樓板連接形式對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)性能的影響分析

陳 鵬，高 煉，谷金操

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122）

樓板連接形式對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)性能的影響分析

陳 鵬，高 煉，谷金操

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州311122）

本文以某水電站地面廠房為例，建立三維有限元模型，研究了樓板搭接的模擬方法，并針對(duì)樓板與上下游墻體的不同連接形式，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形和自振特性進(jìn)行了研究，另外計(jì)算分析了地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)果表明，采用非線性接觸方法能夠準(zhǔn)確地模擬樓板與墻體間的搭接連接形式；樓板采用搭接形式既不利于控制廠房上部結(jié)構(gòu)的變形，也不利于結(jié)構(gòu)的抗振；但是樓板上下游均采用搭接形式，能夠有效降低順河向地震作用下樓板與墻體連接處的應(yīng)力峰值，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)有利。

水電站廠房；樓板連接形式；結(jié)構(gòu)性能；有限元法

水電是我國(guó)重要的可再生能源，目前我國(guó)水電裝機(jī)總量近3.0億kW，居世界第一。隨著電站機(jī)組尺寸的增大、比轉(zhuǎn)速的提高，其水力穩(wěn)定性、樓板等薄弱結(jié)構(gòu)振動(dòng)等問(wèn)題愈發(fā)突出，近年來(lái)國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)水電站廠房樓板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)分析和研究[1-3]。水電站主廠房樓板具有荷載大、孔洞多、結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則等特點(diǎn)，一般采用整澆方式或者搭接方式與墻體結(jié)構(gòu)連接，整澆的樓板抗振性能好，但是運(yùn)行使用過(guò)程中容易出現(xiàn)溫度裂縫[4]，搭接的樓板則正好相反。

為研究水電站廠房樓板與上下游墻體的不同連接形式對(duì)廠房結(jié)構(gòu)性能的影響，下面以某水電站廠房為研究對(duì)象，采用ANSYS有限元計(jì)算軟件對(duì)不同樓板連接形式下的結(jié)構(gòu)變形和抗震等問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算分析，為工程設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考意見(jiàn)。

1 計(jì)算模型與計(jì)算條件

1.1 計(jì)算模型

計(jì)算以某水電站廠房中間標(biāo)準(zhǔn)組段為對(duì)象，整體模型以廠房一個(gè)中間標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段為對(duì)象，沿廠房縱軸線方向長(zhǎng)度為29 m，上下游方向?qū)挾葹?2 m，主廠房最大高度62 m。廠房上部結(jié)構(gòu)包括屋頂鋼屋架，屋頂鋼屋架按照實(shí)際構(gòu)造和構(gòu)件尺寸進(jìn)行模擬。計(jì)算模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，其X軸為水平方向，沿廠房縱軸指向左端為正（面向下游），Y軸為鉛垂方向，向上為正；Z軸為水平方向，指向下游為正。在計(jì)算范圍內(nèi)，對(duì)水輪機(jī)鋼鍋殼、座環(huán)以及外圍混凝土均按實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬。計(jì)算中，模型底部施加全約束，其余各面自由。

1.2 材料參數(shù)

主房結(jié)構(gòu)實(shí)體墻、排架柱、梁及下游副廠房各層樓板的混凝土等級(jí)為C25，下部蝸殼、尾水管等大體積混凝土等級(jí)為C20。各材料參數(shù)：C25混凝土，靜彈性模量為28.0 GPa，泊松比為0.167，密度為2 500 kg/m3；C20混凝土，靜彈性模量為25.5 GPa，泊松比為0.167，密度為2 500 kg/m3；網(wǎng)架鋼材，靜彈性模量為206 GPa，泊松比為0.23，密度為7 850 kg/m3。

2 樓板搭接的模擬方法探討

水電站廠房的樓板以搭接形式與墻體連接，即不考慮樓板與墻體之間的水平傳力作用，但墻體對(duì)樓板有支撐作用，樓板受到的豎向荷載可以傳遞到墻體。目前諸多有限元計(jì)算分析中，對(duì)于樓板搭接的處理方法主要有兩類(lèi)：一是數(shù)值模型中不考慮樓板；二是數(shù)值模型中考慮樓板，但是樓板與墻體之間分離，樓板四周邊界節(jié)點(diǎn)施加相應(yīng)的豎向約束。很明顯，第一種處理方法中機(jī)墩、風(fēng)罩等結(jié)構(gòu)缺少樓板支撐，相應(yīng)的受力分析不準(zhǔn)確；第二種處理方法樓板四周邊界節(jié)點(diǎn)的豎向約束強(qiáng)度過(guò)大，樓板邊界部位變形不真實(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。以上2種處理方法均不能很好地模擬實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果存在一定出入。

樓板以搭接形式與墻體連接，實(shí)際受力和變形過(guò)程中是一種接觸行為，因涉及接觸狀態(tài)的改變而成為一個(gè)復(fù)雜的非線性問(wèn)題。目前較為通用的大型數(shù)值計(jì)算分析軟件ANSYS能夠很好地、高精度地求解接觸問(wèn)題。本文采用非線性接觸分析手段，在樓板與墻體搭接區(qū)域建立接觸關(guān)系，利用ANSYS自帶的“Standard”接觸行為來(lái)模擬樓板的搭接，該接觸行為具有可滑動(dòng)性，并且當(dāng)接觸面法向壓力為零時(shí)，接觸面產(chǎn)生分離。計(jì)算中不考慮搭接區(qū)域的摩擦作用，摩擦系數(shù)取為極小值。

為驗(yàn)證本文采用非線性接觸分析方法模擬樓板搭接的準(zhǔn)確性，建立以下2種廠房整體結(jié)構(gòu)模型方案（圖1）：方案1——發(fā)電機(jī)層樓板上下游側(cè)與墻體均為搭接，采用非線性接觸模擬搭接；方案2——模型中不模擬發(fā)電機(jī)層樓板。

對(duì)2種方案分別施加相同的吊車(chē)滿載作用力（最大輪壓位于上游側(cè)），計(jì)算結(jié)果顯示方案1和方案2的上、下游側(cè)墻柱順河向變形一致（見(jiàn)圖3），說(shuō)明采用非線性接觸有效模擬了搭接方式不傳遞樓板與墻體之間的水平力。

對(duì)方案1的發(fā)電機(jī)層樓板施加50 kN/m2的樓面活荷載，發(fā)電機(jī)層樓板面積為403.075 m2，則樓面活荷載合力FL=25.255 MN；根據(jù)計(jì)算結(jié)果提取風(fēng)罩與樓板連接處節(jié)點(diǎn)豎向合力F1=16.098 MN，提取墻體與樓板接觸區(qū)域節(jié)點(diǎn)豎向合力F2= 9.207 MN，兩者求和為FJ=F1+F2=25.305 MN；因此FL≈FJ，說(shuō)明采用非線性接觸可以很好地模擬墻體對(duì)樓板的豎向支撐作用。

綜上所述，采用非線性接觸方法能夠準(zhǔn)確地模擬樓板與墻體間的搭接連接形式，下面分析中搭接模擬均采用非線性接觸方法。

3 樓板連接形式對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)性能的影響

3.1 計(jì)算方案

圖1 廠房混凝土結(jié)構(gòu)順河向變位等值線圖

為比較樓板不同連接形式對(duì)廠房結(jié)構(gòu)性能的影響，擬定以下3種計(jì)算方案：A方案，發(fā)電機(jī)層樓板上下游側(cè)與墻體均為固結(jié)連接；B方案，發(fā)電機(jī)層樓板上游側(cè)與墻體固結(jié)，下游側(cè)與墻體搭接；C方案，發(fā)電機(jī)層樓板上下游側(cè)與墻體均為搭接。

3.2 結(jié)構(gòu)變形分析

為避免其他荷載對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生干擾，本小節(jié)對(duì)各方案模型僅施加自重、各層樓板荷載及吊車(chē)滿載運(yùn)行荷載進(jìn)行計(jì)算，以分析樓板不同連接形式對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響。

水電站廠房上部結(jié)構(gòu)的剛度是設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)關(guān)注方面，SL266-2014《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中規(guī)定按空間圖形計(jì)算的軌頂高程柱允許位移值為H/2 000，對(duì)應(yīng)該工程即6.65 mm。從表1可以看出，相同荷載作用下，A—C方案各典型部位的最大變位值均未超過(guò)規(guī)范限值。

A—C方案發(fā)電機(jī)層樓板對(duì)墻體的水平作用是逐漸減弱的，導(dǎo)致A—C方案各典型部位的最大變位值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這說(shuō)明采樓板采用搭接形式不利于控制廠房上部結(jié)構(gòu)的變形。

表1 各方案典型部位最大變位 mm

3.3 自振特性分析

各方案廠房整體結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)層樓板和風(fēng)罩的振動(dòng)基頻如表2所示，從表2的結(jié)果可知：A—C方案各部分的振動(dòng)基頻呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，其中C方案的發(fā)電機(jī)層樓板和風(fēng)罩的振動(dòng)基頻相比A與B方案降低明顯，而廠房整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基頻降幅相對(duì)較小。

表2數(shù)據(jù)顯示發(fā)電機(jī)層樓板和風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基頻高于廠房整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻，發(fā)電機(jī)層樓板和風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小，其自身具有較高的振動(dòng)基頻有利于與機(jī)組轉(zhuǎn)頻、水流低頻脈沖等激振頻率有較大錯(cuò)開(kāi)度，但發(fā)電機(jī)層樓板上下游均為搭接形式明顯使得樓板和風(fēng)罩的振動(dòng)基頻降低，這顯然是不利于結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計(jì)。

上述計(jì)算結(jié)果說(shuō)明樓板連接形式對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)的基頻影響較小，對(duì)樓板和風(fēng)罩結(jié)構(gòu)的基頻影響相對(duì)較大，樓板采用搭接形式對(duì)廠房結(jié)構(gòu)，尤其是樓板和風(fēng)罩等剛度薄弱部位的抗振是不利的。3.4地震作用分析

參照NB35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行順河的地震作用計(jì)算分析。

表2 各方案結(jié)構(gòu)振動(dòng)基頻 Hz

從圖2可以看出，A—C方案柱頂和軌頂最大順河向位移值呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度不大；從圖3可以看出，A—C方案頂部柱腳的最大應(yīng)力值是逐漸減小的，而發(fā)電機(jī)層樓板的最大應(yīng)力值是先增后減的趨勢(shì)，這是因?yàn)锽方案發(fā)電機(jī)層樓板一邊固結(jié)一邊搭接，搭接相對(duì)于固結(jié)屬于弱連接，上下游約束剛度的不對(duì)稱(chēng)性易使得連接體結(jié)構(gòu)內(nèi)力一定程度上出現(xiàn)增大[7]。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，在順河向地震作用下，樓板采用搭接形式相比固結(jié)形式而言，不利于控制廠房上部結(jié)構(gòu)的變形，這與第3節(jié)中的結(jié)論相一致。但樓板上下游均采用搭接形式可以降低廠房上部結(jié)構(gòu)柱腳和發(fā)電機(jī)層樓板的應(yīng)力峰值，C方案的發(fā)電機(jī)層樓板應(yīng)力峰值相比A和B方案降低了近45%。

圖2 各方案柱頂和軌頂最大順河向位移

圖3 各方案發(fā)電機(jī)層樓板和頂部柱腳最大應(yīng)力

4 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用有限元對(duì)水電站廠房樓板不同連接形式進(jìn)行計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

1）采用非線性接觸方法既能模擬樓板與墻體之間的無(wú)水平傳力作用，又可模擬墻體對(duì)樓板的豎向支撐作用，因此非線性接觸方法能夠準(zhǔn)確地模擬樓板與墻體間的搭接連接形式。

2）水電站廠房樓板采用搭接形式不僅不利于控制廠房上部結(jié)構(gòu)的變形，而且還會(huì)降低樓板、風(fēng)罩等結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)振動(dòng)頻率，不利于結(jié)構(gòu)的抗振。水電站廠房樓板上下游均采用搭接形式，能夠有效降低順河向地震作用下樓板與墻體連接處的應(yīng)力峰值，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)有利。

3）實(shí)際水電站廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，樓板搭接形式要慎重使用，必要情況下要進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算研究。

［1］沈可，張仲卿.水電站廠房樓板振動(dòng)分析［J］.人民長(zhǎng)江，2003，34（1）：52—54.

［2］陳帥，張振華，羅先啟，韓勇.水口水電站發(fā)電機(jī)層樓板振動(dòng)分析［J］.水電能源科學(xué)，2010，28（9）：76—78.

［3］李炎，李瑩.巖灘水電站廠房樓板振動(dòng)的分析［J］.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，36（6）：713—717.

［4］王育軍.混凝土現(xiàn)澆樓板裂縫的成因和控制［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2007，5（3）：102—105.

［5］SL266-2014，水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］NB35047-2015，水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］代勛.連接方式對(duì)雙塔連體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及地震反應(yīng)的影響分析［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.

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2016-07-04