煙崗電站廠房結(jié)構(gòu)振動研究

趙 瑋

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 西安 710001）

1 工程概況

煙崗電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)，是雅礱江中游右岸一級支流鴨嘴河干流規(guī)劃的第二級水電站。電站為引水式開發(fā)，引水流量23.6 m3/s，額定水頭 600m，裝機(jī)容量 120MW，安裝 2臺沖擊式水輪機(jī)。該電站廠房為3級建筑物，設(shè)防地震烈度為Ⅶ度，基巖地震動加峰值速度為0.148g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

煙崗電站廠房為地面式，主要由主廠房、副廠房和尾水池等組成。主廠房內(nèi)安裝2臺水輪發(fā)電機(jī)組，由主機(jī)間和安裝間組成，總長為54.76m，寬21m。安裝間位于主機(jī)間右端，分兩層布置。主機(jī)間共分四層布置，由下至上依次為球閥層、水輪機(jī)層、母線層以及發(fā)電機(jī)層。副廠房布置于主廠房上游側(cè)，與主廠房同長，寬10m，分四層布置。主變GIS樓布置于主廠房右側(cè)，距安裝間外墻7.5m，長36m，寬16m，分三層布置。主廠房下游為尾水室，分兩層布置。下層為尾水池，上層為水泵房。

2 研究目的

電站的運(yùn)行實(shí)踐表明，廠房振動問題是影響水電站正常運(yùn)行的主要因素之一，它不僅直接影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，縮短檢修周期和使用壽命，嚴(yán)重時還會引起整個廠房的振動，以至被迫停機(jī)。因此，需要在設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中進(jìn)行研究，采取有效措施，盡量防止廠房振動的發(fā)生，將損失減小到最小。

煙崗電站廠房下部結(jié)構(gòu)是承受機(jī)組動荷載的主體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，設(shè)備開孔眾多，要求結(jié)構(gòu)體系具有足夠的整體剛度來承受機(jī)組振動荷載。因此，有必要對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行自振特性研究分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的各階自振頻率和振型，為廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為了避免共振的發(fā)生，需對引起結(jié)構(gòu)振動的振源及其頻率進(jìn)行分析，與廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行共振校核，為減小和避免共振的發(fā)生提供理論依據(jù)。

3 廠房結(jié)構(gòu)自振和共振研究

3.1 自振特性

在煙崗廠房模態(tài)計(jì)算中，機(jī)電設(shè)備的質(zhì)量是不能忽略的。因此，在有限元計(jì)算模型中相應(yīng)的位置（定子基礎(chǔ)板）用 6自由度質(zhì)量單元（MASS21）模擬其影響。由于模型中未包括發(fā)電機(jī)層樓板以上結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量同樣采用質(zhì)量單元模擬，加在發(fā)電機(jī)層樓板上、下游側(cè)柱子處。配水環(huán)管內(nèi)水的質(zhì)量通過改變管殼密度在計(jì)算中加以考慮。計(jì)算采用子空間迭代法提取20階模態(tài)，其內(nèi)部使用廣義 Jacobi迭代算法，采用完整的[K]和[M]矩陣，有較高的計(jì)算精度。廠房計(jì)算整體模型網(wǎng)格圖見圖1。

圖1 廠房整體模型網(wǎng)格圖

為分析上游約束條件對廠房結(jié)構(gòu)自振特性的影響，計(jì)算采用2種方案。方案1，上游母線層以下混凝土結(jié)構(gòu)法向約束，方案2，上游母線層以下混凝土結(jié)構(gòu)自由。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將廠房結(jié)構(gòu)前20階自振頻率和相應(yīng)模態(tài)列于表1。

表1 廠房結(jié)構(gòu)自振頻率與模態(tài)

從表1可以看出：

（1）兩方案廠房結(jié)構(gòu)各階自振頻率很接近（3%以內(nèi)），相應(yīng)模態(tài)基本一樣，結(jié)構(gòu)前20階模態(tài)都是母線層以上結(jié)構(gòu)振動，發(fā)電機(jī)層樓板，立柱和風(fēng)罩應(yīng)該成為抗振重點(diǎn)關(guān)注部位。由此也可見，廠房上游側(cè)母線層以下與回填混凝土和巖石連接與否對母線層以上結(jié)構(gòu)自振特性影響很小。

（2）發(fā)電機(jī)層樓板上游側(cè)跨度較大，開孔較多，且僅由立柱支撐，剛度較小，可能是振動比較敏感的區(qū)域。第 10階以后模態(tài)為發(fā)電機(jī)層樓板上游側(cè)豎直向振動，此部位的振動對電站工作人員的健康和設(shè)備的正常運(yùn)行是很不利的，可考慮將母線層和發(fā)電機(jī)層之間上游側(cè)的磚墻變?yōu)榛炷翆?shí)體墻，與樓板整澆，增強(qiáng)發(fā)電機(jī)層樓板的抗振能力。

（3）風(fēng)罩與發(fā)電機(jī)層樓板直接相連，其結(jié)構(gòu)單薄，剛度較小，發(fā)電機(jī)層樓板的振動會引起風(fēng)罩一起振動。千斤頂基礎(chǔ)板就位于風(fēng)罩靠近發(fā)電機(jī)層高程處，此處的振動對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行是不利的。風(fēng)罩離機(jī)組較近，其抗振問題應(yīng)該引起足夠重視，增強(qiáng)發(fā)電機(jī)層樓板的抗振能力，對風(fēng)罩的抗振是很有利的。

3.2 強(qiáng)迫振動振源與激振頻率分析

電站廠房機(jī)組轉(zhuǎn)速較大，體型復(fù)雜。為了避免共振的發(fā)生，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對可能引起廠房結(jié)構(gòu)振動的振源及其頻率進(jìn)行分析，與廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行共振校核，提出相應(yīng)的工程處理措施。機(jī)組振動的原因復(fù)雜，影響因素很多，其機(jī)理至今尚不完全清楚。下面對各種振源進(jìn)行定性和某些定量分析，給出了一些主要激振頻率，并以此作為結(jié)構(gòu)共振校核的依據(jù)。

由于機(jī)組激振頻率伴隨機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生，因此主要分析運(yùn)行期的情況。由機(jī)械力和電磁力形成的強(qiáng)迫振動振源和頻率數(shù)值見表2。

3.3 廠房結(jié)構(gòu)激振分析和共振校核

根據(jù)引起機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)振動的各種干擾力激振頻率，以及廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率，按照廠房結(jié)構(gòu)共振校核的規(guī)定，對廠房結(jié)構(gòu)是否發(fā)生共振進(jìn)行校核。校核標(biāo)準(zhǔn)為：結(jié)構(gòu)自振頻率與強(qiáng)迫振動頻率之差與自振頻率之比值應(yīng)大于20%～30%。為安全起見分析取 30%，即|(f自-f激)/f自|≤30%時，便認(rèn)為可能產(chǎn)生共振。由于兩方案廠房結(jié)構(gòu)各階自振頻率很接近，共振校核采用方案2的自振頻率。共振校核結(jié)果見表3。

根據(jù)表3，可以得出以下基本結(jié)論：

（1）廠房結(jié)構(gòu)第1階自振頻率（11.96Hz）與機(jī)組額定轉(zhuǎn)速時的振動頻率（10Hz）比較接近，對發(fā)電機(jī)層樓板抗振是很不利的，可能引起其上游側(cè)橫河向振動。

表2 廠房結(jié)構(gòu)振源和頻率預(yù)測

（2）機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速時的振動頻率（18Hz）與較多廠房自振頻率接近，是對廠房結(jié)構(gòu)，尤其是母線層以上結(jié)構(gòu)抗振很不利的一種激振頻率。因此在機(jī)組運(yùn)行過程中，應(yīng)盡量減少機(jī)組進(jìn)入飛逸狀態(tài)。

（3）由不均勻磁拉力引起的激振頻率同樣有可能引起廠房結(jié)構(gòu)的共振，在機(jī)組運(yùn)行時，應(yīng)盡量避免此種情況的出現(xiàn)。

3.4 解決方法

共振校核結(jié)果表明，廠房基頻與機(jī)組額定轉(zhuǎn)速時振動頻率比較接近（相差16.39%），對發(fā)電機(jī)層樓板抗振很不利。計(jì)算將母線層和發(fā)電機(jī)層之間上游側(cè)的磚墻變?yōu)榛炷翆?shí)體墻，與立柱、樓板整澆。經(jīng)過計(jì)算表明，將母線層和發(fā)電機(jī)層之間上游側(cè)的磚墻變?yōu)?0.3m厚的混凝土實(shí)體墻后，可使得廠房結(jié)構(gòu)前20階自振頻率有所提高，基頻提高約17.3%，與機(jī)組額定轉(zhuǎn)速時振動頻率錯開度由 16.39%提高至 28.72%，基本滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（大于 20%～30%）。另值得注意的是，第 1階模態(tài)由發(fā)電機(jī)層樓板上游側(cè)橫河向振動變?yōu)槟妇€層以上結(jié)構(gòu)順河向振動，這對發(fā)電機(jī)層樓板抗振是有利的。

表3 共振校核表

因此，將母線層和發(fā)電機(jī)層之間上游側(cè)的磚墻變?yōu)?0.3m厚的混凝土實(shí)體墻對廠房結(jié)構(gòu)，尤其是發(fā)電機(jī)層樓板上游側(cè)跨度比較大的區(qū)域抗振是合理的。

4 結(jié)語

煙崗電站廠房經(jīng)過試運(yùn)行的監(jiān)測，廠房穩(wěn)定。也驗(yàn)證了振動處理方案的可靠性、合理性。本電站廠房屬典型沖擊式機(jī)組地面廠房，其計(jì)算分析和研究方法，以及處理方案均可為以后類似工程提供參考。

1 SL266—2001水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.

2 SL203—97水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，1997.

3 舒揚(yáng)桀，王日宣. 水電站廠房動力分析［M］.北京：水利電力出版社，1987.

4 顧鵬飛，俞遠(yuǎn)光. 水電站廠房設(shè)計(jì)［M］.北京：水利電力出版社，1987.

5 董毓新，李彥碩. 水電站建筑物結(jié)構(gòu)分析［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，1995.