水電站廠房機組支承結(jié)構(gòu)振動分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳浩

廣東珠榮工程設(shè)計有限公司 510610

摘要：本文對水電站廠房結(jié)構(gòu)動力分析作出了論述，為相關(guān)的工作者提供一定的借鑒和參考。文章旨在與同行互相學(xué)習(xí)、交流，共同進步。

關(guān)鍵詞：水電站廠房；振動；機組支撐結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一、水電站廠房結(jié)構(gòu)動力分析

水電站廠房是復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，在機組振動作用下，薄弱部位和構(gòu)件的反應(yīng)最為敏感，也最受關(guān)注。例如，機墩是主要的機組支承體系，其剛度和強度最為關(guān)鍵樓板是附屬電氣設(shè)備的基礎(chǔ)，也是運行人員的受振載體。從振動控制角度出發(fā)，動應(yīng)力的破壞較為少見，而對結(jié)構(gòu)自振頻率、振幅和剛度的控制至為重要。

對于直接承受機組動荷載的支承結(jié)構(gòu)一機墩的動力分析，《水電站廠房設(shè)計規(guī)范》一附錄給出了基于單自由度振動體系而推導(dǎo)出的自振頻率及振幅計算公式，并對廠房機墩結(jié)構(gòu)所承受的動荷載及其組合做出了一般性的規(guī)定。如此規(guī)定對于低水頭、中小型發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計是適用的，國內(nèi)多數(shù)電站是按這套方法設(shè)計的，運行中也未發(fā)生共振和其他問題。但對于高水頭、大容量、高轉(zhuǎn)速的水電站機組，采用規(guī)范中推薦的單自由度體系分析方法對計算結(jié)果有多大的影響，需進一步探討。隨著計算機的迅速發(fā)展，數(shù)值計算方法的不斷完善和普遍應(yīng)用，通過三維有限元方法進行機組支承結(jié)構(gòu)動力特性的計算分析得到普遍運用。

1.工程實例基本情況

（1）工程概況

木加甲一級水電站位于云南省怒江州福貢縣怒江右岸一級支流木加甲河上，通過木加甲跨江橋與怒江左岸主干公路相連，電站廠址距福貢縣城73km，距昆明市769.0km。電站總裝機容量60MW，安裝2臺單機容量30MW的沖擊式水輪機。電站樞紐主要由首部樞紐、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、發(fā)電廠房、開關(guān)站等工程組成，工程等級為三等。電站與電力系統(tǒng)的連接方式采用單回路110kV一級電壓接入木加甲二級水電站，與木加甲二級水電站匯流后接入馬吉中心變電站。

發(fā)電廠房由主副廠房、安裝間組成，主廠房包括發(fā)電機層、水輪機層、球閥層、尾水道，副廠房包括技術(shù)供水室、高低壓開關(guān)室、電纜層和中控室，主副廠房包括相應(yīng)的水、油、氣和通風(fēng)、排水系統(tǒng)。主廠房軸線方向NW30°，平面尺寸42.8×19.6×33.3m（長×寬×高）。開關(guān)站布置于主副廠房背后山頂平臺處，平面尺寸53.5×25m（長×寬），布置2臺主變壓器及110kV開關(guān)站，高壓電纜經(jīng)出線廊道引至開關(guān)站平臺。電站水泵水輪機及發(fā)電機的參數(shù)見表1和表2。

表1 水泵水輪機主要參數(shù)表

參數(shù) 單位 數(shù)值 參數(shù) 單位 數(shù)值

最大水頭 m 498 轉(zhuǎn)輪直徑 m 1.78

額定水頭 m 479 噴嘴個數(shù) 個 4

最小水頭 m 479 轉(zhuǎn)動慣量 t.m2 45

額定出力 MW 30.93 額定轉(zhuǎn)速 r/min 500

額定流量 m3/s 7.48 飛逸轉(zhuǎn)速 r/min 878

表2 發(fā)電機主要參數(shù)表

參數(shù) 單位 數(shù)值 參數(shù) 單位 數(shù)值

額定容量 MW 30 轉(zhuǎn)動慣量 t.m2 254

功率因素 0.85 定子重 t 54

Xd 1.07 轉(zhuǎn)子帶軸重 t 73.5

X'd 0.264 上機架重 t 15.6

X'q 0.182 下機架重 t 6

二、有限元計算模型

1、計算范圍和邊界條件

（1）計算范圍

選取“1、2“機組段結(jié)構(gòu)進行整體三維有限元計算，計算范圍長度方向從廠左0+016.00m～廠左0+033.20m，上下游方向從廠上0+014.20m～廠下0+009.60m，尾水管部分取到廠下0+020.00m。

計算模型模擬了集水井、尾水管（包括肘管）及外圍混凝土、座環(huán)、蝸殼、蝸殼外圍混凝土、機墩、風(fēng)罩、各層樓板、廠房邊墻和結(jié)構(gòu)柱等結(jié)構(gòu)，所有混凝土結(jié)構(gòu)及其開孔均按實際體型尺寸進行模擬。

（2）邊界條件

在“1、2”機組段兩側(cè)，考慮結(jié)構(gòu)分縫，各層樓板由梁柱支撐，按自由邊界處理，蝸殼層底板按固定約束處理。在上、下游側(cè)，各層樓板、蝸殼層底板與邊墻之間為剛性連接。發(fā)電機層1502.5m至蝸殼層底板1493.6m 范圍內(nèi)邊墻與圍巖之間考慮為彈性支撐，在邊界節(jié)點上加彈性水平約束，豎向不加約束。尾水道底板（1485.2m）以下的所有結(jié)構(gòu)與圍巖之間均按剛性連接處理，尾水管端部的混凝土結(jié)構(gòu)按剛性連接處理。

2、計算模型

由于主廠房結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，數(shù)值計算采用有限單元法進行。在眾多可用的通用和專用有限元軟件中，本次計算選擇大型通用的結(jié)構(gòu)分析商業(yè)軟件 ANSYS，在設(shè)計分析類軟件中其第一個通過了ISO9001：2000質(zhì)量體系認(rèn)證，計算的通用性和可靠性較好，計算結(jié)果具有良好的可信度。結(jié)構(gòu)分析中計算得出的基本未知量（節(jié)點自由度）是位移，其它的一些未知量，如應(yīng)變、應(yīng)力和反力等，可通過節(jié)點位移導(dǎo)出。有限元模型網(wǎng)格劃分是計算的前提和關(guān)鍵工作。在進行廠房有限元動力分析模型建立中，對混凝土塊體和樓板結(jié)構(gòu)直接進行整體建模，再通過布爾操作，搭建出各構(gòu)件個體，在計算機容量和計算時間允許的范圍內(nèi)，取盡可能精細(xì)的有限元網(wǎng)格。木加甲一級水電站廠房的布置型式和結(jié)構(gòu)特點是以大體積混凝土結(jié)構(gòu)為主，周邊受圍巖的約束作用，此外還有樓板、墻體、立柱及固定導(dǎo)葉等結(jié)構(gòu)。尾水管鋼襯和座環(huán)等的局部加強作用在廠房整體分析中可予忽略。在網(wǎng)格劃分時，根據(jù)構(gòu)件的特征，分別選用塊體單元、板單元、梁單元、二力桿單元以及彈簧單元，分別模擬大體積混凝土結(jié)構(gòu)，樓板結(jié)構(gòu)，梁柱結(jié)構(gòu)、固定導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)及圍巖的約束作用等。同時，還根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的特征，對網(wǎng)格的疏密程度加以控制，如在可能的應(yīng)力集中部位和主要關(guān)心的構(gòu)件上，盡可能細(xì)化單元，以提高計算精度而在應(yīng)力分布比較平緩或受力較小的大體積部位，適當(dāng)采用較粗的網(wǎng)格，以降低計算工作量。

三、廠房機墩組合結(jié)構(gòu)自振特性計算

《水電站廠房設(shè)計規(guī)范SL266-2001》動力計算中機墩結(jié)構(gòu)自振頻率的計算是建立在單自由度無阻尼振動體系上的，計算中假定圓筒機墩底部為固定端，頂部為自由端，不考慮樓板剛度的作用，作用于機墩的樓板荷載、風(fēng)罩自重及機組荷載均假定均布在機墩頂部，并換算成相當(dāng)于圓筒中心圓周的荷載。其強迫振動頻率僅考慮了機組轉(zhuǎn)動部分偏心引起的振動頻率和水力沖擊引起的振動頻率，計算結(jié)果為機墩垂直自振頻率、水平橫向自振頻率和水平扭轉(zhuǎn)自振頻率。

三維有限元法計算整體結(jié)構(gòu)的自振頻率是建立在多自由度無阻尼振動體系上的，通常采用模態(tài)求解方法。由于頻率與振型是特征值和特征向量的關(guān)系，他們是一對特征對，因此某一階次表現(xiàn)某一部位的振型，其對應(yīng)的就是該部位的頻率。對于水電站廠房包含樓板、立柱及大體積混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的剛度差別較大，振型十分復(fù)雜，首先出現(xiàn)的低階模態(tài)包括頻率和振型大部分是剛度較低的板梁構(gòu)件的，基頻反映的是剛度較低的板梁柱等，而機墩等剛度較大構(gòu)件的模態(tài)難于體現(xiàn)。隨著頻率階數(shù)的增加，在高階模態(tài)中才會出現(xiàn)機墩的垂直自振頻率、水平橫向自振頻率、水平扭轉(zhuǎn)自振頻率及其相應(yīng)的振型。但從模態(tài)分析的角度來說，低階模態(tài)對整個結(jié)構(gòu)的貢獻大，意味著剛度低的板梁柱發(fā)生振動的概率大，而高階模態(tài)對整個結(jié)構(gòu)的貢獻小，可以認(rèn)為發(fā)生機墩垂直振動、水平橫向振動及水平扭轉(zhuǎn)振動的概率要小。本次計算采用ANSYS程序，其模態(tài)分析是線性分析，模態(tài)提取方法采用Block Lanczos法。

共振校核應(yīng)考慮不同機組振源特性引起的廠房局部結(jié)構(gòu)的振動問題，機墩組合結(jié)構(gòu)的自振頻率應(yīng)避開機組轉(zhuǎn)頻、電磁振動、水力振動的主頻率。按照《水電站廠房設(shè)計規(guī)范SL266-2001》第4.3.8條“機墩自振頻率與強迫振動頻率之差和自振頻率之比值應(yīng)大于20%～30%，或強迫振動頻率與自振頻率之差和機墩強迫振動頻率之比值應(yīng)大于20%～30%，以防共振”的規(guī)定進行共振校核。

1、結(jié)構(gòu)固有振動特性計算

（1）模態(tài)分析方法

模態(tài)分析包括結(jié)構(gòu)的自振頻率計算和振型計算，對于復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu)，必須借助振型圖確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件自振頻率分布。張河灣上、下游側(cè)邊墻與圍巖之間的水平彈性支撐，按照以下四種模型考慮，來計算機組支承結(jié)構(gòu)自振頻率。

模型一：在邊界節(jié)點上加彈性水平約束，圍巖彈模選取20Gpa；

模型二：在邊界節(jié)點上加彈性水平約束，圍巖彈模選取40Gpa；

模型三：在邊界節(jié)點上加彈性水平約束，圍巖彈模選取60Gpa；

模型四：在邊界節(jié)點上加三向固定約束。

機墩組合結(jié)構(gòu)前15 階固有振動頻率及振型計算結(jié)果見表4，模型二前10階振型見圖5。

表4 機墩組合結(jié)構(gòu)自振頻率及振型（Hz）

階次 模型一 模型二

頻率 振型 頻率 振型

1 18.36 左上側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板 18.37 左上側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板

2 18.39 右上側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板 18.40 右上側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板

3 18.42 左下側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板 18.44 左下側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板

4 18.47 右下側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板 18.48 右下側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板

5 18.61 左側(cè)發(fā)電機層樓板豎向 18.71 左側(cè)發(fā)電機層樓板豎向

6 22.61 左側(cè)發(fā)電機層樓板豎向 22.79 發(fā)電機層樓板豎向，機組間最大

7 22.79 機組間發(fā)電機層樓板豎向 23.01 發(fā)電機層樓板豎向，左側(cè)最大

8 23.12 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向 23.75 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向

9 24.47 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向 26.45 左側(cè)樓板豎向，發(fā)電機層最大

10 26.29 左側(cè)發(fā)電機層和母線層樓板豎向 27.08 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向

11 27.68 左側(cè)水輪機層樓板豎向 27.77 左側(cè)水輪機層樓板豎向

12 28.29 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向 28.41 左側(cè)蝸殼層內(nèi)柱縱向振動

13 28.41 左側(cè)蝸殼層內(nèi)柱縱向振動 28.65 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向

14 29.00 機組間上游側(cè)蝸殼層柱橫向振動 29.00 機組間上游側(cè)蝸殼層柱橫向振動

15 29.13 機組間發(fā)電機層樓板豎向 29.41 機組間發(fā)電機層樓板豎向

表5 機墩組合結(jié)構(gòu)自振頻率及振型（Hz）

階次 模型三 模型四

頻率 振型 頻率 振型

1 18.38 左上側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板 18.39 左上側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板

2 18.41 右上側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板 18.43 右上側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板

3 18.45 左下側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板 18.47 左下側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板

4 18.49 右下側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板 18.50 右下側(cè)邊柱橫向振動帶動樓板

5 18.76 左側(cè)發(fā)電機層樓板豎向 19.69 左側(cè)發(fā)電機層樓板豎向

6 22.89 發(fā)電機層樓板豎向，機組間最大 25.47 機組間發(fā)電機層樓板豎向

7 23.13 發(fā)電機層樓板豎向，左側(cè)最大 26.60 左側(cè)樓板豎向，發(fā)電機層最大

8 23.93 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向 27.29 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向

9 26.53 左側(cè)樓板豎向，發(fā)電機層最大 27.64 左側(cè)水輪機層樓板豎向

10 27.82 左側(cè)水輪機層樓板豎向 28.42 左側(cè)水輪機層和母線層樓板豎向

11 28.28 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向 28.50 左側(cè)水輪機層和母絲層樓板豎向

12 28.41 左側(cè)蝸殼層內(nèi)柱縱向振動 29.01 機組間上游側(cè)蝸殼層柱橫向振動

13 29.00 機組間上游側(cè)蝸殼層柱橫向振動 29.43 機組間下游側(cè)蝸殼層柱橫向振動

14 29.30 右側(cè)發(fā)電機層樓板豎向 31.87 右側(cè)樓板豎向，發(fā)電機層最大

15 29.43 機組間發(fā)電機層樓板豎向及機組間下游側(cè)蝸殼層柱橫向振動 33.19 機組間發(fā)電機層樓板豎向

四、水電站廠房機組支承結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了避免機組振動過大的現(xiàn)象，水電站廠房機組支承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以從兩個方面入手，分別是改變結(jié)構(gòu)自振和加強結(jié)構(gòu)剛度。要改變結(jié)構(gòu)的自振，那么應(yīng)該從自振頻率上考慮。要加強結(jié)構(gòu)的剛度，那么就應(yīng)該提高結(jié)構(gòu)的減振能力，加強結(jié)構(gòu)的剛度。其具體分析如以下幾點

1、利用圍巖剛度運用圍巖剛度對減小機組振動，主要是運用巖體自身的剛度來彌散振動力，因此就要加強混凝土和圍巖之間的連合，把機組產(chǎn)生的振動力引向圍巖，運用圍巖本體抵散機組運轉(zhuǎn)的振動力。而作為單臺機組，并不能有效利用圍巖剛度來抵散振動力，只有樓板上下游邊界才有條件利用圍巖剛度，因此應(yīng)該在廠房結(jié)構(gòu)的設(shè)計中做考慮，可以在與圍巖接觸的建筑體中增設(shè)錨筋，也可以對圍巖的局部進行槽挖，槽挖之后填入混凝土，實現(xiàn)建筑體構(gòu)件與圍巖的有效連接。

2、機段組的分縫就機段組的分縫問題而言，在目前已有分縫形式主要包括兩機一縫、一機一縫的形式，對于一機一縫來說，其結(jié)構(gòu)型式的布置合理，而且受力的設(shè)置明確，在水電站整體運行中，可以對運行中復(fù)雜的工況下減小機組的振動。對于兩機一縫而言，這種設(shè)置多運用在普通的梁板結(jié)構(gòu)中，由于在這種情況下不能有效增強相鄰機墩組合結(jié)構(gòu)間的剛度，那么對于機段組的劃分，應(yīng)該盡量讓每個機段組保持獨立的布置，由于兩機一縫的方式便于施工，故而也被廣泛運用。對于水電站主廠房的結(jié)構(gòu)建設(shè)，那么應(yīng)多使用厚板的建筑材料，厚板和邊墻都要有均勻的澆筑，要使兩者之間形成穩(wěn)固、有效地連接。

此外，要優(yōu)化水電站廠房機組支承結(jié)構(gòu)，那么應(yīng)優(yōu)化樓板的結(jié)構(gòu)，要利用厚板和優(yōu)化梁板結(jié)構(gòu)的形式來建設(shè)，對于梁板的支承構(gòu)件要對其進行剛度的增強，特別是梁、柱等構(gòu)件的剛度，要運用一些減振、有剛度的材料來建設(shè)。再者對于厚板的厚度問題，要結(jié)合實際的運算和分析來對厚度做出合理要求，既要減小其支承結(jié)構(gòu)的尺寸，也要滿足減振的剛度要求。

3、控制振動路徑水電站廠房機組支承結(jié)構(gòu)振動的原因與振動傳遞的路徑密不可分，因此，在振動的路徑上，要對其進行有效地控制。對于這些路徑的存在，其主要是機組振動通過風(fēng)罩傳遞到發(fā)電機層樓上，另一部分的振動，則來源于蝸殼的壓力脈動，也有尾水管的壓力脈動，這些作用力可以傳遞到整個廠房中，既可以作用到廠房外圍的混凝土上，也可以通過頂蓋、導(dǎo)軸承機架等傳遞到結(jié)構(gòu)上形成振動影響。因此要對這些振動的途徑進行控制，那么應(yīng)切斷或延長機組振動的傳遞路徑，對于風(fēng)罩的布置，應(yīng)與廠房放電機層樓板整體有效連接，減少振動的影響。

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致的?，F(xiàn)階段可以從以下幾個方面進行基本的狀態(tài)檢修：統(tǒng)計電力電纜的缺陷率；確定檢查種類和項目；加強專業(yè)技術(shù)監(jiān)督，保證各種試驗所獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、完整；根據(jù)變電的運行狀態(tài)確定響應(yīng)的維修周期。

3.結(jié)語

總的來說，實施狀態(tài)檢修減少了停電試驗和檢修的盲目性，可減少設(shè)備每年維護費用以及系統(tǒng)的停電時間。同時可以在運行狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的絕緣缺陷，提高了電力系統(tǒng)運行的可靠性。因此我國變電站工作人員應(yīng)全面地收集電氣設(shè)備的各項信息數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進行技術(shù)分析，準(zhǔn)確判斷電氣設(shè)備的健康狀態(tài)，從而制定相應(yīng)的檢修計劃，確保電氣設(shè)備的可靠性。

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作者簡介：

莫紹津（1969-）女，廣西南寧人，助理館員，大專。