基于不同網(wǎng)架模擬方式的水電站廠房振動特性研究

黑　燦　伍鶴皋　傅　丹　石長征

(武漢大學(xué) 水資源與水利水電工程科學(xué)國家重點實驗室， 武漢　430072)

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基于不同網(wǎng)架模擬方式的水電站廠房振動特性研究

黑燦伍鶴皋傅丹石長征

(武漢大學(xué) 水資源與水利水電工程科學(xué)國家重點實驗室， 武漢430072)

摘要：水電站地面廠房越來越多采用網(wǎng)架屋面，為研究網(wǎng)架支承方式及其有限元模擬方法對廠房振動特性的影響，本文運用ANSYS軟件建立了5種有限元模型，計算了廠房的自振特性和機組振動荷載作用下的響應(yīng)．研究表明：網(wǎng)架與下部支承結(jié)構(gòu)簡支連接比鉸支連接的抗振性能更好；網(wǎng)架模擬方式僅對廠房上部結(jié)構(gòu)的振動特性有影響，對發(fā)電機層樓板及以下結(jié)構(gòu)的振動特性影響很小；在計算機組振動荷載作用下廠房的動力響應(yīng)時，將網(wǎng)架簡化為剛性二力桿得到的動位移小于網(wǎng)架按實際尺寸模擬的結(jié)果．故建議在研究包含上部結(jié)構(gòu)的廠房振動特性時，盡量按實際尺寸對網(wǎng)架進(jìn)行模擬；若只需研究發(fā)電機層以下廠房結(jié)構(gòu)的動力特性時，可選擇不包含網(wǎng)架的模型進(jìn)行計算．

關(guān)鍵詞：水電站地面廠房；振動特性；網(wǎng)架屋面；支承方式；模擬方式；有限單元法

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)早在20世紀(jì)初就由亞歷山大·格雷厄姆·貝爾提出并實踐，但現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史卻僅有40年左右．雖然現(xiàn)代網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史并不太長，但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力合理、空間剛度大、施工簡便，在世界各國被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)．近些年，隨著水電站水輪發(fā)電機組單機容量不斷加大，廠房跨度也隨之增大，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)屋面相比，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的廠房屋面自重較小，抗震性能較好，并且可以避免屋面梁配筋難度大的問題，其優(yōu)勢愈來愈顯著，已成為未來的發(fā)展趨勢[1-3]．

這種上部為鋼網(wǎng)架下部為混凝土的混合結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的受力特性和動力響應(yīng)有很大不同．目前，國內(nèi)外對于這種混合結(jié)構(gòu)體系的靜力性能和抗震性能進(jìn)行了諸多研究，但這些研究多針對體育館、火車站等空曠建筑，對水電站廠房的研究較少．而水電站廠房由于其特殊性，電站運行時不可避免會受到機組振動的影響，并且地面廠房上部結(jié)構(gòu)剛度較小，更需注意其振動特性[4]，但是關(guān)于機組振動荷載下網(wǎng)架與廠房混凝土結(jié)構(gòu)如何相互作用還有待深入研究．在研究體育館等大跨度混合結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)架屋面建筑在動力作用下的不均勻變形使得網(wǎng)架桿件以及支座更容易發(fā)生破壞[5-8]，然而現(xiàn)行的設(shè)計方法將網(wǎng)架和下部支承結(jié)構(gòu)分開獨立設(shè)計，忽視了網(wǎng)架與下部支承結(jié)構(gòu)間的相互作用，所以對于水電站廠房有必要將網(wǎng)架放置于上下游墻體上，對包含網(wǎng)架的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性的分析[9]．在對整體結(jié)構(gòu)分析時，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的模擬方式有很多種：在最初的研究中，一般將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡化為板單元，而板單元不但不能真實模擬網(wǎng)架結(jié)構(gòu)本身的動力特性，還將影響墻體結(jié)構(gòu)的動力特性；隨著研究的不斷深入，對網(wǎng)架的模擬方式也越來越接近實際情況，在景洪水電站和紫平鋪水電站的研究中，將網(wǎng)架用剛性二力桿近似模擬，兩端與立柱頂部鉸接[10]；在三峽水電站的研究中，將網(wǎng)架用桿單元模擬，網(wǎng)架每根桿件的橫截面嚴(yán)格按照設(shè)計尺寸模擬[11]．用剛性二力桿近似模擬的方法簡單易行，但與實際情況相差較遠(yuǎn)；而按照實際尺寸用桿單元模擬網(wǎng)架的方式最符合實際，但建模人員所消耗的精力也較高；此外，在分析計算時可能由于工程資料不足，不能嚴(yán)格按照實際尺寸對網(wǎng)架進(jìn)行模擬．

在有限元計算中，不同的模擬方法，計算精度和建模代價存在差異[12]．不計建模代價、盡可能逼近真實情況的處理方式是否有必要；采用簡化模擬方法能否滿足精度要求；屋架結(jié)構(gòu)與立柱墻體結(jié)構(gòu)的連接條件如何選取，采用何種連接比較合理，本文將以某水電站地面廠房為工程背景，對這些問題展開研究．

1計算方案和條件

本次計算運用ANSYS軟件，以某水電站地面廠房3號標(biāo)準(zhǔn)機組段為對象建立計算模型，模型包括廠房和地基．廠房部分包括主廠房、下游副廠房以及尾水平臺，模型沿廠房縱軸線方向總寬為26.50 m，沿上下游方向總長為52.00 m．基巖范圍由廠房向上、下游側(cè)分別取100 m，基巖深度約為130 m．

計算模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，其X軸為水平方向，沿廠房縱軸指向左端為正(面向下游)，Y軸為鉛直方向，向上為正；Z軸為水平方向，指向下游為正；坐標(biāo)系原點取在機組中心線與安裝高程3 297.20 m交界處．

在計算范圍內(nèi)，對主廠房上下游墻(排架柱)、風(fēng)罩、機墩、蝸殼以及尾水管等均按實際尺寸進(jìn)行模擬，蝸殼、尾水管、座環(huán)等鋼結(jié)構(gòu)采用殼單元SHELL63，混凝土和墊層采用實體單元SOLID45，機組重量采用質(zhì)量單元MASS21模擬在相應(yīng)位置．當(dāng)按照實際尺寸模擬網(wǎng)架時，網(wǎng)架采用桿單元LINK180；當(dāng)將網(wǎng)架簡化為剛性二力桿和彈性連桿時，采用彈簧單元COMBIN14．

對于屋面網(wǎng)架，參考工程中常用的網(wǎng)架模擬方式以及連接方式，本文共對比分析了以下5種計算方案，以期為網(wǎng)架式屋面結(jié)構(gòu)的計算提供參考．

方案A：不考慮網(wǎng)架，網(wǎng)架重量與屋面恒載以質(zhì)量單元的形式施加在下部支承，其中網(wǎng)架重量按照《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010[13]進(jìn)行估算；

方案B：將網(wǎng)架模擬成剛性二力桿，網(wǎng)架重量與屋面恒載以質(zhì)量單元的形式施加在下部支承；

方案C：將網(wǎng)架模擬成彈性連桿，網(wǎng)架重量與屋面恒載以質(zhì)量單元的形式施加在下部支承，彈性連桿剛度根據(jù)實際工程情況確定，具體數(shù)值見圖1；

圖1　方案C簡化圖

方案D：按照實際尺寸用桿單元模擬網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架與下部支承框架鉸支連接，屋面恒載以質(zhì)量單元的形式施加在網(wǎng)架上；

方案E：按照實際尺寸用桿單元模擬網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架與下部支承框架下游端鉸支、上游端簡支連接，屋面恒載以質(zhì)量單元的形式施加在網(wǎng)架上，簡支座用剛度無窮大的豎向連桿模擬．

整體模型網(wǎng)格和廠房模型網(wǎng)格如圖2和圖3所示，圖2、圖3均為方案E的模型，共包含單元152 709個，節(jié)點155 681個，不同方案模型的差別僅在于網(wǎng)架模擬及支承方式的不同，單元和節(jié)點數(shù)相差不大．網(wǎng)架模型如圖4所示，包含單元720個，節(jié)點200個．

圖2　整體模型網(wǎng)格　　　　圖3　廠房模型網(wǎng)格

圖4　網(wǎng)架模型

計算邊界條件為模型底部基巖的各個面施加法向約束，蝸殼進(jìn)水管處鋼管橫截面施加法向(管軸向)約束，其他邊界均為自由邊界．

模型涉及的材料共4種，分別為混凝土、鋼材、墊層和基巖，機組段各部位的混凝土等級均為C25，廠房基巖采用無質(zhì)量地基，其變形模量采用Ⅲ1類巖體對應(yīng)的變形模量值，所有材料參數(shù)見表1．

表1　模型材料計算參數(shù)

2自振特性對比分析

為分析網(wǎng)架模擬方式對廠房自振特性的影響，分別提取了廠房整體結(jié)構(gòu)前40階模態(tài)．圖5為各方案下廠房整體結(jié)構(gòu)前40階自振頻率．5種方案的第一階模態(tài)均為上游墻的順河向振動，且頻率都較低，其中方案A(不考慮網(wǎng)架)的基頻最低為2.041 Hz，其余依次為方案E(網(wǎng)架簡支于下部支承)2.112 Hz，方案D(網(wǎng)架鉸接于下部支承)2.392 Hz，方案C(將網(wǎng)架模擬成彈性連桿)2.715 Hz，方案B(將網(wǎng)架模擬成剛性二力桿)的基頻最高為2.935 Hz．

圖5　5種方案下廠房整體結(jié)構(gòu)前40階自振頻率

方案A、B、C的網(wǎng)架重量和屋面恒載均以質(zhì)量單元的形式施加在下部支承，3個方案廠房的振動均集中在上下游墻及尾水閘墩．方案A廠房上部沒有水流向支撐，自振頻率最低，其余依次為方案C(用彈性連桿支撐)，方案B(用剛性二力桿支撐)；并且方案A和C的自振頻率較為接近，方案B與方案A、C的自振頻率差別較大．說明采用不包含網(wǎng)架的簡化模型進(jìn)行計算時，廠房結(jié)構(gòu)的自振特性與支撐的剛度有較大的關(guān)系，由于網(wǎng)架水流向?qū)嶋H剛度較小，故采用剛性二力桿的模擬方式將存在較大誤差．

方案D和E的網(wǎng)架均按實際尺寸模擬，屋面恒載均以質(zhì)量單元的形式施加在網(wǎng)架上，兩個方案除上下游墻和尾水閘墩的振動外還有網(wǎng)架的振動．方案E網(wǎng)架簡支于下部支承，廠房上部沒有水流向支撐，方案D網(wǎng)架鉸支于下部支承，廠房上部有水流向支撐，因此方案E的自振頻率稍低于方案D；但兩者的模態(tài)差別較大，方案D網(wǎng)架和上下游墻的振動會相互帶動，方案E鉸支端網(wǎng)架的振動會輕微帶動下游墻，但簡支端網(wǎng)架和上游墻的振動互不影響．說明按照網(wǎng)架實際尺寸模擬計算時，網(wǎng)架與下部支承結(jié)構(gòu)的連接方式對廠房結(jié)構(gòu)的模態(tài)影響較大，且鉸支連接時更為不利．方案A和E的廠房上部均沒有水流向支撐，兩者的屋面質(zhì)量施加方式不同，方案E除基頻外，其自振頻率低于方案A，且差別較大．方案C和D的廠房上部均有水流向支撐，并且支撐剛度相當(dāng)，兩者也是屋面質(zhì)量施加方式不同，方案D的自振頻率低于方案C，且差別較大．說明是否按照實際尺寸模擬網(wǎng)架，對于廠房的低階頻率的影響較為明顯，采取簡化模擬時廠房整體的剛度大于其實際剛度，可能使得計算結(jié)果偏危險．所以，在研究廠房整體的自振特性時，推薦建立包含網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的模型．

3機組振動荷載作用下廠房結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)對比分析

水電站廠房是機組的支承結(jié)構(gòu)，機組運行時的振動荷載將傳遞至廠房，引起整體或局部結(jié)構(gòu)的振動．第3節(jié)的結(jié)果顯示，網(wǎng)架模擬方法對廠房結(jié)構(gòu)的自振特性影響較明顯，本節(jié)將進(jìn)一步分析網(wǎng)架模擬方法對機組振動荷載作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響．這里考慮的振動荷載是通過定子基礎(chǔ)、下機架基礎(chǔ)和上機架傳遞的豎向力、徑向力和切向力，如圖6所示．

圖6　機組振動荷載

參照類似工程，本水電站機組設(shè)備荷載取值見表2所列．本文假定各振動荷載均是簡諧荷載，幅值即是表2中所列的數(shù)值，其中定子基礎(chǔ)軸向荷載為靜荷載，作為附加質(zhì)量考慮．計算工況為額定工況，荷載頻率取機組額定轉(zhuǎn)速時的頻率2.27Hz，各振動荷載相位相同．

表2　機組設(shè)備荷載　(單位：t)

表注：表中為總荷載，分別由8個定子基礎(chǔ)板、6個下機架基礎(chǔ)板、8個上機架基礎(chǔ)板均分．

根據(jù)計算結(jié)果，本文選取了8個特征點的動位移進(jìn)行整理分析，各特征點位置如圖7所示．其中1號點位于上游柱屋面高程，2號點位于上游柱軌頂高程，3號點位于上游墻中部，4號點位于上游墻發(fā)電機樓板高程，5號點位于發(fā)電機層樓板上游側(cè)跨中，6號點位于風(fēng)罩內(nèi)側(cè)，7號點位于定子基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)，8號點位于下機架內(nèi)側(cè)．

圖7　特征點示意圖

5種方案下各測點動位移的大小見表3．

表3　典型部位動位移　(單位：mm)

5種方案下縱軸向的動位移沒有顯著差別，而豎直向和水流向的動位移有較大差別，且差別隨著高程的升高而增大．高程在發(fā)電機層以下(4～8號特征點)時，5種方案的動位移相差不大，高程在發(fā)電機層以上(1～3號特征點)時，網(wǎng)架模擬方式的不同對動位移有較大的影響．說明不同的網(wǎng)架模擬方式和支承方式僅對廠房上部結(jié)構(gòu)的動力特性有影響．

觀察發(fā)電機層以上的合位移，5種方案的合位移從大到小依次為方案D(網(wǎng)架鉸接于下部支承)、方案E(網(wǎng)架簡支于下部支承)、方案A(不考慮網(wǎng)架)、方案C(用彈性連桿支撐)、方案B(將網(wǎng)架模擬成剛性二力桿)．將網(wǎng)架簡化為剛性二力桿和彈性連桿的模擬方式得到的動位移較小，可能使得計算結(jié)果偏于危險，特別是簡化成剛性二力桿時與網(wǎng)架的實際剛度有較大差別，故不建議用剛性二力桿模擬網(wǎng)架進(jìn)行計算．

當(dāng)屋面質(zhì)量施加方式相同，水流向支撐不同時，分別對比方案A、B、C和方案D、E發(fā)電機層以上的合位移．A、B、C 3個方案中，方案A(廠房上部沒有水流向支撐)的合位移最大，其余依次為方案C(用彈性連桿支撐)，方案B(用剛性二力桿支撐)，說明對網(wǎng)架進(jìn)行簡化模擬時水流向支撐提高了廠房上部結(jié)構(gòu)的抗振性能．D、E兩個方案中，方案D網(wǎng)架鉸支于下部支承，廠房上部有水流向支撐，其合位移明顯大于網(wǎng)架簡支于下部支承的方案E，說明在考慮網(wǎng)架質(zhì)量的不利作用下簡支連接的抗振性能更好．

當(dāng)水流向支撐相同，屋面質(zhì)量施加方式不同時，分別對比方案A、E和方案C、D發(fā)電機層以上的合位移．方案E的合位移大于方案A，方案D的合位移大于方案C．說明屋面質(zhì)量施加方式的不同對廠房上部結(jié)構(gòu)的動力特性有較大影響，并且網(wǎng)架的振動會帶動廠房的振動，故在研究廠房上部結(jié)構(gòu)的動力特性時建議按照網(wǎng)架實際尺寸進(jìn)行模擬計算．

4結(jié)論

1)不同的網(wǎng)架模擬方式只對于廠房上部結(jié)構(gòu)的振動特性有一定的影響，故在研究發(fā)電機層樓板及以下的機墩、風(fēng)罩的振動特性時采用這5種模擬方式均可，而在研究包含上部結(jié)構(gòu)的廠房振動特性時應(yīng)慎重選取模擬方式，建議按照網(wǎng)架實際尺寸及實際支承情況進(jìn)行模擬計算．

2)網(wǎng)架剛度的數(shù)量級一般為101 MN/m，當(dāng)采用剛性二力桿簡化時會出現(xiàn)較大誤差，可能使計算結(jié)果偏于危險，故不建議用剛性二力桿簡化網(wǎng)架．

3)網(wǎng)架與下部支承鉸支連接時，由于網(wǎng)架質(zhì)量的不利作用，廠房的抗振性能較差，對于跨度較大或?qū)拐裼休^高要求的廠房建議采用簡支的連接方式，這樣也有利于適應(yīng)溫度的變化．

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[責(zé)任編輯王康平]

收稿日期：2015-11-12

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51179141)

通信作者：伍鶴皋(1964-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為水利水電工程．E-mail：wbf1988@vip.sina.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.006

中圖分類號：TV731：TV312

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)01-0026-05

Study of Vibration Characteristics of Hydropower House Based on Different Simulation Methods of Grid Roof

Hei CanWu HegaoFu DanShi Changzheng

(State Key Laboratory of Water Resources & Hydropower Engineering Science, Wuhan Univ., Wuhan 430072，China)

AbstractNowadays grid roof is used more and more widely in ground hydropower house. It order to study the influence of grid supporting modes and its finite element(FE) simulation method on the vibration characteristics of power house, five FE models are built by ANSYS in this paper; and the natural vibration characteristics and dynamic responses under generator unit vibration loads of the power house are calculated. The results show that simply support connection is more conducive to improve the anti-vibration performance of the power house compared with hinged support connection. The FE simulation method of grid only affects the vibration characteristics of superstructure; and it has little influence on the structures under generator layer floor. When calculating the dynamic responses of power house under generator unit vibration loads, the simplified rigid two-force bar model to grid gets a smaller dynamic displacement than the model simulating the grid according to its actual size. So in FE calculation of power house's vibration characteristics, when superstructure is included, ths simulation model according to the cactual size of grid is recommended. If only the structure below generator layer is studied, the model model without grid can be used.

Keywordsground hydropower house；vibration characteristics；grid roof；supporting mode；simulation method；FEM