孔洞結(jié)構(gòu)對河床式水電站廠房動力特性的影響研究

谷振東

（陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100）

隨著我國水電建設(shè)大開發(fā)和發(fā)電廠房的集中建成，共振問題逐步突顯。要改善整個廠房結(jié)構(gòu)的動力特性，從根源上解決問題，就得在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段深入開展自振特性的研究[1]。其研究思路為：采用從整體結(jié)構(gòu)模型出發(fā)，通過頻率和振型特性分析，確定出主振段和廠房運行人員經(jīng)常活動的部位為研究重點，建立研究重點部位的細部模型，多方案單列的影響因素并賦值計算，對比分析得出普遍結(jié)論以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

1 整體計算模型的建立及分析

本文以某水電站廠房結(jié)構(gòu)的動力特性為研究實例，采用有限元數(shù)值方法建立模型，計算結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，掌握固有的動力特性，分析研究重點。

圖1 河床式水電站廠房動力特性計算模型

通過計算，該廠房的主振部位集中在上游的進水口、下游的出水口這些被閘門槽減弱的“單薄”結(jié)構(gòu)上，自振頻率在10Hz以下[1]。進、出水口距水輪發(fā)電機組位置較遠，振幅值隨距離快速衰減，意味著對共振影響很小。因此，廠房整體結(jié)構(gòu)模型的前幾階頻率數(shù)據(jù)不具備代表性，與機組進行共振校核作用不大。從振型上看，水輪發(fā)電機組附近的復(fù)雜孔洞結(jié)構(gòu)參與很少，在體量大10多倍的整體模型面前幾乎被忽略。但從運行的廠房實例看，機組振動引起的結(jié)構(gòu)共振就集中孔洞結(jié)構(gòu)交叉的部位，而該部位是廠房運行人員經(jīng)常活動的地方，特別是樓板、立柱的振動對人員的影響和直觀感受較為明顯，應(yīng)作為此次動力特性分析的重點研究對象。

2 孔洞結(jié)構(gòu)重點研究對象模型的建立

水輪發(fā)電機組附近的孔洞結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，有機墩機座、蝸殼、尾水管、風(fēng)罩、廊道、各層的柱梁板及其它孔洞組成，支撐結(jié)構(gòu)受力條件也很復(fù)雜，結(jié)構(gòu)上作用了多種靜荷載，還有水流脈動和機組轉(zhuǎn)動等動荷載[3]。為了詳細該孔洞結(jié)構(gòu)的動力特性，X向選取發(fā)電機座上下游各距3m，Y向選取發(fā)電層樓板頂面到尾水管底面以下2m的部分作為重點研究對象。

圖2 重點研究對象計算模型

為較準確的模擬混凝土間的接觸邊界條件，需進行合理邊界約束，不宜使用固結(jié)邊界。混凝土間的接觸邊界選用有限元中的彈簧單元約束[2]。經(jīng)簡化計算，彈簧單元的法向剛度 k值取 96×106N/m；切向剛度取 32×106N/m，借助APDL語言完成彈性人工邊界約束。機組分縫處選用自由邊界。為研究孔洞結(jié)構(gòu)對動力特性影響的程度，需多方案創(chuàng)建模型進行計算。

（1）方案1：原方案的蝸殼為混凝土蝸殼，柱截面尺寸為長0.9×寬 0.9m2，梁截面尺寸為高 1.1×寬 0.7m2。

（2）方案2：減少立柱個數(shù)為原方案的一半，居中布置，蝸殼及柱、梁的截面尺寸按原方案。

（3）方案3：減少立柱個數(shù)為原方案的一半，居中布置，僅設(shè)置橫河向梁，減少兩側(cè)的順河向梁，蝸殼及柱、梁的截面尺寸按原方案。

（4）方案4：加大兩層柱截面尺寸，柱截面尺寸設(shè)為1.2×1.2m2，蝸殼及梁的截面尺寸按原方案。

（5）方案5：加大兩層梁截面高度，梁截面尺寸兩層設(shè)為高1.4×寬0.8m2，蝸殼及柱的截面尺寸按原方案。

（5）方案6：同時加大兩層梁和柱截面高度，梁截面尺寸兩層設(shè)為高 1.4×寬 0.8m2，柱截面尺寸設(shè)為 1.0×1.0m2，蝸殼按原方案。

（6）方案7：蝸殼內(nèi)表面考慮鋼板襯砌，鋼板厚度取4 cm，彈性模量取200 GPa；柱、梁的截面尺寸按原方案。

3 動力特性的對比分析

樓板尺寸七種模型前10階自振頻率見表1。

表1 七種模型前10階自振頻率表 單位：Hz

分析各模型的自振頻率，結(jié)構(gòu)的梁和柱布置對自振頻率特別是高階數(shù)頻率影響較大。較原方案：主柱減少后，各階頻率下降，第1階頻度降低約0.02Hz，幅度0.25%，且階數(shù)越高降幅越大，第10階自振頻率降幅約25%。梁和柱均減少后，降幅更明顯，第10階自振頻率降幅約34%。兩層柱截面尺寸加大后，各階自振頻率均有提高，高階較低階的頻率增幅越大。兩層梁截面尺寸加大后，前6階頻率反而降低，從第7階后頻率才增大，到第10階增大幅度約11%，可見受結(jié)構(gòu)剛度貢獻和慣性增加雙重影響。兩層梁和柱截面尺寸加大后，各階頻率均增大，增幅中間階數(shù)高，最高為第5階增大幅度約12%。鋼蝸殼使得廠房結(jié)構(gòu)的剛度增大，各階頻率增加，增大幅度不大，最高為第8階增大幅度約3%。因此，孔洞結(jié)構(gòu)形式、蝸殼材料及座環(huán)布置對區(qū)域剛度均有影響，是整個廠房抗振設(shè)計中的研究重點。

圖3 自振頻率的對比曲線圖

分析各模型的振型[4]：第1階主要是模型上下及樓板上游側(cè)上下振動，第2階主要模型橫河向的振動，第3階主要是模型順河向的振動，第4階主要是模型順河向的扭動，第5階主要是模型順河向的壓縮和拉伸變形，第6階及以上各階為模型轉(zhuǎn)動、樓板、梁、柱、風(fēng)罩、蝸殼等結(jié)構(gòu)的聯(lián)合振動，振型比較復(fù)雜。

圖4 GD1計算模型前4階振型

4 結(jié)論

本文對從整體到重點局部，對影響動力特性的因素進行了多方案計算和比較分析，得出了普遍結(jié)論：

各種孔洞結(jié)構(gòu)降低了廠房結(jié)構(gòu)的剛度，使自振頻率減小。設(shè)置梁和柱抑制廠房的低頻振動，柱主要作用抑制樓板的豎直向低頻振動，梁主要作用是抑制樓板的高頻局部振動，梁的高度與寬度對結(jié)構(gòu)的振型作用程度也有差異。鋼蝸殼、結(jié)構(gòu)中鋼筋、結(jié)構(gòu)的鋼襯等使得結(jié)構(gòu)的剛度增大，各階頻率增加。

改善廠房結(jié)構(gòu)動力特性，通過圖表分析總結(jié)所需的規(guī)律，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時優(yōu)化截面尺寸和布置形式，選擇合理的材料對結(jié)構(gòu)進行加固使其具有更高的強度和剛度，加大頻率的錯開度，降低與機組激振產(chǎn)生共振的可能性，避免共振破壞。

[1]陳厚群.當前我國水工抗震中的主要問題和發(fā)展動態(tài)[J].振動工程學(xué)報，1997,（10）：253～257.

[2]侯攀，陳堯隆，鄧瞻.用ANSYS對水電站廠房壩段進行抗震分析[J].西北水力發(fā)電，2005,(1)：44～47.

[3]姜培林.推力軸承對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)橫向振動的影響及水輪發(fā)電機組軸系動力特性的研究[D].西安：西安交通大學(xué),1998.

[4]林濤,何勇,徐遠杰.碗米坡電站廠房動力模態(tài)分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2003,(5)：74～75.