水電站廠房結(jié)構(gòu)自振特性與止水優(yōu)化分析

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(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010； 2.長江水利委員會 長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010)

水電站廠房結(jié)構(gòu)自振特性與止水優(yōu)化分析

李玉婕1，趙世英2，羅榮1

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010； 2.長江水利委員會 長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010)

2017,34(12):122-125

水電站地面式廠房發(fā)電機層以上的墻柱通常是受振動影響最大的部位，為了研究廠房上部結(jié)構(gòu)的連接方式和止水布置位置對結(jié)構(gòu)的受力特性的影響，以某電站廠房為例，采用ANSYS軟件，建立廠房上部的墻柱結(jié)構(gòu)有剛度較大的鋼架連接和無鋼架連接2種模型，分析其對結(jié)構(gòu)自振的影響?；谠O(shè)計推薦方案，研究止水結(jié)構(gòu)對廠房受力特性的影響，分別在2個具有代表性的工況下進(jìn)行論證分析。計算成果表明：將廠房上部結(jié)構(gòu)用鋼架連接成整體后，對結(jié)構(gòu)的振動特性影響總體有利，但改善幅度不明顯；止水位置對蝸殼部位的受力特性影響較為顯著。上述研究成果可為水電站廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計與止水受力優(yōu)化提供有益參考。

廠房結(jié)構(gòu)；數(shù)值仿真；自振特性；止水結(jié)構(gòu)；受力優(yōu)化

1 研究背景

隨著我國西部大開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，越來越多的大型水電站正在建設(shè)或已經(jīng)建成，廠房結(jié)構(gòu)的振動問題也一直是關(guān)注熱點，尤其對于大型廠房結(jié)構(gòu)，更要確保避免因結(jié)構(gòu)振動造成的危害[1-5]。地面廠房建于河床或河岸上，既要滿足發(fā)電設(shè)備的尺寸要求，也要避免外部一些不確定因素的干擾，因此通常將廠房做成封閉結(jié)構(gòu)，頂部一般用鋼筋板或鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接遮蓋?？紤]到廠房頂部的墻柱混凝土結(jié)構(gòu)剛度相對較低，用頂棚將其連接，可能會對廠房結(jié)構(gòu)的自振特性造成一定影響。同時，在廠房設(shè)計中，止水結(jié)構(gòu)的布置也較為靈活，止水結(jié)構(gòu)的設(shè)置也可能會對結(jié)構(gòu)受力特性產(chǎn)生一定影響。本文以一大型水電站廠房結(jié)構(gòu)為研究對象，通過分析設(shè)置的各種對比方案，對上述2個問題進(jìn)行研究，以明確其對廠房結(jié)構(gòu)的影響程度，服務(wù)于實際工程。

2 工程概況

該水電站廠房結(jié)構(gòu)尺寸為105.8 m×40.2 m×94.1 m(長×寬×高)，共有4臺機組，采用一機一縫布置。水庫正常蓄水位1 022 m，電站裝機容量560 MW，多年平均發(fā)電量為25.07億kW·h，機組額定工況下轉(zhuǎn)速為60 r/min。廠房結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1廠房結(jié)構(gòu)布置

Fig.1Layoutoftheplantstructure

3 廠房頂部棚架鋼結(jié)構(gòu)對機組自振特性的影響分析

對于水電站地面廠房，發(fā)電機層以上的混凝土結(jié)構(gòu)主要包括上下游的墻體及支撐柱。與下部蝸殼部位大體積混凝土相比，此部分結(jié)構(gòu)剛度較低，受外界激勵振動影響最大，是水電站廠房的薄弱部位。在本工程中，頂部的鋼制棚架結(jié)構(gòu)與廠房墻柱體之間的連接方式有2種:一種是將頂部鋼制棚架結(jié)構(gòu)擱置于頂部牛腿之上，與上下游頂部墻柱結(jié)構(gòu)無連接，上下游墻柱仍是獨立結(jié)構(gòu)；另一種是將上下游墻柱結(jié)構(gòu)在頂部用鋼制棚架連接，使上下游墻體連為一體。在設(shè)計中考慮多方面因素之后，最終設(shè)計為第1種方案。不同的連接方式會對水電站廠房結(jié)構(gòu)的自振特性產(chǎn)生影響，鑒于此情況，借助于有限元數(shù)值模擬方法，對鋼制棚架與頂部墻柱體的連接方式進(jìn)行討論，驗證設(shè)計方案的合理性。

3.1 初始條件

根據(jù)該水電站廠房的實際尺寸，建立三維有限元模型，計算模型包含進(jìn)口攔污柵混凝土、蝸殼混凝土、座環(huán)、尾水管混凝土,以及副廠房等結(jié)構(gòu)，所有的樓板、梁、柱、風(fēng)罩和開孔等結(jié)構(gòu)均按實際尺寸模擬，大部分使用六面體實體單元。水電站廠房屬于一機一縫結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取3#機組進(jìn)行分析，對結(jié)構(gòu)的自振分析設(shè)置2種方案：一是上下游墻柱結(jié)構(gòu)相對獨立，如圖2(a)所示；二是將上下游墻柱結(jié)構(gòu)在頂部用鋼架連接，鋼架與墻柱結(jié)構(gòu)共節(jié)點，如圖2(b)所示。2種方案中，模型順?biāo)鞣较虻姆秶◤S房及其上下游1.5倍廠房跨度范圍內(nèi)的圍巖，圍巖側(cè)向邊界施加法向約束；模型豎直方向考慮廠房底部1倍廠房跨度的圍巖，圍巖底部邊界施加全約束；沿橫河向由于縱縫的存在，機組之間設(shè)為自由邊界。

(a)不考慮廠房頂部的棚架結(jié)構(gòu) (b)考慮廠房頂部的棚架結(jié)構(gòu)

圖22種方案廠房結(jié)構(gòu)有限元計算模型

Fig.2Finiteelementmodelsofplantstructureintwocases

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行自振分析時，機組構(gòu)件如上下游門機、橋機以及水輪機等的質(zhì)量是不能忽略的，方案1中計算模型中相應(yīng)的位置(上下游門機處、巖錨梁位置，以及定子基礎(chǔ)和下機架基礎(chǔ))用質(zhì)量單元(MASS21)模擬其影響，鋼架結(jié)構(gòu)以質(zhì)量單元形式施加在牛腿上。計算時采用ANSYS軟件分塊Lanczos迭代法提取2種方案的前10階自振頻率，并觀察各方案各階振型特征。

3.2 成果分析

將設(shè)置的2種方案廠房整體結(jié)構(gòu)前10階自振頻率列入表1。

對2種方案自振頻率和各階頻率對應(yīng)的振型分析，可見方案1(頂部未用鋼架連接)的廠房前10階自振頻率在2.85～8.23 Hz之間，方案2(頂部鋼架連接)的前10階自振頻率在2.85～9.23 Hz之間，2種方案的第1階自振頻率相同，第2階至第5階自振頻率相差0.5 Hz左右，從第6階開始兩者相差1～2 Hz，自振頻率較為接近。對比2種方案的自振振型，第1階自振頻率對應(yīng)的振型均為廠房整體結(jié)構(gòu)的橫河向振動，這也與2種方案的第1階自振頻率相同所對應(yīng)。從第2階自振開始，方案1的振型主要是發(fā)電機層以上的上下游墻體結(jié)構(gòu)依次獨立振動，而方案2因為將上下游墻體結(jié)構(gòu)用鋼架連接，使上下游頂部結(jié)構(gòu)連為一體，振型多表現(xiàn)為兩者的共同振動，也使得結(jié)構(gòu)的自振頻率有所提高，但提高幅度不大。

表1 2種方案廠房整體結(jié)構(gòu)的前10階自振頻率

總的來說，相對廠房下部大體積混凝土而言，上部的墻柱結(jié)構(gòu)剛度較低，振動主要集中在該部位。具體分析設(shè)置的2種方案，因為方案2頂部鋼架結(jié)構(gòu)的連接作用，廠房整體的自振頻率有所提高，但提高幅度較小。綜合考慮其他方面因素，選擇頂部鋼制棚架與廠房混凝土結(jié)構(gòu)相互獨立方案是可行的。

4 止水的布置對廠房結(jié)構(gòu)的影響

對于河床式水電站廠房，止水的位置具有很大的靈活性，不同的止水位置對于廠房結(jié)構(gòu)受靜水壓力作用的大小和范圍都有較大影響，從而導(dǎo)致廠房結(jié)構(gòu)的受力情況有較大差異，尤其對蝸殼部位的混凝土受力影響最大。《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL 191—2008)[6]也指出“止水的位置應(yīng)能使廠房結(jié)構(gòu)的受力更有利”。本工程選擇正常運行工況和檢修閘門關(guān)閉這2種工況下不同止水位置作了方案比較：方案1止水位置較高，如圖3(a)；方案2將止水的位置降低到水輪機安裝高程，如圖3(b)所示。

4.1 初始條件

在正常運行工況下，上游水位1 022.00 m，相應(yīng)下游水位1 016.10 m；在檢修閘門關(guān)閉工況下，上游水位1 022.00 m，下游水位995.15 m。除水壓力的作用之外，上下游頂部的門機以及橋機的自重荷載，定子基礎(chǔ)和下機架基礎(chǔ)位置的發(fā)電機和水輪機的自重荷載，均以集中力施加在相應(yīng)位置，揚壓力按《水電站廠房設(shè)計規(guī)范》(SL 266—2014)[4]第3.2.6條第2項規(guī)定計算，按照原設(shè)計方案，采用鋼架搭接在廠房頂部，鋼架質(zhì)量以集中質(zhì)量施加在響應(yīng)節(jié)點上。

(a)止水設(shè)置方案1 (b)止水設(shè)置方案2

圖3止水位置布置

Fig.3Locationsofwatersealingstructure

當(dāng)機組處于正常運行工況下時，除受豎向荷載作用外，由于蝸殼和尾水管內(nèi)充水，混凝土結(jié)構(gòu)將受到流道內(nèi)部靜水壓力的作用而產(chǎn)生變形和拉應(yīng)力；當(dāng)機組處于檢修閘門關(guān)閉工況時，蝸殼流道內(nèi)未充水，結(jié)構(gòu)不受內(nèi)水壓力作用。由受力情況初步分析可知，止水位置的改變對蝸殼外圍混凝土的影響較大，故本文對該問題進(jìn)行重點研究。

4.2 正常運行工況蝸殼混凝土受力分析

在機組正常運行工況下廠房結(jié)構(gòu)受內(nèi)水壓力作用以及豎向荷載作用，蝸殼部位的左右邊墻有向外變形的趨勢，即會在頂板和底板與蝸殼外墻交匯處部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，同時由于止水的設(shè)置，邊墻外側(cè)會受到下游靜水壓力的作用，這部分作用會對蝸殼處混凝土的受力產(chǎn)生一定影響。圖4為正常運行工況下蝸殼進(jìn)水口處的拉應(yīng)力云圖。

(a)方案1 (b)方案2

圖4設(shè)計水位工況下蝸殼部位最大拉應(yīng)力云圖

Fig.4Maximumtensilestressofvoluteindesignwaterlevelconditions

從圖4中可以看出：2種方案蝸殼混凝土的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，較大拉應(yīng)力出現(xiàn)在蝸殼進(jìn)水口處的底板和頂板與邊墻接觸部位。方案1最大拉應(yīng)力為0.81 MPa，方案2的最大拉應(yīng)力為1.48 MPa。由此分析可知，方案1由于止水位置布置較高，蝸殼邊墻外側(cè)都受到下游水壓力的作用，從而可以抵消一部分內(nèi)水壓力，減小底板與邊墻之間的拉應(yīng)力。所以在正常運行工況下，方案1止水的布置對蝸殼受力特性更為有利。

4.3 檢修閘門關(guān)閉工況蝸殼混凝土受力分析

當(dāng)廠房結(jié)構(gòu)處于檢修閘門關(guān)閉工況下，蝸殼和流道內(nèi)無水，將不會受到內(nèi)水壓力的作用，而外部仍受到下游靜水壓力作用。圖5為檢修閘門關(guān)閉工況下蝸殼處混凝土拉應(yīng)力云圖。對比分析2種方案，拉應(yīng)力主要分布在蝸殼頂板和底板位置，且最大拉應(yīng)力較小，最大值分別為0.93 MPa和0.98 MPa，相差不大。

(a)方案1 (b)方案2

圖5檢修工況下蝸殼部位最大拉應(yīng)力云圖

Fig.5Maximumtensilestressofvoluteinmaintenanceconditions

5 結(jié) 論

通過對某地面式水電站廠房結(jié)構(gòu)自振特性及廠房止水的布置位置進(jìn)行了研究分析，得出以下結(jié)論：

(1) 在分析水電站廠房的自振特性中，廠房發(fā)電機層以上結(jié)構(gòu)較容易產(chǎn)生振動而損害，屬于薄弱部位。將上下游的墻柱結(jié)構(gòu)通過鋼架連接雖可以提高結(jié)構(gòu)的自振頻率改善整體結(jié)構(gòu)的受力，但作用較小，對該廠房仍采取原設(shè)計方案，對上下游墻柱結(jié)構(gòu)未采用鋼架連接。

(2) 在對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時，止水的設(shè)置對結(jié)構(gòu)的受力特性有較大的影響，可以較好地改善結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力條件，有利于蝸殼大體積混凝土的配筋，有很大的經(jīng)濟(jì)意義和工程意義，要以廠房整體結(jié)構(gòu)在不同工況下最為有利為原則進(jìn)行布置。

[1] 馬震岳，宋志強，徐 偉，等.水電站廠房機組動荷載施加方式研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2009，28(5)：200-204.

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[3] 張宏戰(zhàn)，相昆山，馬震岳. 機組振動荷載作用下大型水電站廠房振動反應(yīng)分析[J]. 水利與建筑工程學(xué)報，2011，9(5)：41-44，53.

[4] SL 266—2014，水電站廠房設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2014：34-35.

[5] 顧鵬飛，喻遠(yuǎn)光. 水電站廠房設(shè)計[M]. 北京：水利電力出版社，1987：149-150.

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Structural Free Vibration and Water Sealing Optimization ofPowerhouse in Hydropower Plants

LI Yu-jie1, ZHAO Shi-ying2, LUO Rong1

(1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

Wall and column structures above the generator layer are primary concerns for studying structural vibration issues of ground powerhouses in hydropower plants. In this article, the influences on free vibration characteristics of a powerhouse when the wall and column structures are connected by steel frames with large stiffness are studied. Furthermore, the influences of sealing structures on stress distribution of powerhouse structures are also studied with design schemes in ANSYS models. The calculation results show that connecting the wall and column structures with steel frames is favorable for the overall vibration characteristics of powerhouse. But the improvement is not remarkable. On the other hand, the position of sealing structures significantly affects the stress distribution, especially stress distribution of volute concrete, of powerhouse structures under designed working loads. These findings provide useful references for the structural design and sealing structure optimization of powerhouses in hydropower plants.

powerhouse structure; numerical simulation; free vibration characteristic; sealing structure; stress optimization

10.11988/ckyyb.20160802

2016-08-10；

2016-08-30

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51409013)；長江科學(xué)院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目(CKSF2017014/YT，CKSF2016045/YT,CKSF2016038/YT)

李玉婕(1987-)，女，河南溫縣人，工程師，碩士，主要從事巖土工程和廠房結(jié)構(gòu)分析工作，(電話)027-82926046(電子信箱)magicbunny@163.com。

O319.56

A

1000-6915(2017)12-0122-04

(編輯：占學(xué)軍)