發(fā)電機層樓板特征點的均方根加速度隨著阻尼比的增大而減小,這與上一小節(jié)的分析一致;不同阻尼比下的發(fā)電機層樓板加速度的主頻均為3.67 Hz,頻率較低,處在人體較敏感頻率附近;阻尼比為0.000 1、0.02、0.04時,人體舒適反應(yīng)描述分別為不舒適、相當(dāng)不舒適、有點不舒適,阻尼比為0.06~0.10時,人體人體舒適反應(yīng)描述為感覺不到不舒適。由此可知,阻尼比的取值對人體舒適度評價有較大影響,不考慮結(jié)構(gòu)阻尼存在時,綜合振動值偏大,水電站廠房結(jié)構(gòu)脈動壓力數(shù)值計算時須考慮結(jié)構(gòu)阻尼的影響。

        需要說明的是本文計算的時長僅有0.15 s,若時長增加,輸入的實測脈動壓力的頻譜可能會出現(xiàn)變化,相應(yīng)計算輸出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)頻譜也會變化,因此表2中的綜合振動值不代表完整脈動壓力時長下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),但可以用來反應(yīng)阻尼比對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律。

        5 結(jié) 論

        (1)結(jié)構(gòu)阻尼是結(jié)構(gòu)在受到振動作用時自身固有特性,不考慮阻尼影響會導(dǎo)致計算結(jié)果偏危險,因此,水電站廠房結(jié)構(gòu)脈動壓力數(shù)值計算時須考慮結(jié)構(gòu)阻尼的影響。

        (2)采用Rayleigh阻尼模型,阻尼比對水電站廠房結(jié)構(gòu)脈動壓力數(shù)值計算結(jié)果影響較大,結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)隨著阻尼的增大而減小;對于水電站廠房結(jié)構(gòu)而言,目前規(guī)范建議的阻尼比5%~7%是基于一定的研究成果基礎(chǔ)上取得的,數(shù)值計算采用ξ=5%~7%是合理的。

        (3)本文計算采用的是固定阻尼比,實際上不同振型下結(jié)構(gòu)的阻尼比是有差異的,針對數(shù)值計算分析中的如何考慮隨結(jié)構(gòu)振型階數(shù)增加而阻尼比增加的情況仍需繼續(xù)研究,以期更好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實際響應(yīng)。

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