廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房結(jié)構(gòu)抗振加固方案研究

華丕龍，何濤，蘇鵬力

（1.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東省廣州市 511440；2.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950）

廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房結(jié)構(gòu)抗振加固方案研究

華丕龍1，何濤2，蘇鵬力2

（1.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東省廣州市 511440；2.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950）

為評(píng)價(jià)抗振加固方案效果，以有限元軟件SAP2000為工具，建立廣州抽水蓄能水電廠A廠三維有限元模型?；谠撃Ｐ?，仿真計(jì)算了一機(jī)一縫加厚樓板方案、施工縫處局部梁柱加固方案，施工縫處局部梁柱加固及上下游邊墻填充方案。結(jié)果表明一機(jī)一縫加厚樓板減振效果最好；施工縫處局部梁柱加固方案能夠減輕施工縫處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，但其他部位效果不明顯；上下游邊墻填充方案對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的振動(dòng)有增大也有減小，減振效果最差。

振動(dòng)特性；SAP2000；質(zhì)量參與系數(shù)；動(dòng)力響應(yīng)

0 引言

廣州蓄能水電廠A廠地下廠房由主廠房、安裝間和副廠房組成，其中主機(jī)間長(zhǎng)92.5m、寬21m、高44.54m。主廠房由上到下分為發(fā)電機(jī)層、中間層、水泵水輪機(jī)層、蝸殼層以及底部的管廊道層、集水廊道層等，由尾水管、蝸殼、機(jī)墩、風(fēng)罩與樓板、梁、柱相互聯(lián)系組合形成復(fù)雜的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

主廠房與安裝間、副廠房之間，均設(shè)置有結(jié)構(gòu)縫，主廠房2、3號(hào)機(jī)組之間設(shè)有一條結(jié)構(gòu)縫。但在施工階段為滿足各臺(tái)機(jī)組先后投產(chǎn)需要，在1號(hào)與2號(hào)機(jī)組之間、3號(hào)與4號(hào)機(jī)組之間的樓板、梁各增設(shè)一條施工縫。

水泵水輪機(jī)為法國(guó)Neyrpic公司制造，轉(zhuǎn)輪研究開(kāi)發(fā)者為瑞士蘇爾壽艾雪維斯（SEWZ）公司。轉(zhuǎn)輪由17-4不銹鋼整鑄，7葉片，額定轉(zhuǎn)速500r/min。

2000年前后，水工人員陸續(xù)在A廠主廠房發(fā)電機(jī)層、中間層、水泵水輪機(jī)層的部分混凝土構(gòu)件上（梁、板）發(fā)現(xiàn)裂縫，2007年經(jīng)過(guò)詳細(xì)勘察，發(fā)現(xiàn)梁柱系統(tǒng)普遍存在開(kāi)裂現(xiàn)象，大多數(shù)裂縫寬度在0.1～0.3mm間，梁裂縫主要分布在支點(diǎn)側(cè)，裂縫方向從支點(diǎn)處的45°到梁中部的90°。柱牛腿裂縫主要在鋼筋保護(hù)層，個(gè)別嚴(yán)重的裂縫寬度達(dá)5mm。鑒于此，電廠于2008年初對(duì)已發(fā)現(xiàn)的這些缺陷進(jìn)行了應(yīng)急修復(fù)。但是為了徹底弄清裂縫產(chǎn)生機(jī)理，從源頭上治理這個(gè)問(wèn)題，電廠做了大量工作。先后委托廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行了靜動(dòng)力復(fù)核，加固方案設(shè)計(jì)，委托廣州大學(xué)、武漢大學(xué)分布進(jìn)行了廠房振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn)及振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，委托武漢大學(xué)和中國(guó)水利水電科學(xué)研究院進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和仿真。本文介紹本研究數(shù)值方法評(píng)價(jià)加固方案部分。

1 加固方案

1.1 方案A

方案A擬把A廠的施工縫徹底改造成結(jié)構(gòu)縫，同時(shí)把樓板加厚以增加樓板的剛度，即把A廠也改造成一機(jī)一縫厚梁板結(jié)構(gòu)。該方案的加固范圍如下：

（1）把發(fā)電機(jī)層、中間層、水輪機(jī)層的1、2號(hào)施工縫、3、4號(hào)施工縫改造成一機(jī)一縫；

（2）把發(fā)電機(jī)層、中間層樓板進(jìn)行加厚；

（3）樓板加厚增加了梁的荷載，導(dǎo)致部分梁原來(lái)配筋不能滿足承載力要求，需對(duì)發(fā)電機(jī)層、中間層配筋不足的梁進(jìn)行加固，提高其承載力。

方案A計(jì)算條件及模型（見(jiàn)圖1和圖2）：

（1）模型中新加梁和新加柱之間模擬為剛接；

（2）新加梁與老柱、新柱和老梁、新梁和老板之間模擬為鉸接；

圖1 1號(hào)機(jī)計(jì)算模型Fig.1 #1 machine model

圖2 2號(hào)機(jī)計(jì)算模型Fig.2 #2 machine model

（3）新加梁、柱混凝土采用C25；

（4）發(fā)電機(jī)層樓板加厚至450mm，中間層樓板加厚至400mm，樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)同老樓板；

（5）為方便建模，2號(hào)機(jī)組施工縫拐角處并排新加的兩根柱只簡(jiǎn)化模擬為一根；

圖3 發(fā)電機(jī)層梁、柱加固范圍及動(dòng)力響應(yīng)控制點(diǎn)布置Fig.3 Generator layer，column reinforcement scope and dynamic response control point layout

（6）假定外包混凝土鋼柱、梁等效斷面積增加0%，3-3截面慣性矩增加0%；

（7）其他條件同原始狀況兩機(jī)一縫模型。

1.2 方案B

方案B主要是對(duì)廠房發(fā)電機(jī)層和中間層施工縫處的梁和柱進(jìn)行截面剛度增大。

計(jì)算條件如下：

（1）發(fā)電機(jī)層梁、柱加固范圍及動(dòng)力響應(yīng)控制點(diǎn)布置見(jiàn)圖3；

（2）加固后梁斷面積增加20%，相對(duì)水平軸慣性矩增加1倍，相對(duì)垂直軸慣性矩增加20%；

（3）加固后柱斷面積增加15%，其他假定不變；

（4）其他條件同廠房原結(jié)構(gòu)兩機(jī)一縫模型，見(jiàn)圖4。

圖4 A廠廠房計(jì)算模型（左邊為1號(hào)機(jī)，右邊為2號(hào)機(jī)）Fig.4 Station A model on left machine #1 and #2

1.3 方案C

方案C擬對(duì)上下游邊墻邊柱間填充混凝土形成墻體，以增加廠房縱向剛度和穩(wěn)定性。同時(shí)對(duì)施工縫附近、大的孔洞周邊樓板結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)不足的部位進(jìn)行剛度加強(qiáng)。

該方案的加固范圍如下：

（1）以保證廠房通風(fēng)、電纜及運(yùn)行巡視通道不受影響為原則，在中間層、水泵水輪機(jī)層上游側(cè)邊柱間增設(shè)14片混凝土墻，下游側(cè)邊柱間增設(shè)5片混凝土墻。

（2）對(duì)施工縫附近、大的孔洞周邊板梁結(jié)構(gòu)加固范圍與方案B同。

計(jì)算條件及模型：

（1）上、下游與新加邊墻相連的梁柱節(jié)點(diǎn)假定為X、Y、Z三方向約束；

（2）其他條件同方案B。

2 模型計(jì)算結(jié)果

限于篇幅，本文只介紹各方案的在雙機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的動(dòng)力響應(yīng)——振動(dòng)速度，并與廠房原初結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度作對(duì)比，以此評(píng)價(jià)方案的有效性為評(píng)價(jià)各方案的減振效果。

2.1 方案A廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

為評(píng)價(jià)減振效果，在發(fā)電機(jī)層和中間層各選取30個(gè)動(dòng)力響應(yīng)控制點(diǎn)，見(jiàn)圖5和圖6；計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

2.2 方案B廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

為評(píng)價(jià)減振效果，在發(fā)電機(jī)層和中間層各選取7個(gè)動(dòng)力響應(yīng)控制點(diǎn)，見(jiàn)圖7和圖8；計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

2.3 方案C廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

為評(píng)價(jià)減振效果，在發(fā)電機(jī)層和中間層各選取30個(gè)動(dòng)力響應(yīng)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)分布與方案A相同，見(jiàn)圖5和圖6；計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

圖5 發(fā)電機(jī)層動(dòng)力響應(yīng)控制點(diǎn)布置Fig.5 Dynamic response control points of generator level

圖6 中間層動(dòng)力響應(yīng)控制點(diǎn)布置Fig.6 Dynamic response control points of Middle level

表1 A方案發(fā)電機(jī)層典型控制點(diǎn)豎向振動(dòng)速度Tab.1 Vertical vibration speed of control points at generator level of scheme A

3 結(jié)論和討論

3.1 方案自評(píng)價(jià)

方案A總共60個(gè)控制點(diǎn)，模擬實(shí)施加固后，較原始狀態(tài)，有51個(gè)點(diǎn)振動(dòng)速度下降，總有效點(diǎn)為85%，平均降幅達(dá)到30.00%，應(yīng)該說(shuō)效果明顯。

表2 A方案中間層典型控制點(diǎn)豎向振動(dòng)速度Tab.2 Vertical vibration speed of control points at Middle level of scheme A

方案B總共14個(gè)控制點(diǎn)，模擬實(shí)施加固后，較原始狀態(tài)，有13個(gè)點(diǎn)振動(dòng)速度下降，總有效點(diǎn)92.8%，平均降幅為13.43%，應(yīng)該說(shuō)效果明顯。

方案C總共60個(gè)控制點(diǎn)，模擬實(shí)施加固后，較原始狀態(tài)，有20個(gè)點(diǎn)振動(dòng)速度下降，40個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)速度不降反增?？傆行c(diǎn)33.3%，無(wú)效點(diǎn)66.7%。沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。

圖7 發(fā)電機(jī)層梁、柱加固范圍及動(dòng)力響應(yīng)控制點(diǎn)布置Fig.7 Dynamic response control points of generator level

圖8 中間層梁、柱加固范圍及動(dòng)力響應(yīng)控制點(diǎn)布置Fig.8 Dynamic response control points of Middle level

表3 B方案發(fā)電機(jī)層施工縫附近典型控制點(diǎn)豎向振動(dòng)速度Tab.3 Vertical vibration speed of control points at generator level of scheme B

表4 B方案中間層施工縫附近典型控制點(diǎn)豎向振動(dòng)速度Tab.4 Vertical vibration speed of control points at Middle level of scheme B

表5 C方案發(fā)電機(jī)層典型控制點(diǎn)豎向振動(dòng)速度Tab.5 Vertical vibration speed of control points at generator level of scheme C

3.2 方案對(duì)比評(píng)價(jià)

選取三個(gè)方案共有控制點(diǎn)，分別是206、222、10191、10792、10830、140、10226、10237、11404等9個(gè)控制點(diǎn)，對(duì)比分析其減振效果。取結(jié)構(gòu)原始狀態(tài)振動(dòng)速度為1，各控制點(diǎn)相對(duì)原始狀態(tài)的振動(dòng)速度見(jiàn)表7，對(duì)比柱狀圖見(jiàn)圖9。

從圖9可以看出，三個(gè)方案對(duì)比，方案A效果最好，在每一個(gè)控制點(diǎn)上都實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)速度下降，且降幅明顯，方案B次之，基本上都實(shí)現(xiàn)了減振的目的，但降低的幅度不大，方案C最差，有一半的控制點(diǎn)加固后反而振動(dòng)加大了。

表6 C方案中間層典型控制點(diǎn)豎向振動(dòng)速度Tab.6 Vertical vibration speed of control points at Middle level of scheme C

3.3 討論

（1）從模型計(jì)算結(jié)果和廠房實(shí)際運(yùn)行狀況來(lái)看，在振動(dòng)荷載的作用下，廠房結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等主要承力構(gòu)件并未出現(xiàn)承載能力極限狀態(tài)的破壞征兆，由此判斷廠房結(jié)構(gòu)目前是安全的。但是，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和模型計(jì)算結(jié)果均表明局部廠房結(jié)構(gòu)（尤其是施工縫附近的梁）確實(shí)存在正常使用極限狀態(tài)下的混凝土裂縫問(wèn)題，如果得不到及時(shí)、有效的解決，將會(huì)對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生不利的影響，并有可能加劇構(gòu)件的疲勞損傷。

（2）模型計(jì)算結(jié)果表明，只有方案A對(duì)結(jié)構(gòu)具有比較明顯的減振效果。但該方案實(shí)施難度大，施工干擾大，質(zhì)量不易保證，很可能會(huì)對(duì)廠房結(jié)構(gòu)整體性、靜力特性和動(dòng)力特性造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，因此在現(xiàn)階段不建議采用。

表7 控制點(diǎn)振動(dòng)速度折算表Tab.7 Vibration speed table of control point

圖9 控制點(diǎn)各加固方案效果對(duì)比圖Fig.9 Effect contrast diagram of reinforcement schemes at control points

（3）方案B對(duì)廠房原結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響很小，但能夠降低結(jié)構(gòu)縫處梁柱的振動(dòng)，平均降幅為13.43%，且施工簡(jiǎn)便易行，建議現(xiàn)階段采用。

（4）方案C從模型計(jì)算效果上看不具有降低振動(dòng)的效果，在某種程度上說(shuō)甚者起了反作用。

綜上所述，根據(jù)廣州抽水蓄能電廠A廠廠房的實(shí)際狀況，建議結(jié)構(gòu)抗振加固應(yīng)本著先易后難的原則，優(yōu)先考慮方案B，在最不利的情況下，還可以退一步選擇其他方案進(jìn)行彌補(bǔ)。如果一開(kāi)始就選擇比較根本性的方式，如方案A，一旦出現(xiàn)施工質(zhì)量問(wèn)題，將造成結(jié)構(gòu)不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

[1] SL 266—2001水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.SL 266—2001 Code for Design of Powerhouse of Hydropower Station[S].Beijing ： China Water Conservancy and Hydropower Press，2001.

[2] 朱伯芳.論混凝土壩抗震設(shè)計(jì)與計(jì)算中混凝土動(dòng)態(tài)彈性模量的合理取值[J].水利水電技術(shù)，2009，40（11）.ZHU Bofang.Reasonable Values of Dynamic Modulus of Elasticity of Concrete in Seismic Design and Calculation of Concrete Dams[J].Water Conservancy and Hydropower Technology，2009，40（11）.

[3] 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.廣州抽水蓄能電站A廠主廠房結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)和加固改造方案研究專題報(bào)告[R].2010.Guangdong Water Conservancy and Electric Power Survey and Design Institute.Special Report on Structural Evaluation and Reinforcement Scheme of Main Building of A Station of GPSPS[R].2010.

[4] 武漢大學(xué)，廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.廣州抽水蓄能電站A廠結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析評(píng)估及整體結(jié)構(gòu)加固改造方案研究[R].2010.Wuhan University，Guangdong Water Conservancy and Electric Power Survey and Design Institute.Static and Dynamic Analysis and Evaluation of the Structure of Main Building of A Station of GPSPS and Research on the Reinforcement and Reconstruction of the Whole Structure[R].2010.

[5] 廣州大學(xué)工程抗振研究中心.廣州蓄能水電廠A廠振動(dòng)測(cè)試分析報(bào)告 [R].2010.Research Center of Engineering Vibration Control，Guangzhou University.Vibration Test Analysis Report of Main Building of A Station of GPSPS[R].2010.

[6] 陳婧，馬震岳.水電站廠房振動(dòng)和裂縫問(wèn)題的研究與治理[J].水利水電技術(shù)，2009，40（7）.CHEN Jing，MA Zhenyue.Research and Management of Vibration and Crack in Powerhouse of Hydropower Station[J].Water Conservancy and Hydropower Technology，2009，40（7）.

[7] 奚鳴.工程振動(dòng)問(wèn)題的治理及實(shí)例.工業(yè)建筑[J].2005，35（增刊）.XI Ming.Engineering Vibration Problems and Examples of Governance[J].Industrial Construction，2009，35（volume supplement）.

[8] 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.抽水蓄能電站混凝土面板及巖壁吊車梁防裂技術(shù)研究報(bào)告[R].2011.China Water Resources and Hydropower Research Institute.Study Report on Crack Prevention Technology of Concrete Face Slab and Rock Wall Crane Beam in Pumped Storage Power Station[R].2011.

[9] 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.廣州抽水蓄能電站A廠主廠房結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)與加固方案設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2012.Guangdong Water Conservancy and Electric Power Survey and Design Institute.Report on Structural Evaluation and Reinforcement Design of Main Building of A Pumped Storage Power Station in Guangzhou[R].2012.

[10] 華丕龍，呂小彬.廣州蓄能水電廠A廠地下廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析 [J].廣東水利水電，2015（10）34-39.HUA Pilong，LV Xiaobin.Vibration Characteristics Analysis of Underground Powerhouse of A Plant of Guangzhou Pumped Storage Power Plant [J].Guangdong Water Conservancy and Hydropower，2015 （10） 34-39.

[11] 蘇鵬力，華丕龍.廣州抽水蓄能電站A廠地下廠房結(jié)構(gòu)檢測(cè)與加固方案設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電，2016（9）64-67.SU Pengli，HUA Pilong.Guangzhou Pumped Storage Power Station A Plant Underground Powerhouse Structure Detection and Reinforcement Design[J].Hydroelectric Power，2016（9）64-67.

Vibration Characteristics of the Structure of the Underground Powerhouse of the A plant in GPSPS

HUA Pilong1，HE Tao2，SU Pengli2
（1.CSG Power Generation Company Overhaul and Testing Center，Guangzhou 511440，China；2.CSG Power Generation Company GuangZhou Pumped Storage Power Station，Guangzhou 510950，China）

The 3D finite element model of the A plant is established by using SAP2000，and the vibration characteristics and dynamic response are analyzed.Characteristic analysis indicates that the plant has defects of low order vibration and the forced vibration frequency stagger pier; response analysis shows that in some conditions exist to respond to the problem of excessive，under the combined stresses easily cracking of the structure，but there is no hinder to the safety of the structure.

Vibration characteristics; SAP2000; mass participation coefficient; dynamic response

TV32

A學(xué)科代碼：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.012

2017-06-05

2017-07-15華丕龍，（1974—），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事水電廠水工管理工作。E-mail：403191577@qq.com