三河口水利樞紐廠房安裝間結構布置與設計的安全性分析

薛一峰，程漢鼎，何 嵐，張家旗

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001；西安理工大學，陜西 西安 710048)

三河口水利樞紐位于陜西省佛坪縣與寧陜縣交界的子午河中游狹谷段，工程包括水庫工程、泵站工程、電站工程、壩后連接洞工程4部分[1]。攔河壩為碾壓混凝土拱壩，壩后泵站設計抽水流量18m3/s。三河口水利樞紐處于秦嶺山區(qū)，是具有供水抽水發(fā)電等多功能的調(diào)節(jié)性水庫，工程運行條件極其復雜[2- 3]。因此，其電站廠房定位二級建筑物，防洪標準50年設計，200年校核。廠房的安裝間是安裝和檢修機組主要部件的場所。廠房的機電設備運抵三河口水利樞紐后，需要在安裝間進行卸車、組裝。另外，在電站運行、主機組大修時，也需要將其放在安裝間，一般情況下，大修1臺機組需要1個月左右[4]。綜上所述，安裝間對廠房施工進度及運行管理有極大影響，對廠房安裝間的布置和結構設計開展定量分析非常重要。

廠房安裝間結構設計時，主要考慮四大件：發(fā)電子轉(zhuǎn)子發(fā)電機上機架水輪機轉(zhuǎn)輪水輪機頂蓋，其中發(fā)電機轉(zhuǎn)子需要在安裝間進行組裝和修理，安裝間樓板相應位置要開比大軸法蘭稍微大一些的檢修孔[5- 7]。因此，此處結構安全需要重點分析。

洪振偉[8]對梨園水電站廠房開展三維有限元分析，驗證了廠房結構的安全性。黃炳照[9]對小型水電站廠房如何布置開展了探討。張捷[10]對維捷布斯克水電站廠房布置及結構設計特點進行了介紹。徐嵐[11]對厄瓜多爾TP水電站安裝間板梁修復開展了驗證分析。呂忠良[12]針對小型水電站廠房安裝間的設計開展了研究，認為應該對荷載最大的安裝間樓板開展分析，優(yōu)化其結構體系。但以上均為定性分析，認為安裝間結構需要在考慮安全性基礎上合理布置和設計，未針對安裝間結構設計形式的安全性開展定量分析。

本文擬以三河口水利樞紐廠房安裝間為研究對象，研究其結構布置和設計的安全性，運用三維有限元方法針對安裝間底板、框架結構和轉(zhuǎn)子檢修孔邊結構開展仿真分析，提出新型設計形式，驗證安裝間結構設計的安全性，以期為廠房安裝間的結構安全設計提供技術參考。

1 有限元原理

采用大型的有限元通用程序ANSYS，基于彈性力學變分原理建立彈性力學問題有限單元表達格公式[13]。通過構建單元剛度方程，獲取所有單元計算點的剛度矩陣，通過確定位移的邊界條件，構建總體剛度方程。通過迭代法，求解方程組，獲取各單元對應的應變和應力及其變化過程[14]。本文僅對單元剛度矩陣和整體剛度矩陣的形成以介紹。

1.1 單元剛度方程

節(jié)點位移u與單元應變的關系式：

{ε}=[B]{u}e

(1)

幾何矩陣B：

[B]=[L][N(ξi)]

(2)

其中[N(ξi)]為形函數(shù)矩陣。

節(jié)點位移u與單元應力的關系式：

{σ}=[D]{ε} =[D][B]{u}e

(3)

將虛功方程運用于單元，設相鄰單元對該單元作用的節(jié)點力為{f}e。節(jié)點虛位移{δu}e可表征單元虛位移{δu} 和單元虛應變{δε}，則該單元平衡方程：

(4)

設

(5)

將(3)代入上式，便得單元剛度方程：

[k]e{u}e={f}e+{q}e

(6)

其中單元剛度矩陣：

(7)

1.2 總體剛度方程

單元節(jié)點位移向量u和總體節(jié)點位移向量U之間的關系：

{u}e=[A]e{U}

(8)

由式(4)、(5)和(8)，可得

(9)

令

(10)

(11)

則總體平衡方程如下：

(12)

由式(10)和式(11)，可得

{σ} =[D][B][A]e{U}

(13)

將式(13)代入式(12)獲取總體剛度方程：

[K]{U}={P}

(14)

其中總體剛度矩陣：

(15)

2 三河口水利樞紐廠房安裝間

2.1 工程概況

三河口水利樞紐具有工程具有供水、調(diào)蓄、發(fā)電功能。工程包括水庫工程、泵站工程、電站工程、壩后連接洞工程 4 部分(如圖1所示)[15- 17]。其中電站總裝機 64 MW，廠房由 2 臺常規(guī)機組與 2 臺雙向機組組成。電站工程具有抽水(向水庫補水)和發(fā)電(向關中地區(qū)供水)兩種運行情況：泵、電站合用1個廠房、1套輸水系統(tǒng)，選用2臺12MW可逆式水泵水輪機組(單臺抽水設計流量9m3/s)適應抽水和發(fā)電兩種功能，另外設置2臺20MW常規(guī)水輪發(fā)電機組(單臺設計流量23m3/s)，總裝機64 MW[18]。在安裝間上游側(cè)布置有供水閥室，閥室內(nèi)布置2臺DN2000減壓調(diào)流閥，并設1臺32/5t橋式起重機，單獨用于閥室內(nèi)工作。

圖1 三河口水利樞紐樞紐布置圖

三河口水利樞紐廠房建筑物級別為2級，安裝間在主廠房左側(cè)，錯層布置，地面高程為542.50m。安裝間尺寸28.0m×16.0m，進廠大門設在安裝間左側(cè)，大門尺寸6m×7.5m(寬×高)。安裝間下部532.4～538.60m高程布置油庫、油處理室和空壓機室。三河口電站廠房安裝間模型如圖2所示。

圖2 三河口水利樞紐電站廠房安裝間模型

三河口水利樞紐廠房基礎置于微新巖體，巖石飽和抗壓強度Rb=82～85MPa，巖體基本質(zhì)量級別為Ⅱ級，承載力標準值fk= 3.0MPa。

三河口水利樞紐廠房安裝間結構布置如下：安裝間位于主廠房下游側(cè)，為了與廠外交通銜接，與主機間錯層布置。安裝間尺寸22.5m×18.0m。安裝間下部布置水機副廠房和空壓機室。安裝間與主機間、主變室、供水閥室間皆設永久縫，建筑物結構獨立，受力明確。三河口電站機組采用上拆檢修方式，廠內(nèi)設1臺QD75/20T橋式起重機。安裝間平面布置如圖3—4所示。

圖3 安裝間下層結構布置圖(單位：mm)

圖4 安裝間上層結構布置圖(單位：mm)

2.2 廠房安裝間結構安全性分析

在已建工程中，廠房樓板結構大致可分為兩類[19]，一類是如國內(nèi)十三陵電站等采用的厚板結構，另一類是傳統(tǒng)的板梁組合結構。厚板結構具有顯而易見的施工方便、各層頂板電纜橋架布置靈活等優(yōu)點，而梁板結構通常會影響電氣設備的有效使用空間[20]；此外，在結構振動特性方面，厚板結構一般比梁板結構更具優(yōu)勢，因為在具有與板梁結構相同靜力剛度的前提下，其振動頻率略高于板梁結構的頻率，這對防止共振的發(fā)生是有效的。由于安裝間結構完全獨立，其承擔的主要動力作用為設備或檢修件的沖擊荷載，相較主機間結構承受機組振動作用的影響，改善其動力特性意義不大。但考慮吸取厚板結構施工方便的優(yōu)點，并在一定程度上增大結構剛度，三河口水利樞紐廠房安裝間結構設計采用中厚板+主梁(不布置次梁)型式，中厚板與邊墻之間增強聯(lián)結，即二者一起澆筑使它們形成整體，孔洞周邊無集中荷載作用時采用暗梁加強方式予以處理。轉(zhuǎn)子檢修孔邊的樓板一般均承受較大的集中荷載，對此設計采用中厚板+圈梁的型式處理。運用三維有限元方法針對安裝間底板、框架結構和轉(zhuǎn)子檢修孔邊結構的新型設計形式開展仿真分析，驗證安裝間結構設計的安全性。

2.2.1安裝間底板結構

(1)構建模型

安裝間底板承受上部傳遞下來的全部荷載，其傳遞路徑為牛腿柱+梁板及樓面→安裝間外墻+框架柱→底板→基巖，樓板與框架柱、外墻剛性連接。因此，自上而下取牛腿柱、安裝間整體結構建立三維有限元模型。邊界條件為：底面按固定約束，側(cè)面因設有結構縫，不設約束。模型中安裝間基礎單元大小為0.5m，梁板柱墻等構件單元大小為0.2m。運用三維有限元方法對安裝間底板仿真分析，驗證安裝間底板結構設計的安全性。

(2)荷載工況

檢修工況，安裝間承受最大荷載，且模擬全負載吊車運行到對基礎底板結構最不利的跨段時。

(3)荷載種類：①結構自重；②設備自重；③土壓力；④揚壓力。

(4)靜力計算分析

圖5 安裝間底板大主應力分布及破壞圖(單位：MPa)

圖6 安裝間底板大主應力分布及變形圖(單位：MPa)

圖7 安裝間底板主應力分量S33分布圖(單位：MPa)

圖8 安裝間底板主應力分量S22分布圖(單位：MPa)

圖9 安裝間底板主應力分量S11分布圖(單位：MPa)

圖10 安裝間全局模型大主應力分布及變形圖(單位：MPa)

從圖5—圖10的計算結果可以發(fā)現(xiàn)，安裝間底板混凝土除上游側(cè)吊物孔角部應力超限外，混凝土破壞主要發(fā)生于位置較高且厚度相對較薄的支承外墻部位，大主應力最大值出現(xiàn)在該位置底板上緣中部，數(shù)值為3MPa拉應力，最小值出現(xiàn)在相鄰安裝間外墻下部，其值為0.93MPa壓應力。分析整體模型可知，安裝間通往主機間一側(cè)由于開口設柱，其剛度遠小于外墻，上部荷載主要通過其它三面墻向下傳遞，而上部吊車行程及安裝間外墻下較薄的底板混凝土厚度顯然成為該部位應力較大的主要原因。

從以上三維計算結果來看，本次安裝間底板三維計算成果符合該廠房受力規(guī)律，同時從計算結果可以看出，底板下部主要受壓，上部因變形產(chǎn)生較小拉應力，而主控部位應為外墻下底板外緣中部。

采用[21]SL191—2008《水工混凝土結構設計規(guī)范》中的拉應力圖形法對該部位結構進行配筋算得單寬范圍內(nèi)所需配置主筋的面積為2742mm2，而根據(jù)底板最小配筋率換算所需面積為2123mm2/m，因此實配鋼筋選用28@200(面積3079mm2/m)，鋼筋順長按上下游方向擺放，沿進出水方向等間距布置。

因此，安裝間底板結構的安全可通過配置鋼筋[22]滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計要求。

2.2.2安裝間框架結構

(1)框架結構布置

安裝間框架體系為兩層結構，包括安裝間層板梁及支承柱以及空壓機室層板梁及支撐柱，下層板厚300mm，樓板上有2個3.975m×1.8m吊物孔、1個3.7m×1.2m樓梯孔和1個1m×1m通風孔，轉(zhuǎn)子支墩從下層穿過樓板，二者固結為一體，梁截面尺寸統(tǒng)一為350mm×700mm，梁最大跨度5.7m垂直水流方向布置；上層板厚400mm，樓板上有2個3.9m×1.8m吊物孔、1個3.75×1.2m樓梯孔和1個直徑1.35m檢修孔，梁截面尺寸統(tǒng)一為500mm×1300mm，梁最長跨5.7m和次長跨5.55m垂直水流方向布置于上游側(cè)的兩跨，該兩跨相連的部位在框架柱兩側(cè)各設置0.3m×1m(厚×長)剪力墻一道；框架柱截面尺寸800mm×800mm，下層共設置4根，上層共設置8根，上、下游側(cè)2排柱分別坐落在安裝間底板和側(cè)墻上。該兩層框架體系上層與牛腿柱相連，承受上部結構傳下來的荷載。

(2)三維仿真計算

安裝間框架三維模型如圖11，由于安裝間通往主機間一側(cè)的剛度較另一側(cè)小，在安裝間層樓面檢修荷載作用下，在梁上會產(chǎn)生較大的彎矩和扭矩，不利于結構安全以及框架整體的變形協(xié)調(diào)。為改善該部位梁的受力條件，設計在安裝間上層跨度最大的兩跨梁端設置兩段剪力墻，分別與框架柱兩側(cè)固結，墻頂則與梁底固結。分析圖12—15計算結果可見，安裝間框架梁系內(nèi)力分布較為合理，滿足結構設計要求。該結構布置的框架柱計算符合常規(guī)，此處不再贅述。

圖11 安裝間框架三維模型

圖12 下層梁截面設計彎矩包絡圖(單位：kN·m)

圖13 下層梁截面設計剪力包絡圖(單位：kN)

圖14 上層梁截面設計彎矩包絡圖(單位：kN·m)

圖15 上層梁截面設計剪力包絡圖(單位：kN)

2.2.3轉(zhuǎn)子檢修孔邊結構

(1)模型建立

轉(zhuǎn)子檢修孔邊由于受檢修設備的集中荷載作用，孔邊按前述設計原則需設置圈梁。為分析圈梁及其周邊結構的受力條件并配筋，取安裝間層板梁柱(包括剪力墻)結構單獨建立三維有限元模型。邊界條件為：梁柱(墻)端與板端按固定約束，設置結構縫的構件側(cè)面和板面自由。

(2)荷載工況

圈梁結構設計按承受檢修設備最重件的自重考慮，經(jīng)與安裝間層樓面荷載比較略小于樓面荷載，計算中仍統(tǒng)一按樓面荷載大小取值。

(3)靜力計算分析

由圖16—17計算結果表明，在檢修工況的最不利荷載作用下，采用中厚板+圈梁(不設次梁)的結構型式，通過調(diào)整圈梁的截面尺寸，可控制破壞范圍僅發(fā)生在圈梁上而不會危及與之相連的樓板，圈梁上的內(nèi)力可通過配筋承擔，可見其設計體型尺寸較為合理。分析可知，由于上部檢修設備自重即集中荷載作用范圍較大，圈梁截面只能考慮寬矮型，若設置過高的圈梁而不設次梁，其對相鄰樓板會產(chǎn)生較大不利影響，檢修荷載作用在圈梁上難以保證相鄰板結構的安全。因此，為簡化梁格布置，本設計中對圈梁的截面尺寸做了多次優(yōu)化計算，得到了以上最終成果。

圖16 結構底面大主應力分布及破壞圖(單位：MPa)

3 結語

(1)針對傳統(tǒng)梁板式結構復雜的問題，提出了中厚板+主梁結構設計型式。分別對底板和框架結構開展三維有限元分析，發(fā)現(xiàn)混凝土破壞發(fā)生在厚度相對薄的支承外墻，大主應力最大值出現(xiàn)在底板上緣中部，最小值出現(xiàn)在相鄰安裝間外墻下部，框架梁系內(nèi)力分布較為合理，滿足結構設計要求。

(2)針對轉(zhuǎn)子檢修孔邊樓板承受較大集中荷載，提出中厚板+圈梁結構型式。開展三維有限元分析，發(fā)現(xiàn)破壞范圍在圈梁上，不危及與之相連的樓板，驗證了轉(zhuǎn)子檢修孔邊結構設計的安全性。

還需考慮運行期等特殊工況的結構應力和變形分析，本研究仍有進一步優(yōu)化空間。