高烈度區(qū)彈簧隔振汽機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)分析

廖　瑩　黃小玲

(1.中核華緯工程設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 南京　210019；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京　211102)

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高烈度區(qū)彈簧隔振汽機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)分析

廖瑩1黃小玲2

(1.中核華緯工程設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 南京210019；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京211102)

以烈度為8度區(qū)域某工程汽機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為背景，針對(duì)常規(guī)固定式基礎(chǔ)地震加速度響應(yīng)超限等問(wèn)題，提出采用彈簧隔振汽機(jī)基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并對(duì)隔振基礎(chǔ)進(jìn)行模態(tài)、諧響應(yīng)以及地震響應(yīng)譜分析，結(jié)果表明，彈簧隔振方案在不增加工程造價(jià)的情況下，大幅度減少基礎(chǔ)底板的鋼筋混凝土用量，具有較高技術(shù)和環(huán)保價(jià)值。

高設(shè)防烈度，彈簧隔振，汽機(jī)基礎(chǔ)，響應(yīng)譜分析

0　引言

某2×660 MW煤電工程位于抗震設(shè)防烈度為8度(0.242g)區(qū)域，其汽輪機(jī)型號(hào)為西門子HMN二次再熱機(jī)型，同類機(jī)型在國(guó)內(nèi)沒(méi)有設(shè)計(jì)、投產(chǎn)先例。此類機(jī)型汽機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)常借鑒國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)，采用固定式基礎(chǔ)。

汽機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)需解決兩個(gè)問(wèn)題：一是基礎(chǔ)在動(dòng)擾力作用下的振動(dòng)位移必須滿足規(guī)范或廠家要求，以確保機(jī)組在正常工況下安全、穩(wěn)定運(yùn)行；二是基礎(chǔ)上的設(shè)備在地震作用下的加速度響應(yīng)必須滿足廠家要求，以避免地震作用對(duì)設(shè)備產(chǎn)生破壞性影響。

彈簧隔振技術(shù)在調(diào)節(jié)基礎(chǔ)不均勻變形、振動(dòng)控制等諸方面具有常規(guī)結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，在歐洲火電工程、我國(guó)核電工程中已被廣泛應(yīng)用。本文即以高烈度區(qū)汽機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為背景，提出彈簧隔振基礎(chǔ)方案，以大型有限元軟件ANSYS為平臺(tái)，對(duì)彈簧隔振基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力性能、地震響應(yīng)計(jì)算分析，并與固定式汽機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性比較。

1　隔振方案及分析模型

HMN二次再熱機(jī)型與HMN機(jī)型在荷載量級(jí)上基本相同，其主要區(qū)別在于汽機(jī)頭部增設(shè)了一個(gè)用于二次再熱的中壓缸，隔振臺(tái)板的外形、厚度基本沿用常規(guī)HMN基礎(chǔ)，并對(duì)局部部位進(jìn)行尺寸拉長(zhǎng)等調(diào)整。

1.1隔振設(shè)計(jì)參數(shù)

隔振體系的動(dòng)力學(xué)方程如下：

自由振動(dòng)方程：

(1)

強(qiáng)迫振動(dòng)方程：

(2)

(3)

式中：Fsinωt——振動(dòng)力；

m——設(shè)備及基礎(chǔ)的總質(zhì)量；

k——彈簧支撐的剛度系數(shù)；

ω——激振力的圓頻率；

ωn——設(shè)備及臺(tái)板的自振圓頻率；

η——隔振系統(tǒng)的絕對(duì)傳遞系數(shù)。

豎向隔振傳遞系數(shù)取為0.01，主機(jī)設(shè)備質(zhì)量為2 025 t，基礎(chǔ)臺(tái)板重量為2 020 t，隔振系統(tǒng)的阻尼主要取決于彈簧阻尼器，系統(tǒng)阻尼比取為0.2，由此換算出彈簧總豎向剛度為5 250 000 kN/m，彈簧總水平剛度取豎向剛度的1/6。

1.2隔振設(shè)計(jì)方案

基礎(chǔ)臺(tái)板外形參考HMN常規(guī)基礎(chǔ)，保持臺(tái)板厚度、寬度不變，基礎(chǔ)長(zhǎng)度及局部尺寸依據(jù)二次再熱機(jī)型進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，中間層采用現(xiàn)澆混凝土梁板式結(jié)構(gòu)。框架柱布置基本沿用HMN機(jī)型布置，汽機(jī)區(qū)域增設(shè)一排柱，詳細(xì)方案如圖1所示。

1.3隔振計(jì)算模型

有限元計(jì)算采用ANSYS軟件，計(jì)算模型如下：基礎(chǔ)本體以六面體Solid45模擬；設(shè)備質(zhì)量以Mass21單元模擬，彈簧用Combin14模擬；不考慮混凝土材料的非線性性質(zhì)；在轉(zhuǎn)子軸線高度位置建立軸承座模擬點(diǎn)，通過(guò)剛性桿單元與基礎(chǔ)連接。

2　計(jì)算結(jié)果及分析

2.1基礎(chǔ)模態(tài)分析

通過(guò)模態(tài)分析，獲得基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的各向自振頻率及模態(tài)，可對(duì)基礎(chǔ)的振動(dòng)特性做初步評(píng)價(jià)。彈簧隔振基礎(chǔ)前2階振型見(jiàn)圖2，圖3，由模態(tài)分析可以得出如下結(jié)論：彈簧隔振基礎(chǔ)前兩階模態(tài)為運(yùn)轉(zhuǎn)層臺(tái)板的整體平動(dòng)，彈簧隔振器以下結(jié)構(gòu)基本未參振。相比于固定式基礎(chǔ)，隔振基礎(chǔ)的1階頻率均有降低，尤其是豎向1階降低幅度明顯。

2.2諧響應(yīng)分析結(jié)果

諧響應(yīng)分析可獲得結(jié)構(gòu)在激振力作用下的振動(dòng)位移響應(yīng)，汽機(jī)基礎(chǔ)典型軸承座點(diǎn)的振動(dòng)幅頻曲線如圖4所示，振動(dòng)傳遞率對(duì)比曲線如圖5所示。

1)在0.9倍～1.15倍工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。

固定式基礎(chǔ)、彈簧隔振基礎(chǔ)振動(dòng)位移均較小。后者稍大于前者且均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值17.1 μm；隔振基礎(chǔ)在低頻率階段的峰值點(diǎn)更加密集，峰值小于固定基礎(chǔ)，在啟動(dòng)階段具有更好的動(dòng)力性能；采用彈簧隔振之后基礎(chǔ)具有與固定式基礎(chǔ)相近的振動(dòng)性能。

2)隔振效果。

啟動(dòng)初始階段(0 rpm～500 rpm)橫、豎向的傳遞率比值基本大于1，表明彈簧隔振基礎(chǔ)振動(dòng)傳遞大于固定式基礎(chǔ)；啟動(dòng)階段之后，傳遞率比值迅速衰減，1 000 rpm后橫向穩(wěn)定在0.039、豎向穩(wěn)定在0.04，正常運(yùn)行階段彈簧隔振基礎(chǔ)的振動(dòng)對(duì)框架柱影響可以忽略。

2.3地震作用響應(yīng)譜分析

軸承座在基本地震作用下的加速度限值為0.3g，通過(guò)地震響應(yīng)譜分析獲得各軸承座點(diǎn)的加速度響應(yīng)，同時(shí)對(duì)作用在結(jié)構(gòu)上的

地震力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

表1　諧響應(yīng)分析對(duì)比表

1)彈簧隔振基礎(chǔ)的地震加速度響應(yīng)僅為固定式基礎(chǔ)0.31倍～0.33倍，彈簧隔振能大幅度降低結(jié)構(gòu)及設(shè)備在地震作用下的加速度響應(yīng)；彈簧隔振基礎(chǔ)的地震位移響應(yīng)略大于固定式基礎(chǔ)，但增加幅度均不大。

2)柱頂反力響應(yīng)。

地震作用下彈簧隔振基礎(chǔ)的柱頂?shù)卣鹆εc重量的比值僅為固定式基礎(chǔ)的0.31倍～0.4倍，彈簧隔振基礎(chǔ)的柱頂反力明顯小于固定式基礎(chǔ)，具有良好減震效果。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)彈簧隔振基礎(chǔ)的模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析以及地震反應(yīng)譜分析，并通過(guò)與常規(guī)固定式基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：

1)隔振基礎(chǔ)相比固定基礎(chǔ)，在各個(gè)方向上的1階振型頻率更低，且參振質(zhì)量更小。

2)彈簧隔振基礎(chǔ)在啟動(dòng)階段的振動(dòng)位移要普遍小于固定基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)組檢修及沖高轉(zhuǎn)速更加有利。

3)彈簧隔振基礎(chǔ)的振動(dòng)傳遞率要遠(yuǎn)低于固定式基礎(chǔ)，前者僅為后者的4%。

4)彈簧隔振基礎(chǔ)可以大大降低設(shè)備的地震響應(yīng)，滿足高烈度區(qū)汽機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求。

5)彈簧隔振基礎(chǔ)的地震作用力僅為固定式基礎(chǔ)的30%～40%，可大大降低基座地震力。

此外采用彈簧隔振，可以忽略激振力對(duì)框架柱、中間層及底板的影響，可以按靜力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可大為節(jié)省底板的工程量。實(shí)際設(shè)計(jì)表明，660 MW級(jí)單臺(tái)機(jī)組可節(jié)省混凝土方量約2 000 m3，基本抵消彈簧隔振器費(fèi)用，其環(huán)保效益顯著。

[1]GB 50463—2008，隔振設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]朱彤，陳春雷.動(dòng)力機(jī)器框架式基礎(chǔ)的隔振研究[J].振動(dòng)與沖擊，2010，29(2)：121-124.

[3]周雷靖.核電站1000 MW半速汽輪發(fā)電機(jī)組彈簧隔振基礎(chǔ)強(qiáng)迫振動(dòng)模型試驗(yàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2007,40(S1):480-483.

On design analysis of spring vibration isolation TG-foundation in areas with high seismic fortification intensity

Liao Ying1Huang Xiaoling2

(1.China Nuclear Industry Engineering Design and Research Co., Ltd, Nanjing 210019, China;2.Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

Taking some engineering TG-foundation design at some area with 8-degree seismic fortification intensity as the background, the paper points out the optimal design scheme for the spring vibration isolation TG-foundation according to the ultra-limitation of the regular fixed foundation seismic accelerator response, undertakes the model analysis, harmonic response analysis and response spectrum analysis, and indicates the spring vibration isolation can greatly reduce the reinforced concrete at the foundation plates with higher technical and environment-friendly value without increasing the engineering cost.

high seismic fortification intensity, spring vibration isolation, TG-foundation, response spectrum analysis

1009-6825(2016)25-0051-02

2016-06-27

廖瑩(1983- )，女，碩士，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師；黃小玲(1982- )，男，碩士，高級(jí)工程師

TU352

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