新疆某水利樞紐工程主廠房結構地震工況共振復核分析

劉怒濤，吳俊杰

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

水電站廠房是將整個水利樞紐中的水能轉變為電能的生產場所[1]。它是混凝土建筑物、發電機械及一系列電氣設備的集合體，同時也是生產運行人員的工作與活動場所[2]。對于水電站廠房中的機組來說，在運行時產生振動是在所難免的，若其振動頻率達到廠房結構的固有頻率時，產生振幅與擺動將會大于其允許的變形量，這將可能導致結構的損傷[3- 6]。廠房結構的安全運行能為內部各種必需的機電設備創造良好的安裝、運行和檢修條件，為運行人員提供良好的工作環境[7- 8]。因此，廠房能否穩定運行對整個水利樞紐工程至關重要。

水電站主廠房是由下部的大體積混凝土與上部框架等結構組成綜合體，該結構內部有蝸殼、尾水管、機墩、風罩、水下墻和各層板梁等，結構形式十分復雜，傳統的結構力學法難以反映結構實際的受力狀態和變形情況。傳統的結構力學法無法計算廠房這類復雜結構的固有頻率，因此，本文采用三維有限元軟件中的Lanczos法，通過將Autodesk revit軟件族庫中的廠房3D模型導入三維有限元軟件進行模態分析[9]，提取廠房整體結構和水下結構各階振型及頻率[10- 12]。本工程位于高地震烈度區域，50年超10%的地震動峰值加速度為193.68gal，對應設防烈度為Ⅷ度，因此，電站在正常運行時如遇見地震，所產生的破壞分為被動震動破壞與主動共振破壞。以往結構震動產生的被動震動破壞通過動力分析后，對應加強構件尺寸或配筋量即可；然而是否產生主動共振破壞跟廠房的固有頻率與整個機構內部所有結構的尺寸、位置有關。所以非常有必要復核結構在地震工況的共振特性，在設計階段作出合理的調整，依此避免結構出現不必要的破壞。

1 工程概況

本工程位于新疆維吾爾自治區境內，是KS河流域規劃中的第十個梯級電站。多年平均流量123.4m3/s，水能理論蘊藏量1400MW，是新疆境內水能資源富集的河流之一。電站最小運行水頭為91.8m，最大運行水頭為138.5m，電站廠房全長116.3m(包括安裝間)，寬度25.5m，最大高度(主機間)46.43m，為岸邊、地面式廠房，機組的間距為20.05m。發電機層高程1289.02m，機組安裝高程為1276.7m，水輪機層高程為1280.60m，廠房底板高程1263.57m。該工程為大(1)型Ⅰ等工程，電站裝機容量460MW，廠房為2級建筑物。電站以發電為主，兼有灌溉和防洪效益。廠房抗震設防烈度為Ⅷ度，廠房輪廓尺寸詳見廠房剖面布置圖，如圖1—2所示。

圖1 主廠房橫剖面圖

圖2 主廠房縱剖面圖

2 計算模型及網格剖分

本次計算采用一個標準機組段，通過建立主電站廠房一個標準機組段的整體模型(包括水上框架結構和水下大體積混凝土結構)，水下(發電機層以下)結構模型，不考慮上部框架結構，只考慮廠房下部的風罩、機墩、蝸殼、尾水管等主要結構，計算整體模型與水下結構的振動特性。

水電站廠房網格劃分的精細程度是決定計算結果精度的前提。為了提高計算速度可以根據廠房結構的受力情況，適當控制網格的疏密程度，以便達到保障計算精度、降低網格單元數量的目的，主電站廠房整體模型的網格剖分如圖3所示，主廠房下部網格剖分模型如圖4所示，本次計算采用C3D8實體6面體8節點網格單元計算主廠房與其下部結構的振動特性。廠房整體模型總節點數為28378個，最大單元數為32586個。廠房下部模型總節點數為24124個，最大單元數為28388個。

圖3 主廠房整體模型網格剖分模型

圖4 主廠房下部模型網格剖分模型

3 計算方法及材料參數選擇

由于主廠房結構非常復雜，數值計算采用有限單元法進行。該方法計算的通用性和可靠性較好，計算的材料力學參數見表1。

表1 材料的力學參數

4 結構自振頻率和地震工況共振復核

4.1 結構自振頻率成果

ABAQUS作為最強的有限元軟件已經被廣泛地應用于各行各業，不但可以計算非常復雜且龐大的力學結構系統，而且最出色的是能夠模擬高度非線性問題[13]。其通用模塊包括動力顯示、地應力、熱傳遞、質量擴散、滲流-應力耦合及固結、靜力通用、靜態屈曲等分析步，動力分析模塊包括屈曲、頻率、靜力線性振動、穩態動力學、子結構等分析步，同時還可計算CFD模型、電磁模型等[14]。本次采用該軟件的動力分析模塊中Lanczos方法提取廠房結構前30階頻率與振型[15- 18]。主廠房整體結構與下部廠房結構的各階振動周期與頻率計算結果匯總見表2。整體模型第1階振型如圖5所示，下部模型第1階振型如圖6所示。

表2 主廠房結構固有振動頻率計算結果匯總表

圖5 整體模型第1階振型示意圖

圖6 下部模型第1階振型示意圖

4.2 結構振型計算結果分析

從圖5—6以及計算結果可以得出結構可能的振動形態，由于廠房上部主要是框架結構，所以框架整體剛度較廠房下部剛度低，第1階周期為0.544s，頻率為1.837Hz，根據結構尺寸可知框架X軸向剛度相對低于Y軸向剛度，因此，主振方向為X軸向，這與計算結果比較吻合，同時也符合一般水電站廠房的變形規律，如圖5所示。第2階振型為上游一排立柱向Y軸方向運動，而下游廠房立柱基本保持不動。相反，第3階振型為下游一排立柱的向Y軸方向運動，而上游廠房立柱基本保持不動。第4階振型表現為框架的整體扭轉振動。以后各階振型的形狀就相對比較復雜，主要顯示出高階的彎曲或扭轉振動。在整體結構模型中，下部大體積結構的振動形態難以得到鮮明體現，上部結構中上游板、梁結構的剛度相對較小，所以，前幾階振型主要是墻板結構的局部彎曲和扭轉振動。然而，整體結構在X軸向或Y軸向彎曲變形，和整體的扭轉變形表現的并不明顯。為此，又單獨選取發電機層以下結構進行分析。

下部廠房的剛度相對較大，第1階周期為0.088s，頻率為11.67Hz，與整體結構一致，廠房下部結構X軸向剛度相對低于Y軸向剛度。因此，主振方向為X軸向，這與計算結果比較吻合，如圖6所示。其余結構形式較為復雜，每階周期與頻率相差不大，即間隔密集。

4.3 地震工況共振復核

根據所提供的地震反應譜數據，場地地震的特征周期為0.1～0.2s，將之與表2廠房結構的自振周期對比得出，廠房下部結構的剛度較大，自振周期較短，一般小于0.1s，在地震的特征周期之外；廠房上部框架結構的柔度較大，自振周期較長，第一階振型的周期為0.543s，第5階至第10階的自振周期為0.102～0.171s，在地震的特征周期之內，考慮第5階至第10階對廠房結構貢獻率較小，因此，可能不會產生較大的應力集中。但是，還是可以調整結構尺寸，以避免結構的主振周期內出現與地震特征周期接近的現象。

5 結論

(1)較傳統力學計算法，采用數值模型可以更好地解決對此類復雜結構共振分析評價困難的問題，同時計算結果的精度也會越來越高。

(2)利用三維有限元軟件對新疆某水電站廠房結構進行模態分析，得到了廠房結構的振型和固有頻率，對廠房結構進行了地震共振分析。結果表明，廠房上部結構的剛度較低，第5階至第10階的基本自振頻率相對接近于地震的特征頻率，廠房上下游框架結果的振動幅值不大，也不存在明顯的共振和振動區間，表明設計的機組運行參數合理。