水電站廠房鋼屋架支座型式對結構性能的影響

陳 鵬 蔡 波

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

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水電站廠房鋼屋架支座型式對結構性能的影響

陳 鵬 蔡 波

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

以桑河二級水電站工程為例，采用ANSYS有限元軟件，對固定鉸接支座與橡膠支座進行了模擬，分析了不同支座型式對結構自振特性及受力性能的影響，最終得出了一些有意義的結論。

水電站，橡膠支座，固定鉸接支座，結構性能

0 引言

目前國內外支座結構型式多樣，總的來說主要有三種類型：固定支撐型支座、彈性支撐型支座(橡膠支座等)、活動支撐型支座(滑動摩擦支座、活動球形支座等)。水電站廠房鋼屋架支座是連接屋頂鋼結構和下部墻柱結構的重要構件，同時鋼屋架支座承擔著將屋頂荷載傳遞給支座下部墻柱結構的作用[1]。雖然支座在整個水電站廠房結構實際工程造價中占有的比例較小，但是不同的支座型式由于約束條件的差異會使得屋架對墻柱產(chǎn)生的水平推拉力不盡相同，從而會直接影響墻柱的結構設計，也會在一定程度上影響結構的安全性。

本文根據(jù)不同支座的受力特點，采用ANSYS計算軟件，建立了有限元計算模型，比較分析了固定鉸接支座和橡膠支座不同組合型式的結構性能，為工程設計提供參考。

1 工程概況及有限元模型

桑河二級水電站位于柬埔寨王國上丁省西山區(qū)境內的桑河干流上，上游距斯雷坡河(Srepork)匯入桑河口處約1.5 km，下游距賽公河匯入桑河口處約20 km。壩址以上流域集水面積為49 200 km2。電站樞紐主要由左右岸均質土壩、河床泄洪閘壩、河床式發(fā)電廠房、混凝土擋水連接壩段和側墻式接頭等建筑物組成，壩頂全長6 539.8 m，其中混凝土壩段長464 m，河床擋水建筑物最大高度59 m，兩岸均質土壩最大壩高33.0 m。電站裝機容量400 MW，保證出力105.03 MW，年利用小時數(shù)4 925 h，多年平均發(fā)電量19.70億kW·h。

本計算以桑河二級水電站廠房中間標準組段為對象。在計算范圍內，對主廠房上下游排架柱、副廠房各層樓板、構造柱等均按實際尺寸進行模擬。廠房上部結構包括屋頂鋼屋架，屋頂鋼屋架按照實際構造和構件尺寸進行模擬。計算模型采用笛卡爾直角坐標系，其X軸為順河向，指向下游為正；Y軸為鉛垂方向，向上為正；Z軸為廠房縱軸線方向。計算中，模型底部施加全約束，其余各面自由。

1.1 固定鉸接支座的模擬

固定鉸接支座即支座可以約束上部結構的水平方向變位，但是不能約束其轉動。ANSYS計算軟件中可以采用節(jié)點耦合(Couple)來模擬鉸接，僅耦合鋼屋架和墻柱結構在支座處節(jié)點的三個平動自由度(UX，UY，UZ)即為鉸接。

1.2 橡膠支座的模擬

橡膠支座的力學模型可以簡化為由水平兩方向的非線性彈簧、粘滯阻尼器以及豎向的線性彈簧所組成。在ANSYS中豎向采用Combin14單元(線性彈簧)模擬墻柱對鋼屋架的彈性支撐作用，在兩個水平方向采用Combin40單元(非線性彈簧和阻尼器組合)模擬支座的抗剪變形能力[2，3]。

根據(jù)常用帶螺栓板式橡膠支座的構造，依據(jù)Gent，Lindley提出的橡膠隔震支座豎向剛度計算理論和Haringx提出的橡膠彈性體壓縮剪切計算理論[4]，并考慮螺栓對豎向剛度的貢獻，可得到：

Kv=(Em×N×Am+Er×Ar)/Tr

(1)

Khd=Gr×Ar/Tr

(2)

式中：Kv——豎向彈簧剛度；

Khd——水平向彈簧剛度；

Em——螺栓彈性模量；

N——支座處螺栓個數(shù)；

Am——單個螺栓截面面積；

Er——橡膠抗壓彈性模量；

Ar——支座處橡膠面積；

Tr——橡膠厚度；

Gr——橡膠抗剪彈性模量。

這里水平向彈簧剛度計算中僅考慮橡膠的抗剪作用，另外近似取彈簧粘性阻尼Ch=0.1Khd。一般而言，豎向彈簧阻尼相對結構阻尼較小，計算中忽略豎向彈簧的阻尼[5]。

有限元模型見圖1，橡膠支座計算模型見圖2。

2 計算方案

為了分析鋼屋架不同的支座型式對結構設計及性能的影響，擬定以下3種計算方案：1)A方案：鋼屋架上下游支座均為鉸接支座型式；2)B方案：鋼屋架上游支座為鉸接支座，下游支座為橡膠支座；3)C方案：鋼屋架上下游支座均為橡膠支座型式。

3 不同支座型式對結構自振特性的影響

各方案廠房整體結構振動基頻及鋼屋架結構振動基頻的計算結果如圖3所示。從圖3可以看出，各方案廠房整體結構振動基頻相近，說明鋼屋架支座型式的差異對廠房整體結構的自振特性沒有顯著的影響。

鋼屋架振動基頻要遠高于廠房整體結構振動基頻，說明鋼屋架基頻振動在廠房整體結構基頻振動中的振型參與率較小，這是鋼屋架支座型式的差異不會導致廠房整體結構自振特性有明顯不同的原因。

從圖4可知，鋼屋架支座型式對其自身的自振特性影響顯著。A～C方案的鋼屋架結構各階振動頻率逐漸降低，這是因為A～C方案鋼屋架的支座型式的差異直接影響鋼屋架自身的邊界約束條件，A～C方案鋼屋架的邊界約束逐漸減弱，從而導致其振動頻率逐漸降低。

4 不同支座型式對結構受力和變形的影響

4.1 不同支座型式對墻柱受力和變形的影響

為避免其他荷載對計算結果產(chǎn)生影響，本節(jié)僅對有限元模型施加鋼屋架自身重量、屋面恒載和屋面活載，以分析不同支座型式下鋼屋架荷載對墻柱受力和變形的影響。

表1 各方案典型部位變位 mm

從表1和圖5可知，A～C方案各典型部位的變位值及柱頂水平推拉力值逐漸減小，C方案的變位值和水平推拉力值是3個方案中最小的，這說明橡膠支座可釋放屋架變形對墻柱的推拉作用，能夠緩解支座處應力集中現(xiàn)象。另外，鋼屋架對柱頂產(chǎn)生的壓力不受支座型式的影響。

從圖6可知，A～C方案下游側鋼屋架支撐柱柱底軸力基本無變化，而從A方案至C方案鋼屋架對柱頂產(chǎn)生的水平推拉力是減小的，故而彎矩和軸力也呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。由此可以看出橡膠支座可以降低鋼屋架荷載對支撐柱產(chǎn)生的內力，對墻柱受力狀態(tài)有利。

以上分析僅基于只施加鋼屋架荷載的計算結果，而水電站實際運行中，廠房結構承受諸多荷載共同作用，當橋機荷載較大時，鋼屋架對墻柱的支撐作用可減弱橋機荷載對墻柱產(chǎn)生的彎曲作用，這時固定鉸接支座型式對墻柱的受力和變形更為有利。因此，多荷載共同作用下鋼屋架支座型式對墻柱的受力和變形會有怎樣的影響要結合實際情況作分析。

4.2 不同支座型式對鋼屋架變形的影響

各方案鋼屋架最大豎向撓度和最大順河向位移值如圖7所示，從圖7可知A～C方案鋼屋架最大豎向撓度逐漸增大，這是因為屋架荷載均為豎向荷載，各方案荷載相同，但A～C方案鋼屋架支座處的豎向支撐強度逐漸降低，從而導致鋼屋架的最大豎向剛度逐漸增大。

鋼屋架順河向位移值主要和鋼屋架受到的水平力與鋼屋架支座處水平剛度的比值有關，即u∝F/Kh。根據(jù)4.1節(jié)可知A～C方案鋼屋架對柱頂?shù)乃酵评κ侵饾u減小的，A方案的鋼屋架支座處的水平剛度明顯大于B，C方案。從圖7可知A～C方案鋼屋架的最大順河向位移值先增大后減小，說明橡膠支座比固定鉸接支座的水平剛度下降明顯，下降比例大于水平推拉力的下降比例。

通過以上分析可知，鋼屋架支座的剛度，特別是橡膠支座的剛度，對鋼屋架結構的變形影響較大，實際工程運用中要結合相關材料特性、結構設計等進行相應的計算研究，以分析支座型式的合理性。

5 結語

本文通過應用有限元對水電站廠房固定鉸接支座和橡膠支座進行模擬，對比不同支座型式下結構自振特性和結構受力、變形，得到以下結論：

1)水電站廠房不同的鋼屋架支座型式對廠房整體結構自振特性沒有影響，其主要影響鋼屋架自身的自振特性，橡膠支座相比傳統(tǒng)鉸接支座減弱了鋼屋架的邊界約束，使其振動基頻降低。

2)僅考慮屋架荷載計算表明采用橡膠支座可以有效降低鋼屋架對墻柱產(chǎn)生的水平推拉力和柱頂變位值，降低柱底的彎矩和剪力，對墻柱結構的受力和變形有利。

3)采用橡膠支座使得鋼屋架支座處豎向支撐剛度降低，鋼屋架的最大豎向撓度會增加；鋼屋架的順河向位移和其受到的水平力與支座水平剛度的比值相關。

4)實際工程運用中要統(tǒng)籌考慮廠房結構布置特點、荷載組合情況及相關材料特性等進行相應的計算研究，以綜合判斷和衡量不同支座型式的優(yōu)劣和支座布置的合理性。

[1] 莊軍生.橋梁支座[M].北京:中國鐵道出版社,2000.

[2] 王新敏.ANSYS工程結構數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[3] 鄒磊堂.水電站廠房上部結構型式研究[D].大連:大連理工大學,2007.

[4] 何文福,劉文光,楊彥飛,等.厚層橡膠隔震支座基本力學性能試驗[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2011,12(3):258-263.

[5] 尹學軍,王建立,谷朝紅,等.汽輪機與凝汽器不同聯(lián)接方式下的彈簧隔振基礎設計[J].武漢大學學報(工學版),2010,43(sup):165-170.

Effects of structure properties considering different steel roof bearing types of hydropower house

Chen Peng Cai Bo

(PowerChinaHuadongEngineeringCorporationLimited,Hangzhou311122,China)

Taking Sanghe Secondary Hydropower Station as the example, the paper adopts the ANSYS, the finite element software, simulates the fixed hinged support and rubber support and analyzes the influence of various support forms on the structural self-vibration features and stressed performance, and concludes some results.

hydropower station, rubber support, fixed hinged support, structural performance

1009-6825(2016)24-0033-03

2016-06-17

陳 鵬(1988- )，男，碩士，工程師

TV731

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