廣州抽水蓄能電站A廠廠房結構動力特性試驗研究

周艷國，何 濤，何 直，宋一樂

（1.武漢大學振動研究所，湖北省武漢市 430072；2.南方電網調頻調峰公司，廣東省廣州市 510950；3.武漢大學土建學院，湖北省武漢市 430072）

廣州抽水蓄能電站A廠廠房結構動力特性試驗研究

周艷國1，3，何 濤2，何 直2，宋一樂1，3

（1.武漢大學振動研究所，湖北省武漢市 430072；2.南方電網調頻調峰公司，廣東省廣州市 510950；3.武漢大學土建學院，湖北省武漢市 430072）

抽水蓄能電站地下廠房抗振設計一直都是難點，使得許多地下廠房結構運行數年后出現不同程度的損傷，影響了電站的正常運行。進行結構模態試驗研究可以獲得廠房結構的動力特性，并指導廠房結構的抗振設計。通過對板梁柱框架廠房結構和厚板廠房結構的現場模態試驗，獲得了它們的頻率和振型，為合理的廠房抗振結構型式提供了科學依據。

廠房抗振設計；厚板結構；模態試驗；結構動力特性

1 概述

受科學技術水平的限制以及認識水平的制約，不論在理論上還是在實踐中，超大型電站地下廠房的抗振設計是一個難點。我國《水電站廠房設計規范》（SL 266—2001）僅對機組的機墩防“共振”提出一定的限制，而對廠房結構抗振設計提不出更具體的要求。從技術層面上說，地下廠房結構的復雜性使得廠房結構抗振設計規范也沒有科學的范本，設計人員無法參照規范或利用合理的理論計算的手段獲得理想的抗振結構體系，也沒有合理的結構抗振設計允許值，抗振設計的措施僅僅是在靜力荷載的基礎上增加1.2倍的動力放大系數，因此廠房結構的抗振設計，只能利用有限的或傳統的設計方法開展。早期建造的抽水蓄能電站一般采用傳統的板梁柱框架結構，隨著時間的推移，在水力機組復雜動力荷載的交變作用下，這些廠房結構抗振缺陷逐漸暴露出來，部分構件出現各種裂紋或裂縫，并有繼續發展的趨勢，給機組正常運行留下安全隱患。意識到傳統抗振設計方法中的問題，現代蓄能電站地下廠房抗振設計大多采用厚板結構，即增加地下廠房各層樓板的厚度，從目前運行情況看，厚板結構廠房的抗振能力明顯優于普通框架結構。另外，機組的土建結構最佳布置形式也是地下廠房抗振設計中的一個問題，通常采用一機一縫或兩機一縫。一機一縫結構廠房的土建結構（包括機墩、框架等）兩側設置20mm的冷縫，單獨形成一臺機組結構工作體系；兩機一縫結構在兩臺機組兩側設置冷縫，兩臺機組的土建結構形成一個結構工作體系。兩種體系的廠房結構形式哪一種的抗振性能更好，也是業內爭論的話題。為了解釋上述各種疑慮，利用現場模態試驗的方法測試了兩種不同類型地下廠房結構形式的動力特性。某電站設有A廠房和B廠房[1]，A、B廠房之間距離僅為200m。A廠房采用了兩機一縫布局，結構形式為板、梁、柱框架結構，簡稱A廠房；B廠房采用一機一縫布局結構，各層樓板改用60cm以上的厚板，簡稱B廠房。通過現場實測這兩種不同形式地下廠房結構的動力特性，獲得了它們實際情況下的基本自振頻率和對應振型等，以此評價不同結構形式地下廠房的抗振性能，為大型地下廠房結構的抗振設計選型和電站的后期運行管理提供科學依據。

2 提出問題

抽水蓄能電站的特點是高水頭、高轉速、機組頻繁雙向啟動或關閉運行，這使得蓄能電站廠房結構的振動問題十分突出。然而受傳統建筑結構設計思想支配，早期的蓄能電站地下廠房一般都沿用普通廠房結構設計思想，采用以機組機墩為核心的板、梁、柱框架結構形式，其中板的厚度一般取30～40mm。為了機組檢修，在每層樓板都布置有機組轉輪拆裝孔與球閥檢修孔，電站A廠房即采用這種結構形式。隨著時間的推移，在水電站水力、機械和電磁動力荷載的反復作用下，這類廠房結構已經開始出現疲勞損傷或損壞，特別是在樓板孔口處，廠房的混凝土結構構件出現了不同程度的裂紋或是甚至肉眼可見的裂縫，根據現場檢測結果[2]，這些損傷還有發展的趨勢[3]，廠房結構的損傷給電站的繼續運行留下安全隱患。隨著抽水蓄能電站建設的蓬勃發展，厚板結構形式在蓄能電站以及其他水力發電廠廣泛使用，B廠房采用的就是這種結構形式，從外表看，B廠房結構布置與A廠房結構基本相同，主要差異是增加了廠房各層樓板的厚度，梁也相應減少或改為暗梁形式，根據目前情況看，B廠房運行至今混凝土結構基本完好，構件沒有明顯的損傷，顯然增加廠房樓板厚度對改善廠房結構的抗振能力有較大幫助[4]。為了比較普通廠房框架結構與厚板結構的抗振性能，同時對損傷廠房結構進行診斷和分析，以及鑒別其損傷程度并進行相應的修復，采用現場模態試驗技術測量了兩種廠房結構的動力特性，獲得了它們前五階頻率和對應的振型特征，利用理論與試驗相結合的方法，闡述了厚板結構在蓄能電站廠房抗振設計中的優越性。

3 試驗原理與方法

3.1 試驗原理

模態試驗技術是一種研究建筑結構動力特性的先進方法，是系統識別方法在工程振動領域中的應用。模態是建筑結構的固有振動特性，主要包括結構的固有頻率、對應的結構振型、阻尼比等參數。結構固有動力特性取決于結構的質量、結構剛度的分布以及結構的阻尼等物理性能，試驗得到的每一個模態參數對應一組固有的自振頻率、振型和阻尼比。實際工程應用中一般獲得前三階到前五階模態參數即可。通過模態分析可以了解廠房結構在易受外界干擾力影響的頻率范圍內的各階固有模態特性，從而可以預測在各種擾力振源作用下，結構在此頻率范圍內產生的實際振動響應，并且判別結構是否會產生“共振”，同時可以尋找或發現建筑結構的抗振薄弱部位，并利用模態試驗的結果進行結構動力修改。因此，模態試驗是研究結構抗振性能及進行建筑結構故障診斷的重要方法，也是結構抗振設計的基本資料。模態試驗的基本原理是，對靜止狀態下的廠房結構進行人為或利用大地脈動的方式激振，同時測量激振力與建筑結構的響應，對激振力和動力響應同時進行快速傅里葉變換（FFT）分析，得到建筑物任意兩點之間的傳遞函數，從而建立建筑物的模態模型，利用模態分析理論對試驗模態模型的傳遞函數進行曲線擬合，識別出建筑物的固有頻率和對應的振型。

3.2 試驗方法

（1）采集動態數據及獲取頻響函數。為了獲得廠房整體結構的模態參數，首先必須對建筑物進行激勵，蓄能電站地下廠房屬于超大型建筑物，一般采用人為激振的方法無法使之起振，利用地脈動對廠房結構進行激振是最佳選擇。地脈動能量大，其頻譜接近白噪聲，頻譜范圍一般在0.1～100Hz，基本覆蓋了廠房結構的主要自振頻率，也涵蓋了對廠房結構產生不利影響的振源可能頻率。地脈動方法中采用的邊界條件與結構實際的邊界條件完全相同，得到的頻率和振型最能符合建筑物的實際情況，但地脈動的強度小，其位移幅值僅從千分之幾微米到幾微米，采用該方法時對信號采集技術要求很高，對環境的要求也非常高，否則，所采集的信號將無法獲得正確的頻響函數。為了減少其他因素的干擾，獲得較高的信噪比，試驗選擇在機組停機的夜間進行。試驗時選定一個參考點，利用高靈敏度傳感器，測試在地脈動作用下廠房結構參考點的動力響應，并同步測量其他各個模態測點的微幅振動響應，對參考點和各響應點同時進行FFT變換，獲取廠房結構參考點與各測點之間的頻響函數。

（2）模態參數識別采用頻域法。對頻響函數進行擬合，識別得到廠房結構的固有頻率、振型和阻尼比等模態參數。

（3）振型動畫參數識別得到結構的模態參數，即廠房結構的固有頻率、模態阻尼以及相應各階模態的振型。由于結構復雜，必須采用動畫的方法，將放大了的振型疊加到原始的幾何形狀上，形成廠房結構動畫圖形。通過廠房結構振動圖形，可以清楚地分辨出廠房結構的各種變形特征，確認結構的薄弱部位。

根據建筑物抗振理論，模態試驗按廠房的兩個主軸方向進行，即廠房軸線方向（也是機組軸線方向）和廠房上下游方向（即水流方向）。頻響函數測試選擇加速度頻響函數。

模態試驗流程框圖見圖1。

圖1 廠房模態試驗基本流程圖Fig.1 Basic flow chart of plant modal test

4 測點布置

4.1 A廠房模態試驗測點布置

A廠房動力特性試驗對象選擇在按兩機一縫形式布置的3、4號機組段進行[6]，3、4號機組段的土建結構屬于筒體-框架結構。機墩為筒體，機墩厚度一般在1m以上，廠房結構各樓層的板、梁、柱組成框架結構，靠近機墩附近的板、梁直接搭接在機墩上，廠房框架結構柱受圍巖法線方向約束（現場調查廠房結構邊柱與圍巖的連接具有一定的隨機性），底層固定在圍巖基礎上，廠房結構模態試驗網格圖主要選擇在梁、柱連接點處。模態試驗測點布置基本原則如下：①反映廠房結構的整體動力特性；②為了與數值模型計算結果進行對比，試驗測點布置與有限元計算模型的節點相對應；③測點布置在廠房結構的板、梁、柱的結點上。

A廠房的結構屬于板、梁、柱框架結構，其中板的振動屬于結構局部的垂直振動，而模態試驗更關注廠房整體結構的動力特性。根據建筑物抗振規范，廠房結構模態試驗主要研究廠房整體長軸方向（機組中心連線方向）和短軸方向（上下游方向）的動力特性。根據上述設想，確定A廠房結構模態試驗的測點布置。圖2和圖3分別為A廠房發電機層和中間層模態試驗測點布置示意圖，中間層與水輪機層模態試驗測點與發電機層位置相同。

4.2 B廠房模態試驗測點布置

圖2 A廠房發電機層模態測點布置圖Fig.2 The modal point layout of the generator layer of A workshop

圖3 A廠房中間層模態點布置圖Fig.3 A layout of the modal point of the middle layer of A workshop

相對A廠房結構，B廠房結構按抗振設計要求進行了較大改進。主要改進點是：① 機組按一機一縫布置；② 廠房結構中各樓層的板厚度從25～30cm增加至50～60cm；③ 廠房的上下游側設置1m厚的邊墻，廠房的邊墻分別與上下游圍巖緊密錨固。廠房結構的板、梁、柱組成框架結構支承在基礎圍巖上。厚板廠房（B廠房）結構模態試驗測點布置仍然以廠房結構整體為主。由于B廠房結構采用了一機一縫布置方案，因此結構動力特性試驗選擇一個機組段的廠房結構進行。B廠房結構模態試驗選擇6號機組段進行。圖4和圖5分別為B廠房發電機層和中間層模態測點布置示意圖，水泵水輪機層測點與發電機層相同，蝸殼層為模態試驗固定層。

圖4 B廠房發電機層模態測點圖Fig.4 B plant generator layer modal point map

圖5 B廠房中間層模態測點圖Fig.5 B plant middle layer modal test point diagram

5 試驗結果

5.1 A廠房模態試驗結果

表1為A廠房前五階模態試驗結果以及各階振動頻率和對應振型。

表1 A廠房前五階模態的固有頻率和對應振型Tab.1 The natural frequencies and corresponding modes of the first five modes of A plant

由表1給出的A廠房模態試驗結果可以看出：一階模態為廠房結構整體平動變形，平動方向為廠房軸線方向，對應振動頻率（基頻）為16.491Hz；二階模態為發電機層機組球閥檢修孔周邊的板的垂直振動變形，對應振動頻率為20.103Hz，屬于廠房結構構件板的局部振動；三階模態為各層樓板球閥檢修孔周邊的板的垂直振動變形，對應振動頻率22.310Hz，也屬于廠房結構元件各樓層板的局部振動；四階模態為各層機組轉輪檢修孔周邊的板的垂直振動變形，對應振動頻率26.389Hz，仍然是廠房結構局部振動；五階模態為廠房整體結構繞機墩的轉動，對應振動頻率28.396Hz。模態試驗結果表明，A廠房前五階固有頻率在16.491～28.396Hz的范圍內。前五階頻率對應振動形態中，一階和五階振型為廠房結構整體的變形，二階、三階、四階模態振型為廠房結構檢修孔或吊物孔周邊的板局部垂直振動。

5.2 B廠房模態試驗結果

表2為B廠房前五階模態試驗結果以及各階振動頻率和對應振型。

B廠房模態試驗結果表明，B廠房一階模態為廠房結構整體水平方向平動，對應振動頻率為19.88Hz；二階模態為廠房結構整體繞機墩的轉動，對應振動頻率23.25Hz；三階模態為廠房結構整體平動，平動方向為機組水流方向，對應振動頻率24.38Hz；四階模態為廠房整體沿廠房軸線方向錯動，對應振動頻率27.25Hz；五階模態為廠房整體結構二階彎曲振動，振動方向為廠房軸線方向。根據模態試驗結果，B廠房前五階固有頻率為19.88～29.25Hz，前五階頻率對應的振型全部為廠房結構整體變形，沒有廠房構件的局部振動變形。

表2 B廠房前五階模態的固有頻率和對應振型Tab.2 The natural frequencies and corresponding modes of the first five modes of the plant

5.3 A、B廠房模態試驗結果分析

根據A、B廠房模態試驗結果，可以獲得它們的基本固有頻率，評估“共振”的可能性，了解廠房結構的基本振動變形，通過變形分析指出廠房整體結構的薄弱環節，最后對比A、B廠房抗振設計的特點。

（1）根據振源測試結果[6]，廠房結構的振動源主要是水力低頻脈動（頻率5Hz以下）、機組轉頻（頻率8.33Hz）、轉輪葉片與水力干涉（頻率58.35Hz），將A、B廠房結構前五階頻率與上述振源頻率比較可見，兩種廠房結構的主要頻率與振源頻率的錯開度滿足《水電站廠房設計規范》（SL 266—2014）[7]大于20%以上的要求，廠房結構前五階模態頻率中沒有與振源產生“共振”的頻率成分，在30Hz以下的頻率范圍內，廠房結構滿足抗振設計要求。結果分析中沒有考慮30Hz以上振源頻率對廠房結構的影響，實踐中廠房結構的高階模態頻率可能會與振源的高階頻率接近，但根據抗振理論，由于振源是通過大體積混凝土和大體積機墩傳遞，在傳遞過程中振源中的高階頻率成分已經被大體積混凝土過濾掉，振源高頻成分對廠房結構的影響也會迅速衰減，因此對廠房結構的動力影響也會相應減小。

（2）A、B廠房模態試驗結果表明，廠房結構沿廠房軸線方向的變形總是優先發生，這與廠房結構的布置關系密切。在廠房上下游方向A、B廠房都直接與圍巖相連，圍巖對廠房結構具有顯著的約束作用，沿廠房軸線方向機組之間設置伸縮縫，伸縮縫形成了無約束的自由面，使得廠房結構沿軸線方向可以更容易變形。地下廠房抗振設計中一機一縫與兩機一縫布置存在較大爭議，為了避免機組之間振源的傳遞而導致的互相干擾，一般建議廠房布置采用一機一縫的布置方式，但是通過A、B廠房模態試驗結果，一機一縫和兩機一縫產生的結構動力特性的變化并不明顯。而且根據結構耗能的概念，采用兩機一縫方案也應該具有一定的優越性。

（3）A、B廠房都出現繞機墩轉動模態，說明機組機墩的剛度遠大于廠房結構的剛度，機墩剛度大有利于緩沖機組運行時產生的各種振源向廠房土建結構的傳遞，A、B廠房機組機墩的抗振設計是合理的。

（4）A廠房上下游邊墻的約束作用與機組機墩的剛度要遠遠大于廠房板、梁、柱框架結構，使得A廠房2臺機組段之間伸縮縫的周邊成為廠房結構的薄弱部位，模態試驗振型也表明靠近伸縮縫處的框架結構的變形要明顯大于邊墻和機墩附近的框架，誘發伸縮縫附近混凝土構件產生裂紋。

（5）比較A、B廠房之間動力特性可見，前五階固有頻率對應的振型，A廠房含有2階整體變形、3階局部變形，B廠房5階振型全部為廠房結構整體變形，這是A廠房結構與B廠房結構模態試驗的最大差異，產生這種變化的原因無疑是采用厚板的結果。根據A廠房模態試驗結果，廠房結構局部變形主要是吊物孔周邊板的垂直方向振動，這是吊物孔周邊構件裂紋或裂縫明顯多于其他部位的重要原因。仔細檢查采用厚板結構的B廠房，基本未見混凝土結構有明顯的裂紋，這表明厚板廠房的抗振能力優于采用普通板、梁、柱的廠房。根據建筑物振害調查[8]，框架結構的節點是抗振設計的關鍵點，因為各種不同形式、不同幾何尺寸的構件在此交接，極易形成高應力集中區。而采用厚板結構后，除了增加廠房樓板的厚度以外，還可以取消牛腿，直接加強廠房結構的板、梁、柱的連接，使結構的節點也大大強化，改善了建筑物的連接性能，從而提高了廠房結構的整體抗振能力。

（6）采用厚板也可能帶來另外的問題。對于普通框架廠房結構，板的厚度一般為30cm左右，板沿法向的尺寸一般遠遠小于其他兩個方向的尺寸，根據板殼理論，板的受力主要為法向平面內的彎曲應力。采用厚板后，由于板的法向尺寸與另外兩方向尺寸的比值減小，板有可能出現剪切力增大的現象，因此厚板抗振設計時需要做相應的抗剪調整。

6 結束語

（1）模態試驗給出了地下廠房結構的前五階固有頻率和對應振型。結果表明，廠房結構固有頻率與振源頻率錯開度大于20%，廠房結構不會與振源頻率形成“共振”。

（2）根據蓄能電站廠房結構布置要求，沿廠房軸線方向設置了伸縮縫，伸縮縫形成廠房結構的自由邊界，使得伸縮縫附近的板、梁成為廠房混凝土結構的薄弱部位，因此伸縮縫周邊的廠房結構部位的抗振設計應加強。

（3）模態試驗結果表明，框架廠房結構前五階模態中，存在3階局部變形，主要是各層樓板吊物孔周邊的垂直振動，薄板吊物孔是廠房結構抗振性能最薄弱的環節，也是部分廠房損傷的原因。采用厚板之后樓板吊物孔的局部振型基本消除，吊物孔周邊混凝土構件的抗振能力明顯增加，現場檢查厚板廠房結構吊物孔周邊未見裂紋或其他損傷。

（4）普通廠房建筑物的節點是各種構件的結合點，也是應力集中點，因此在抗振設計中需要重點考慮。廠房結構采用厚板形式后，可以取消牛腿，并有效地改善節點的受力不均勻性，提高廠房結構的整體性，從而增加建筑物的抗振性能。

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2017-06-05

2017-07-10

周艷國（1976—），男，博士，副教授，主要從事結構數值仿真分析及結構抗震減振的教學與科研工作。Email：zhouyanguowhu@126.com

The Dynamic Characteristics of Pumped-Storage Power Station Underground Powerhouse Structure Research in GPSPS

ZHOU Yanguo1，3，HE Tao2，HE Zhi2，SONG Yile1，3
（1.vibration research institute of wuhan university，wuhan 430072，China; 2.The southern power grid peak shaving FM company，guangzhou 510950，China; 3.Institute of civil engineering of wuhan university，wuhan 430072，China）

The pumped-storage power station underground powerhouse vibration-proof design has always been the difficulty，many underground powerhouse structure to run A few years later appeared different degree of damage，affects the normal operation of the plant.For structural modal experimental research on the dynamic performance of the plant structure can Be obtained，And guide the vibration of powerhouse structure design.Through the plate beam column frame structure And thick plate factory of the structure of the modal test，

their frequency And vibration model，for the reasonable structure of plant resistance to vibration model provides a scientific Basis.

plant vibration-proof design；Thick plate structure；The modal test；Structural dynamic characteristics

TV32

A學科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.008

中央高校基本科研業務自主科研項目（武漢大學 2042016kf1120）。