Abaqus簡諧荷載作用下的電機基礎對廠房結構的穩態作用研究

歐慧琳

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

建筑結構動態設計是滿足其安全性和功能性要求的前提，泵站廠房的振動一直是廠房結構不可回避的問題[1- 3]，并通過各種途徑傳遞到泵支撐體系-廠房結構，因此廠房結構抗震設計對泵站的安全運行極其重要。水泵站的振源一般包含機械振源、水力振源、電磁振源三大類[4]，泵運行過程中，上述振源通過泵支撐結構、各種與振源密接的混凝土支承結構傳遞到廠房結構，引起廠房結構振動，并對泵本體耦合振動，影響機組安全運行。隨著輸水系統的規模增加，泵房結構的振動能量增加，泵房結構的振動問題更加突出，振動對泵房結構、泵設備運行的安全性、工作人員的舒適性與身心健康均產生不利影響。

作為目前國內較大輸水能量的高新沙泵站，也會存在類似的振動問題。因此利用有限元數值模擬方法進行泵站廠房結構抗震設計與研究非常必要。本文基于Abaqus有限元對高新沙泵站廠房結構進行動力特性和動力響應分析[5- 6]，評估初設階段泵站廠房結構型式設計和抗震設計的合理性，通過結構不利荷載的敏感性分析，為現有廠房結構在動力設計、配筋、結構型式等方面的優化提供參考。

1 工程概況

高新沙泵站位于廣州市南沙區高新沙，泵站緊靠高新沙水庫東側、高沙河右岸布置，現狀地面高程0.6～1.5m，地勢較為平坦。工程任務是從高新沙水庫內取水，經泵站加壓提升后，由壓力管道輸送至沙溪高位水池，泵站的主要建筑物級別為1級，泵站設計運行水位為4.20m，最高運行水位為4.30m，最低運行水位為1.60m。高新沙泵站為塊基型半地下式鋼筋混凝土結構，泵站廠房內裝6臺(4用2備)立式單級單吸蝸殼離心泵，總裝機容量為6×12MW，總設計抽水流量60m3/s，單機設計抽水流量15m3/s。泵站樞紐順水流向依次布置攔砂坎、進水前池、進水閘、漸變段、引水涵管、量水間、引水管、主泵房、出水壓力箱、出水管等。

工程主泵房分為6層，由下至上分別為流道層、蝸殼層、檢修巡視層、中間層、電動機層、安裝層。

①流道層：高程-20.4m，布置上游引水鋼管伸縮節及工作閥門；左側端頭布置滲漏集水井，滲漏集水井主要負責泵房滲漏水的收集，分區工作，分別由排水泵抽出廠外。

②蝸殼層：上游側高程-15.4m，下游側高程-16.20m，布置機組蝸殼設備、工作閥門等，蝸殼大體積混凝土兩側及各機組段之間設置上、下游連接通道；此外，蝸殼層在主機間下游側設置混凝土連續墻，作為出水管及廠房吊車梁立柱的支撐結構，3#、4#機組之間布置一條管徑1200mm充水鋼管；

③檢修巡視層：高程-10.40m，可以通往副廠房下游側；

④中間層：高程-5.90m，在主機間下游側設置爬梯，可以通往副廠房內吊車的駕駛室；

⑤電動機層：高程-1.4m，布置機組調速器、油壓裝置、機旁盤等設備；

⑥安裝層：高程4.65m，與安裝間高程同高，沿泵房上下游及左側布置寬為1.5m的巡視通道。

2 廠房結構Abaqus有限元模型

2.1 有限元模型建立

為了按中間機組段(3#、4#機)建立廠房有限元模型，縱向長度23.98m，橫向方向包括主機間廠房(跨度25.5m)和副廠房(跨度16.8m)。動力模型從廠房底板(高程-23.4m)到主機間屋頂(高程21.9m)。模型包括機組段的全體結構：包括泵站水下墻、機組進水管、蝸殼外包混凝土、機墩、風罩以及各層梁板柱結構和墻體等，所有混凝土結構及其開孔尺寸較大孔洞均根據實際體型尺寸開展模擬，其中包括風罩進人孔、主引出線孔、中性點引出線孔、機墩進人孔、錐管進人孔、蝸殼層交通廊道以及各層樓板的大尺寸吊物孔等結構開孔。模型建立廠房直角坐標系，其中，xy軸位于水平面內，x軸沿廠房橫向，y軸沿廠房縱向，z軸向上。動力計算廠房有限元模型如圖1所示。

圖1 動力計算廠房有限元模型(含周圍土體)

在三維有限元計算模型中[7- 8]，共采用了4類單元：采用塊體單元模擬墻體、樓板、風罩、機墩、樁基等大體積混凝土結構及周圍土體；采用板殼單元模擬鋼襯；采用表面單元模擬動力計算時施加在混凝土結構上的附加質量；采用集中質量單元加在電機基礎板所在的混凝土節點上。

2.2 模型檢驗校正

動力計算有限元模型單元總數為110040，結點總數為358485，未知數個數為1102815個。本項目由于廠房結構體型非常復雜，用有限元模擬廠房還是有很大的難度的。在Abaqus的verify mesh工具進行動力有限元模型網格檢查時發現，在總計110024個單元中，單元形態不好的警告單元占比僅為3.9%(4287個)，表明該動力有限元模型是比較可靠的。上述警告單元是發生在柱與大體積混凝土連接處(柱與進水側邊墻、柱與壓力箱)、中間柱與底部隔墻連接處、副廠房牛腿、壓力箱孔周邊、風罩開孔處、機墩開孔處、底板以及進水管與蝸殼鋼襯單元，屬于結構相對薄弱位置，亦是較合理的。

2.3 模型材料參數

廠房混凝土強度等級為C30，鉆孔灌注樁混凝土強度等級為C35。進水管、蝸殼、壓力箱為鋼結構。進水管壁厚18mm。蝸殼鋼襯厚度20mm。壓力箱進水管壁厚為18mm，壓力箱壁厚為28mm，壓力箱出水管壁厚為32mm。混凝土、鋼材、土體的應力應變關系都按線性彈性考慮，力學參數見表1。

3 廠房結構振動動力特性計算

3.1 結構自由振動計算原理

采用Lanczos方法[9]求解結構自由振動方程，得到結構自由振動頻率與主振型。結構自由振動方程為：

表1 材料基本力學參數表

[K]{u}=ω2[M]{u}

(1)

式中，[K]—結構的剛度矩陣；[M]—結構的質量矩陣；{u}—結構上各節點自由度方向位移向量；ω—結構自由振動圓頻率。

剛度矩陣由有限元程序計算，混凝土動彈性模量按1.3倍的靜彈性模量計算。

在計算結構質量矩陣時，考慮廠房結構的質量、設備的質量與樓面活荷載質量。質量按標準質量計算，不考慮荷載分項系數。廠房結構的剛度與質量都要計算，廠房周圍土體只參與剛度計算，不參與質量計算。

(1)混凝土結構質量，由有限元程序按一致質量矩陣計算。

(2)電機質量，按集中質量單元加在定子基礎板與下機架基礎上計算。

(3)座環質量與樓面活荷載對應的質量，按表面單元將質量附加在下方的混凝土單元上計算。

3.2 廠房結構自由振動頻率與主振型

計算廠房結構前247階頻率與主振型，結構頻率從2.2828Hz到53.042Hz。廠房結構前100階自由振動頻率如圖2所示。

圖2 廠房結構自由振動頻率

結構自由振動頻率與階次呈正相關，階次為1時振動頻率最小為2.2828Hz，階次為100時振動頻率最大為33.598Hz，后續計算前10階及部分更高階自由振動主振型。

由計算可知，廠房結構從第1階至第50階前面階段，自由振動主振型主要是上部框架的運動，上部框架出現不同程度的振動甚至是結構性破壞，下部的鋼筋混凝土結構基礎穩定，說明剛度較大的基礎自穩能力較好，從第50階至第247階后面的振型也主要是廠房梁、板、柱的運動，說明較大剛度的基礎在高頻振動中依舊可以發揮自身的安全性和穩定性功能，也證明該廠房在正常使用情況下可保持建筑功能的完整和穩定實現。

由圖3可知，廠房結構從第1階至第4階前幾階自由振動頻率都比較低，其中第4階頻率為4.9014Hz，比較接近荷載頻率5Hz。但第4階主振型主要是主機間上部梁、板、柱的運動，遠離電機荷載所在的機墩部位。而在電機基礎荷載作用的廠房下部，振型位移并不大。廠房在較低振動頻率時下部基礎自穩性較高，上部結構的變形也較小，不可能出現同頻率共振現象，說明廠房在5Hz發生共振的可能性并不大。

4 簡諧荷載作用下結構動力響應分析

在廠房結構動力特性計算的基礎上，通過解析現有設計施工圖泵站廠房結構的動力響應，評估泵站廠房結構動力設計的合理性。

4.1 計算荷載及工況

電動機組運行時所產生的振動荷載主要有以下3種[10]：①垂直動荷載：包括電動機轉子、水泵轉輪、軸向水推力等引起的垂直動荷載。②切向動荷載：正常扭矩、兩相短路扭矩與失步扭矩。③徑向動荷載：電動機運轉時，由于磁與機械不平衡、半數磁極短路引起。以上荷載均為簡諧荷載，作用于機墩上機架基礎、定子基礎及下機架基礎上，將上述機組動荷載施加在機墩結構的對應位置上，按穩態動力分析法計算結構的穩態動力響應。

電機簡諧荷載[11]作用下共計算7種工況，各工況下基礎板動力荷載頻率與幅值如圖3—4所示。

圖3 各工況定子基礎板動力荷載幅值

圖4 各工況下機架基礎板動力荷載幅值

4.2 穩態動力分析結果分析

4.2.1 簡諧荷載下變形分析

以額定工況為例，對其簡諧荷載下的位移變形幅值進行分析，合位移由分量位移合成，合位移假定各個分量位移都達到幅值后合成，位移表示簡諧位移的幅值，如圖5所示。

圖5 額定工況合位移

廠房合位移較大值主要發生在主機間屋面、-2.2m層樓板3#機與4#機之間、-2.2m層樓板靠2#機部位、-6.7m層樓板3#機與4#機之間。最大合位移為13.3μm，發生在-6.7m層樓板3#機與4#機之間。對以上7種工況進行穩態動力分析，各工況位移幅值計算見表2。

從位移來看，額定工況、飛逸工況、地震工況與制動工況的位移都比較小，其中制動工況最小，其ux、uy、uz和u分別為3.1、1.0、7.0和7.0μm。兩相短路工況、三相短路工況與半數磁極短路工況大。三相短路工況位移最大，其ux、uy、uz和u分別為112.7、28.3、97.87和117.7μm。從位移方向來看，x、z向位移較大，y向位移較小。說明廠房縱向剛度較大，位移以橫向和豎向為主。

表2 各工況位移幅值 單位：μm

4.2.2 簡諧荷載下應力分析

采用振型疊加法[12]對以上7種工況進行加速度幅值穩態動力分析，計算結果見表3。

從加速度來看，額定工況、飛逸工況、地震工況與制動工況的加速度都比較小，其中制動工況最小，與位移工況一致。半數磁極短路工況要大一些，兩相短路工況與三相短路工況最大。

表3 各工況加速度幅值 單位：mm/s2

4.2.3 簡諧荷載頻率對結構動態響應的影響

結構動力響應隨著荷載頻率的大小及范圍發生不同程度的變化，額定工況、半數磁極短路工況、制動工況和地震工況荷載頻率為5Hz，飛逸工況荷載頻率為7.5Hz，兩相短路工況和三相短路工況荷載頻率為50Hz，現以額定工況、飛逸工況和三相短路工況3個荷載梯度研究簡諧荷載頻率對結構動態響應的影響。如圖6所示。

圖6 不同頻率簡諧荷載下的結構動態響應

不同頻率的簡諧荷載依次施加于結構，可以看出結構響應幅度隨荷載頻率的增加呈正相關趨勢。

5 結論

本文以高新沙泵站為研究背景，利用有限元數值模擬方法進行泵站廠房結構抗震設計與研究，結果顯示：廠房結構自由振動主要是上部框架的運動，廠房下部剛度比較大，自穩性較高，廠房在5Hz不會發生共振。采用振型疊加法對7種工況進行穩態動力分析，從位移和加速度來看，額定工況、飛逸工況、地震工況與制動工況的位移都比較小，其中制動工況最小。兩相短路工況、三相短路工況與半數磁極短路工況大。三相短路工況最大。

本文主要進行泵站廠房結構動力特性和響應分析，重點對于結構動力響應的大小和分布規律進行了計算分析，后續研究應找出現有設計中的抗震薄弱環節或部位，提出廠房結構抗震優化建議。