水電站地下廠房機(jī)墩結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析中幾點(diǎn)問題探討

鄭秀梅，馬震岳

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

水電站地下廠房機(jī)墩結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析中幾點(diǎn)問題探討

鄭秀梅，馬震岳

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024)

為了研究《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》中圓筒式機(jī)墩動(dòng)力計(jì)算的簡化算法對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性的影響，本文結(jié)合某大型水電站地下廠房，從空間特性、模型范圍、荷載加載方式方面探討其對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)空間特性對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性的影響很大；局部結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性有影響，不同圍巖范圍下機(jī)墩水平向振幅基本為恒值，垂直振幅有變化，當(dāng)圍巖范圍取至9倍時(shí)，垂直振幅計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確；徑向動(dòng)荷載不同加載方式對(duì)機(jī)墩水平向振幅影響較大。

地下廠房；機(jī)墩；動(dòng)力特性；模型范圍；加載方式

近幾年隨著高轉(zhuǎn)速、高水頭、雙向運(yùn)行的水電站數(shù)量的增多，廠房振動(dòng)問題顯得尤為突出[1-3]，機(jī)墩作為水電站廠房的支撐機(jī)構(gòu)，其剛度、變形等必須要滿足要求，對(duì)機(jī)墩結(jié)構(gòu)的研究較多[4-5]，目前存在的問題是機(jī)墩動(dòng)力特性的有限元算法與規(guī)范算法計(jì)算結(jié)果存在差異[6]。顧鵬飛等[7]通過推導(dǎo)圓筒式機(jī)墩的動(dòng)力計(jì)算公式總結(jié)出了規(guī)范算法的基本假設(shè)，指出規(guī)范算法將機(jī)墩簡化為下部固定、上端自由的厚壁圓筒式單自由度體系。文獻(xiàn)[8-10]從模型邊界條件、模型范圍方面研究其對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性影響。孫萬泉[11]采用擬靜力法和動(dòng)力法對(duì)徑向荷載在機(jī)墩的幾種不同作用方式進(jìn)行研究，指出采用動(dòng)力法和二力桿單元模擬機(jī)架支臂更符合實(shí)際離心力的傳遞方式。馬震岳等[12]通過分析徑向荷載的產(chǎn)生、分配、施加和傳遞機(jī)理，考慮導(dǎo)軸承油膜和機(jī)架支臂的作用，分析徑向荷載不同加載方式對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性的影響。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合某水電站地下廠房，從空間特性、模型范圍、荷載加載方式三個(gè)方面探討其對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性的影響，力求在一定的程度上真實(shí)模擬機(jī)墩動(dòng)力特征。對(duì)于切向和豎向荷載的作用方式已有較明確的認(rèn)知[13]，所以本文僅研究徑向荷載加載方式的影響。

1 空間特性

為了分析結(jié)構(gòu)空間特性對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性的影響，機(jī)墩有限元模型的約束條件、模型范圍等因素保持與規(guī)范算法一致，具體的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 機(jī)墩結(jié)構(gòu)的有限元模型

1.1 空間特性對(duì)機(jī)墩自振頻率影響

利用ANSYS軟件中的Block Lanczos特征值法對(duì)機(jī)墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到機(jī)墩三個(gè)方向的自振頻率，兩種計(jì)算方法的機(jī)墩自振頻率列于表1。

表1 兩種算法的機(jī)墩自振頻率

由表1可知，結(jié)構(gòu)的空間特性對(duì)機(jī)墩各方向的自振頻率影響程度較大，影響程度順序?yàn)椋捍怪狈较?水平橫向>水平扭轉(zhuǎn)方向。

1.2 空間特性對(duì)機(jī)墩結(jié)構(gòu)振幅的影響

本文采用諧響應(yīng)分析法計(jì)算機(jī)墩振幅[15]，動(dòng)荷載頻率取機(jī)組額定工況下的轉(zhuǎn)頻2.08 Hz，結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)取0.05，動(dòng)荷載均勻施加在每個(gè)支承點(diǎn)上。兩種計(jì)算方法的機(jī)墩振幅結(jié)果，見表2。

表2 規(guī)范[14]算法與有限元法的機(jī)墩振幅 單位：mm

由表2可以看出，通過有限元法計(jì)算的機(jī)墩結(jié)構(gòu)各方向振幅遠(yuǎn)大于規(guī)范法結(jié)果。觀察機(jī)墩結(jié)構(gòu)的變形云圖發(fā)現(xiàn)，變形后的機(jī)墩截面形狀已不再是圓形。

2 計(jì)算模型范圍

規(guī)范算法中機(jī)墩底部的約束高程與實(shí)際情況完全不同，目前對(duì)于模型選取范圍沒有統(tǒng)一的規(guī)定，不同的研究者所選取的范圍多有不同。本節(jié)主要分析風(fēng)罩、發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層樓板、邊墻、蝸殼、尾水管及不同方向圍巖范圍結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性的影響，提出具體的圍巖范圍，為以后選取地下廠房動(dòng)力計(jì)算模型范圍提供參考。

2.1 廠房模型范圍對(duì)機(jī)墩自振頻率的影響

首先分析風(fēng)罩、發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)層樓板、邊墻、蝸殼、尾水管結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)墩的影響，用彈簧單元來模擬圍巖約束作用，具體的設(shè)計(jì)方案如下所示。

方案A1：建立機(jī)墩單獨(dú)的模型，模型底部施加剛性約束；

方案A2：建立機(jī)墩及風(fēng)罩的單獨(dú)結(jié)構(gòu)，約束條件與A1方案一致；

方案A3：建立機(jī)墩、風(fēng)罩、樓板的結(jié)構(gòu)模型，約束條件與上述方案一致；

方案A4：建立機(jī)墩以上的結(jié)構(gòu)模型，約束條件與上述方案一致；

方案A5：建立蝸殼底板以上的廠房結(jié)構(gòu)模型，模型底部至水輪機(jī)層周圍施加彈性約束，底部施加剛性約束；

方案A6：廠房整體結(jié)構(gòu)模型，尾水管底板至水輪機(jī)層周圍施加彈性約束，底部施加剛性約束。

6種方案下結(jié)構(gòu)的前50階自振頻率結(jié)果見圖2。

從圖2可知，6種方案對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的自振頻率相差較大。通過各方案間自振頻率的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增加風(fēng)罩、樓板、蝸殼使得結(jié)構(gòu)各方向自振頻率降低；增加邊墻后結(jié)構(gòu)各方向自振頻率提高，尤其是垂直方向的自振頻率；增加尾水管使得結(jié)構(gòu)水平扭轉(zhuǎn)、垂直方向自振頻率提高，水平橫向自振頻率降低。說明周圍局部結(jié)構(gòu)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的剛度影響較大。改變圍巖計(jì)算范圍，計(jì)算方案見表3，計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖2 六種方案下結(jié)構(gòu)的前50階自振頻率

注：圍巖范圍=(表中數(shù)值)×L

圖3 不同圍巖范圍的廠房結(jié)構(gòu)自振頻率

由圖3可知，隨著圍巖范圍的增加，廠房整體結(jié)構(gòu)的自振頻率逐漸減小，說明圍巖范圍的增加，廠房整體剛度降低。同時(shí)，觀察廠房結(jié)構(gòu)的振型發(fā)現(xiàn)，不同方案下自振頻率相近的振型基本一致。

2.2 廠房模型范圍對(duì)機(jī)墩振幅的影響

首先分析風(fēng)罩、樓板、邊墻、蝸殼、尾水管結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)墩振幅的影響，提取了機(jī)墩典型部位(定子基礎(chǔ)、下機(jī)架基礎(chǔ))的振幅，見圖4、圖5。

由圖4可知，方案A1—方案A4相同部位相同方向下機(jī)墩振幅基本上一致，方案A5、方案A6的結(jié)果與前四種方案對(duì)應(yīng)結(jié)果差異較大。說明風(fēng)罩、樓板、邊墻結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)墩典型部位的各方向振幅基本上沒有影響，而蝸殼、尾水管結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)墩典型部位各方向振幅影響程度很大，不可忽視其影響。

圖4 不同方案下機(jī)墩結(jié)構(gòu)振幅

由圖5可以看出，考慮不同圍巖范圍的機(jī)墩水平橫向、水平扭轉(zhuǎn)方向的振幅基本上是恒值，相對(duì)而言垂直振幅變化程度大些。通過各方案間的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水平方向的圍巖范圍對(duì)機(jī)墩垂直振幅影響較大，并且隨著各方向圍巖范圍的增加，其對(duì)垂直振幅的影響程度減小。但并不是圍巖范圍越大計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，當(dāng)各方向圍巖范圍取至9L時(shí)，機(jī)墩垂直振幅達(dá)到幅值，隨后圍巖范圍增加垂直振幅反而減小。對(duì)于本結(jié)構(gòu)模型而言機(jī)墩各方向振幅分別為0.0246 mm、0.0255 mm、0.1197 mm，總體來看有限元結(jié)果明顯大于規(guī)范算法結(jié)果。

圖5 不同圍巖范圍下機(jī)墩結(jié)構(gòu)振幅

3 荷載加載方式

隨著機(jī)組的旋轉(zhuǎn)，徑向荷載的方向隨時(shí)都在變化，但由于機(jī)組的轉(zhuǎn)速是定值，所以徑向荷載是一種大小不變、方向隨時(shí)改變的力。所以本節(jié)采用兩個(gè)相互垂直的簡諧波模擬徑向荷載，方案3定子基礎(chǔ)及下機(jī)架基礎(chǔ)處的動(dòng)荷載形式如下式所示。其中F1、F2分別代表定子基礎(chǔ)和下機(jī)架徑向動(dòng)荷載大小。模型范圍與方案A6一致。

F1x=10cosφ=10cos(ωt),

F1y=10sinφ=10sin(ωt)

(1)

F2x=111cosφ=111cos(ωt),

F2y=111sinφ=111sin(ωt)

(2)

方案1：徑向荷載均勻施加在每個(gè)基礎(chǔ)板上面；

方案2：考慮到徑向荷載具有分配不均勻和可旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，假設(shè)下機(jī)架的12個(gè)基礎(chǔ)板中只有7個(gè)承受徑向荷載；定子基礎(chǔ)的14個(gè)基礎(chǔ)板中只有9個(gè)承受徑向荷載，荷載沿著剛度最小的方向施加；

方案3：因?yàn)榇筝S上的徑向荷載是由機(jī)架支臂傳遞到機(jī)墩的基礎(chǔ)板上，所以建立考慮機(jī)架支臂的廠房結(jié)構(gòu)模型。采用箱式截面的梁單元BEAM188模擬機(jī)架支臂，梁單元尺寸為1.2 m×0.75 m×0.04 m×0.04 m(尺寸順序?yàn)楦叨取挾?、翼板厚、腹板?。荷載作用在機(jī)架的中心點(diǎn)處，隨著機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，見圖6。

因?yàn)閮H考慮徑向動(dòng)荷載加載方式的影響，并且機(jī)墩定子基礎(chǔ)與下機(jī)架振幅變化規(guī)律基本相同，所以僅給出各方案機(jī)墩定子基礎(chǔ)水平方向的振幅，見圖7。

圖6 方案3徑向荷載施加方案模型

圖7 徑向荷載不同加載方式下機(jī)墩定子基礎(chǔ)的振幅

由圖7可知，在徑向荷載不同加載方式下機(jī)墩定子基礎(chǔ)處水平向振幅相差程度很大，考慮荷載自身特性計(jì)算的水平向振幅最大。

4 結(jié) 論

本文從空間特性、模型范圍和荷載加載方式三個(gè)方面研究了其對(duì)地下廠房機(jī)墩動(dòng)力的影響，并將有限元結(jié)果與規(guī)范算法的結(jié)果進(jìn)行了比較，得到了如下結(jié)論：

(1) 考慮機(jī)墩空間特性的有限元結(jié)果與規(guī)范算法結(jié)果相差很大，說明了空間特性對(duì)機(jī)墩動(dòng)力特性的影響不可忽視。徑向荷載不同加載方式下，機(jī)墩動(dòng)力響應(yīng)相差較大，按照方案2方式施加，結(jié)果偏于安全，但方案3施加方式更合理。

(2) 機(jī)墩周圍局部結(jié)構(gòu)及各方向圍巖范圍對(duì)整體結(jié)構(gòu)自振頻率均有影響。風(fēng)罩、樓板、邊墻對(duì)機(jī)墩振幅基本沒有影響，蝸殼、尾水管對(duì)機(jī)墩振幅影響較大，不可忽略。不同圍巖范圍下機(jī)墩水平向振幅為恒值，垂直振幅有變化，隨著圍巖范圍的增加其影響程度越小，但并不是考慮的圍巖范圍越大越好。當(dāng)圍巖范圍取至9L時(shí)，計(jì)算得到機(jī)墩各向振幅達(dá)到最大值。

所以，綜上所述，規(guī)范算法所忽視的結(jié)構(gòu)空間特性、模型范圍以及徑向荷載加載方式都對(duì)機(jī)墩結(jié)構(gòu)有影響，導(dǎo)致了規(guī)范算法與有限元結(jié)果產(chǎn)生了差異。在對(duì)地下廠房進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，最好建立考慮機(jī)架支臂及9L范圍圍巖的三維有限元模型，計(jì)算得到的機(jī)墩動(dòng)力響應(yīng)更準(zhǔn)確。

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Discussion on Some Problems in the Dynamic Analysis of Pier Structure of Underground Powerhouse of Hydropower Station

ZHENG Xiumei, MA Zhenyue

(CollegeofWaterResourcesEngineering,FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

In order to analyze the effects of simplified cylinder pier dynamic calculation method on the dynamic characteristics of the pier in the design code of the hydropower house, in this paper by taking a large underground powerhouse of hydropower station as an example, the influence of the spatial characteristics, the range of the calculation model and the application methods of dynamic loads on the dynamic characteristics of the pier are discussed. The results indicate that the spatial characteristics of the structure has great influence on the dynamic characteristics of the pier, the local structures could affect the dynamic characteristics of the pier, the horizontal amplitude is constant and the vertical amplitude varies in different surrounding rocks, when the surrounding rock is taken to 9 times, the vertical amplitude of the pier is more accurate; the application methods of radial dynamic load have different influence on the horizontal amplitude of the pier.

underground powerhouse; pier; dynamic characteristics; model range; application methods

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.005

2017-02-16

2017-03-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379030)

鄭秀梅(1991—)，女，黑龍江綏化人，碩士研究生，研究方向水電站廠房振動(dòng)。E-mail：zxmdlut@126.com

馬震岳(1962—)，男，河南南陽人，博士，教授，博導(dǎo)，主要從事水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)力學(xué)和水電站建筑物結(jié)構(gòu)分析方面的研究工作。E-mail：dmzy@dlut.edu.cn

TV731+.6

A

1672—1144(2017)03—0026—05